内燃机车自动驾驶系统控车主机设计

张永,高磊,马国巨,王謇,孙恩财

摘  要：基于目前智慧铁路的发展需求，采用自动驾驶技术不仅可以减轻司机的负担，提高机车的安全性，还可以提升铁路机车运输效率，增加运营收益。在自动驾驶系统中，控车主机处于重中之重的地位。本文在充分考虑自动驾驶系统各模块之间友好交互性的前提下，提出了一套安全、高效、智能的内燃机车控车主机设计方案。

关键词：自动驾驶系统；内燃机车；控车主机；设计方案

随着铁路改革的不断深化和机车事业的不断发展，机车智能化、信息化、规范化工作在某些应用取得了一定的效果，智能化技术作为新一轮科技革命的重要引领，正快速推动轨道交通行业进步[1]。铁路“十三五”发展规划提出“全面提升普速铁路列车运行控制系统技术装备水平，开展基于列车运行控制系统的自动驾驶功能研究和下一代列车运行控制系统的研究”[2]。自动驾驶技术作为智能化技术的典型应用已经成为势不可挡的潮流，给行业带来了极大变革。

由于内燃机车在我国运行道路情况复杂，货物载重量大，使得司机工作强度大，进而增加司机操纵失误的概率。本文提出的内燃机车自动驾驶系统控车主机，能够有效的降低司机的操作负荷，提高司机操作的准确性以及高效性，降低设备运行故障率，降低列车能耗，提高列车运营效益。

1 控车主机设计原则及目标

1.1设计原则

1）控车主机设计需保证原控车主机功能不变，能够尽可能的适配原有机车设备。

2）控车主机需在司机监督下运行。

3）司机的操作权限高于控车主机策略。

1.2设计目标

1）控车主机设计需以提高安全性为首要目标，在安全性的前提下，尽可能的提高功效。

2）控车主机尽量减轻司机操作负荷与操作频率。

3）控车主机尽量做到平滑控制，提高列车稳定性。

4）控车主机能够利用不同的线路条件，降低列车的能源消耗。

2 控车主机设计方案

2.1 控车主机在自动驾驶系统中的作用

机车进入自动驾驶模式后，控车主机通过车载微机网络采集机车实时状态的数据信息，通过与制动机通讯采集制动机实时状态数据信息，并将这些实时数据信息传送给自动驾驶主控单元。同时，控车主机接收自动驾驶主控单元发出的控制指令，向车载微机或者制动机发送控制指令。控车主机与车载微机、自动驾驶主控单元、制动机间采用CAN通讯，控车主机与车载微机通讯网络物理隔离，以保证整车微机网络安全。控车主机还带有信息记录功能，对控车主机各端口信息进行记录。系统结构框图如图1所示。

图1 自动驾驶系统结构框图

2.2 控车主机硬件接口设计

2.2.1 控车主机与司控器和车载微机物理接口

司机控制器（司控器）是司机用来操控机车的一种手动电器[3]，其输出开关量信号进入控车主机，在有人驾驶模式下，控车主机只监测司控器状态信息，并通过硬件线路输出对应司控器的开关量及模拟量信号给车载微机。在自动驾驶模式下，控车主机不但要监测司控器状态信息，还要根据自动驾驶主控单元的控制指令，输出开关量或者模拟量给车载微机进行控车；当司乘人员操纵司控器时，退出自动驾驶模式，进入有人驾驶模式。

司控器0位、牵引位、方向位为74V数字量信号，其中，对于每路数字量（开关量）输入（DI）采用双路确认安全设计且支持自检，每一路DI对应两路检测电路，仅当两路检测结果一致，才确认该路DI输入有效，否则报警；对于每路数字量（开关量）输出（DO）具备实时反馈特点，DO反馈既用于DO输出自检，也用于实时监测DO状态，仅当DO输出控制信号与DO反馈信号一致，才确认该路DO输出有效，否则报警。

电阻制动力给定信号为模拟量信号，其中，对于每路模拟量输入（AI）和每路模拟量输出（AO）之间相互隔离，具有自检功能，使用同步采样，采用0～74V直流电压输入，分辨率为0.01V。

2.2.2 控车主机与车载微机通讯接口

车载微机主要负责对信号设备的各种数据的采集、分类、处理、存储和判断，硬件主要由采集机、计算机、网络设备等组成[4]。控车主机与车载微机间采用单路CAN通讯进行数据的传递。

