Research and development of driving assistance system for high-speed train
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摘要:
在高速铁路现有列车运行控制系统设备配置条件下，司机驾驶列车存在工作强度高、控车决策难度大、受操作经验不足导致列车运行能耗高等问题，人工驾驶难以满足高速铁路更高运营品质的需求。文章基于列车控制与管理系统（TCMS，Train Control and Management System）技术平台，研究开发了高速列车辅助驾驶系统，可自动采集与列车运行控制相关的信息，以安全、准点、节能为目标，建立列车运行控制与能耗优化模型，能够动态生成适合不同运行场景的最优目标速度规划曲线，可为司机提供最优驾驶指导，降低司机控车难度，有利于提升驾驶安全性和节能性；基于TCMS恒速控制功能，还实现了区间巡航功能，丰富了高速列车运行控制自动化模式，可极大地减轻司机工作负担，并保证列车启动、停止的精准度。该系统接受TCMS 的管理和控制，可实现故障导向安全，保障其安全性和可维护性。通过实车试验，初步验证该系统生成的列车最优驾驶指导的有效性和较好的节能效果。
Abstract:Under the current equipment configuration condition of train control system for Chinese high-speed railways, there are problems such as high work intensity, difficulty in making control decisions, and low energy consumption due to drivers' insufficient train operation experience. Manual driving cannot meet the higher operational quality requirements of high-speed railways. Based on the technology platform of Train Control and Management System (TCMS), the driving assistent system for high-speed train is developed. This system can automatically collect information related to train operation control. With the goals of safety, punctuality, and energy conservation, a train operation control and energy consumption optimization model is established, which can dynamically generate the planned optimal target speed curve suitable for different train operation scenarios, provide optimal driving guidance for drivers, reduce the difficulty of driver's decision making on train operations, and improve driving safety and energy efficiency; Based on the TCMS's constant speed control function, section cruise control function has also been implemented, enriching the automation mode of high-speed train operation, greatly reducing the workload of drivers, and ensuring the accuracy of train start and stop. The system is managed and controlled by TCMS, which can enable it fail to safe, ensuring its safety and maintainability. Through real train test, the effectiveness and good energy-saving effects of the optimal driving guidance generated by the system have been preliminarily verified.
