重载铁路列车作为我国经济发展的重要支撑，其在货运能力上，远比汽车运输更具效率与效益。在我国经济及科技的快速发展下，我国重载铁力列车的发展势头强劲，列车载重越来越大的同时，编组也来越长，如何将智能驾驶控制系统应用到重载铁路列车运行，提高运行效率与安全，是现阶段重载铁路列车发展的主要方向自己。重载铁路列车运行路线相对复杂，牵引力与电制动集中在数量有限的机车上，再加上列车车钩存有间隙，列车编组之间受力不均，导致重载铁路列车的纵向冲动大，极易发生超速、冒进等行为，对人工驾驶的要求极高，司机在长时间操作过程中，一旦存在着失误，就会导致安全事故的发生。因此，加强重载铁路列车智能驾驶控制系统研究意义重大。

一、重载铁路列车智能驾驶控制系统研究背景

重载铁路列车一次可以运输上万吨货物，运输效率是其他运输方式难以比拟的，在提高运输速度的同时，有效的降低了运输成本。重载铁路自上世纪50年代开始，被其他国家广泛应用，是铁路运输系统重要的发展方向之一。近年来，随着重载铁路列车技术的不断发展，重载铁路对经济发展起到的积极作用也备受瞩目，被世界各国相继认可。世界上绝大部分国家都在积极的推进重载铁路现代化发展，以期进一步提高重载铁路列车运输能力。而随着各种现代化先进技术的应用，重载铁路运输技术、装备、建设标准等均发生一定的改变，提高重载铁路列车的载重，从而提高重载铁路的运输能力是其重要的发展方向。随着我国重载铁路发展程度的提升，通过建立完善的重载铁路建设标准、加强科技创新，在优化完善现有重载铁路货运网络的同时，制定明确的重载铁路列车发展规划，综合统筹重载铁路列车发展，优化运输结构的同时，增强铁路运输能力尤为关键。像蒙华铁路，作为2019年开通的重载铁路，其长度为1817公里，是世界上公里数最长的重载铁路路线之一。现阶段而言，我国重载铁路列车牵引质量已实现突破3万吨。得益于技术的成熟与发展，1万吨、2万吨的组合重载铁路列车组合应用更为广泛。尤其是朔黄重载铁路，现已开通3万吨，2万吨已实现常态化运行，目前在运行的2万吨重载铁路已达10列。随着重载铁路列车编组越来越多，载重越来越大，如何在优化重载铁路运行网络的基础上，推动重载铁路列车向着智能化、自动化方向发展，积极的研究智能驾驶控制系统，以提高司机驾驶安全性，防止列车司机长时间开车带来的不适至关重要。可以说，加强重载铁路列车智能驾驶控制系统的研究，能够明显的提高列车运行效率，确保列车安全稳定的运行，是深化我国重载铁路运输能力，提高重载铁路技术创新发展的必然发展趋势^[1]。

二、重载铁路列车智能驾驶控制系统的发展现状

在我国铁路快速发展的带动下，重载铁路无论是技术还是装备都取得了长足的发展，在自主研发与技术引进双重作用下，我国重载铁路列车智能驾驶控制系统的研究取得了一定的成果。2015年，北京思维公司与济南铁路局共同承担了铁路总结的《基于机车操纵优化算法的机车辅助操控系统研究》。2016年CTCS2+ATO系统的应用，是我国智能驾驶控制系统首次在200KM/h铁路线路的成功应用。2017年铁路总局与中国铁道科学院共同研究自动驾驶系统，并在瓦日线开展了相关实验。2018年西安铁路局与株洲电力机车研究所，在西康线实施了载重4500吨列车智能驾驶实验。还有2019年10月神朔铁路万吨智能驾驶重载列车的首次运行。截止到现在，我国重载铁路列车智能驾驶控制系统的研究取得了丰硕的成果，极大的提高了我国重载铁路列车运行智能化、自动化，为我国重载铁路现代化发展奠定了坚实的基础。但是与其他发达国家相比，我国重载铁路列车智能驾驶控制系统研究时间较短，与西方国家相比还是存在着一定的技术差距。智能驾驶控制系统在外国干线铁路的应用已进入快速发展的阶段。综合来说，我国在高铁与城轨智能驾驶方面处于世界领先水平，但是对于重载铁路列车智能驾驶控制系统研究还处在初级阶段，虽然有着一定的研究成果，但是依然任重而道远。因此，加强重载铁路列车智能驾驶控制系统研究，对提高我国重载铁路运行自动化水平，提高综合运输效率与效益意义重大^[2]。

