自动驾驶让中国重载列车跑出新成绩

科技日报记者 陆成宽

(资料图片)

重载运输是国际公认的铁路货运发展方向，代表着一个国家的铁路货运发展水平。在人工智能赋能各行各业的当下，重载运输也亟须智能化技术的加持。

近日，随着一声汽笛响起，国家能源集团朔黄铁路2万吨重载自动驾驶试验列车，顺利驶入黄骅港站，精准停靠在指定位置。这标志着我国重载自动驾驶列车正式迈入“全自主时代”。

该重载自动驾驶列车有什么研发背景？2万吨重载列车自动驾驶研制过程中攻克了哪些难题？未来，重载自动驾驶列车的应用前景如何？6月12日，记者采访了相关专家。

响应建设“交通强国”的号召

我国从20世纪80年代开始发展重载运输，虽然起步晚，但发展迅速，目前我国重载铁路的整体运力已居世界第一，重载运输多项技术指标世界领先。

“然而，长期以来重载运输核心的车载控制系统并不完全具备自主知识产权。”国家能源集团朔黄铁路机辆分公司机务电力运管中心主任侯冶说，为此，国家能源集团朔黄铁路积极响应建设“交通强国”的号召，瞄准世界一流运输企业这一伟大目标，2019年，专门立项研发2万吨重载列车自动驾驶技术。

同时，开展重载列车自动驾驶研究，也是由国家能源集团朔黄铁路面临的现实需要决定的。作为我国西煤东运第二大运输通道，朔黄铁路是中国第二条常态化开行2万吨重载列车的重载铁路。2021年，朔黄铁路创造了3.64亿吨的运量纪录，为国家能源运输安全作出了重大贡献。

但是，朔黄铁路的线路条件复杂，尤其是西线，主要为山区铁路，桥隧相连，最大线路坡度达12‰，车头与车尾的自然落差最高达30余米，正线弯道共计369条。“重载列车载重大、编组辆数多、距离长，在这样复杂的线路上行驶时，列车运行动力学性能较为复杂，极易产生纵向冲动，增大列车断钩、分离、脱线等安全隐患，因而对乘务员机车操纵技术提出了很高的要求。”侯冶介绍。

而自动驾驶技术能使重载列车实时规划列车最优目标速度曲线，并控制列车按最优速度平稳运行，是保障重载列车运行品质、提高输运效率与安全性、减少司机操纵难度与强度、提升操纵一致性的有效手段，也是重载铁路未来技术发展的趋势。

“因此，我们必须加快重载列车自动驾驶研制攻关，让自动驾驶技术早日应用于重载运输。”侯冶强调。

空白中探索 曲折中前行

功夫不负有心人！“经过近4年的攻关，我们成功了！此次自动驾驶的试验列车，核心控制系统均实现国产自主化。”侯冶表示。

谈起2万吨重载列车自动驾驶技术的研制历程，国家能源集团朔黄铁路机辆分公司机务电力运管中心工程师白建凌感慨良多：“总的来讲是在空白中探索，在曲折中前行。在世界范围看，重载铁路自动驾驶的研究成果比较稀少，2万吨自动驾驶重载列车更是没有先例，用‘摸着石头过河’来形容最合适不过。”

“朔黄铁路开行2万吨重载列车的特殊性，预示着该项目研发必然是一块难啃的骨头，和其他量级的重载列车不同，朔黄铁路拥有更复杂的动力学性能、更复杂的运行场景，所以在试验2万吨列车的时候，我们的试验项点要更为丰富、安全预想更要全面、综合考虑要更为深入。”白建凌解释。

2万吨重载列车载重较大，自动驾驶系统不具备空转/滑行的感知和抑制功能，发生空转后主要依靠人工干预进行空转/滑行抑制，在既有的黏着控制下难以满足朔黄铁路复杂的线路条件。所以，如何优化自动驾驶系统的空转/滑行策略，成了项目组必须要攻克的难题。

“由于时间紧，试验任务重，大家始终紧绷着一根弦，连续6天的挑灯夜战，从策略产生，到仿真验证，再到上线试验，仅用了将近1周的时间就完成了计划中1个月的工作量。”白建凌说。

“上线试验前夕，如何模拟雨、雪环境下湿滑的线路环境又成了摆在大家眼前的难题。我国没有一款实现该功能的装置，我们必须要在一片空白上进行突破。”白建凌回忆，当时项目组连续攻关，利用现有的条件，发明了一款简易的轮轨黏着环境模拟装置。经过自动驾驶试验的现场应用，试验达到预期效果。

将发挥示范引领作用

尤其让人振奋的是，本次试验结果表明，在智能控制方面，2万吨重载自动驾驶列车实现了100%自动化控车，全程运行平稳，到站停车精准、正点。

“为了实现100%自动化控车，我们突破了一系列关键核心技术，比如自动起车技术、目标速度自动规划技术以及自动跟随控制技术等等。”国家能源集团朔黄铁路机辆分公司技术部主管郭玮说。

所谓自动起车技术，是指自动驾驶系统可以自动辨识当前所处位置、坡道，综合列车当前状态，实时计算列车当前阻力，自动施加匹配的牵引力，通过动力学数据拟合，得到最佳牵引力加载策略，实现自动驾驶的平稳起车。

而目标速度自动规划技术，是指自动驾驶实时采集列车运行状态参数，确定各因素对列车运行速度影响的程度，综合运行线路、运行时间、速度等要求和列车的自身特性，基于安全、平稳、正点、节能等原则，结合操纵规范，列车动力学约束与优秀司机操纵经验，在线实时计算规划最优控制运行曲线。

同时，“基于规划好的列车目标速度，我们还研发了目标速度自动跟随控制技术，采用智能控制算法，实时动态计算、精确预测列车未来运行状态，充分考虑车钩应力变化，实时动态调整控制指令，减少激进的加速和不必要的调速制动，使列车运行的瞬时速度能实时响应线路速度要求，提升列车运行安全品质，确保列车的安全平稳。”郭玮介绍。

此外，项目组还研发了自动精准停车控制技术，根据列车运输载荷、货物类型，探究了影响列车运行平稳性的主要因素等等。

在侯冶看来，重载列车自动驾驶是铁路智能化发展的必经之路，本次朔黄铁路自动驾驶线路试验，是国内重载铁路首次实现自主化2万吨级重载列车的自动驾驶，标志着我国掌握了2万吨级重载组合列车智能控制关键核心技术，对我国智慧重载铁路的建设具有示范引领作用。

“接下来，该技术还将在全国主要重载铁路线进行推广，推动重载铁路科技创新实现更多突破。”侯冶说道。

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