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目前，高速列车运营仅配置一名司机，在列车运行控制系统的安全防护下，运行过程中要求司机一直高度集中注意力，查看驾驶台显示屏上的线路、列车及环境动态信息，同时关注线路实际状况和周围环境，根据列车运行控制系统提供的列车当前速度、距目标地距离等信息，结合线路条件及环境，自行决策列车牵引、制动及运行速度，操作驾驶手柄和方向手柄，控制高速列车安全、准时运行，对各种路况、突发故障做出快速、适宜的应对。随着高速列车运行速度不断提高，开行密度越来越大，公交化运营模式及长交路和循环交路运用增多，运行场景日益多样，运行环境复杂多变，对高速列车司机提出较高的要求。熟练的司机不仅要掌握高速列车的技术特点、性能参数和操纵要领，还要熟悉运行线路，能对突发情况做出快速反应。高速列车运行消耗的能源巨大，在确保安全的前提下，司机不同操作方法的能耗差异显著。由于司机技能水平和操纵习惯不同，会造成同一车次高速列车的准点率和能耗量有所不同。另外，由于熟练、技术水平高的司机数量有限，人工驾驶列车很难满足高速铁路对更高运营品质的需求。为了丰富高速列车驾驶的自动化模式，降低司机工作强度，降低高速列车运行能耗，亟需加快高速列车辅助驾驶系统的研究。
国内外轨道交通领域对辅助驾驶系统（DAS，Driver Assistant System）开展了不少研究，以期减轻司机工作负担，保证列车安全、准点、节能运行。文献[1]重点优化了DAS速度曲线算法，并通过离线和在线结合的方式对DAS的节能和准点效果进行评估；文献[2]着眼于研究DAS对司机驾驶的影响，结果表明DAS的应用对司机的注意力没有负面影响，且有助于提高列车安全和性能；文献[3]设计了一种高速列车辅助驾驶系统，为列车司机提供操纵建议，帮助司机进行节能驾驶；文献[4]在LKJ系统基础上，研究列车驾驶辅助功能，提供行程规划，为司机提供列车的预期运行状态以及控制命令建议；文献[5]设计了一种基于LKJ的重载列车辅助驾驶系统，并使用实际线路数据进行了仿真验证；文献[6]开发了重载列车操纵系统，通过人机界面将计算结果以语音和文字的方式传达给司机，为其提供驾驶建议。目前，我国高速列车DAS研究还处于探索阶段，尚未成熟应用。
本文分析司机操纵习惯及列车特性，研究列车运行能耗模型和节能驾驶方法，以准点、安全、节能为目标，建立最优目标速度规划曲线生成算法模型，基于高速列车运行控制系统和列车控制与管理系统（TCMS，Train Control and Management System）提供的数据，开发了高速铁路列车辅助驾驶系统，可生成优化的列车操纵指导，辅助司机安全、准点、节能地驾驶高速列车，作为我国高速列车驾驶模式的一种补充，促进高速列车智能化、绿色化发展，更好地满足高速铁路更高运营品质的需求。
1 高速列车驾驶技术现状及难点
1.1 高速列车驾驶技术现状
1.1.1 高速列车现有列控设备
我国高速铁路有一套完整的、符合中国铁路运输实际需求的列车运行控制技术体系（CTCS，Chinese Train Control System），根据功能要求和系统配置，划分为CTCS-0～CTCS-4共5个应用等级[7~8]。目前，我国高速铁路主要采用基于轨道电路传输的CTCS-2系统与基于GSM-R（Global System for Mobile Communications – Railway）无线通信传输的CTCS-3系统，CTCS-2系统适用于设计时速200～250 km线路[9]，CTCS-3系统适用于设计时速300～350 km线路[10]。
我国高速铁路采用的列车运行控制系统车载设备有列车自动防护（ATP，Automatic Train Protection）和列车自动驾驶（ATO，Automatic Train Operation）系统。ATP通过人机界面（DMI，Driver Machine Interface）为司机提供目标速度、当前速度、线路限速、距前方停车点距离等信息。ATO是在ATP的保护下，控制列车自动运行的设备，能实现列车运行自动驾驶、速度自动调整、列车车门控制。目前，我国高速铁路线路广泛应用ATP，而ATO因需要额外加装轨旁设备，建设成本高，目前仅北京—张家口高速铁路配备ATO设备。高速列车驾驶以ATP防护下的人工驾驶为主要控制模式。ATP车载设备提供的与辅助驾驶相关的主要数据如表1所示。
表 1 与辅助驾驶相关的ATP运行信息序号 内容 内容说明 1 列车速度 列车实际运行速度 2 公里标 列车运行实时位置 3 列车车次号 4 车站号 5 线路号 判断预存的线路信息 6 线路标志（行别） 上行、下行标志 7 线路限速 线路最高允许速度值 8 目标速度（临时限速） 运行前方降速点限速，无目标速度时发无效值 9 目标距离 运行前方降速点距离，无目标距离时发无效值 1.1.2 列车控制与管理系统（TCMS）
TCMS是一种基于列车通信网络（TCN，Train Communication Network）的控制系统，通过车载计算机和通信设备，将列车各系统集成在一个统一平台上，采集、传输和处理列车各系统的实时数据，并生成控制指令，实现对列车各系统的协调控制，提高系统的可靠性和可维护性。
高速列车TCN通常为列车级总线+车辆级总线两级架构，采用基于IEC61375标准的绞线式列车总线（WTB，Wire Train Bus）+多功能车辆总线（MVB，Multifunction Vehicle Bus），或基于IEEE802.1qbv和IEEE802.1as标准的列车级以太网（ETB，Ethernet Train Backbone）+车辆级以太网（ECN，Ethernet Consist Network）[11-12]。
