無人駕駛列車制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用探究

陶磊 張洋 邱力博 劉宇輝

摘要：無人駕駛列車的操作難點(diǎn)在于整個(gè)控制環(huán)節(jié)都需要通過軟件程序來實(shí)現(xiàn)，這就對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)工作能力提出了更高的要求。本文主要從列車制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理展開分析，明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。研究充分發(fā)揮信息技術(shù)手段，提高系統(tǒng)應(yīng)用效果的可行方案。在這個(gè)環(huán)節(jié)中還有一些事項(xiàng)需要注意，主要包括零部件維修保養(yǎng)及人員培訓(xùn)教育等。這是影響系統(tǒng)運(yùn)行安全的關(guān)鍵所在，需要列車設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)營(yíng)部門引起重視。

關(guān)鍵詞：無人駕駛;列車;制動(dòng)系統(tǒng)。

一、無人駕駛列車等級(jí)分類

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)按照軌道交通線路自動(dòng)化程度定義了4層自動(dòng)化等級(jí)（GOA），自動(dòng)化程度從低至高為GOA1至GOA4。

GoA1：在ATP（列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）防護(hù)下的完全人工駕駛，由司機(jī)控制列車的啟動(dòng)、停止，車門的開關(guān)，以及突發(fā)情況的處理;

GoA2：半自動(dòng)駕駛，車輛的啟動(dòng)、停止是自動(dòng)運(yùn)行，但是司機(jī)室配備一名司機(jī)開動(dòng)車輛，控制車門的開關(guān)，以及應(yīng)對(duì)緊急情況下列車的駕駛。大部分地鐵ATO系統(tǒng)是這個(gè)級(jí)別;

GoA3：無司機(jī)駕駛，列車的啟動(dòng)、停止是自動(dòng)化的，但列車配備一名服務(wù)人員，列車服務(wù)人員控制列車車門的開關(guān)以及緊急情況下對(duì)列車的控制;

GoA4：完全自動(dòng)駕駛，列車喚醒、休眠、啟動(dòng)、停止、車門的開閉、以及緊急情況下的列車運(yùn)行全部為自動(dòng)駕駛，不需要任何一名工作人員參與。

二、無人駕駛列車制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行原理及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

GoA4級(jí)別為無人駕駛的最高級(jí)別，為真正意義上的無人駕駛，目前大眾最關(guān)心的就是其運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性，即停得下、停的準(zhǔn)、停的穩(wěn)，而這就需要從列車制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用環(huán)節(jié)展開分析。

1、基本原理

制動(dòng)系統(tǒng)指的是限制列車運(yùn)行狀態(tài)及行駛速度的控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要利用車載信號(hào)ATC控制器將列車運(yùn)行的實(shí)際信息與車載ATC系統(tǒng)本身存儲(chǔ)的線路電子地圖信息進(jìn)行綜合比較、計(jì)算，然后智能判斷出列車所處位置，及該位置所處區(qū)域的限速值，進(jìn)而判斷列車行駛速度是低于該區(qū)域限速還是高于該區(qū)域限速，若實(shí)際速度高于限速則對(duì)列車施加制動(dòng)，進(jìn)而降低列車速度，這就是制動(dòng)系統(tǒng)的基本原理。在整個(gè)工作流程中，還涉及定位系統(tǒng)、測(cè)速裝置、壓力檢測(cè)等設(shè)備的安裝和使用，操作難度相對(duì)較高。

2、制動(dòng)效果的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

列車制動(dòng)力調(diào)節(jié)是通過車載ATC系統(tǒng)給出0-10V的可調(diào)電壓信號(hào)控制中繼閥的開啟量來實(shí)現(xiàn)的。閥門的工作電壓為24V，指令信號(hào)為0.7-10.7VDC，對(duì)應(yīng)控制壓力為0-100PSI（0-689kPa），反饋信號(hào)為0-10VDC，對(duì)應(yīng)控制壓力為0-100PSI（0-689kPa）。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員首先要掌握電壓與壓力之間的關(guān)系，結(jié)合關(guān)系式來了解目前制動(dòng)效果的優(yōu)化研究方向，從而擬定出科學(xué)合理的方案。具體關(guān)系式如下圖1所示：

3、對(duì)摩擦系數(shù)的研究

在設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)人員還需要了解制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，分析出實(shí)際列車運(yùn)行過程中對(duì)制動(dòng)效果造成影響的關(guān)鍵因素有哪些。常見的因素主要有車輛自身的運(yùn)行狀態(tài)以及車輛受到的摩擦阻力等問題，運(yùn)行狀態(tài)可以通過智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。而摩擦阻力問題，主要受輪軌摩擦系數(shù)影響，需展開詳細(xì)的分析和研究，其準(zhǔn)確與否直接影響到列車的制動(dòng)效果。在這個(gè)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，將速度與制動(dòng)效果之間的關(guān)系圖（如圖2）繪制出來指導(dǎo)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，并在后續(xù)試驗(yàn)中結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)關(guān)系圖進(jìn)行優(yōu)化更新。

技術(shù)人員根據(jù)關(guān)系圖可以直觀清晰的了解二者的關(guān)系，可以對(duì)制動(dòng)速度進(jìn)行科學(xué)的選擇，有效提高制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，進(jìn)而為無人駕駛列車的精確制動(dòng)提供保障。

