編組站機(jī)車控制智能化的探討

楊華昌 馮 軍

編組站機(jī)車控制智能化的探討

楊華昌*馮 軍*

論述編組站機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng)的機(jī)車控制基本原則,提出實(shí)現(xiàn)機(jī)車控制智能化的基本思路和方法;就如何在確保安全的前提下提高調(diào)機(jī)作業(yè)效率進(jìn)行分析,為實(shí)現(xiàn)編組站調(diào)機(jī)最佳自動(dòng)控制在理論及技術(shù)上提出參考意見。

編組站;駝峰;機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng);變速推峰;平調(diào)遙控

編組站機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng),包括駝峰推峰機(jī)車無(wú)線遙控系統(tǒng)的全部功能。在推峰解體作業(yè)中,推峰機(jī)車在系統(tǒng)控制下可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起車、調(diào)速、停車,推峰速度準(zhǔn)確平穩(wěn)。預(yù)推時(shí)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)定距離停車,主推時(shí)自動(dòng)變速推送、解體,提高了推峰平均速度,比人工操作顯著提高了解體效率,本文僅就如何實(shí)現(xiàn)最佳機(jī)車控制進(jìn)行探討。

1 編組站調(diào)車機(jī)車控制原則

編組站調(diào)車機(jī)車控制的基本原則:在保證調(diào)車作業(yè)安全的前提下,最大限度地提高調(diào)機(jī)作業(yè)效率。需考慮以下問(wèn)題。

1.手動(dòng)優(yōu)先。系統(tǒng)只有在機(jī)車乘務(wù)員授權(quán)后才能對(duì)機(jī)車實(shí)施控制。任何情況下機(jī)車乘務(wù)員手動(dòng)切除時(shí),必須進(jìn)入手動(dòng)模式。

2.車列走行速度應(yīng)低于LKJ2000監(jiān)控裝置的限制速度,低于駝峰信號(hào)所指定的最高速度。必須執(zhí)行平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備的控制指令,必須保證車列在關(guān)閉的信號(hào)機(jī)或其他停車點(diǎn)之前停車。

3.在不影響安全的情況下,盡量提高作業(yè)效率。

4.機(jī)車加速要考慮機(jī)車本身的牽引特性,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、有效的加速。加速過(guò)程要符合機(jī)車柴油機(jī)、牽引電機(jī)的工作特性,避免車輪打滑。

5.機(jī)車制動(dòng)時(shí),在保證制動(dòng)效率的同時(shí)要避免車輪抱死所導(dǎo)致的擦輪事故。

2 影響機(jī)車控制的因素

調(diào)機(jī)在進(jìn)行遙控作業(yè)時(shí),其走行與制動(dòng)受機(jī)車動(dòng)力性能、車組輛數(shù)、車重、接風(fēng)管條件、坡度、曲線、車輛狀態(tài)等因素的影響。機(jī)車在牽引狀態(tài)時(shí),在車列前方目標(biāo)走行距離或目標(biāo)速度給定后,車列的加速和制動(dòng)要受到以下因素的制約。

1.機(jī)車動(dòng)力性能。不同型號(hào)的機(jī)車,其牽引特性差別較大。即使同一型號(hào)的機(jī)車,由于其使用時(shí)間、保養(yǎng)條件的不同,牽引特性也會(huì)有所區(qū)別。

2.車列輛數(shù)及接風(fēng)管方式。車列輛數(shù)越多,啟動(dòng)或制動(dòng)所需時(shí)間也就越長(zhǎng)。接風(fēng)管的比例越低,車列制動(dòng)時(shí)間及距離也就越長(zhǎng)。

3.車列平均重量。車列中重車的比例越多,其慣性也就越大,啟動(dòng)及制動(dòng)所需時(shí)間也就越長(zhǎng)。在調(diào)車作業(yè)中,車列重量一般是未知的,車列平均重量要靠車列啟動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力-速度變化情況來(lái)粗略估計(jì)。

4.作業(yè)站場(chǎng)地形條件、坡度。在駝峰進(jìn)行推峰作業(yè)時(shí),車列主要受壓鉤坡的影響。壓鉤坡的坡度可以通過(guò)車站或直接測(cè)量取得。在解體作業(yè)過(guò)程中,要求車列減速運(yùn)行時(shí),不能采用機(jī)車制動(dòng)的方式。因?yàn)樵谲嚵薪怏w過(guò)程中,如果機(jī)車進(jìn)行制動(dòng),將使推送車列的車鉤由壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài),提鉤員將無(wú)法將解體車組分離,造成“釣魚”或停車。只能通過(guò)卸載機(jī)車動(dòng)力,依靠壓鉤坡和車列所受的總阻力來(lái)達(dá)到減速的目的。在其他站場(chǎng)作業(yè)時(shí),無(wú)特殊情況一般認(rèn)為坡度為0。一般站場(chǎng)忽略線路曲線的影響。在部分峰下作業(yè)時(shí),車列的走行還會(huì)受到減速頂?shù)挠绊憽?/p>

