重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制技術(shù)研究

杜凱冰，張征方，文宇良

（中車株洲所電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南 株洲 412001）

0 引言

重載鐵路運(yùn)輸作為大宗物資運(yùn)輸具有運(yùn)量大、成本低、全天候等優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的重載鐵路貨物運(yùn)輸主要采用人工控車，一方面，由于重載貨物列車編組長(zhǎng)、載重大，增加了司機(jī)操作的難度；另一方面，長(zhǎng)時(shí)間控車，司機(jī)容易疲勞駕駛，從而導(dǎo)致操作失誤。司機(jī)的操縱失誤會(huì)導(dǎo)致列車縱向沖動(dòng)大、非正常停車、超速甚至是斷鉤等現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重威脅鐵路行車安全。為進(jìn)一步提升運(yùn)量、節(jié)約成本、降低司機(jī)工作強(qiáng)度，進(jìn)行重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制技術(shù)研究與應(yīng)用推廣是有效解決方法之一。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者與專家對(duì)貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛進(jìn)行了比較深入的理論研究。文獻(xiàn)[1-2]研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的貨運(yùn)列車速度曲線規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了列車優(yōu)化速度曲線和操縱工況序列的規(guī)劃計(jì)算。文獻(xiàn)[3]通過構(gòu)建貨運(yùn)列車優(yōu)化操縱基本規(guī)則集與專家系統(tǒng)，研究了節(jié)能優(yōu)化操縱算法。文獻(xiàn)[4]將列車控制問題抽象為多分類模型，研究了增量特征學(xué)習(xí)的深度網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)方法。文獻(xiàn)[5-6]研究了列車預(yù)測(cè)控制技術(shù)及仿真，討論了列車參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響。雖然相關(guān)研究積極推動(dòng)了貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制理論的發(fā)展，但由于貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛與應(yīng)用強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)理論成果仍然有待實(shí)際應(yīng)用的進(jìn)一步驗(yàn)證。在貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛應(yīng)用方面，文獻(xiàn)[7]研究了內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行操縱優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過行程預(yù)規(guī)劃輔助機(jī)車乘務(wù)員節(jié)能優(yōu)化操縱。澳大利亞力拓公司在2012 年啟動(dòng)了重載列車自動(dòng)駕駛計(jì)劃[8]，2018 年在澳大利亞首次使用自動(dòng)駕駛列車成功交付鐵礦石，成為重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑[9]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)鐵路公司都加大了對(duì)重載列車自動(dòng)駕駛研發(fā)的投入力度，開展其相關(guān)技術(shù)的研究工作具有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

本文研究了重載貨運(yùn)列車的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)，并提出了一種融合線路與信號(hào)的重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛目標(biāo)曲線規(guī)劃與控制方法，成功在西康線鐵路進(jìn)行了全程自動(dòng)駕駛試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能很好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

1 重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文研究的重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛技術(shù)在充分利用現(xiàn)有機(jī)車系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過在列車上加裝自動(dòng)駕駛控制單元來達(dá)到自動(dòng)駕駛目的，實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單、高效。圖1 示出重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)與列車其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。自動(dòng)駕駛控制單元接收來自列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（LKJ 單元）、列尾單元、網(wǎng)絡(luò)控制單元及空氣制動(dòng)單元的信息，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的自動(dòng)駕駛控制指令到網(wǎng)絡(luò)控制單元和空氣制動(dòng)單元，以實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)駕駛。

圖1 自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.1 Relationship among autonomous driving system and other systems

LKJ 單元[10]為自動(dòng)駕駛提供信號(hào)、LKJ 控制模式、編組、列車總重、機(jī)車/貨車類型、貨物類型、列車計(jì)長(zhǎng)、車輛輛數(shù)、坡道、彎道、分相、列車位置、位移、速度（LKJ 速度）及動(dòng)態(tài)限速（ATP 速度）等信息。列車網(wǎng)絡(luò)控制單元執(zhí)行自動(dòng)駕駛控制單元發(fā)出的牽引/電制動(dòng)控制指令，并反饋列車當(dāng)前速度（Tcms 速度）、當(dāng)前實(shí)際發(fā)揮牽引/電制動(dòng)力、最大可用牽引/電制動(dòng)力等實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。列車空氣制動(dòng)單元執(zhí)行自動(dòng)駕駛發(fā)出的空氣減壓控制指令，并反饋制動(dòng)缸壓力、列車管減壓量及充風(fēng)流量、均衡風(fēng)缸壓力等信息。列尾單元為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)反饋尾部實(shí)時(shí)風(fēng)壓信息。

2 重載列車縱向動(dòng)力學(xué)建模

重載列車縱向動(dòng)力學(xué)模型主要包含列車多質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型、阻力模型與空氣制動(dòng)模型。