TCMS主要由中央控制单元（CCU，Central Control Unit）、人机接口单元（HMI，Human Machine Interface）、远程输入输出单元（RIOM，Remote Input and Output Module）组成，是管理和控制高速列车的“大脑”。TCMS CCU通过TCN与列车各系统（如ATP、牵引系统、制动系统等）控制单元连接在一起，传输实时状态和故障信息数据，通过HMI与司机进行信息交互，实现列车运行控制、列车故障诊断、列车状态监视等功能。为了保证安全性，ATP通过专用线缆向BCU发送制动指令，当列车速度超出限速值后自动施加制动。TCMS CCU与ATP控制单元、牵引系统控制单元（TCU，Traction Control Unit）、制动系统控制单元（BCU，Brake Control Unit）的连接关系如图1所示。
1.1.3 高速列车现有人机协同控制
安装在高速列车驾驶台上的DMI和HMI显示屏为司机提供控制列车的相关信息。其中，DMI显示列车运行安全相关信息，包括列车启动/停止、路线状况及列车运行计划等信息；HMI为司机提供控制列车各系统的信息显示和操作界面。司机凭借经验来操作司控台上的驾驶手柄（通常有制动/牵引手柄），驾驶手柄信号由RIOM传输至TCMS CCU，TCMS CCU将其转换为牵引、制动指令，发送给列车牵引系统、制动系统，控制列车牵引启动、运行速度、刹车制动等，调整列车运行速度，处理突发故障，高速列车人机协同控制如图2所示。
目前，高速列车为司机提供了速度控制和级位控制两种操纵模式，默认为速度控制模式。
在级位控制模式下，司机操作驾驶手柄，TCMS CCU通过RIOM读取驾驶手柄状态，将其转换为不同的控车级位，施加相应的牵引力。当司机使用级位模式驾驶列车时，为了保证列车运行平稳，需要频繁调节手柄位置，以调节列车牵引力。这样操纵列车，会增加对驾驶手柄、车轮轮缘以及制动盘等列车设备的磨耗，降低其使用寿命。
在速度控制模式下，司机操作驾驶手柄设定目标速度，由TCMS CCU控制软件的恒速模块根据设定的目标速度和列车牵引制动性能参数，自动计算出列车牵引、制动力，并生成相应的牵引、制动命令发送至TCU、BCU，以控制列车实际运行速度与目标速度保持一致。在速度控制模式下，TCMS CCU、HMI、RIOM、TCU、BCU之间的信息流和命令流如如图3所示。
1.2 高速列车人工驾驶存在的难点
目前，我国高速列车运行过程主要以人工驾驶为主，在现有CTCS设备配置条件下，人工驾驶主要存在以下难点。
（1）司机工作强度高：高速列车运行速度快，对安全和准点要求高，在列车运行过程中，要求司机始终注意观察DMI和HMI上显示的列车运行状态和限速要求，目视前方线路实际状况，及时操作司控台上的驾驶手柄来调整牵引力和制动力，保证列车运行安全、准点到达。为满足客运需求，提高高速铁路运营效率，司机长时间高负荷驾驶的情况普遍存在；另外，高水平的司机需要较长培养周期和实践历练，具备最优驾驶行为的优秀司机数量有限。
（2）司机控车决策难度大：在临时限速、列车故障等突发状况下，要求司机能够快速准确地判断现场情况和列车运行性能，做出最有利于安全和准点的决策。我国高速铁路线路长（例如京广线全线长达
2298 km），环境复杂（例如成渝线桥梁188座176 km，桥梁比重60.4 ％，隧道39座72 km，隧道比重24.5 ％，且弯道较多），高速列车运行过程中常存在限速区段以及施工临时限速等情况；此外，不同编组和重联高速列车的运行能力及动力学特性也有所变化，这些都增加了司机控车决策难度。（3）人工驾驶能耗高且对列车设备磨损大：在复杂线路区段上运行的过程中，司机凭个人经验操纵列车，倘若加减速不合理，不仅影响列车准点运行，还会因不能有效利用坡道势能等而增加列车牵引能耗，且会对列车设备造成较大磨损。
2 高速列车辅助驾驶系统设计
2.1 设计要求
高速列车智能辅助驾驶系统的设计原则是不改变司机作为列车运行控制的职责主体，不改变原有的车载安全设备控制方式和规程，在安全行车规程的约束下，辅助司机按照列车运行计划高效、轻松地完成驾驶任务，主要设计要求包括：
（1）自动实时获取列车运行数据：能够从ATP（或ATO）装置中实时自动获取列车运行计划、线路号、线路标志、公里标、临时限速等列车运行相关数据，加载静态配置信息中当前线路区段的详细信息，包括线路限速、坡度、曲线、桥梁、隧道、分相等信息。
（2）自动实时获取列车运行控制信息：能够从TCMS CCU实时获取列车牵引力/制动力的设定值和实际值，以及列车编组、列车质量、列车速度、列车车次号等列车运行状态信息；
（3）具备最优目标速度规划能力：根据列车运行计划要求，结合线路数据、列车特性数据等，实时计算和生成当前运行线路区段的最优目标速度规划曲线；当行车指令（如列车运行计划、临时限速、侧线行车等）发生变化时，能够动态调整最优目标速度规划曲线；
（4）自动计算牵引目标速度和制动级位：在符合驾驶操作规程的前提下，生成牵引目标速度和制动级位，指导司机以较优方式操纵列车，避免其频繁操纵驾驶手柄；
（5）降低列车运行能耗：以节能为目标规划最优目标速度规划曲线，尽可能利用线路坡道势能降低列车运行能耗，避免不必要的制动操作，达到节能运行、减少列车设备磨耗的目的。
（6）提供清晰简洁的人机界面：在HMI上中增加人性化辅助驾驶指导页面，方便司机快速接收指令和反馈信息，减轻司机劳动强度。
（7）TCN适用性及接口隔离：适用于基于以太网和基于WTB_MVB的TCN；同时对ATP控制单元信息只接收不发送，不影响现有ATP正常运行。
2.2 使用DAS后高速列车人机协同控制
在高速列车运行过程中，司机使用DAS后，通过察看HMI上的辅助驾驶界面，根据其中提示的操作建议（主要是目标速度或制动级位）来操纵驾驶手柄，对应的高速列车人机协同控制如图4所示。
（1）高速列车上线运行前，向DAS加载静态配置信息；在列车运行过程中，DAS通过TCN从TCU和BCU获取列车实时运行能力；从ATP获取列车公里标、临时限速、列车运行计划等列车运行数据。
