重載運輸智能駕駛技術(shù)研究

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412001)

0 引言

自20世紀(jì)80年代起，澳大利亞、英國、德國、日本等國家進(jìn)行了大量列車自動駕駛技術(shù)的研究，CBTC系統(tǒng)作為自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)得到廣泛運用，而近年來國際重載運輸飛速發(fā)展，美國、加拿大、俄羅斯、澳大利亞等地域廣袤、煤炭礦石資源豐富的國家均大力發(fā)展重載運輸技術(shù)，鐵路在資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方面優(yōu)勢顯著，但重載運輸中還存在著人工操縱不一致、以人工作業(yè)為主，人為觀察機(jī)車、線路異常，開行萬噸重載組合列車操作強(qiáng)度與難度大等問題，因此現(xiàn)有重載運輸列車運行效率、安全性與平穩(wěn)性、資源利用率、社會經(jīng)濟(jì)效益方面仍有較大提升空間，提高列車控制水平和系統(tǒng)安全性成為提升重載列車技術(shù)發(fā)展的重要方向。

1 城軌交通自動駕駛技術(shù)

高密度、小間隔、安全運輸是城市軌道交通自動駕駛技術(shù)運用中的顯著特點，以移動閉塞為技術(shù)特點的CBTC系統(tǒng)正廣泛應(yīng)用于城市軌道交通自動駕駛，CBTC系統(tǒng)能實現(xiàn)車地雙向、車與軌旁的實時大容量信息安全傳輸通信，產(chǎn)品安全認(rèn)證等級可達(dá)SIL4，突破了傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的限制，控制更加靈活，運行效率更高，列車在運用中滿足安全、準(zhǔn)點、舒適、節(jié)能、精準(zhǔn)停車等技術(shù)指標(biāo)。

CBTC系統(tǒng)主要由軟件構(gòu)成，軌旁設(shè)備少，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，通過移動閉塞縮短運行間隔，將速度和位置信息通過車地通信傳遞，從而追蹤控制區(qū)內(nèi)全部列車，并為后續(xù)列車計算和發(fā)送移動授權(quán)，形成列車閉塞區(qū)間。VOBC綜合線路速度和移動授權(quán)，計算并控制列車當(dāng)前速度，保證列車運行的安全性。

2 重載列車智能駕駛技術(shù)

重載運輸?shù)奶攸c是遠(yuǎn)距離、長編組、大載重、高能耗、運用環(huán)境復(fù)雜，因此，城市軌道交通的自動駕駛技術(shù)無法全部直接應(yīng)用在重載運輸領(lǐng)域，研究重載列車的自動駕駛技術(shù)，要基于線路條件、運用特點、裝備現(xiàn)狀，開發(fā)具有高可靠性、高安全性、高智能化特點的智能駕駛技術(shù)。

智能駕駛系統(tǒng)應(yīng)保留機(jī)車原有的安全防護(hù)與電氣系統(tǒng)控制邏輯，其原理見圖2。

重載列車智能駕駛技術(shù)可實現(xiàn)自動喚醒、自動整備、自動運行、導(dǎo)向安全的自動邏輯控制、自動休眠的全自動化運行控制，融合地面調(diào)度、軌道信號，實現(xiàn)機(jī)車自動注冊、自動調(diào)車、自動無線重聯(lián)編組、運行過程中的臨時限速，同時實現(xiàn)機(jī)車的智能化自檢、智能跟隨控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)及研究重點

要實現(xiàn)上述重載列車智能駕駛技術(shù)，需要突破機(jī)車運用場景、線路條件、機(jī)車控制、障礙物檢測等多項關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 系統(tǒng)原理框圖(節(jié)車)

3.1 智能駕駛場景分析

智能駕駛技術(shù)結(jié)合機(jī)車特性、運用環(huán)境及司乘人員操縱機(jī)車的規(guī)定，研究機(jī)車智能駕駛過車中的段內(nèi)作業(yè)、出段與掛車、始發(fā)站發(fā)車、區(qū)間運行、區(qū)間停車、區(qū)間發(fā)車、解編入段等多個應(yīng)用場景，相關(guān)的場景描述、約束條件、功能邊界、經(jīng)驗規(guī)則是開發(fā)重載列車智能駕駛技術(shù)的關(guān)鍵條件。

3.2 目標(biāo)速度曲線規(guī)劃與跟隨技術(shù)

智能駕駛技術(shù)基于最優(yōu)控制與模型預(yù)測控制理論，采集列車編組、基礎(chǔ)線路信息、機(jī)車狀態(tài)等信息，規(guī)劃出列車運行的最優(yōu)目標(biāo)速度曲線，再結(jié)合模型預(yù)測控制算法生成控制指令，最終實現(xiàn)目標(biāo)速度跟隨，實現(xiàn)列車安全、正點、平穩(wěn)、節(jié)能的目標(biāo)。

3.3 基于斜楔-彈簧模型的列車車鉤力計算與仿真

重載列車編組長、載重大，尤其是空氣制動緩解過程，列車縱向沖動大，容易出現(xiàn)車鉤斷裂緩沖器磨損、渡板變形等問題。智能駕駛技術(shù)以現(xiàn)有運用的真實實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立精確車鉤-緩沖器模型，實時計算并反饋車鉤力，同時作為列車智能駕駛正常運行的一個約束條件，有效防止車鉤力過大，降低維修成本。

3.4 障礙物檢測技術(shù)

在機(jī)車運行前方的鐵路限界內(nèi)，智能駕駛技術(shù)綜合運用激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視頻監(jiān)控可實現(xiàn)障礙物檢測、識別及報警。各系統(tǒng)結(jié)合各自傳感優(yōu)勢進(jìn)行預(yù)警，保障機(jī)車在復(fù)雜路況下的運營安全，系統(tǒng)還具備優(yōu)良的探測功能、目標(biāo)識別、事件記錄等功能，在不同光照條件、風(fēng)雨雪等惡劣環(huán)境下均具有良好的適用性。

3.5 基于流體力學(xué)的制動管路+閥建模、列車制動系統(tǒng)建模

智能駕駛技術(shù)通過對空氣波列車管、制動缸中暫態(tài)變化過程的準(zhǔn)確建模，實現(xiàn)列車車鉤力的精確計算與仿真，通過空氣制動力的精確計算，得出列車牽引/制動控制的可靠算法，以保證列車運行的安全。

3.6 基于精確多質(zhì)點動力學(xué)模型的機(jī)車車輛縱向力和沖動研究

智能駕駛技術(shù)通過列車動力學(xué)及能耗優(yōu)化建模、空氣制動特性研究、多質(zhì)點列車動力學(xué)建模研究、不同編組方式下的牽引力與電制動力綜合建模、不同級位的特性控制與級位轉(zhuǎn)換、不同減壓量的作用時間與緩解時間建立精確的列車動力學(xué)模型，從而實現(xiàn)機(jī)車牽引、制動性能的全面把控，對提升列車壽命、減少重載運輸能耗作用顯著。

4 結(jié)語

通過研究開發(fā)重載列車智能駕駛系統(tǒng)，提出機(jī)車運用場景，以及障礙物檢測、精準(zhǔn)定位、安全導(dǎo)向控制策略等前沿技術(shù)的研究方向，從而達(dá)到降低司乘人員配置和司乘人員工作量，提高運輸效率，提升運行安全性的目的，對提高國際重載運輸列車智能駕駛技術(shù)有著重要意義。