貨運機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制研究及應用

杜海賓，王 瑞，姜 正，任育琦，王晴川

（中國中車股份有限公司 中車大連機車研究所有限公司，大連 116000）

隨著鐵路改革的不斷深化和鐵路貨運規(guī)模的不斷發(fā)展，機務運維管理的智能化、信息化、規(guī)范化工作在相關應用領域取得了一定效果[1-2]。智能化技術作為新一輪科技革命的重要引領，正快速推動軌道交通行業(yè)進步，機車自動駕駛技術作為智能化技術的典型應用已成為勢不可擋的潮流[3-4]，給行業(yè)帶來了顯著變革。

我國鐵路運輸具有線路繁忙、客貨混跑和信號多變等特點，而西康（西安—安康）鐵路穿越秦嶺地區(qū)，線路絕大多數(shù)為3‰～9‰的起伏坡道和最大16‰的長大坡道，列車運行環(huán)境更為復雜，確保列車運行過程中空氣制動系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地投入使用是保證列車運行安全的關鍵[5-7]。貨運機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制依據(jù)西康鐵路貨運運行要求，結合自動駕駛系統(tǒng)組成與功能特點，在充分考慮空氣制動適用條件基礎上，提供了對列車空氣制動系統(tǒng)功能完整性的檢測控制方法，對自動駕駛系統(tǒng)控制下的列車安全行駛具有重大意義和應用參考價值。

1 機車自動駕駛系統(tǒng)構成及空氣制動控制

機車自動駕駛系統(tǒng)是依據(jù)機車車輛特性、運行線路數(shù)據(jù)、機車信號狀態(tài)、列車編組和運行揭示等信息，綜合列車運行時間和限速要求，實時規(guī)劃最優(yōu)列車運行速度及牽引制動狀態(tài)，并根據(jù)列車運行狀態(tài)自動操控列車的牽引/制動/惰行工況，使列車處于最佳運行狀態(tài)，實現(xiàn)列車安全、正點、平穩(wěn)、減負、節(jié)能的運行要求。

1.1 系統(tǒng)構成

貨運機車自動駕駛系統(tǒng)由優(yōu)化控制器、列車控制管理系統(tǒng)（TCMS，Train Control and Management System）接口模塊、機車制動控制單元（BCU，Brake Control Unit）接口模塊、DMI（Display Manager Interface）人機交互單元、列車運行監(jiān)控記錄裝置（LKJ）安全信息平臺、數(shù)據(jù)記錄傳輸裝置構成，如圖1 所示。

圖1 貨運機車自動駕駛系統(tǒng)構成

貨運機車自動駕駛系統(tǒng)綜合獲取的機車各種數(shù)據(jù)信息，運用實時感知信號變化的在線優(yōu)化運算技術、輔助駕駛速度追蹤控制技術、機車自動起停車控制技術、機車空氣制動施加控制技術等實現(xiàn)機車自動駕駛系統(tǒng)實時動態(tài)行程規(guī)劃、自動起/停車控制、牽引/動力制動控制、過分相控制、貫通試驗控制、空氣制動控制、人機交互等功能。

1.2 空氣制動控制

貨運機車在原有BCU 中新增BCU 接口模塊，自動駕駛系統(tǒng)優(yōu)化控制器通過以太網(wǎng)方式與BCU 接口模塊進行連接，并通過該接口模塊間接獲取機車JZ-8 型空氣制動系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息。當機車處于自動駕駛控制模式時，可通過BCU 接口模塊實現(xiàn)JZ-8 型空氣制動系統(tǒng)的制動施加和緩解控制操作。

貨運機車自動駕駛系統(tǒng)空氣制動控制時序，如圖2 所示。

圖2 自動駕駛系統(tǒng)空氣制動控制時序

2 自動貫通試驗控制功能分析

貨運機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗旨在檢測、驗證和確認自動駕駛模式下[8]列車空氣制動系統(tǒng)的完整性和功能性情況，即通過自動施加固定空氣制動的減壓量與緩解操作，檢驗列車制動主管風壓變化和列車制動空氣貫通狀態(tài)，從而確認列車空氣制動系統(tǒng)是否能夠正常投入使用，以及投入使用后的制動效用。一旦發(fā)現(xiàn)任何空氣制動運用問題，便提示司機及時檢查處理和匯報記錄，并提前通過機車動力制動（電制動）實施列車控速、降速，保證在復雜運行條件下列車行進的安全穩(wěn)定，是自動駕駛系統(tǒng)控制下列車安全運行的有效防護措施。

2.1 功能需求分析

通過調研，結合空氣制動運用規(guī)則要求和司機操控習慣，貨運機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制需要具有的功能主要包括以下3 個部分。

