重載貨運列車自動駕駛關鍵平穩性操控方法研究

楊振國

摘要：近年來，我國重載貨運列車自動駕駛技術快速發展，通過對重載貨運列車自動駕駛關鍵平穩性操控方法進行研究，可以提高機車操作的一致化水平，大大降低司機工作強度的同時確保機車能安全平穩操控。本文研究的關鍵平穩性 操控方法可以確保機車自動駕駛功能安全實現，實現全過程的列車自動駕駛運行。

關鍵詞：重載貨運列車;自動駕駛;操控方法

1.引言

本文主要研究重載貨運列車自動駕駛的關鍵平穩性操控方法，可以實現重載貨運列車自動駕駛在不同運用場景下可以自動操控機車的牽引、制動用以降低機車牽引能耗，最終實現自動控制列車安全、平穩、節能運行。

2.列車模型的建立

列車模型主要包括列車運行的數學模型和列車能耗模型，在滿足約束條件給定的情況下，構建列車數學模型，找尋消耗能源低的控制方法，形成列車最優的平穩性操控策略[1]。

2.1 列車運動模型的建立

重載貨運列車自動駕駛平穩性操控方法研究以列車動力學和運行時因牽引和制動產生的車鉤力分析為依據，列車牽引計算主要以列車的縱向力為對象，而列車所受的縱向力主要由牽引力、電制力和運行過程中受到的阻力構成。

F為驅動列車向前運行的牽引力，由牽引電機根據牽引功率提供;B為與牽引力方向相反的制動力;W為列車運行過程中所受到的各種阻力，可以得到列車合力的表達式：

列車在運行過程中對當前列車所處位置、速度、和工況等實時狀態進行采集后用于處理所得到的合力，由此可以構建列車運行狀態中合力變化的模型，列車運動方程可以表達為[2]：

公式（2）中v為列車當前運行的速度，t為運行的時間，c為所受的列車合力，ξ為加速系數。根據此方程式建立的數學模型可以用于貨運機車自動駕駛系統平穩性操控方法的研究。列車的縱向動力學主要以非穩態運動的牽引和制動為主要研究對象，需要不斷提取司機的優秀操作方法作為控制經驗加以研究，用以對貨運列車的運動模型進行進一步優化。

2.2 約束條件

重載貨運列車自動駕駛在控制列車運行過程中會受到各種條件的約束，如列車限速約束、列車停車距離精度約束等。

（1）列車限速約束

重載貨運列車自動駕駛在控車過程中，實際運行速度必須要比列車運行監控裝置ATP速度要低，數學表達式為：

其中Vs表示列車運行的實際速度，Vmax表示區間行駛線路上最高限速。

（2）列車停車距離約束

重載貨運列車自動駕駛控制列車停車時要求機車頭部不能超過前方信號機

位置，列車尾部必須保證已經過標，所以列車停車距離精度的表達式為：

其中L表示自動駕駛控制停車的最大誤差距離，Y表示停車所能允許的最大誤差距離。

3.關鍵平穩性操控方法研究與驗證

重載貨運列車自動駕駛系統根據機車運用進行場景分析，可以得出自動駕駛系統中過程控制需求，不同的場景采用不同的操控方法進行控制。

3.1自動駕駛行程規劃策略

當自動駕駛系統LKJ數據版本正確且獲取LKJ揭示信息后，根據機車特性以及從各個通信接口獲取的列車、線路信息，按照行車的要求規范約束，進行行程規劃。

3.2列車運行速度控制策略

基于列車編組、機輛特性、運行揭示信息、線路限速、車站、信號燈等多種因素，進行多目標實時規劃，規劃不超速、滿足運行時間要求、符合運輸操作規程的速度曲線和列車操縱指令序列。

列車運行速度控制策略為;系統根據行程規劃，輸出合理的級位手柄信息控制列車運行;系統根據行程規劃，輸出合理的空氣制動指令控制列車減速運行;系統按照規劃的目標輸出牽引、電制動、空氣制動控制指令，如果實際運行速度低于目標速度，追加牽引力或減小電制動力;如果實際速度高于目標速度，減小牽引力或追加制動力，系統通過控制牽引和電制以及空氣制動自動調節列車運行速度。

3.3牽引和電制動控制策略

自動駕駛系統通過通信接口向機車控制系統（TCMS）發送牽引或電制工況以及等效手柄級位目標值，TCMS系統按照工況和級位要求執行牽引或電制動后，將牽引或電制動的實際力數值通過通信接口反饋給自動駕駛系統，自動駕駛系統通過反饋數值監測指令是否執行到位，并修正控制指令的目標值。

3.4空氣制動控制策略

自動駕駛系統通過通信接口向制動系統發送空氣制動目標值，包括列車管壓力目標值和制動缸壓力目標值。制動系統按照壓力目標值執行空氣制動指令后，將列車管和制動缸的實際壓力數值通過通信接口反饋給自動駕駛系統，自動駕駛系統通過反饋數值監測空氣制動指令是否執行到位。

自動駕駛系統通過與制動機的通信接口，根據實際需求操控列車按規劃速度運行、空氣制動調速、貫通試驗、停車以及追加減壓防溜等給制動機發送相應指令，實現對空氣制動的控制。

3.5安全故障控制策略

自動駕駛系統在控車過程中與LKJ通信故障或與CCU通信中斷時，系統按照減速停車進行防護，實施50kPa空氣制動，控制列車減速并停車。在LKJ通信故障恢復之前，不允許再進入自動駕駛。

自動駕駛系統在控車過程中與列尾通信發生中斷或發生影響自動駕駛正常工作的故障時，自動駕駛系統按照減速停車導向進行防護。

4.結語

本文對重載貨運列車自動駕駛關鍵控制策略進行了研究，經過現場試驗表明自動駕駛系統在采用該最優控制策略后，可以提高列車運行的安全性、平穩性、節能性，能夠很好地運用在重載貨運列車自動駕駛系統中，為我國重載貨運機車自動駕駛系統的全面推廣提供了理論依據和支持。

參考文獻：

[1]程茗. 貨運列車控制策略仿真分析研究[D]. 北京交通大學， 2015.

[2]黃麗珍， 王昊， 王烈. 機車牽引能源消耗因素分析及計算模型研究[J]. 鐵道運輸與經濟， 2014， 36（9）：88-92.

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