（2）DAS的最优目标速度规划曲线生成算法充分利用了坡道势能，增加了惰行工况，能给出满足列车准点、节能运行要求的目标速度和制动级位。
（3）TCMS CCU监督列车进入和退出DAS的条件，判断DAS工作模式的转换，调整恒速模块配合DAS实现辅助驾驶行车指导和区间巡航等功能。
（4）DAS将线路数据、动态生成的最优目标速度规划曲线及列车实时运行状态信息传输至HMI，为司机提供监视列车各系统运行状态及线路状况的信息显示，以及指导驾驶的操作界面。
2.3 高速列车辅助驾驶系统构成
高速列车辅助驾驶系统主要由DAS装置、DAS主控软件和DAS人机接口软件构成。在高速列车加装该系统的同时，还需要对TCMS CCU控制软件进行适应性升级。
2.3.1 DAS装置
DAS装置是高速列车辅助驾驶系统的硬件部分，安装在头车电气柜内，配备接入TCN的MVB接口和以太网接口，能够与TCMS CCU、HMI进行通信。该装置由独立模块化电气装置壳体和嵌入式电路板卡组成，运行DAS主控软件，完成数据采集存储、优化计算、逻辑控制功能。嵌入式电路板卡具有低功耗、高性能和高可靠性，由嵌入式CPU、以太网通信单元、MVB通信单元和直流电源单元、实时时钟、LED指示灯等部件组成，如图5所示。
（1）嵌入式CPU：采用 ARM Cortex-A9双核处理器和可编程逻辑（FPGA）的SoC（系统级芯片），满足高性能计算和实时控制的需求。
（2）以太网通信单元：设置2个冗余的TRDP板卡，用于完成能够实现TCN网络中TRDP通信数据传输，其内置通信软件支持列车TRDP以太网通信协议栈，符合IEEE802.1qbv和IEEE802.1as通信协议，可满足大数据量传输要求。
（3）MVB通信单元：支持IEC61375通信协议，设置有MVB源端口和宿端口，能够实现TCN网络中MVB通信数据传输。
（4）直流电源模块：采用直流110 V电源，负责完成整个设备的供电。
2.3.2 DAS主控软件
DAS主控软件基于嵌入式QNX系统开发，主要包括数据采集与存储模块、核心算法模块、逻辑控制模块、本地数据库及通信模块，其架构如图6所示。
（1）数据采集与存储模块：通过通信模块从TCN网络采集存储列控实时信息、列车实时信息和静态配置信息。列控实时信息是从ATP获取列车运行控制相关的信息，包括线路公里标、线路限速、临时限速信息及列车运行计划等。列车实时信息是从TCMS CCU获取列车属性和状态数据，主要包括列车车次号、车重、编组、速度、运行状态等；从牵引系统控制单元主要获取牵引/电制力设定百分比、牵引/电制力最大能力百分比等信息；从制动系统主要获取全列最大空气制动力等。静态配置信息是提前加载的列车运行计划、线路数据和行程数据等信息，主要用于实现线路行程的选择。
（2）本地数据库：采用UnQLite数据库（一种开源的使用键值的非关系型数据库），将从ATP、TCMS CCU、TCU、BCU等设备实时采集的相关信息存储在本地，供核心算法模块、逻辑控制模块及DAS人机接口软件使用。
（3）核心算法模块：通过建立列车运行模型、运行能耗模型及节能优化算法，在线生成最优目标速度规划曲线。分析高速列车运行特点搭建高速列车运行模型及能耗模型，利用哈密顿函数和庞特利亚金极大值原理，设计同时满足安全、准点以及节能的全局优化算法，寻找最优目标速度规划曲线，生成列车目标速度或制动级位。当列车运行轨迹与最优目标速度规划曲线偏差大于10 km，核心算法模块重新进行计算，输出最优目标速度规划曲线。当ATP发送的信号临时变化时，例如出现临时限速，核心算法模块也会重新计算，实时调整最优目标速度规划曲线。
（4）逻辑控制模块：主要包括运行场景识别逻辑、DAS工作模式判别逻辑、司机操纵提示生成逻辑。根据从TCMS CCU获取的相关信息，自动识别列车当前运行场景类型，例如列车启动、区间运行、过分相、停车制动等，并将列车运行场景类型信息发送给核心算法模块，以生成符合实际运行情况的最优目标速度规划曲线。DAS设置有行车辅助、驾驶指导、区间巡航3种工作模式，DAS工作模式判别逻辑接收TCMS CCU发送的允许或退出某种工作模式的信号，根据工作模式间转换依赖关系，判别DAS当前所处的工作模式，并将DAS工作模式信息发送给核心算法模块。司机操纵提示生成逻辑根据DAS当前工作模式，对核心算法模块生成的目标速度和制动级位等相关信息进行处理后，生成恒速标志与规划目标速度、进/出站标志、制动标志与制动级位等信息，传输给HMI和TCMS CCU，用于由集成在HMI中的DAS人机接口软件向在司机提供驾驶指示。
（5）通信模块：支持 MVB通信接口和TCP/IP通信接口，用于提供DAS与TCMS CCU和HMI的双向数据传输服务。TCP/IP通信接口还用于提供DAS维护接口，方便维护人员下载DAS数据和故障处理等。
2.3.3 DAS人机接口软件
为便于司机查看信息和进行操作，设计了界面简洁清晰的DAS人机接口软件，快速引导司机完成列车操纵。该软件将DAS的状态信息和驾驶操纵提示信息输出至HMI中，为司机提供驾驶指导，在HMI主界面上增加4个指导司机驾驶的页面，分别是“行程选择页面”“行车辅助页面”“行车指导页面”和“区间巡航页面”。
（1）行程选择页面：该软件自动加载列车运行计划中所有线路信息及线路的区间信息（包括车次ID，区间ID，站点信息，运行时间等），显示完整的行程列表，司机从行程列表中选择需要使用辅助驾驶功能的具体行程，如图7所示。
当DAS人机接口软件自动获取列车车次号，或由司机在“行程选择页面”选择列车车次号后，默认自动跳转到“行程辅助页面”。