（1）當滿足一定條件時，具備在列車開始運行升速時進行貫通試驗規(guī)劃并按照規(guī)劃控制貫通執(zhí)行的功能。表現(xiàn)為：當機車處于停車狀態(tài)時，自動駕駛系統(tǒng)能夠依據(jù)列車運行前方線路坡度（上/下坡、坡度值）與線路限速、機車信號狀態(tài)（綠燈、黃燈、紅黃燈等）、機車運行狀態(tài)（運行工況、速度）、機車載重等信息，判定起車速度規(guī)劃曲線中是否規(guī)劃貫通試驗，以及是否控制機車在相應位置執(zhí)行貫通試驗操作。

（2）當滿足一定條件時，具備在列車運行途中進行貫通試驗規(guī)劃并按照規(guī)劃控制貫通執(zhí)行的功能。表現(xiàn)為：當機車處于運行過程中，自動駕駛系統(tǒng)能夠依據(jù)列車運行前方線路坡度（上/下坡、坡度值）與線路限速、機車信號狀態(tài)（綠燈、黃燈、紅黃燈等）、機車運行狀態(tài)（運行工況、速度）、機車載重等信息，判定前方速度規(guī)劃曲線中是否規(guī)劃貫通試驗，以及是否控制機車在相應位置執(zhí)行貫通試驗操作。

（3）當機車處于自動駕駛模式時，司機可隨時通過DMI 人機交互單元進行臨時貫通試驗功能。表現(xiàn)為：當機車在自動駕駛系統(tǒng)控制下運行，司機可依據(jù)列車實際運行環(huán)境情況、線路情況、信號狀態(tài)、機車狀態(tài)和機車載重等決定是否實施臨時貫通試驗。

2.2 功能實施原則分析

貨運機車自動駕駛系統(tǒng)自動控制機車實施以上自動貫通試驗功能需要遵循的原則主要包括：

（1）機車運行至貫通試驗起始點時應滿足最低速度要求，依據(jù)線路、限速情況不同，不同貫通起始點機車的最低速度限定值不同，但最低速度必須≥50 km/h。

（2）實施貫通試驗前應將機車牽引制動級位置零位。

（3）實施貫通試驗時的空氣制動減壓量必須≤50 kPa。

（4）當確認空氣制動主管排風結束且列車速度降低≥5 km/h 后，方可執(zhí)行緩解操作。

（5）整個貫通試驗過程應時刻監(jiān)測列車管壓力變化及列車充排風時間，如有異常時自動駕駛系統(tǒng)應立刻交出機車控制權并按導向安全側原則處理。

（6）當列車具有列尾裝置時，應主動使用列尾裝置查詢列車尾部制動管風壓情況。

3 自動貫通試驗控制設計

3.1 貫通控制方法

依據(jù)鐵路規(guī)章規(guī)則與機務運用要求[9]，以及自動駕駛系統(tǒng)實施貫通試驗的需求與實施原則，以保障自動駕駛模式下列車的安全、穩(wěn)定、平穩(wěn)運行為基本出發(fā)點，自動貫通試驗控制方法可分為起車貫通試驗、運行中貫通試驗和特殊貫通試驗3 種。

3.1.1 起車貫通試驗

機車處于停車狀態(tài)，包括始發(fā)站停車、機外停車、中間站停車和區(qū)間停車，當同時滿足以下條件時，自動駕駛系統(tǒng)將在行程速度規(guī)劃曲線中規(guī)劃貫通試驗，即規(guī)劃起車貫通試驗：

（1）機車非單機運行。

（2）自動駕駛系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

（3）機車起車運行的前方線路為連續(xù)下坡或長大下坡。

（4）機車起車運行的前方線路限速必須≥50 km/h。

（5）機車運行前方信號機不是黃燈、紅黃燈和紅燈。

起車貫通試驗示意圖，如圖3 所示。

圖3 起車貫通試驗示意

機車起車運行后，根據(jù)貫通試驗規(guī)劃曲線起始點機車運行控制模式的不同，自動駕駛系統(tǒng)將進行不同的響應控制處理：

（1）機車處于人工駕駛模式，當機車運行至貫通試驗起始點前200 m 時，自動駕駛系統(tǒng)僅通過人機交互單元以語音和文字方式進行貫通試驗提示。

（2）機車處于自動駕駛模式，當機車運行至貫通試驗起始點前200 m 時，自動駕駛系統(tǒng)通過人機交互單元以語音和文字方式進行貫通試驗提示，并實時顯示距離貫通試驗起始點距離；當?shù)竭_貫通試驗點時，實時控制機車進行貫通試驗操作；貫通試驗完成后以語音和文字方式進行貫通試驗結果提示。

