货运列车自动驾驶技术及其在欧洲铁路的新进展

优雅痞子King · 发表于 2022-1-1 12:44:43

1. 货运列车ATO技术概况

列车自动防护（ATP）技术解放了司机的眼，帮助司机不再需要盯着信号行车，ATP不仅提供安全防护功能，防止司机认为失误，而且可以通过DMI提供丰富的驾驶信息和提示功能，一定程度上辅助司机驾驶。列车自动驾驶（ATO）技术将进一步解放司机的手，帮助司机不再需要频繁地操纵列车，使货运列车运行更加安全、平稳、准点和节能，创造“高效运营、绿色低碳”铁路货运铁新时代。
列车自动驾驶（ATO）技术最早在城市轨道交通发展，现已经非常成熟，成为轨道交通列车自动控制（ATC）系统的标准配置。高铁领域，基于动车组运行的ATO系统已经完成研发，正处于向规模化应用阶段发展，走在了世界前列。货运列车自动驾驶（ATO）技术发展相对缓慢，一方面是由于货运列车自动防护（ATP）技术不完善，国内货运列车运行控制系统为CTCS-0级，列车安全运行保障未“筑底”；另一方面是货运列车自动驾驶（ATO）技术研发难度大，成熟周期长。相比较地铁和高铁动车组ATO技术，货运列车自动驾驶控制至少存在以下技术特点和难点：
（1）列车编组情况复杂，货运列车编组长、牵引质量大、空重车混编；
（2）列车制动性能差异，货运车辆制动力离散，制动延迟时间大；
（3）车辆间车钩冲击大，货运车辆采用非密接式车钩，车钩间隙大。
现阶段，货运列车ATO技术研发需要突破现有动车组ATO技术框架，从系统架构设计、智能控制算法、运行数据迭代、机车接口集成等多方面入手，综合推动货运列车自动驾驶技术研发。
2. 欧洲铁路货运ATO技术的最新进展

欧盟提出以市场为导向的Shift2RAIl科技创新项目，推动更高标准、更高质量，以及智能化、数字化的铁路关键技术研发。Shift2Rail项目安排了ATO over ETCS研究任务，旨在ETCS基础上开发验证ATO技术和设备，包括货运列车自动驾驶（ATO on Freight），项目最早启动于2016年。
2020年9月开始，由德铁货运公司（DB Cargo）组织，在瑞士干线铁路上进行了为期三个半月的货运列车自动驾驶现场测试，西门子、阿尔斯通、日立（安塞尔多）和AZD（捷克）公司提供车载ATO设备，试验机车采用庞巴迪TRAXX AC 1型号电力机车，最高运行速度140km/h。

货运列车自动驾驶技术及其在欧洲铁路的新进展第1张图片

图1 欧洲货运ATO测试机车

现场测试在谢尔（Sierre）至赛昂（Sion）的16公里区段上进行，该线路运行ETCS-2级列控系统。试验列车包括1节牵引机车和14节敞车，列车总重1,274吨，长度240m。ATO设备与列控系统、通信系统、机车系统的接口全部基于统一的AoE（ATO over ETCS）规范。测试主要目的是推进AoE相关技术规范扩展至货运列车；演示预定的货运列车自动驾驶场景；评估货运列车自动驾驶技术规范和控制算法；验证ATO车载设备互联互通性能和不同厂商原型设备的可互换性。

货运列车自动驾驶技术及其在欧洲铁路的新进展第2张图片

图2 货运ATO测试系统框架

测试列车利用正常列车运营间隙运行，总共测试里程累积1,740公里，四家厂商的ATO车载设备进行了轮流测试，ATO运行等级为GoA2，即有司机监督的列车自动驾驶。ATO测试期间，发生7次紧急制动，110次司机人工介入，主要是技术原因或者人为原因，随着测试进展上述情况获得改善。
测试主要形成结论性意见建议如下：
（1）ATO 技术在提高铁路货运效率和运营质量方面具有巨大潜力；
（2）目前的货运列车自动驾驶技术还需要进一步完善和增强；
（3）过早部署成熟度不够的技术，将会导致很高的项目投资和运营风险；
（4）需要充分考虑司机的驾驶操纵经验和预期；
（5）ATO车载设备与机车的集成仍然是一个挑战。

货运列车自动驾驶技术及其在欧洲铁路的新进展第3张图片

图 3 AoE技术规范组成

根据欧洲铁路相关研发计划，AoE（GoA2）相关技术规范将纳入CCS TSI最新修订版本中，该版本预计2022年发布。ATO技术作为作为ERTMS数字化的重要组成部分，将推动ERTMS实现更高的运营能力和更好的运行性能。同期计划纳入新版本CCS TSI的还有下一代无线移动通信系统（FRMCS）、制动曲线模型优化、ETCS-3级系统、卫星定位、列车完整性检查和信息网络安全等相关技术规范。
可以预见，自2016年启动的新一轮ERTMS技术革新进程，将进一步增强欧洲铁路互联互通和一体化发展，而货运列车自动驾驶技术也将在欧洲铁路揭开序章。
3.结论和建议

货运列车自动驾驶技术作为数字化货运铁路核心技术之一，已经在欧洲铁路取得较大进展。由于货运列车运行工况的复杂性和技术研发的挑战性，货运ATO技术尚处于初期发展阶段，还需要关键技术创新突破，以及大量的现场试验和试运行，以积累数据和经验，最终达到成熟实用化水平。
我国铁路货运列车自动驾驶技术研发应加强整体布局，加快核心技术突破，并积极融入国际货运铁路技术变革中，保证我国在该技术领域处于前列位置。可以预见，未来一段时期内，在中、欧两个铁路市场推动下，铁路货运列车自动驾驶技术将迎来一轮快速发展。

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