（2）行车辅助页面：用于向司机提供列车运行情况和运行环境等信息，便于司机进行驾驶决策；主要实时显示列车当前位置的线路和里程标信息，以及列车在当前运行区段（即[列车当前位置−3 km，列车当前位置+7 km]）速度和里程变化的动态运行图，同时还实时显示列车运行计划、实际到站、发车时间以及实时计算的正晚点信息，如图8所示。
（3）行车指导页面：进入行车指导页面后，司机可选择查看“全局规划”和“当前规划”2种行车规划指导信息；其中，“全局规划”显示所选线路全程运行规划曲线，“当前规划”显示列车当前运行区段（即[列车当前位置−3 km，列车当前位置+7 km]）的最优目标速度规划曲线；此外，行车指导页面上还能实时显示列车车次号、车站号、线路信息、列车运行情况，如图9所示。
（4）区间巡航页面：实时显示列车车次号、车站号、线路状况信息（主要包括公里标、纵断面、曲率及桥隧）、列车运行状态信息（主要包括列车实际运行速度、里程轨迹），以及最优目标速度规划曲线，如图10所示。
2.3.4 TCMS CCU控制软件适应性升级要求
（1）DAS状态监控：TCMS CCU监控DAS系统生命信号和通信状态；采集监控DAS系统版本号；监控DAS供电空开状态等并诊断相关故障。
（2）DAS工作模式转换监督：TCMS CCU判断DAS不同工作模式的进入条件和退出条件，当DAS模式进入或退出条件满足时，监测司机操作HMI中各DAS页面进入按钮或退出按钮信号，将其信号综合判断后发送给DAS，实现DAS不同工作模式的进入或退出功能。
（3）恒速模块变更：TCMS CCU的恒速模块进行适应性变更，在区间巡航模式下将DAS输出的目标速度传输给恒速模块，恒速模块按照DAS输出的目标速度控制列车运行，自动执行列车最优目标速度规划曲线的要求，实现区间巡航功能。
3 工作过程与工作模式
3.1 工作过程
高速列车辅助驾驶系统的具体工作过程如图11所示。
（1）检测HMI“行程选择页面”是否选择列车车次号及其对应的车站，线路信息。若列车司机在HMI界面手动选择列车车次号，则DAS系统调取选中的车次ID、区间ID、站点信息、线路信息（坡度、曲线等）、线路限速等静态信息。若未收到设置的列车车次号，实时获取到ATP发送的列车车次号、线路号和行别等信息，比对本地预存的线路文件，调取对应的静态配置信息。
（2）实时获取ATP发送的列车运行安全相关数据和列车运行状态信息，解析出列车实际牵引/制动性能参数。
（3）根据列车实时运行能力、线路信息和运行计划，以列车安全、准点、舒适、节能为目标，在线生成最优目标速度规划曲线，计算出列车在整个线路上运行的目标速度和制动级位。
（4）实时判断ATP的列车运行计划、临时限速等信息，在线调整最优目标速度规划曲线，实时调整牵引目标速度和制动级位。
（5）计算列车实际运行轨迹与最优目标速度规划曲线之间的里程差，若累计超过10 km，则重新计算最优目标速度规划曲线。
3.2 工作模式
辅助驾驶系统提供3种工作模式：行车辅助模式（DAS1）、行车指导模式（DAS2）、区间巡航模式（DAS3）。在满足一定条件下，3种工作模式可相互转换，如图12所示。
（1）在列车运行前，司机从HMI主界面进入“行程选择”页面，从车次号列表中选择使用DAS功能的车次号。
当司机完成行程选择后，DAS人机接口软件调取DAS本地存储中的相关线路信息、列车运行计划等信息，并自动进入DAS1模式；若需要变更行程选择，在列车静止情况下，可重新进行行程选择，切换行程数据；若行程未选择，则无法进入DAS1模式。
（3）在DAS1模式下，为司机提供列车运行线路、列车位置及列车运行计划等信息，同时提供列车运行状态和周围环境数据；进入DAS1模式后，司机可选择进入DAS2或DAS3模式。
（4）在DAS2模式下，能够动态生成和显示最优目标速度规划曲线，并指导司机驾驶，其进入条件具体如下：
①DAS设备准备好：ATP通信正常；当前公里标大于零且在合理范围内；车重在合理范围内。
②DAS发送的最优目标速度规划曲线的计数值大于零；
③列车有司机钥匙激活；
④ATP正常工作且未被隔离；
⑤列车至少有一半牵引、电制动正常工作；
⑥列车全列空气制动都能正常工作。
当DAS2进入条件满足后，司机可通过HMI界面选择DAS2按钮进入DAS2模式，DAS将实时生成的最优目标速度规划曲线并在HMI上显示，司机可按照辅助驾驶指导提示手动驾驶；若DAS2条件不满足会自动退回到DAS1模式；司机可通过在HMI上手动操作退出DAS2模式，也可退回到DAS1模式。
（5）在DAS3模式下，能够动态生成和显示最优目标速度规划曲线，并在CCU控制软件的恒速模块支持下，协同实现区间巡航，其进入条件在DAS2进入条件的基础上有所增加：
①列车牵引使能正常；
②方向手柄向前；
③驾驶手柄在零位；
④制动能正常工作，且未处于隔离状态。
当DAS3进入条件满足后，司机可通过HMI界面选择DAS3按钮进入DAS3模式，进入该模式后，列车将按照DAS实时规划的最优目标速度规划曲线自动运行；若DAS3条件不满足会自动退回到DAS1模式；司机可通过在HMI手动操作退出DAS3模式，也可退回到DAS1模式。
4 关键技术
4.1 最优目标速度规划曲线生成算法
最优目标速度规划曲线应能确保列车运行速度低于线路限速，避免超速运行安全隐患，能提高列车运行的准点率，降低列车运行能耗，能够根据线路实际状况，计算出适应不同线路条件的最优目标速度规划曲线，确保列车在复杂线路条件下安全、准点、节能、稳定地运行。