2.1 列車多質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型

重載貨運(yùn)列車在不同編組、不同線路條件及不同運(yùn)行工況下，全列車各車輛相互之間的縱向作用力均不相同，因此采用多質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型[11-13]對(duì)列車進(jìn)行受力分析，并將每節(jié)車輛作為一個(gè)單獨(dú)質(zhì)點(diǎn)來考慮。車輛運(yùn)動(dòng)與受力關(guān)系如圖2 所示，其中F1為機(jī)車牽引力（分析對(duì)象為機(jī)車時(shí)，有該作用力；分析對(duì)象為貨車時(shí)，無此作用力），fj為前車作用力，fj+1為后車作用力，Wj為車體所受阻力，Bj為制動(dòng)力。單輛車的運(yùn)動(dòng)方程為

式中：mj——第j車的質(zhì)量，j=1,2, …,n；xj——第j車的位移；aj——第j車的加速度。

圖2 列車受力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型Fig.2 Train force and motion model

利用列車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行目標(biāo)曲線規(guī)劃時(shí)，需考慮車輛所處坡道對(duì)列車總阻力的影響。在列車自動(dòng)駕駛起車控制、停車控制與平穩(wěn)性控制時(shí)，需要考慮車鉤的拉伸和壓縮情況對(duì)列車運(yùn)行的影響，車鉤緩沖器特性參考文獻(xiàn)[11]；實(shí)際自動(dòng)駕駛控車時(shí)，主要通過控制車鉤拉伸時(shí)間、車鉤壓縮時(shí)間和牽引力/電制動(dòng)力的施加時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)目標(biāo)。

2.2 阻力模型

列車阻力模型參考文獻(xiàn)[12-13]，使用式（2）計(jì)算：

式中：m——列車質(zhì)重；g——重力加速度；W0——單位基本阻力；Wp——單位坡道阻力；Wr——單位彎道阻力；Ws——起動(dòng)阻力。

W0，Wp和Wr分別使用式（3）～式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中：a,b,c——與車輛類型相關(guān)的常數(shù)；i——坡度千分?jǐn)?shù)；A——系數(shù)，取值范圍為450～800；R——曲線半徑。

Ws既可根據(jù)列車類型取值，如電力機(jī)車可取5 N/kN，貨車車輛可取3.5 N/kN；也可根據(jù)應(yīng)用需要選取適用值。

2.3 空氣制動(dòng)模型

列車施加空氣制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸的壓強(qiáng)是逐漸上升的。由于壓縮空氣在列車管內(nèi)的傳遞需要一定的時(shí)間，且各節(jié)車不會(huì)同時(shí)增壓，故自動(dòng)駕駛列車施加空氣制動(dòng)時(shí)也會(huì)經(jīng)歷3 個(gè)階段：無制動(dòng)力的純空走階段、全列車閘瓦壓力由零上升到預(yù)定值的上升階段以及全列車閘瓦壓力保持穩(wěn)定的階段。

為了方便實(shí)際應(yīng)用，目前普遍采用的方法是將列車空氣制動(dòng)施加簡(jiǎn)化成兩個(gè)階段[12-13]：（1）空走階段，即從施加制動(dòng)到制動(dòng)力突增的階段；（2）有效制動(dòng)階段，即從制動(dòng)力突增瞬間到制動(dòng)力穩(wěn)定的階段?？諝庵苿?dòng)[12-13]計(jì)算模型如下：

式中：Sz——制動(dòng)距離；Sk——空走距離；Se——有效制動(dòng)距離；v0——制動(dòng)初速；vm——制動(dòng)末速；tk——空走時(shí)間；φh——閘瓦（閘片）換算摩擦因子；——列車換算制動(dòng)率；λ——制動(dòng)計(jì)算系數(shù)；βc——常用制動(dòng)系數(shù)；ω0——列車單位基本阻力；im——制動(dòng)地段加算坡度千分?jǐn)?shù)。

3 自動(dòng)駕駛控制技術(shù)

本文研究的重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制技術(shù)主要包括目標(biāo)曲線動(dòng)態(tài)規(guī)劃與實(shí)時(shí)控制（圖3）。目標(biāo)曲線動(dòng)態(tài)規(guī)劃是根據(jù)線路信息、信號(hào)狀態(tài)與列車動(dòng)力學(xué)模型，以位置信息為變量，規(guī)劃出前方一定距離內(nèi)的目標(biāo)速度、目標(biāo)級(jí)位、目標(biāo)工況及目標(biāo)減壓量等狀態(tài)信息，為列車實(shí)時(shí)控制提供控制前饋量。實(shí)時(shí)控制是根據(jù)規(guī)劃的目標(biāo)狀態(tài)與機(jī)車反饋的實(shí)際狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的控制指令，并在異常或故障工況下進(jìn)行安全導(dǎo)向控制。運(yùn)行過程中，目標(biāo)曲線也會(huì)根據(jù)信號(hào)信息和列車實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