5.車輛狀態(tài)及天氣狀況。列車一般由不同種類的車輛編成,各種車輛采用不同的制動(dòng)系統(tǒng),其制動(dòng)、緩解性能各不相同。在制動(dòng)系統(tǒng)故障或緩解未充分時(shí),就會(huì)出現(xiàn)“抱閘車”,影響車列的加速。此外,還有的車輛閘瓦間隙過(guò)小,車輛走行阻力很大。在雨雪霜凍天氣,車輛車輪與鋼軌的粘著力也會(huì)相應(yīng)下降,對(duì)車列的加速和制動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

3 應(yīng)用模糊控制-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)車控制

編組站機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng)是由地面設(shè)備及車載設(shè)備組成。地面設(shè)備由設(shè)置在駝峰信號(hào)樓的地面主機(jī)、接口設(shè)備及電務(wù)維修終端,以及設(shè)置在調(diào)度樓的車務(wù)終端組成;在到達(dá)場(chǎng)及峰頂?shù)南鄳?yīng)位置設(shè)置點(diǎn)式地面應(yīng)答器。機(jī)車設(shè)備采用車載控制計(jì)算機(jī)、接口設(shè)備、司機(jī)顯示器、點(diǎn)式查詢器主機(jī)及查詢器、電臺(tái)天線等構(gòu)成。系統(tǒng)地面設(shè)備與編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接口,采集站場(chǎng)狀態(tài)、駝峰信號(hào)、作業(yè)單等信息,可同時(shí)對(duì)到達(dá)場(chǎng)、調(diào)車場(chǎng)作業(yè)的多臺(tái)調(diào)車機(jī)車進(jìn)行控制。車載設(shè)備接收地面設(shè)備的控制指令后,對(duì)調(diào)車作業(yè)進(jìn)行安全防護(hù),在機(jī)車乘務(wù)員授權(quán)下,通過(guò)機(jī)車的接口自動(dòng)控制推峰機(jī)車進(jìn)行變速推峰或平面調(diào)車作業(yè)。

車載設(shè)備控制機(jī)車進(jìn)行變速推峰是一個(gè)多變量的控制過(guò)程,控制動(dòng)作與輸出量速度v之間很難用一個(gè)定量的公式來(lái)描述,而且各因素的影響大小無(wú)法測(cè)量。另外,由于車列本身的慣性及坡度、機(jī)車工況等因素的影響,對(duì)機(jī)車的控制動(dòng)作并不能及時(shí)反映在輸出量速度v上,一般都有1～8 s的時(shí)間延遲,因此這也是一個(gè)有純延遲的控制過(guò)程。

基于上述特點(diǎn),在機(jī)車自動(dòng)推峰控制過(guò)程中引入了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,將影響機(jī)車控制的各個(gè)因素模糊化,并建立規(guī)則庫(kù)。將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、全局尋優(yōu)等特性相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)機(jī)車控制的優(yōu)化。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 編組站機(jī)車控制系統(tǒng)模型