为此，最优目标速度规划曲线生成算法根据列车运行线路和列车运行计划，以准点、节能为目标，建立速度-距离方程，动态计算出当前列车运行区段内每个公里标对应的运行速度。高速列车在运行过程中，受到牵引力、制动力、基本运行阻力和线路附加阻力的共同作用，根据牛顿第二定律，高速列车运行状态速度-距离方程可描述为
$$ \frac{{{\text{d}}v}}{{{\text{d}}x}} = \frac{{{F_{\text{k}}}(v){\text{ - }}B(v){\text{ - }}{w_i}(x) - {w_0}(v)}}{{v \cdot m}} $$ (1) $$ \frac{{{\text{d}}t}}{{{\text{d}}x}} = \frac{1}{v} $$ (2) 其中，
$ {F_k} $ 为牵引力；$ {\omega _0} $ 为基本运行阻力；$ {\omega _i} $ 为线路附加阻力；$ B $ 为制动力；$ m $ 为编组质量；$ v $ 为动车组运行速度。高速列车在每一运行区间内运行时，司机应按列车运行计划规定的区间运行时间要求，完成高速列车启动、中间调速和进站停车等操作。列车最优速度是在区间运行时间和线路限速约束下进行求解，高速列车安全、准点运行约束条件可描述为
$$ v({x_0}) = 0 \quad t(x_0) = {t_0} $$ (3) $$ v({x_{{f}}}) = 0\quad t(x_{{f}}) = {t_{{f}}} $$ (4) $$ {t_{{f}}} - {t_0} = T $$ (5) $$ v(x) \leqslant {v_{\lim }}(x) $$ (6) 其中，x0和xf分别为区间的起点和终点，t0和tf分别为高速列车在该运行区间的初始时刻和终止时刻，T为列车运行计划规定的区间运行时间，vlim（x）为线路限速，是一个分段常数函数。
高速列车运行能耗包括牵引能耗和再生制动能耗，总运行能耗为牵引能耗与再生利用的能耗之差，可表述为
$$ \min J = \int_{{x_0}}^{{x_{{f}}}} {(\frac{{{F_{\text{k}}}(v)}}{{{\eta _{\text{t}}}}}{{ - }}\alpha {\eta _{{d}}}B(v)){\text{d}}x} $$ (7) 其中，
$ J $ 为高速列车能耗目标函数，ηt和ηd分别为高速列车牵引工况和电制动工况下的整车机电效率等效值，0<ηt<1，0<ηd<1；α为再生制动能量利用率（0≤α≤1），其值由铁路系统中储能设备容量、牵引供电系统容量和拓扑结构，以及列车运行计划等诸多因素共同决定。完整的列车最优目标速度规划曲线求解过程包括最优控制工况集推导、最优控制工况间转换规则以及最优目标速度规划曲线生成算法3部分。
（1）最优控制工况集推导：结合式（1）、（2）和（7），可构建列车节能最优控制的哈密顿函数H
$$ \begin{split} H = &- \frac{{{F_{{k}}}(v)}}{{{\eta _{{t}}}}}{\text{ + }}\alpha {\eta _{{d}}}B(v) + \frac{{{\lambda _1}}}{v} + \\& {\lambda _2}(\frac{{{F_{{k}}}(v){\text{ - }}B(v){\text{ - }}{w_i}(x) - {w_0}(v)}}{{v \cdot m}})\end{split} $$ (8) 哈密顿函数H取极大应满足
$$ \frac{{{\text{d}}{\lambda _1}}}{{{\text{d}}x}} = - \frac{{\partial H}}{{\partial t}} $$ (9) $$ \frac{{{\text{d}}{\lambda _2}}}{{{\text{d}}x}} = - \frac{{\partial H}}{{\partial v}} + \frac{{{\text{d}}M}}{{{\text{d}}x}} $$ (10) $$ (v - {v_{\lim }})\frac{{{\text{d}}M}}{{{\text{d}}x}} = 0 $$ (11) $$ \frac{{{\text{d}}M}}{{{\text{d}}x}} \geqslant 0 $$ (12) 其中，λ1，λ２和σ为伴随变量；Ｍ为互补松弛因子。
根据庞特利亚金极大值原理，分析可知高速列车运行过程包括7种最优控制工况，分别为最大牵引工况（FP，Full Power）、部分牵引工况（PP，Partial Power）、惰行工况（C，Coasting）、部分电制动工况（PEB，Partial Electric Braking）、最大电制动工况（FEB，Full Electric Braking）、部分综合制动工况（PIB，Partial Integrated Braking）和最大综合制动工况（FIB，Full Integrated Braking）[13]。
（２）最优控制工况间转换规则：FIB工况仅发生在过低限速和制动停车过程，在列车运行速度低于线路限速情况下，只存在FEB至FIB的切换，而不存在FIB至FEB切换的可能性。而PIB工况只会发生在线路限速处，当列车运行速度低于线路限速时不会出现在最优控制工况中。当高速列车运行速度低于线路限速时，各控制工况间切换关系如图13所示，圆圈内字母表示控制工况，带箭头的线代表最优切换规则，箭头方向代表切换方向，数字为最优切换规则的序号[13]。