圖3 重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制原理Fig.3 Autonomous driving control principles for heavy haul train

3.1 自動(dòng)駕駛目標(biāo)曲線動(dòng)態(tài)規(guī)劃

自動(dòng)駕駛目標(biāo)曲線規(guī)劃可根據(jù)信號(hào)、線路、限速與列車狀態(tài)等信息來動(dòng)態(tài)規(guī)劃前方行車線路上的目標(biāo)曲線，也能根據(jù)列車反饋的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及基于上述信息的變化情況實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)規(guī)劃得到能滿足重載貨運(yùn)列車安全、平穩(wěn)運(yùn)行的目標(biāo)曲線。如果在列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)前方線路限速或信號(hào)燈狀態(tài)變化等情況，為滿足前方運(yùn)行的要求，列車會(huì)重新規(guī)劃目標(biāo)曲線。自動(dòng)駕駛目標(biāo)曲線規(guī)劃主要有以下幾個(gè)步驟：

（1）初始條件與邊界條件獲取

初始條件與邊界條件主要有線路信息、列車信息和信號(hào)信息。

線路信息包含線路限速、車站、坡道、彎道、位置及分相等。列車運(yùn)行線路剖面示意如圖4 所示。

圖4 線路與信號(hào)示意Fig.4 Schematic diagram of railway line and signals

列車信息包含列車總重、列車長(zhǎng)度、貨車車輛數(shù)、機(jī)車牽引/制動(dòng)特性、空氣制動(dòng)特性、列車編組、輪徑和列車實(shí)時(shí)狀態(tài)。

信號(hào)信息包含行車前方的信號(hào)燈以及信號(hào)燈所處位置等。信號(hào)信息有三顯示信號(hào)和四顯示信號(hào)等。圖4 所示區(qū)間信號(hào)為三顯示信號(hào)，行車前方信號(hào)燈有綠燈、黃燈和紅燈。若區(qū)間信號(hào)信息為四顯示信號(hào)，行車前方信號(hào)燈則會(huì)有綠燈、綠黃燈、黃燈和紅燈。

（2）列車模型計(jì)算

根據(jù)式（2）～式（6），可計(jì)算出列車的基本阻力、坡道阻力、彎道阻力、空氣制動(dòng)距離等信息。

（3）目標(biāo)曲線規(guī)劃計(jì)算

目標(biāo)曲線規(guī)劃以列車安全運(yùn)行為前提，規(guī)劃計(jì)算時(shí)滿足式（7）中速度、力與加速度約束。

式中：vn，F(xiàn)n，an——第n個(gè)位置對(duì)應(yīng)的速度、力和加速度；βv——速度步長(zhǎng)系數(shù)；βF——力步長(zhǎng)系數(shù)；Δv——速度步長(zhǎng)；ΔF——力步長(zhǎng)；Δa——加速度步長(zhǎng)。

βF和ΔF的選取需以確保列車自動(dòng)駕駛不超速、能安全運(yùn)行為前提，F(xiàn)n的取值需要確保運(yùn)行工況不頻繁轉(zhuǎn)換，an的取值需要確保列車自動(dòng)駕駛平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）輸出目標(biāo)曲線

執(zhí)行步驟（1）～（3），直到得到滿足要求的目標(biāo)曲線，輸出目標(biāo)曲線。

3.2 自動(dòng)駕駛安全導(dǎo)向控制

安全是鐵路運(yùn)輸?shù)闹刂兄?，列車自?dòng)駕駛也必須保證列車運(yùn)行安全。本文研究了列車在異?；蚬收锨闆r下對(duì)應(yīng)的安全導(dǎo)向控制方法，其針對(duì)常見的異常或故障狀態(tài)采用主動(dòng)安全控制；針對(duì)運(yùn)行中潛在的超速或掉入分相區(qū)等風(fēng)險(xiǎn)，則主動(dòng)觸發(fā)安全規(guī)劃和安全導(dǎo)向控制。圖5 示出列車自動(dòng)駕駛安全導(dǎo)向控制框圖。

圖5 列車自動(dòng)駕駛安全導(dǎo)向控制框圖Fig.5 Block diagram of the safety-oriented control for autonomus driving of train

當(dāng)發(fā)生常見的故障或異常情況，如線路信號(hào)異常、速度異常、保護(hù)性降弓、保護(hù)性分主斷、分相裝置故障、壓縮機(jī)故障、動(dòng)力損失、LKJ 模式切換及制動(dòng)異常與故障等，自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)控制級(jí)別的安全導(dǎo)向控制。主要有3 級(jí)：