模型校正是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)的過(guò)程,學(xué)習(xí)的參數(shù)集合包括機(jī)車牽引、制動(dòng)特性等相對(duì)穩(wěn)定的參數(shù),也包括當(dāng)前車列輛數(shù)、總重等實(shí)時(shí)參數(shù)。對(duì)于機(jī)車牽引、制動(dòng)特性,可在車載設(shè)備軟件配置中設(shè)定初始值,并在車列輛數(shù)相對(duì)確定時(shí),通過(guò)多次、滾動(dòng)計(jì)算的平均值進(jìn)行校正。對(duì)于車列當(dāng)前輛數(shù),可通過(guò)調(diào)車監(jiān)控的車列跟蹤及軌道電路占用的變化情況作出粗略推算,結(jié)合控制的反饋情況進(jìn)行校正。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)中,使用較多的東風(fēng)7G車型有2種,一種是中國(guó)南車集團(tuán)青島四方機(jī)車廠生產(chǎn)的東風(fēng)7G型內(nèi)燃機(jī)車,這種機(jī)車雖然控制接口與傳統(tǒng)的東風(fēng)7車型有區(qū)別,但基本的控制方式、控制響應(yīng)差別不大。另一種是中國(guó)北車集團(tuán)北京二七機(jī)車廠2004年推出的東風(fēng)7G型內(nèi)燃機(jī)車,主傳動(dòng)采用架控式交-直-交電傳動(dòng),微機(jī)控制;輔助傳動(dòng)采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng),牽引電機(jī)抱滾軸承懸掛,柴油機(jī)型號(hào)為12V240ZJ6E型,標(biāo)定功率為2400kW,最大運(yùn)用功率為2200kW,脈沖增壓方式。這種機(jī)車控制方式較傳統(tǒng)東風(fēng)7系列有區(qū)別,主要表現(xiàn)在機(jī)車卸載減速時(shí)必須將司機(jī)手柄回到0位,如果機(jī)車卸載到1位后不經(jīng)過(guò)0位而直接回到保位時(shí)機(jī)車不能重新獲得動(dòng)力,且在1位時(shí)機(jī)車不輸出動(dòng)力。在控制響應(yīng)方面,司機(jī)控制手柄從0位提到保位后,機(jī)車電機(jī)在7～8 s后才能有牽引電流輸出,比傳統(tǒng)東風(fēng)7車型的延遲時(shí)間要長(zhǎng)。因此在軟件控制流程上,必須要針對(duì)這種車型的特點(diǎn)單獨(dú)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

對(duì)于東風(fēng)7G機(jī)車(二七廠)的控制方式,車載設(shè)備控制軟件在機(jī)車卸載時(shí)要將控制手柄完全回到0位。需要重新加載時(shí),先提到1位并保持一段固定時(shí)間,然后提到保位。由于東風(fēng)7G機(jī)車(二七廠)在加載時(shí)的控制響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),在機(jī)車速度曲線控制過(guò)程中,需要充分考慮這段延遲時(shí)間。體現(xiàn)在實(shí)際控制模式中,就要對(duì)車列的速度變化進(jìn)行預(yù)判。如果按照一般機(jī)車的控制方式,在需要加載的時(shí)候再將控制手柄提到保位,則在7～8 s延時(shí)后,機(jī)車速度可能已經(jīng)超出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)范圍,甚至導(dǎo)致車列停止或反溜。

實(shí)際應(yīng)用中,在模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)來(lái)解決此問(wèn)題。當(dāng)機(jī)車卸載后,預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)根據(jù)規(guī)則庫(kù)的內(nèi)容計(jì)算9～16 s后的機(jī)車速度值與當(dāng)前目標(biāo)速度的差值,如果差值過(guò)大,則立即控制機(jī)車進(jìn)行加載準(zhǔn)備。在加載準(zhǔn)備的過(guò)程中,預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)也根據(jù)實(shí)時(shí)的機(jī)車工況修正預(yù)測(cè)值,必要時(shí)取消加載準(zhǔn)備,再次卸載。

4 系統(tǒng)平調(diào)遙控功能的優(yōu)化

在編組站一般平面調(diào)車作業(yè)推進(jìn)車列或連接時(shí),通常由調(diào)車組使用平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備與機(jī)車乘務(wù)員通信,控制車列的走行和制動(dòng)。平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備與LKJ2000監(jiān)控裝置接口,在機(jī)車進(jìn)行調(diào)車作業(yè)的過(guò)程中,調(diào)車組通過(guò)平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備發(fā)出的指令,在通過(guò)語(yǔ)音和燈顯通知乘務(wù)員的同時(shí),也通過(guò)接口將控制命令發(fā)送至LKJ2000監(jiān)控裝置, LKJ2000監(jiān)控裝置據(jù)此控制走行限速。乘務(wù)員控制的機(jī)車走行速度超過(guò)走行限速時(shí),LKJ2000監(jiān)控裝置進(jìn)行卸載和制動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)。這種半自動(dòng)的控制方式在使用過(guò)程中,由于機(jī)車的操作者是機(jī)車乘務(wù)員,調(diào)車組在發(fā)出指令后,機(jī)車乘務(wù)員的執(zhí)行由于各種因素都會(huì)有一定時(shí)間的延遲,特別是在需要車列啟動(dòng)或加速時(shí)。機(jī)車乘務(wù)員在執(zhí)行平面調(diào)車設(shè)備發(fā)出的指令時(shí),還要注意地面調(diào)車信號(hào)的開放情況及距離。

