全長約2.6公里、總重達(dá)2.16萬噸的鋼鐵巨龍組成的“大塊頭”列車，由兩臺大功率電力機(jī)車牽引，在太行山脈的西煤東運(yùn)大通道上穿梭自如。牽引該列車的電力機(jī)車關(guān)鍵系統(tǒng)由中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司自主研發(fā)，列車共216節(jié)車輛。目前，它已在我國能源運(yùn)輸大動脈實(shí)現(xiàn)批量化應(yīng)用。重載鐵路技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)不斷創(chuàng)新突破的？近日，人民鐵道報記者采訪了中車株洲所時代電氣智慧機(jī)務(wù)項(xiàng)目團(tuán)隊成員，了解智慧重載列車的創(chuàng)新之路。

多年來，中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司瞄準(zhǔn)智慧機(jī)務(wù)，在數(shù)字化基礎(chǔ)上，將先進(jìn)技術(shù)融入日常生產(chǎn)中，通過智能設(shè)備與應(yīng)用增強(qiáng)延伸機(jī)務(wù)人的智慧。“在智慧機(jī)務(wù)體系下，系統(tǒng)的感知、診斷、決策完全依靠智能技術(shù)自主實(shí)現(xiàn)，機(jī)車自動駕駛、智慧化檢修車間將不再是夢想，智慧化的管理與運(yùn)行模式，保障重載列車安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，助力機(jī)務(wù)可持續(xù)發(fā)展，不斷書寫機(jī)務(wù)新篇章。”中車株洲所智慧機(jī)務(wù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人江平說。

【無線重聯(lián)，開行兩萬噸組合列車的關(guān)鍵技術(shù)】

火車跑得快，全靠車頭帶。牽引兩萬噸重載列車的兩臺大功率電力機(jī)車，前后相距約1.3公里，通過無線重聯(lián)技術(shù)，讓兩臺牽引機(jī)車協(xié)同牽引與制動，這是確保重載列車安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵核心。

早些年，這項(xiàng)高端技術(shù)被國外企業(yè)壟斷，對中國實(shí)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖。“所有的相關(guān)技術(shù)圖紙保密。”江平回憶，當(dāng)時，裝載該國外企業(yè)無線重聯(lián)系統(tǒng)的機(jī)車，不允許中國技術(shù)人員登車參觀。中國人只剩下自主研發(fā)、探索自主知識產(chǎn)權(quán)的無線重聯(lián)技術(shù)這一條道可走。中車株洲所與其他科研機(jī)構(gòu)、高校院所協(xié)同合作、自力更生，在沒有任何可供參考借鑒的基礎(chǔ)上，探索中國自主知識產(chǎn)權(quán)的無線重聯(lián)技術(shù)。

據(jù)介紹，如今國外的無線重聯(lián)技術(shù)采用數(shù)傳電臺，要求97%的指令傳輸可靠性，從控機(jī)車響應(yīng)時延控制在3秒以內(nèi)。我國自主研發(fā)的無線重聯(lián)技術(shù)，在國內(nèi)外重載領(lǐng)域首次基于LTE專網(wǎng)，具備更強(qiáng)的環(huán)境地形適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了99%的指令可靠傳輸，包括指令采集、通信接受、數(shù)據(jù)解析、設(shè)備執(zhí)行，從控機(jī)車響應(yīng)時延在1.7秒內(nèi)。

為適應(yīng)我國各條重載專線基礎(chǔ)無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，新一代重載組合列車同步操控系統(tǒng)兼具基站式通信GSM-R、LTE專網(wǎng)和點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)傳電臺等各類無線通信制式，同時預(yù)留了5G通信打展；實(shí)現(xiàn)分布式動力機(jī)車遠(yuǎn)程無線同步操控，平穩(wěn)牽引重載組合列車。

為繼續(xù)提升機(jī)車運(yùn)用效率，釋放線路運(yùn)輸能力，我國交直流機(jī)車混編模式已批量運(yùn)用，3萬噸更高噸位重載列車試驗(yàn)已開啟。

