貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制研究及應(yīng)用

杜海賓，王 瑞，姜 正，任育琦，王晴川

（中國(guó)中車股份有限公司 中車大連機(jī)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(yùn)規(guī)模的不斷發(fā)展，機(jī)務(wù)運(yùn)維管理的智能化、信息化、規(guī)范化工作在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定效果[1-2]。智能化技術(shù)作為新一輪科技革命的重要引領(lǐng)，正快速推動(dòng)軌道交通行業(yè)進(jìn)步，機(jī)車自動(dòng)駕駛技術(shù)作為智能化技術(shù)的典型應(yīng)用已成為勢(shì)不可擋的潮流[3-4]，給行業(yè)帶來(lái)了顯著變革。

我國(guó)鐵路運(yùn)輸具有線路繁忙、客貨混跑和信號(hào)多變等特點(diǎn)，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(zhǎng)大坡道，列車運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，確保列車運(yùn)行過(guò)程中空氣制動(dòng)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地投入使用是保證列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵[5-7]。貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制依據(jù)西康鐵路貨運(yùn)運(yùn)行要求，結(jié)合自動(dòng)駕駛系統(tǒng)組成與功能特點(diǎn)，在充分考慮空氣制動(dòng)適用條件基礎(chǔ)上，提供了對(duì)列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)功能完整性的檢測(cè)控制方法，對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制下的列車安全行駛具有重大意義和應(yīng)用參考價(jià)值。

1 機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)構(gòu)成及空氣制動(dòng)控制

機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是依據(jù)機(jī)車車輛特性、運(yùn)行線路數(shù)據(jù)、機(jī)車信號(hào)狀態(tài)、列車編組和運(yùn)行揭示等信息，綜合列車運(yùn)行時(shí)間和限速要求，實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)列車運(yùn)行速度及牽引制動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)列車運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)操控列車的牽引/制動(dòng)/惰行工況，使列車處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)列車安全、正點(diǎn)、平穩(wěn)、減負(fù)、節(jié)能的運(yùn)行要求。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)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(jī)車制動(dòng)控制單元（BCU，Brake Control Unit）接口模塊、DMI（Display Manager Interface）人機(jī)交互單元、列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置（LKJ）安全信息平臺(tái)、數(shù)據(jù)記錄傳輸裝置構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)構(gòu)成

貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)綜合獲取的機(jī)車各種數(shù)據(jù)信息，運(yùn)用實(shí)時(shí)感知信號(hào)變化的在線優(yōu)化運(yùn)算技術(shù)、輔助駕駛速度追蹤控制技術(shù)、機(jī)車自動(dòng)起停車控制技術(shù)、機(jī)車空氣制動(dòng)施加控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)行程規(guī)劃、自動(dòng)起/停車控制、牽引/動(dòng)力制動(dòng)控制、過(guò)分相控制、貫通試驗(yàn)控制、空氣制動(dòng)控制、人機(jī)交互等功能。

1.2 空氣制動(dòng)控制

貨運(yùn)機(jī)車在原有BCU 中新增BCU 接口模塊，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)優(yōu)化控制器通過(guò)以太網(wǎng)方式與BCU 接口模塊進(jìn)行連接，并通過(guò)該接口模塊間接獲取機(jī)車JZ-8 型空氣制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)機(jī)車處于自動(dòng)駕駛控制模式時(shí)，可通過(guò)BCU 接口模塊實(shí)現(xiàn)JZ-8 型空氣制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)施加和緩解控制操作。

貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)空氣制動(dòng)控制時(shí)序，如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)空氣制動(dòng)控制時(shí)序