編組站機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng)與平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備接口,在機(jī)車乘務(wù)員授權(quán)后,系統(tǒng)進(jìn)入平調(diào)遙控模式,可以根據(jù)平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備的指令及前方地面調(diào)車信號(hào)的開放情況、距離控制機(jī)車動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)、走行、制動(dòng)、連掛功能。調(diào)車員通過(guò)平面無(wú)線調(diào)車設(shè)備手持終端發(fā)出平面調(diào)車指令,包括啟動(dòng)、推進(jìn)、十車、五車、三車、減速、連接、停車、緊急停車等。在平調(diào)遙控狀態(tài)下,機(jī)車的控制權(quán)交到調(diào)車員,調(diào)車員發(fā)出不同的平面調(diào)車指令控制機(jī)車的走、停。機(jī)車乘務(wù)員在此過(guò)程中監(jiān)控調(diào)車過(guò)程,如果機(jī)車乘務(wù)員認(rèn)為有必要進(jìn)行干預(yù),可以隨時(shí)切除平調(diào)遙控狀態(tài),機(jī)車控制權(quán)再切換回到機(jī)車乘務(wù)員。由于這些數(shù)據(jù)在編組站機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng)中都是實(shí)時(shí)的,設(shè)備控制機(jī)車的動(dòng)作不會(huì)有延遲,保證了調(diào)車作業(yè)的安全及高效。

與駝峰推峰機(jī)車的單機(jī)制動(dòng)方式不同,在平面調(diào)車中,機(jī)車制動(dòng)采用列車管減壓與單機(jī)小閘制動(dòng)結(jié)合進(jìn)行,而且對(duì)制動(dòng)距離有更嚴(yán)格的要求。從故障導(dǎo)向安全的角度考慮,設(shè)備控制機(jī)車走行時(shí),首先要考慮車列與停車點(diǎn)或減速點(diǎn)的距離,結(jié)合車列本身的輛數(shù)、接風(fēng)管方式等,以此確定車列可以運(yùn)行的最高速度,避免發(fā)出指令的調(diào)車員誤判帶來(lái)的安全隱患。在以上因素未知時(shí),應(yīng)導(dǎo)向安全,選取安全的參數(shù)。

根據(jù)《牽規(guī)》,制動(dòng)距離的計(jì)算公式為:

式中:Sk為制動(dòng)空走距離(m);Se為制動(dòng)有效距離(m);ν0為制動(dòng)初速(km/h);νz為制動(dòng)終速(km/h),停車時(shí)νz=0;φs為距離等效摩擦系數(shù); ωs為距離等效單位基本阻力;?h為列車換算制動(dòng)率;ij為加算坡度。

上述公式應(yīng)用于平調(diào)調(diào)車作業(yè)時(shí),ij一般取0, φs,ωs可通過(guò)查表法求取平均數(shù),列車換算制動(dòng)率?h與整列車接風(fēng)管的輛數(shù)有關(guān),通過(guò)調(diào)車監(jiān)控站場(chǎng)跟蹤所計(jì)算的車列輛數(shù)及車站站細(xì)規(guī)定的接風(fēng)管方式可以進(jìn)行等效計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中,系統(tǒng)通過(guò)初制動(dòng)的制動(dòng)效果對(duì)此參數(shù)進(jìn)行修正,在需要時(shí)加大制動(dòng)減壓量,在距離停車點(diǎn)或減速點(diǎn)20 m前的安全距離內(nèi)將車列速度減到可控范圍內(nèi),再結(jié)合機(jī)車小閘來(lái)修正車列速度和距離。

5 結(jié)束語(yǔ)

編組站機(jī)車無(wú)線綜合安全控制系統(tǒng),作為編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分,提高了駝峰的解編效率,實(shí)現(xiàn)了平面調(diào)車的遠(yuǎn)程控制,減輕了乘務(wù)員的勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)利用先進(jìn)的模糊控制-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論改善了機(jī)車的控制性能,在合理利用機(jī)車動(dòng)力的同時(shí),也保證了調(diào)車作業(yè)的安全,充分運(yùn)用了編組站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)強(qiáng)大的信息管理、傳輸功能。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)功能在不斷增強(qiáng),我們也將不斷優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能,增進(jìn)編組站調(diào)車作業(yè)的自動(dòng)化水平。

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This paper discusses the basic princip lesof locomotive control in the locomotivewireless integrated safety control system atmarshalling yard,and presents basic ideas and methods of implementing intelligent locomotive control.Meanwhile,how to improve the efficiency of shunting operation on the premise of ensuring safety is analyzed and some reference suggestions both in theory and technique are given to realize optimal automatic control over shunting locomotives within amarshalling yard.

Marshalling yard;Hump;Locomotive wireless integrated safety control system;Variable speed humping;Remote control over plane shunting

*鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員,100081 北京

2011-01-21

(責(zé)任編輯:諸 紅)