4、系統(tǒng)自檢及故障處理

由于GoA4級(jí)別列車通常不設(shè)司機(jī)，列車的喚醒、運(yùn)行、休眠均需自動(dòng)實(shí)施。為確保列車運(yùn)行安全，每天列車喚醒時(shí)應(yīng)立即對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)自檢，包括控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障及時(shí)上傳，對(duì)嚴(yán)重故障應(yīng)特別標(biāo)注，提醒運(yùn)營(yíng)部門注意。同樣，在列車運(yùn)行過程中，制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)上傳故障信息，為確保列車的可用性，制動(dòng)系統(tǒng)還需具備自復(fù)位及重啟功能。

5、人工駕駛界面的設(shè)計(jì)

GoA4級(jí)別列車在平時(shí)運(yùn)行中為無人駕駛，但在試驗(yàn)、調(diào)試及列車轉(zhuǎn)線運(yùn)行中，仍需人工駕駛，為此人工駕駛界面的設(shè)計(jì)也應(yīng)給予足夠重視。就制動(dòng)系統(tǒng)而言，一是要防止乘客對(duì)人工駕駛界面中制動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)、按鈕的誤操作。二是制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置應(yīng)充分考慮運(yùn)營(yíng)部門意見，便于司機(jī)操作，最好能做到全線網(wǎng)方案統(tǒng)一。

6、列車客室門解鎖后的控制邏輯

關(guān)于列車客室門解鎖后的控制邏輯，目前主要有以下兩種方案。一是列車施加緊急制動(dòng)，直至停車。二是列車發(fā)出故障提示，但列車仍正常運(yùn)行?？紤]到GoA4級(jí)別列車通常不設(shè)司機(jī)，若列車在區(qū)間停車容易發(fā)生混亂，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)安全，故建議按方案二實(shí)施，發(fā)生車門解鎖時(shí)，運(yùn)營(yíng)部門應(yīng)在列車到達(dá)下一車站時(shí)及時(shí)派員上車處理。

三、制動(dòng)系統(tǒng)在無人駕駛列車中的應(yīng)用效果及相關(guān)注意事項(xiàng)

1、應(yīng)用效果

與傳統(tǒng)的列車運(yùn)行模式相比，無人駕駛列車的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省了司機(jī)的薪酬開支，提高運(yùn)營(yíng)部門的經(jīng)濟(jì)效益，并避免由于司機(jī)誤操作而發(fā)生的事故。從實(shí)際工作情況來看，無人駕駛列車制動(dòng)系統(tǒng)是時(shí)代發(fā)展背景下的產(chǎn)物，在保證系統(tǒng)運(yùn)行安全的狀態(tài)下，還可以提高運(yùn)行的效率。這主要是依靠于智能監(jiān)控技術(shù)，讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以對(duì)列車正常行駛狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，然后系統(tǒng)通過智能統(tǒng)計(jì)和分析，進(jìn)而計(jì)算出數(shù)據(jù)變化范圍。一旦運(yùn)行過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)異常的情況，則可以發(fā)出信號(hào)引起運(yùn)營(yíng)部門注意，并根據(jù)故障的嚴(yán)重程度智能采取制動(dòng)措施，保證列車運(yùn)行安全。因此，無人駕駛列車及其制動(dòng)系統(tǒng)有著良好的發(fā)展前景。

2、人員培訓(xùn)教育問題

制動(dòng)系統(tǒng)之所以可以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)列車運(yùn)行速度的功能，主要是依靠技術(shù)人員為系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)信息，列車在接收到相應(yīng)的指令后，會(huì)智能判斷列車運(yùn)行狀態(tài)，然后執(zhí)行指令，進(jìn)而達(dá)到制動(dòng)的效果。這就要求運(yùn)營(yíng)部門意識(shí)到人才的重要作用，定期進(jìn)行員工能力考核，分析出員工之間存在的共性問題。然后安排專家為員工傳授工作經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)員工研究、優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)，提高制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、可用性及安全性。

3、零部件維修保養(yǎng)問題

列車制動(dòng)系統(tǒng)為列車核心系統(tǒng)之一，其直接關(guān)系到列車行車安全，而制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行又依賴于其內(nèi)部各零部件的穩(wěn)定運(yùn)行，無論是控制機(jī)構(gòu)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題均會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。因此，運(yùn)營(yíng)部門需高度重視并做好制動(dòng)系統(tǒng)零部件的維修保養(yǎng)工作，建立健全內(nèi)部監(jiān)管機(jī)制，對(duì)于受損無法繼續(xù)使用的零件要及時(shí)更換。另外，還應(yīng)從員工行為入手，規(guī)范檢修工作流程，常見的方式有設(shè)置責(zé)任監(jiān)管機(jī)制及獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)制度，將零部件維修及保養(yǎng)的工作落實(shí)到每位員工，并設(shè)置獎(jiǎng)勵(lì)激勵(lì)機(jī)制，提高員工的工作積極性，及時(shí)消除列車運(yùn)行的安全隱患。

四、結(jié)論

為推動(dòng)無人駕駛列車事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提高我國(guó)科技水平，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)不斷總結(jié)個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)，明確現(xiàn)階段的優(yōu)勢(shì)及不足，區(qū)分出傳統(tǒng)列車制動(dòng)方式及自動(dòng)化制動(dòng)系統(tǒng)之間在應(yīng)用效果上的差異，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究影響制動(dòng)效果的關(guān)鍵因素，有針對(duì)性的展開優(yōu)化研究工作。同時(shí)，還應(yīng)從列車基礎(chǔ)零部件的維修保養(yǎng)角度規(guī)范自身工作行為，以確保制動(dòng)系統(tǒng)性能的充分發(fā)揮。

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