3.1.2 運行中貫通試驗

機車處于運行過程中，當同時滿足以下條件時，自動駕駛系統(tǒng)將在行程速度規(guī)劃曲線中規(guī)劃貫通試驗，即規(guī)劃運行中貫通試驗：

（1）機車非單機運行。

（2）自動駕駛系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

（3）機車運行線路將由平坡或上坡轉入連續(xù)下坡或長大下坡。

（4）機車起車運行的前方線路限速必須≥50 km/h。

（5）機車運行前方信號機不是黃燈、紅黃燈和紅燈。

運行中貫通試驗示意圖，如圖4 所示。

圖4 運行中貫通試驗示意

根據(jù)貫通試驗規(guī)劃曲線起始點機車運行控制模式的不同，自動駕駛系統(tǒng)將進行同起車貫通試驗相同的響應控制處理。

3.1.3 臨時貫通試驗

當機車在自動駕駛系統(tǒng)控制下自動運行，司機作為值守人員輔助監(jiān)視列車實時運行情況。當符合以下任一條件時，司機可通過操作DMI 人機交互顯示單元主動觸發(fā)貫通試驗，即臨時貫通試驗：

（1）臨時規(guī)定的固定線路位置貫通試驗。

（2）接到臨時調度命令或其他突發(fā)情況原因，可能要在長大上坡或長大下坡區(qū)段停車。

（3）空氣制動系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

（4）司機認可的其他情況。

一旦觸發(fā)臨時貫通試驗，自動駕駛系統(tǒng)將立即控制機車進行貫通試驗操作，并重新規(guī)劃行程速度曲線，貫通試驗完成后以語音和文字方式提示貫通試驗結果。

3.2 關鍵控制技術

貨運機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制以列車牽引計算控制為基礎，主要研究機車安全操縱優(yōu)化控制機理，構建列車運行學模型，從而實現(xiàn)滿足貨運機車自動駕駛模式下主動進行空氣制動系統(tǒng)檢驗、驗證的安全防護控制方法。

（1）擬合列車運動微分方程。列車受力過程雖然是一個典型的非線性、有約束、多目標的復雜時變過程，但是依據(jù)牛頓第二運動定律可知：列車運動可以看作是一個單質點物體在做受力運動，因而結合運動過程的微分形式可得出

公式（1）變換得

其中，C 為列車所受合力；v為列車速度；m為列車質量；t為列車運行時間。

將列車所受的包括牽引力、制動力（機車制動力和空氣制動力）、基本阻力、附加阻力等用二項式化簡擬合后代入公式（2）得

其中，a、b、c、k均為常數(shù)；s為列車移動距離。

由于方程式（3）為非常規(guī)微分方程，因此采用迭代法即可獲取擬合后的列車運行微分方程解

其中，n=0，1，2，···，m；m為劃分時間點總數(shù)；vn為當前時間點列車運行速度，xn為當前時間點列車運行線路坡度值。

（2）機車優(yōu)化控制計算。由于涉及空氣制動的列車控制具有復雜性、突發(fā)性的特點，自動駕駛系統(tǒng)控制將依據(jù)擬合的列車運動學微分方程不斷推導迭代計算，從而獲得符合貫通試驗控制要求的列車運行速度，如圖5 所示。

圖5 貫通試驗控制計算流程示意

4 現(xiàn)場應用分析

截止2020 年底，采用該種自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制的貨運機車自動駕駛實際運用測試里程已超過4 萬km。整個運用測試過程中，由自動駕駛系統(tǒng)控制機車擔當完成的西康鐵路運輸任務共136 次。其中，上行（安康東站至新豐鎮(zhèn)站）平均運輸載重約為1 236 t，下行（新豐鎮(zhèn)站至安康東站）平均運輸載重約為3 997 t。

通過對貨運機車自動駕駛系統(tǒng)起車貫通試驗，如圖6 所示。運行中貫通試驗、臨時貫通試驗在內(nèi)的貫通試驗控制方法應用數(shù)據(jù)及運用反饋收集、分析，可以得出：機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制能夠有效監(jiān)測、檢驗、驗證列車空氣制動系統(tǒng)的完整性和功能特性，滿足了控制設計及現(xiàn)場運用要求。

圖6 自動起車貫通試驗應用示意

5 結束語

鐵路機車自動駕駛技術的研究探索與運用推廣不僅能夠提高鐵路機務在機車運用方面的智能化、信息化水平，且對提升鐵路運輸效率與運用安全起到了一定推動作用。貨運機車自動駕駛系統(tǒng)貫通試驗控制基于現(xiàn)場運用需求，結合空氣制動運用規(guī)則要求和司機操控習慣，提供了對列車空氣制動系統(tǒng)功能完整性的檢測控制方法，滿足了機車在西康鐵路運用的特殊操作規(guī)則要求，同時為自動駕駛控制模式下的列車安全運行提供了重要的防護保障。