三、重载铁路列车智能控制系统研究的可行性分析

（一）技术可行性

第一，安全防护设备基础较为完备。作为监控列车运行速度的核心装置，LKJ核心能够在速度超过预设值时，发送紧急制动指令，从而确保重载铁路列车运行安全。该装置能够通过语音提示、解除机车牵引力、常用制动与紧急制动四种指令功能。LKJ通过计算列车速度与线路限速之间的差值，从而合理选择相应的指令功能。该装置有几种工作模式，分别是工作状态、非本务工作状态、20KM/h限速工作状态、降级工作状态、调车工作状态等。列尾装置能够有效的对尾部风压进行查询、发送异常警告、排风制动、电量不足警示以及黑匣子记录功能等。可以说，LKJ核心的应用为重载铁路列车智能驾驶控制系统的研究奠定了技术基础，为其提供了技术及安全上的可行性^[3]。

第二，列车同步制动技术。重载铁路列车智能驾驶控制系统研究中，列车同步制动技术至关重要。现阶段，随着重载铁路列车编组的增加，列车制动与缓解的同步性有所降低，对超长重载列车的制动安全影响极大。以朔黄铁路为例，应用较为常见的列车同步制动技术主要有两种，一是机车无线同步技术，二是ECP（电控空气制动）技术。机车无线同步控制技术，是在重载列车编组中合理分布多台机车，并由主控机车产生操控指令，由无线通信系统像其他控制机车传递相关命令，从而实现控制列车同步制动的目的。ECP系统则是在机车及每辆车上都增设相应的控制单元，通过列车自带的网络将控制信息进行传递，因为电信号传递速度要大于空气波传播，从而能够达到车辆同步制动与缓解的目的。这两种控制方式各有优点，是我国重载铁路列车较为常见的两种同步制动方式，在大量的实践中证明了其安全性与可靠性，也为我国重载铁路列车智能驾驶控制系统研究提供了可行性。

（二）经济可行性

目前来说，我国高铁及城轨领域智能驾驶控制系统的应用，需要地面相关设施的配合与支持，因此，地面配套设施的建造与维护也是较为的经济支出。但是，重载铁路列车智能驾驶控制系统，能够在不增加新的地面设备基础上，充分利用现有重载铁路地面设备与车载设备就可以投入引用，这样一来能够有效的降低重载铁路列车智能驾驶控制系统的开发成本。同时，重载铁路列车智能驾驶控制系统，能够有效的提高重载列车运行速度，并利用线路势能减少运输过程中的能量损耗，减少列车运行过程中产生的设备磨损，从而节省部分成本支出，变相提高经济效益。此外，重载铁路列车智能加速控制系统的研究与应用，还能够有效的减少乘务人员的劳动强度，合理配置人力资源，实现人力成本的降低。综上所述，重载铁路列车智能驾驶控制系统对提高重载铁路运输效率及经济效益方面有着积极的促进作用，这为我国重载铁路列车智能驾驶控制系统研究奠定了经济可行性。

四、重载铁路列车智能驾驶控制系统

本文对重载铁路列车智能驾驶控制系统的研究，是在现有的车载装备基础上进行的，如机车信号系统、牵引系统等，通过安装相应的智能驾驶装置，在以太网、MVB、串行通信等网络通信方式的帮助下，实现对重载铁路列车数据进行交互，从而实现对列车的控制。

重载铁路列车智能控制系统主要分为三部分，分别是感知、决策与执行。智能驾驶控制单元是整个系统的核心，智能驾驶系统通过对列车运行路线、安全防护信息、信号状态、车辆状态等数据进行收集与分析，在确保运行安全的基础上，实现运行平稳、安全、节能等多种目的，并对运行曲线进行优化，在模型预测及多目标约束动态调节控制输出，从而对目标曲线进行精准跟随^[4]。

在整个智能驾驶控制系统中，ADAS系统的主要功能是对障碍物进行探测识别，其以毫米波雷达、高清摄像头、激光雷达等方式，实现中、远、近距离全覆盖，并在卫星的帮助下，识别障碍物类型与距离，并为重载列车智能驾驶提供依据，确保运行安全。

LKJ作为车载信号系统，主要是以其为核心，对重载列车运行速度进行限制，防止超速、冒进信号，帮助驾驶人员提高驾驶能力，确保驾驶安全性与规范性。LKJ数据主要由基础数据、揭示信息与实时信息构成。基础数据涵盖了线路相关数据信息，揭示信息主要是编辑好的临时限速数据信息，实时信息则主要是列车运行实时相关信息。重载列车智能驾驶控制系统在运行过程中，通过LKJ提供的各项数据并进行分析，从而为智能驾驶提供信号、安全防护曲线、编组、列车总重、类型、货物类型等全方位的数据信息。

