大秦线HXD1型机车自动驾驶系统设计

张 涛1，谢振峰1，黄轩滔，付 金

(1. 中国铁路太原局集团有限公司，山西 太原 030013；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

自动驾驶技术目前主要应用在城市轨道交通领域，应用形式为有人值守的自动驾驶或全自动驾驶。在国内重载铁路货运运输领域，沈阳铁路局、西安铁路局、神朔铁路分公司等多个单位均对自动驾驶技术进行了应用研究。

大秦线HXD1型机车运行线路环境复杂，重载列车编组较长、载重大、司机操作难度和强度大且操作方法不一致，列车运行的安全性和平稳性有待提高。本文提出的大秦线HXD1型机车自动驾驶系统，能够有效降低大秦线铁路机车司乘人员操作强度，提升机车运行安全及可靠性，降低运行设备故障率，降低能耗，提升铁路的运行效益。

1 系统设计原则及目标

1.1 总体设计原则

1)系统所有功能在机车原安全控制逻辑和安全监控设备的防护功能不变的情况下实现。

2)系统须在司机值守下运行。

3)司机操作权限优先于系统。

4)系统设计遵循“故障导向安全”。

1.2 设计目标

1)平稳控制：系统控制列车运行期间避免车钩间隙剧烈变化，产生较大冲动，确保整列运行的稳定性。

2)减少司机操纵频率和劳动强度。

3)节能：系统能够充分利用线路条件，提高列车运行的节能性。

2 机车自动驾驶系统

2.1 系统组成

大秦线HXD1型电力机车自动驾驶系统主要由监控系统(LKJ15C)、自动驾驶装置ATO、网络控制系统(CCU)、ATO与CCU数据通信的网关设备(RDA装置)、制动控制系统(BCU)以及必要的地面设备等组成，如图1所示。

图1 自动驾驶系统组成

系统以自动驾驶装置为核心，基于监控系统、网络控制系统、制动控制系统等子系统的安全联动，实现机车的自动驾驶功能。

2.2 系统工作原理

在自动驾驶模式下，自动驾驶装置首先从LKJ15C主机获得临时限速、编组信息、线路数据和位置信息后，综合机车的位置、限速、坡道和弯道等信息，经过计算，通过ETH/MVB网关RDA向机车网络控制系统输出牵引/电制动指令或向制动系统输出空气制动指令。牵引/电制动指令和空气制动指令在主控机车由牵引系统和制动系统实施，通过无线重联同步控制系统传输到从控机车，实现同步操纵。

2.3 系统主要功能

系统主要功能是要实现机车在站场发车-线路运行-进站停车过程中的自动化运行，减少司机手动操纵，在机车自动驾驶运行时替代司机对司控器和制动手柄等的操作，具体功能如图2所示。

图2 系统主要功能

3 主要子系统配置

3.1 监控系统

监控系统(LKJ-15C)主要功能是通过IC卡获取临时限速，通过司机获取列车编组信息，预存运行线路的线路基础数据，通过BTM天线和地面应答器获得机车的位置信息，并计算列车运行的限速，然后将相关信息提供给自动驾驶装置。根据列车自动驾驶的需求，系统需要获得列车的准确位置信息，监控系统与自动驾驶装置之间需要传输大量数据。

3.2 自动驾驶装置

自动驾驶装置作为系统核心部件，通过实时获取的列车运行状态信息来计算目标速度，并实时输出相应的自动驾驶控制指令。装置采用2乘2取2的安全-冗余架构，保证了系统的安全性与可靠性，冗余通道或模块单一故障不影响系统的运行，冗余模块同时故障按照故障导向安全方式处理，装置的安全等级不低于SIL4级。

3.3 网络控制系统

网络控制系统(CCU)负责整车逻辑和特性控制，基于西门子成熟、稳定、可靠的SIBAS 32网络，通过网关设备RDA装置与自动驾驶装置进行数据通信。在自动驾驶模式下，网络控制系统根据自动驾驶系统的牵引和电制等指令驱动列车按照规划速度运行，并给自动驾驶系统反馈实际的牵引力、电制力和速度等参数。

3.4 制动机系统

制动控制系统(BCU)负责执行由自动驾驶装置发出的空气制动命令并反馈回相关参数和状态。机车既有CCBII制动机的硬件系统保持不变，升级软件以适应自动驾驶装置控车要求。在运行过程中，司机的制动控制操作具有最高优先等级。

3.5 地面设备

为了提高列车定位精度，LKJ-15C监控装置配备了BTM天线(应答器信息接收单元)接收地面点式应答器定位数据。在地面信号机之前加装无源点式应答器，用于列车位置校正，可以实现正线通过、侧线通过和侧线停车等功能。

4 结语

本文介绍了大秦线HXD1型机车自动驾驶系统的设计方案，阐述了其设计原则及目标、系统组成、系统工作原理功能及主要子系统配置。通过单机、单机轻载/重载等试验，对自动驾驶系统通讯、模式切换、自动起车、自动运行控制等基本功能进行了验证，结果表明，该自动驾驶系统能够有效减少司机操纵频率和劳动强度，提升重载列车运行的自动化水平。