2 自動(dòng)貫通試驗(yàn)控制功能分析

貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)旨在檢測(cè)、驗(yàn)證和確認(rèn)自動(dòng)駕駛模式下[8]列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)的完整性和功能性情況，即通過(guò)自動(dòng)施加固定空氣制動(dòng)的減壓量與緩解操作，檢驗(yàn)列車制動(dòng)主管風(fēng)壓變化和列車制動(dòng)空氣貫通狀態(tài)，從而確認(rèn)列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)是否能夠正常投入使用，以及投入使用后的制動(dòng)效用。一旦發(fā)現(xiàn)任何空氣制動(dòng)運(yùn)用問(wèn)題，便提示司機(jī)及時(shí)檢查處理和匯報(bào)記錄，并提前通過(guò)機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)）實(shí)施列車控速、降速，保證在復(fù)雜運(yùn)行條件下列車行進(jìn)的安全穩(wěn)定，是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制下列車安全運(yùn)行的有效防護(hù)措施。

2.1 功能需求分析

通過(guò)調(diào)研，結(jié)合空氣制動(dòng)運(yùn)用規(guī)則要求和司機(jī)操控習(xí)慣，貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制需要具有的功能主要包括以下3 個(gè)部分。

（1）當(dāng)滿足一定條件時(shí)，具備在列車開(kāi)始運(yùn)行升速時(shí)進(jìn)行貫通試驗(yàn)規(guī)劃并按照規(guī)劃控制貫通執(zhí)行的功能。表現(xiàn)為：當(dāng)機(jī)車處于停車狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠依據(jù)列車運(yùn)行前方線路坡度（上/下坡、坡度值）與線路限速、機(jī)車信號(hào)狀態(tài)（綠燈、黃燈、紅黃燈等）、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行工況、速度）、機(jī)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(yàn)，以及是否控制機(jī)車在相應(yīng)位置執(zhí)行貫通試驗(yàn)操作。

（2）當(dāng)滿足一定條件時(shí)，具備在列車運(yùn)行途中進(jìn)行貫通試驗(yàn)規(guī)劃并按照規(guī)劃控制貫通執(zhí)行的功能。表現(xiàn)為：當(dāng)機(jī)車處于運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠依據(jù)列車運(yùn)行前方線路坡度（上/下坡、坡度值）與線路限速、機(jī)車信號(hào)狀態(tài)（綠燈、黃燈、紅黃燈等）、機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行工況、速度）、機(jī)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(yàn)，以及是否控制機(jī)車在相應(yīng)位置執(zhí)行貫通試驗(yàn)操作。

（3）當(dāng)機(jī)車處于自動(dòng)駕駛模式時(shí)，司機(jī)可隨時(shí)通過(guò)DMI 人機(jī)交互單元進(jìn)行臨時(shí)貫通試驗(yàn)功能。表現(xiàn)為：當(dāng)機(jī)車在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制下運(yùn)行，司機(jī)可依據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行環(huán)境情況、線路情況、信號(hào)狀態(tài)、機(jī)車狀態(tài)和機(jī)車載重等決定是否實(shí)施臨時(shí)貫通試驗(yàn)。

2.2 功能實(shí)施原則分析

貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)車實(shí)施以上自動(dòng)貫通試驗(yàn)功能需要遵循的原則主要包括：

（1）機(jī)車運(yùn)行至貫通試驗(yàn)起始點(diǎn)時(shí)應(yīng)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(diǎn)機(jī)車的最低速度限定值不同，但最低速度必須≥50 km/h。

（2）實(shí)施貫通試驗(yàn)前應(yīng)將機(jī)車牽引制動(dòng)級(jí)位置零位。

（3）實(shí)施貫通試驗(yàn)時(shí)的空氣制動(dòng)減壓量必須≤50 kPa。

（4）當(dāng)確認(rèn)空氣制動(dòng)主管排風(fēng)結(jié)束且列車速度降低≥5 km/h 后，方可執(zhí)行緩解操作。

（5）整個(gè)貫通試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)列車管壓力變化及列車充排風(fēng)時(shí)間，如有異常時(shí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)立刻交出機(jī)車控制權(quán)并按導(dǎo)向安全側(cè)原則處理。

（6）當(dāng)列車具有列尾裝置時(shí)，應(yīng)主動(dòng)使用列尾裝置查詢列車尾部制動(dòng)管風(fēng)壓情況。

3 自動(dòng)貫通試驗(yàn)控制設(shè)計(jì)