（3）最优目标速度规划曲线生成算法：通过调整式（8）中的伴随变量λ1来求解列车最优目标速度规划曲线。哈密顿函数H不存在时间变量t，从物理意义上来看，λ1为区间运行时间，其不同的取值对应不同的区间运行时间。每次给定λ1的取值后，恒速牵引和恒速制动速度即被确定，在此基础上依据图13所示的最优控制工况间转换规则进行恒速区局部最优链接，链接成功后计算区间运行时间，与给定的运行区间时间进行比较，并据此调整λ1的取值。通过迭代调整λ1的取值，可使列车运行速度曲线逐步逼近满足给定区间运行时间条件的最优解。
4.2 区间巡航功能实现
区间巡航是DAS基于TCMS CCU控制软件的恒速控制功能，允许在指定线路区间内，由设备代替司机操纵驾驶手柄来设定目标速度的任务，实现该线路区间内列车运行自动控制，可极大地减轻司机工作负担，将更多注意力放到关注列车运行状态和周围环境上，有利于提高驾驶安全性，同时还能保证列车启动、停止的精准度。区间巡航功能实现过程如图14所示。
（1）DAS3进入条件之一为驾驶手柄在零位。当DAS3条件满足，且司机手动操作进入DAS3模式，TCMS CCU中DAS工作模式转换监督模块将进入DAS3信号发送给DAS，高速列车进入区间巡航模式。
（2）DAS将由列车最优目标速度规划曲线确定的目标速度和制动级位信息实时传输给TCMS CCU。
（3）在牵引工况下，TCMS CCU中的恒速控制模块根据DAS发送的目标速度，运算出相应的列车牵引/电制动力设定值，用于控制向列车施加牵引力或电制动力。
（4）在制动工况下，TCMS CCU中制动控制逻辑接收DAS发送的制动级位信息，将其转换为相应的制动力设定值，并自动执行制动控制。
（5）人工操纵优先级高于DAS3模式下的区间自动巡航，当司机操纵驾驶手柄时，会自动退出DAS3模式，此时TCMS CCU将优先执行司机通过操纵驾驶手柄发送的牵引和制动指令。
5 实车试验
5.1 试验方案
（1）试验目的：在不同运行线路上使用DAS指导建议驾驶列车，验证其操纵性能和准点率；在同一线路使用常规操纵和DAS优化操纵后，测试高速列车运行能耗，验证使用DAS的节能效果。
（2）试验线路：选取济南—郑州客运专线上原阳—濮阳段作为试验线路，此线路为新建未投入正线使用的线路，可供试验验证使用；线路最高限速为300 km/h，设有濮阳东、内黄、滑浚、卫辉南、新乡东和原阳6个车站。
（3）试验安排：利用安装有DAS的CR400BF试验列车，在试验线路上按照跨站和贯通两种停站方案，采用3种不同操纵方式进行列车运行试验。跨站方案下共进行6次单程运行测试，贯通方案下进行6次单程运行测试，共收集整理12次列车运行数据和网侧牵引能耗数据。
①停站方案：两种停站方案分别为跨站运行和贯通运行，具体如图15所示。跨站方案1为列车从濮阳东站出发，途径滑浚站停站，最终到达原阳站。跨站方案2为列车从原阳站出发，途径卫辉南站停站，最终到达濮阳东站。贯通上行方案为列车从原阳站出发直接开行至濮阳东站，中间站不停。贯通下行方案为列车从濮阳东站出发直接开行至原阳站，中间站不停。
②操纵方式：3种列车操纵方式分别为最大能力运行、恒速运行和节能运行。3种操纵方式均由司机自主进行列车操纵。其中，最大能力运行是司机根据列控限速最高值，操纵列车恒速运行，实现“满级牵引—满级制动”；恒速运行是由司机根据经验，调整恒速设定值进行控车，从而实现“满级牵引—恒速—满级制动”；这两种操纵方式都是模拟无DAS指导下的司机常规操纵。节能运行是司机根据DAS输出的最优驾驶指导操纵列车运行，实现“满级牵引—恒速—惰行—满级制动”。
5.2 试验结果分析
（1）在不同运行线路下，试验列车总运行时间如表2所示，对应的3种操纵方式下列车运行位置-速度曲线对比如图16所示。
表 2 3种操纵方式下试验列车总运行时间对比表停站方案 总运行时间/s 最大能力运行 恒速运行 惰行节能运行 跨站方案1 2492 2591 2525 跨站方案2 2460 2589 2559 贯通上行 1996 2120 2094 贯通下行 1967 2057 2018 表2表明：在不同停站方案下，高速列车在3种操纵方式下均能在列车运行计划规定的时间点准点到达，但DAS节能运行操纵方式下列车运行速度适中，安全、准点到达目的地，能够指导司机驾驶操作。图16可知，跨站方案1下，司机采用最大能力操纵方式，列车运行速度最快，比按照DAS节能运行操纵方式快33 s；司机采用恒速运行操纵方式，比按照DAS建议操纵列车慢66 s。
（2）在相同线路条件下，试验列车在3种操纵方式下网侧牵引总能耗如表3所示，对应的列车运行能耗对比如图17所示。
表 3 3种操纵方式下试验列车网侧牵引总能耗对比停站方案 网侧牵引总能耗/kwh 最大能力运行 恒速运行 惰行节能运行 跨站方案1 3428.7 2898.7 2761.9 跨站方案2 3404.9 3038.6 2805.7 贯通上行 3688.9 3199 3088.1 贯通下行 3958.3 3770 3682 表3表明：在相同线路区段，使用DAS节能运行操纵列车能耗降低，DAS具有一定的节能优化实效。由图17可知，在跨站方案1下，司机按照DAS节能运行操纵方式，相比于最大能力操纵方式列车运行能耗降低19.45 %，相比于恒速运行操纵方式列车运行能耗降低4.7 %。
6 结束语
在不改动高速列车现有列车运行控制系统车载设备、不改变司机作为列车运行控制职责主体和现行行车规程的前提下，基于TCMS 技术平台，研究开发了高速列车辅助驾驶系统，兼容以太网和MVB通信接口的TCN，可通过TCMS CCU采集与列车运行控制相关信息；以安全、准点、节能为目标，建立列车运行控制与能耗优化模型，生成适合不同运行场景的最优目标速度规划曲线，并根据线路状况和行车指令进行动态调整，提供优化驾驶指导，降低司机控车难度，提升高速列车驾驶安全性和节能性，减少列车设备磨损，提升乘客舒适度。基于TCMS CCU恒速控制功能，该系统实现了区间巡航功能，丰富了高速列车运行控制自动化模式，可极大地减轻司机工作负担，并使列车启动、停止精准度更高。另外，该系统纳入TCMS 的管理与控制，可实现故障导向安全，保障其安全性和可维护性。