DMI作为人机交互装置，一般设置在司机室，这样有利于司机通过DMI向智能驾驶控制系统发布相关指令，输入必要的数据信息，也有利于DMI装置接受智能驾驶控制系统发布的相关信息并进行展示，以便司机能够第一时间掌握智能驾驶的整体情况。

牵引系统与制动系统作为智能驾驶控制系统的执行环节，在智能驾驶控制系统发布相关的牵引与制动指令后，由网络传递至智能驾驶控制单元，再由智能驾驶控制单元发送指令给牵引与制动系统，完成相关的牵引或制动。而网络控制系统又能够将车辆牵引机制动状态向智能加速控制单元反馈。牵引系统在执行相关指令的同时，并反馈车辆状态，包括车辆Ｔｃｍｓ速度、牵引动力、制动状态等。制动系统在执行指令并反馈的过程中，反馈内容主要是制动缸压力、列车管减压量、充风流量等内容。本研究以智能驾驶目标曲线动态规划与安全导向控制为例，对智能驾驶控制系统进行了分析^[5]。

（一）智能驾驶目标曲线动态规划

智能驾驶目标曲线规划，是智能系统通过信号、线路、限速、列车状态等信息进行综合判断，从而对线路运行过程中前方的目标曲线进行动态规划，同时根据列车实时反馈信息的变化情况，对曲线目标进行动态规划，以此来保障重载铁路列车安全、平稳运行。智能驾驶目标曲线动态规划步骤如下：第一，对初始与边界条件的获取。获取信息主要有线路、列车、信号信息。其中线路信息包括限速、车站、弯道、坡道、位置等内容。列车运行线路则包括列车总重、长度、数量、牵引与制动特性、列车编组及实时状态等内容。信号信息则包括前方信号灯及所在位置。 第二，通过相关的模式进行计算，从而精准得出列车的基本阻力、坡道阻力、弯道阻力以及空气制动距离等。第三，根据上述内容对列车驾驶目标曲线进行规划，在规划过程中要确保列车在智能驾驶状态下不超速，拥有足够的安全行驶距离。第四，通过上述步骤进行计算，从容得出满足需求的目标曲线并进行输出。

（二）智能驾驶安全导向控制

智能驾驶控制系统应用的目的是为了进一步提高重载列车的运行安全，而在列车运行过程中不可避免的可能会遇到异常或故障，这就需要智能驾驶控制系统能够建立有效的安全导向控制方法，从而提高重载列车安全平稳运行。本研究对列车运行中潜在的超速或掉入分相区等风险情况下，所采取的安全导向控制进行了分析。在重载列车运行中发生故障或异常时，如线路信号、速度、保护性分主断、分相装置、压缩机、动力损失等异常或故障时，智能驾驶安全导向控制则进行相应的工作。一级控制，主要是通过文本、语音进行提示，提醒司机注意列车运行，此时继续维持智能驾驶状态。二级控制，以文本或语音的形式提示人工介入，待提示一定时间后进行切换，进入常用初级制动，降低列车运行速度。三级控制，由常制动/惩罚制动保护、文本或语音提示，对列车进行停车控制。
总结：

重载铁路列车智能驾驶控制系统对提高重载铁路运输效能、促进重载铁路现代化发展意义重大。在实际的智能驾驶控制系统研究过程中，一方面要加强自主研发，另一方面要积极引入新技术，充分发挥车载设备优势的基础上，完成智能驾驶控制系统的研究。本研究通过对重载列车智能驾驶目标曲线动态规划与安全导向控制进行分析，指出重载铁路列车智能驾驶控制系统的优势，希望为我国重载铁路智能驾驶控制系统高水平发展提供一丝参考。

参考文献：

[1]邵跃虎.重载铁路列车智能驾驶控制系统研究[J].自动化应用,2022,(05):146-149.

[2]费宇晗.高速铁路自动驾驶智能控制算法研究[D].兰州交通大学,2023.

[3]王飞宽,蒋杰,张征方,等.重载智能驾驶列车空气制动力强弱评估方法研究[J].机车电传动,2022,(05):109-115.

[4]杜凯冰,张征方,文宇良.重载货运列车自动驾驶控制技术研究[J].控制与信息技术,2020,(02):31-35.

[5]杨思豪.重载铁路列车辅助驾驶系统的设计与实现[D].西南交通大学,2020.

作者简介：曹福山（1989.02-），黑龙江大庆人，本科，助理工程师。