【自動駕駛，降低勞動強(qiáng)度更好服務(wù)于人】

重載列車操縱需要根據(jù)路況隨時調(diào)整機(jī)車牽引/電制動，并與空氣制動進(jìn)行協(xié)同控制，控制速度，減小列車沖擊，讓列車安全平穩(wěn)運(yùn)行，這是一項(xiàng)難度系數(shù)極高的技術(shù)。“2016年開始組建機(jī)車自動駕駛團(tuán)隊，2018年在中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司首次開展普載裝車試驗(yàn)，2019年首次實(shí)現(xiàn)了萬噸重載試驗(yàn)，2020年在國內(nèi)重載第一線大秦線進(jìn)行了2萬噸重載試驗(yàn)。”中車株洲所自動駕駛技術(shù)主管李鐵兵介紹，科研團(tuán)隊成立以來，一項(xiàng)項(xiàng)技術(shù)難題被逐一破解，比如：采用SIL4等級的安全計算機(jī)作為自動駕駛控制平臺，雙系熱備冗余，即使某系發(fā)生故障，系統(tǒng)控制也能做到“無感”自動切換；采用分級故障安全導(dǎo)向，根據(jù)故障風(fēng)險程度，系統(tǒng)能智能化安全處置，不會影響安全行車；掌握國內(nèi)領(lǐng)先的重載列車智能駕駛運(yùn)行規(guī)劃與控制算法，可消除不同司機(jī)操控的差異性，讓列車運(yùn)行更精準(zhǔn)、更安全、更高效。

2020年，項(xiàng)目團(tuán)隊在大秦鐵路湖東至茶塢站間300公里線路上成功實(shí)現(xiàn)了首趟2萬噸重載列車自動駕駛運(yùn)行試驗(yàn)，順利完成所有試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了中國貨運(yùn)重載列車自動駕駛技術(shù)的歷史性突破。

“此后，項(xiàng)目團(tuán)隊繼續(xù)開展自動駕駛技術(shù)的研究和試驗(yàn)工作，豐富了自動駕駛技術(shù)操縱重載列車的多種運(yùn)行場景，提高了自動駕駛技術(shù)的安全性和適用性。”中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司重載鐵路技術(shù)研究中心研究室主任、高級工程師于永生說。

2023年11月11日至12日，西安局集團(tuán)公司在浩吉線河津西至五里川區(qū)段，使用2臺和諧電1型機(jī)車組合開行萬噸重載列車，圓滿完成組合萬噸國產(chǎn)機(jī)車無線同步操控和輔助駕駛設(shè)備綜合試驗(yàn)。此次試驗(yàn)成功，為未來有效提升浩吉線萬噸重載列車運(yùn)輸能力奠定堅實(shí)基礎(chǔ)，具有重大意義。

“運(yùn)用自動駕駛，可讓重載列車運(yùn)行更安全、更平穩(wěn)、速度更快，為司機(jī)減負(fù)，將助力我國重載線路運(yùn)量提升。”李鐵兵說。

【PHM系統(tǒng)，讓列車遠(yuǎn)離“亞健康”】

故障預(yù)測與健康管理PHM系統(tǒng)，是指高速運(yùn)行的列車上的一套更完善的“CT掃描儀”，可以通過遍布全身的傳感器不間斷采集車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，并自動做出“診斷”，當(dāng)列車處于“亞健康”狀態(tài)時，及時“報警”，保障車輛運(yùn)行安全。“整個系統(tǒng)相當(dāng)于給列車配備了一位隨車醫(yī)生，以先進(jìn)的理念和豐富的數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)維智慧化升級，助力列車遠(yuǎn)離亞健康。”中車株洲所數(shù)據(jù)與智能技術(shù)中心主任助理戴計生說。

2016年，中車株洲所應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，開始軌道交通PHM系統(tǒng)的研發(fā)。近幾年來，在戴計生和同事們的通力合作下，中車株洲所攻克了一個個技術(shù)難關(guān)，PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的范圍涵蓋了牽引電機(jī)軸承/絕緣、接觸器、電容器等軌道交通車輛里的多個關(guān)鍵部件，其中多項(xiàng)技術(shù)成果屬于業(yè)內(nèi)首創(chuàng)。

從單一部件到對整車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)健康管理，戴計生與團(tuán)隊主持研發(fā)了軌道交通車載PHM系統(tǒng)，構(gòu)建車地一體的電傳動系統(tǒng)健康管理平臺并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)批量應(yīng)用于機(jī)車、高速動車組和城軌車輛，實(shí)現(xiàn)了服役裝備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、應(yīng)急處置、全生命周期健康狀態(tài)評估與壽命預(yù)測等功能。

在戴計生看來，在保障列車行車安全、降低在途故障率、減少人工檢修工作量和提高檢修維護(hù)經(jīng)濟(jì)性等方面，PHM系統(tǒng)都具有重要意義，可避免過度修和漏修，降低作業(yè)人員重復(fù)工作強(qiáng)度，提升工作效率。“未來，這個系統(tǒng)將不僅應(yīng)用于軌道列車。”戴計生說，PHM系統(tǒng)將來還能應(yīng)用到電動汽車、風(fēng)電、光伏等新能源領(lǐng)域。