目前，本文开发的高速列车辅助驾驶系统已在济南—郑州客运专线的原阳-濮阳段进行多次测试，初步验证该系统生成的优化驾驶指导的有效性及节能优化效果。后续将在更多线路上开展实车试验，尽快完善该系统，早日实现在高速铁路上推广应用。另一方面，考虑结合智能感知技术，如接触网状态检测技术、线桥隧状态感知技术、异物入侵检测技术等，使辅助驾驶系统具备列车运行环境智能感知能力，能够支持司机快速处置突发故障和危险事件，增强高速列车运行控制的安全性。
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表 1 与辅助驾驶相关的ATP运行信息
序号 内容 内容说明 1 列车速度 列车实际运行速度 2 公里标 列车运行实时位置 3 列车车次号 4 车站号 5 线路号 判断预存的线路信息 6 线路标志（行别） 上行、下行标志 7 线路限速 线路最高允许速度值 8 目标速度（临时限速） 运行前方降速点限速，无目标速度时发无效值 9 目标距离 运行前方降速点距离，无目标距离时发无效值 
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表 2 3种操纵方式下试验列车总运行时间对比表
停站方案 总运行时间/s 最大能力运行 恒速运行 惰行节能运行 跨站方案1 2492 2591 2525 跨站方案2 2460 2589 2559 贯通上行 1996 2120 2094 贯通下行 1967 2057 2018
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表 3 3种操纵方式下试验列车网侧牵引总能耗对比
停站方案 网侧牵引总能耗/kwh 最大能力运行 恒速运行 惰行节能运行 跨站方案1 3428.7 2898.7 2761.9 跨站方案2 3404.9 3038.6 2805.7 贯通上行 3688.9 3199 3088.1 贯通下行 3958.3 3770 3682
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[1] Li Z, Chen L, Roberts C, et al. Dynamic trajectory optimization design for railway driver advisory system[J]. IEEE Intelligent Transportation Systems Magazine, 2018, 10(1): 121-132. DOI: 10.1109/MITS.2017.2776134
[2] Verstappen V J, Pikaar E N, Zon R G. Assessing the impact of driver advisory systems on train driver workload, attention allocation and safety performance[J]. Applied Ergonomics, 2022, 100: 103645. DOI: 10.1016/j.apergo.2021.103645
[3] 郑 斌,王青元,赵红卫,等. 一种动车组辅助驾驶系统的设计与实现[J]. 铁道机车车辆,2021,41(4):105-110. DOI: 10.3969/j.issn.1008-7842.2021.04.19 [4] 孟 军. 基于LKJ的机车辅助驾驶系统行程规划方案与实现[J]. 铁道通信信号,2023,59(3):1-7. [5] 杨思豪. 重载铁路列车辅助驾驶系统的设计与实现[D]. 成都:西南交通大学,2020. [6] 马秀华,郑木火,林宏泉. 重载列车智能操控系统人机界面设计[J]. 数字技术与应用,2016(3):206-207. [7] 宁 滨,蔡伯根,贾利民,等. 中国高速铁路列车运行控制系统发展研究[C]//2010-2011控制科学与工程学科发展报告,2011-04-01,北京. 北京:中国科学技术出版社,2011. [8] 铁道部运输局基础部.中国列车运行控制系统CTCS技术规范总则(暂行)[R]. 铁道部运输局基础部,2003. [9] 杨卫东. CTCS-2级列控系统在城际铁路中的技术研究[D]. 兰州:兰州交通大学,2016. [10] 杨志杰. CTCS-3级列控系统关键设备自主化研究[J]. 中国铁路,2018(7):1-6. [11] 李洋涛. TCN列车网络技术现状与发展[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2012,12(1):4-7. DOI: 10.3969/j.issn.1009-623X.2012.01.003 [12] 任祥臣,石 磊. 基于工业以太网的动车组列车通信网络设计[J]. 铁路计算机应用,2023,32(8):43-51. DOI: 10.3969/j.issn.1005-8451.2023.08.08 [13] 王青元. 高速列车准点节能优化操纵研究[D]. 成都:西南交通大学,2017.
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