3.1 貫通控制方法

依據(jù)鐵路規(guī)章規(guī)則與機(jī)務(wù)運(yùn)用要求[9]，以及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)施貫通試驗(yàn)的需求與實(shí)施原則，以保障自動(dòng)駕駛模式下列車的安全、穩(wěn)定、平穩(wěn)運(yùn)行為基本出發(fā)點(diǎn)，自動(dòng)貫通試驗(yàn)控制方法可分為起車貫通試驗(yàn)、運(yùn)行中貫通試驗(yàn)和特殊貫通試驗(yàn)3 種。

3.1.1 起車貫通試驗(yàn)

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

（1）機(jī)車非單機(jī)運(yùn)行。

（2）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

（3）機(jī)車起車運(yùn)行的前方線路為連續(xù)下坡或長(zhǎng)大下坡。

（4）機(jī)車起車運(yùn)行的前方線路限速必須≥50 km/h。

（5）機(jī)車運(yùn)行前方信號(hào)機(jī)不是黃燈、紅黃燈和紅燈。

起車貫通試驗(yàn)示意圖，如圖3 所示。

圖3 起車貫通試驗(yàn)示意

機(jī)車起車運(yùn)行后，根據(jù)貫通試驗(yàn)規(guī)劃曲線起始點(diǎn)機(jī)車運(yùn)行控制模式的不同，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將進(jìn)行不同的響應(yīng)控制處理：

（1）機(jī)車處于人工駕駛模式，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至貫通試驗(yàn)起始點(diǎn)前200 m 時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)僅通過(guò)人機(jī)交互單元以語(yǔ)音和文字方式進(jìn)行貫通試驗(yàn)提示。

（2）機(jī)車處于自動(dòng)駕駛模式，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至貫通試驗(yàn)起始點(diǎn)前200 m 時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互單元以語(yǔ)音和文字方式進(jìn)行貫通試驗(yàn)提示，并實(shí)時(shí)顯示距離貫通試驗(yàn)起始點(diǎn)距離；當(dāng)?shù)竭_(dá)貫通試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，實(shí)時(shí)控制機(jī)車進(jìn)行貫通試驗(yàn)操作；貫通試驗(yàn)完成后以語(yǔ)音和文字方式進(jìn)行貫通試驗(yàn)結(jié)果提示。

3.1.2 運(yùn)行中貫通試驗(yàn)

機(jī)車處于運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)同時(shí)滿足以下條件時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將在行程速度規(guī)劃曲線中規(guī)劃貫通試驗(yàn)，即規(guī)劃運(yùn)行中貫通試驗(yàn)：

（1）機(jī)車非單機(jī)運(yùn)行。

（2）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

（3）機(jī)車運(yùn)行線路將由平坡或上坡轉(zhuǎn)入連續(xù)下坡或長(zhǎng)大下坡。

（4）機(jī)車起車運(yùn)行的前方線路限速必須≥50 km/h。

（5）機(jī)車運(yùn)行前方信號(hào)機(jī)不是黃燈、紅黃燈和紅燈。

運(yùn)行中貫通試驗(yàn)示意圖，如圖4 所示。

圖4 運(yùn)行中貫通試驗(yàn)示意

根據(jù)貫通試驗(yàn)規(guī)劃曲線起始點(diǎn)機(jī)車運(yùn)行控制模式的不同，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將進(jìn)行同起車貫通試驗(yàn)相同的響應(yīng)控制處理。

3.1.3 臨時(shí)貫通試驗(yàn)

當(dāng)機(jī)車在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制下自動(dòng)運(yùn)行，司機(jī)作為值守人員輔助監(jiān)視列車實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。當(dāng)符合以下任一條件時(shí)，司機(jī)可通過(guò)操作DMI 人機(jī)交互顯示單元主動(dòng)觸發(fā)貫通試驗(yàn)，即臨時(shí)貫通試驗(yàn)：