2.2.3 控车主机与自动驾驶主控单元通讯接口

自动驾驶主控单元（automatic train operation，ATO）是机车自动驾驶系统的核心器件[5]，根据接收的机车的实时状态信息，通过实时计算得到相应的实时控制指令。控车主机与自动驾驶主控单元间采用CAN通讯，双路冗余设计，将接收到的车载微机数据、制动机数据，转发给自动驾驶主控单元。控车主机根据接收到的自动驾驶主控单元发出的通讯指令，向机车发出控车指令。

2.2.4 控车主机与制动机通讯接口

制动控制系统（brake control unit）简称制动机（BCU）用于接收并执行来自自动驾驶主控单元的制动命令并反馈相关的参数和状态。利用制动机原有的与监控装置配合功能, 确保全列车产生有效的紧急制动[6]。控车主机作为中间传输单元与制动机之间采用单路CAN通讯，将接收到的制动机数据转发给自动驾驶主控单元；并将接收到的自动驾驶主控单元发出的制动指令传递给制动机。

2.3 控车主机软件设计

2.3.1 控车主机网络结构设计

控车主机与车载微机、制动机间采用单路CAN通讯，与自动驾驶主控单元间采用双路CAN通讯，4个独立的CAN总线管理器保证网络间的物理隔离，确保机车有人驾驶的安全性。同时对于该网络拓扑结构，网络通信具有强实时全双工的特点，控车主机与各个有关部件之间的CAN消息交互时延小于100us。网络拓扑如图2所示。

图2 网络拓扑

2.3.3 控车主机数据记录

控车主机记录各端口输入输出信息，存储介质采用大容量非易失性存储介质，存储方式采用滚动存储，先进先出原则，当占用的存盘空间达到上限时，自动覆盖早期的存盘数据，至少可以记录30天以上的数据。

2.3.4 控车主机软件安全性

控车主机通信软件支持冲突检测、CRC校验等功能，通信协议充分考虑安全性，定时发送的心跳包中顺序变化的周期数可用于判定发送方是否仍处于有效通信状态。当与自动驾驶主控单元、车载微机、制动机任一装置通信失败时，退出自动驾驶模式，控车主机自动切换为监测状态。

2.4 控车主机故障风险及措施

控车主机的设计严格遵循铁路行业标准及相关要求，考虑到控车主机运行涉及车辆的许多方面，本着由简至繁、故障风险可控的原则[7]，控车主机根据机车领域常见主要故障进行如下相关预防设计。

1）控车主机电源故障；

2）控车主机内部控制执行单元故障；

3）控车主机线路通信故障；

4）控车主机输出值错误。

3结语

本文介绍了内燃机车自动驾驶系统控车主机设计方案，阐述了相应的设计原则、目标以及软硬件设计与相关故障措施，通过了脉冲群、浪涌、静电、绝缘、高低温、网络通信物理一致性等测试。使用控车主机在实际现场应用表明，该控车主机能够很好地辅助自动驾驶系统，提高自动驾驶系统的安全性以及效率，为机车自动驾驶系统的推广奠定基础。同时，该控车主机预留I/O端口及模拟量端口，具有良好的功能可扩展性。因此，该控车主机具有广阔的应用前景与市场价值。

参考文献：

[1] 蔡永辉,张朋刚,姜正,等.HX_D2型机车自动驾驶系统安全导向方法研究及应用[J].铁道机车与动车,2021(12):6-9.

[2] 周锐.《铁路“十三五”发展规划》发布[J].城市轨道交通研究,2017,20(12):37.

[3] 许晓东,彭冬良,许晋荣,等.轨道交通车辆司控器模拟量高精度采集模块的设计[J].技术与市场,2021,28(05):17-19.

[4] 王军.利用微机监测加强设备管理[J].铁道通信信号,2009,45(04):32-33.

[5] 肖家博,尚敬.货运机车自动驾驶系统研究与设计[J].控制与信息技术,2018(06):38-43.

[6] 宋胜林,房春艳,孙宝龙.浅谈SS1型电力机车LKJ2000型监控装置制动控制过程[J].铁道通信信号,2010,46(04):53-54.

[7] 侯化安,田光兴,吕枭,等.HX_D3C型机车装用JZ-8型制动系统对自动驾驶操纵的适应性研究[J].铁道机车与动车,2021(12):13-16+5.