（1）臨時(shí)規(guī)定的固定線路位置貫通試驗(yàn)。

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

（3）空氣制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

（4）司機(jī)認(rèn)可的其他情況。

一旦觸發(fā)臨時(shí)貫通試驗(yàn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將立即控制機(jī)車進(jìn)行貫通試驗(yàn)操作，并重新規(guī)劃行程速度曲線，貫通試驗(yàn)完成后以語(yǔ)音和文字方式提示貫通試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 關(guān)鍵控制技術(shù)

貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制以列車牽引計(jì)算控制為基礎(chǔ)，主要研究機(jī)車安全操縱優(yōu)化控制機(jī)理，構(gòu)建列車運(yùn)行學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)滿足貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛模式下主動(dòng)進(jìn)行空氣制動(dòng)系統(tǒng)檢驗(yàn)、驗(yàn)證的安全防護(hù)控制方法。

（1）擬合列車運(yùn)動(dòng)微分方程。列車受力過(guò)程雖然是一個(gè)典型的非線性、有約束、多目標(biāo)的復(fù)雜時(shí)變過(guò)程，但是依據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可知：列車運(yùn)動(dòng)可以看作是一個(gè)單質(zhì)點(diǎn)物體在做受力運(yùn)動(dòng)，因而結(jié)合運(yùn)動(dòng)過(guò)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(zhì)量；t為列車運(yùn)行時(shí)間。

將列車所受的包括牽引力、制動(dòng)力（機(jī)車制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力）、基本阻力、附加阻力等用二項(xiàng)式化簡(jiǎn)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(dòng)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(yùn)行微分方程解

其中，n=0，1，2，···，m；m為劃分時(shí)間點(diǎn)總數(shù)；vn為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)列車運(yùn)行速度，xn為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)列車運(yùn)行線路坡度值。

（2）機(jī)車優(yōu)化控制計(jì)算。由于涉及空氣制動(dòng)的列車控制具有復(fù)雜性、突發(fā)性的特點(diǎn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制將依據(jù)擬合的列車運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程不斷推導(dǎo)迭代計(jì)算，從而獲得符合貫通試驗(yàn)控制要求的列車運(yùn)行速度，如圖5 所示。

圖5 貫通試驗(yàn)控制計(jì)算流程示意

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

截止2020 年底，采用該種自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制的貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛實(shí)際運(yùn)用測(cè)試?yán)锍桃殉^(guò)4 萬(wàn)km。整個(gè)運(yùn)用測(cè)試過(guò)程中，由自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制機(jī)車擔(dān)當(dāng)完成的西康鐵路運(yùn)輸任務(wù)共136 次。其中，上行（安康東站至新豐鎮(zhèn)站）平均運(yùn)輸載重約為1 236 t，下行（新豐鎮(zhèn)站至安康東站）平均運(yùn)輸載重約為3 997 t。

通過(guò)對(duì)貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)起車貫通試驗(yàn)，如圖6 所示。運(yùn)行中貫通試驗(yàn)、臨時(shí)貫通試驗(yàn)在內(nèi)的貫通試驗(yàn)控制方法應(yīng)用數(shù)據(jù)及運(yùn)用反饋收集、分析，可以得出：機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制能夠有效監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)、驗(yàn)證列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)的完整性和功能特性，滿足了控制設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用要求。

圖6 自動(dòng)起車貫通試驗(yàn)應(yīng)用示意

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路機(jī)車自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究探索與運(yùn)用推廣不僅能夠提高鐵路機(jī)務(wù)在機(jī)車運(yùn)用方面的智能化、信息化水平，且對(duì)提升鐵路運(yùn)輸效率與運(yùn)用安全起到了一定推動(dòng)作用。貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)貫通試驗(yàn)控制基于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用需求，結(jié)合空氣制動(dòng)運(yùn)用規(guī)則要求和司機(jī)操控習(xí)慣，提供了對(duì)列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)功能完整性的檢測(cè)控制方法，滿足了機(jī)車在西康鐵路運(yùn)用的特殊操作規(guī)則要求，同時(shí)為自動(dòng)駕駛控制模式下的列車安全運(yùn)行提供了重要的防護(hù)保障。