（1）第一級(jí)控制，利用文本或語音進(jìn)行提示，注意列車運(yùn)行，維持列車自動(dòng)駕駛運(yùn)行；

（2）第二級(jí)控制，利用文本或語音提示人工接管，維持電制動(dòng)，提示持續(xù)一定時(shí)間后進(jìn)行常用初制動(dòng)保護(hù)，安全導(dǎo)向列車減速運(yùn)行；

（3）第三級(jí)控制，包括常用制動(dòng)/懲罰制動(dòng)保護(hù)、文本或語音提示及列車停車控制。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的列車自動(dòng)駕駛控制方法的效果，在西康鐵路線安康東站至旬陽北站區(qū)間進(jìn)行了貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛試驗(yàn)。試驗(yàn)線路區(qū)段公里標(biāo)范圍從K303+906 到K220+656，區(qū)段內(nèi)坡度平緩，無長(zhǎng)大上坡和長(zhǎng)大下坡。試驗(yàn)列車由HXD1 型電力機(jī)車牽引，貨車編組51 輛，列車計(jì)長(zhǎng)64.8 m，總重1 193 t（不含機(jī)車）。試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)，行車前方的信號(hào)為通過信號(hào)；到達(dá)目標(biāo)車站時(shí)，信號(hào)為停車信號(hào)。

圖6 示出貨運(yùn)列車全程自動(dòng)駕駛的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)涵蓋“自動(dòng)零速起車-區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行-自動(dòng)停車到零”整個(gè)過程，試驗(yàn)結(jié)果包括ATP 速度、實(shí)際速度（Tcms速度、LKJ 速度）、目標(biāo)力、實(shí)際力和實(shí)際級(jí)位。自動(dòng)駕駛控制包括零速起車、加速控制、減速控制、貫通試驗(yàn)、過分相、停車到零等運(yùn)行場(chǎng)景。

（1）零速起車

零速起車表示自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)根據(jù)列車所處的坡道和列車載重情況控制列車速度從零開始上升至正常運(yùn)行速度。圖6 中標(biāo)示的“零速起車”為列車在站內(nèi)平坡道零速起車試驗(yàn)情況。在0～7 s 時(shí)間范圍內(nèi)，由圖中實(shí)際力曲線、速度曲線可知，此時(shí)實(shí)際力為164 kN，實(shí)際速度為0 km/h，此階段內(nèi)列車車鉤經(jīng)歷由壓縮轉(zhuǎn)變到拉伸的狀態(tài)變化過程；在7～30 s 時(shí)間范圍內(nèi)，列車實(shí)際力仍然維持在164 kN，控制列車速度逐漸由零增長(zhǎng)至5 km/h，自動(dòng)駕駛控制列車零速起車成功。

（2）加/減速控制

圖6 列車自動(dòng)駕駛試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of the train autonomous driving

根據(jù)圖6 中實(shí)際力曲線、速度曲線可知，列車在零速起車成功并且駛離車站之后，在牽引力作用下加速運(yùn)行，在79～286 s 時(shí)間范圍內(nèi)，列車經(jīng)過ATP 速度為33 km/h 區(qū)域時(shí)，控制列車不超速；在286～406 s 時(shí)間范圍內(nèi)，列車實(shí)際牽引力由105 kN 增加至300 kN，控制列車速度由28 km/h 提高到約65 km/h，以確保列車能順利進(jìn)行貫通試驗(yàn)。在2 179～2 263 s 時(shí)間范圍內(nèi)，列車由電制動(dòng)力控制速度，該階段是典型的減速控制，列車速度由56.7 km/h 降至31 km/h。比較該時(shí)間內(nèi)的實(shí)際力與目標(biāo)力的偏差可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)駕駛控制對(duì)實(shí)際電制動(dòng)力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)減速控速目標(biāo)。

（3）貫通試驗(yàn)

貫通試驗(yàn)是根據(jù)操作規(guī)程[14-15]要求，列車停車再起動(dòng)后，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)進(jìn)行貫通試驗(yàn)（列車制動(dòng)性能動(dòng)態(tài)試驗(yàn)），以了解該趟列車制動(dòng)閘瓦力的強(qiáng)弱，以此作為該列車的行車參考。圖6 中標(biāo)示的“貫通試驗(yàn)”為自動(dòng)駕駛控制列車進(jìn)行貫通試驗(yàn)，在425 s、列車速度為66.5 km/h 時(shí)，自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)施加空氣制動(dòng)減壓指令、目標(biāo)減壓量50 kPa，列車空氣制動(dòng)單元執(zhí)行減壓指令并實(shí)時(shí)反饋列車管減壓情況；在時(shí)間為448 s、列車速度降到61.7 km/h 時(shí)，符合貫通試驗(yàn)降速要求，自動(dòng)駕駛自動(dòng)緩解空氣制動(dòng)，成功完成了貫通試驗(yàn)。

（4）過分相

觀察圖6 中“過分相”的目標(biāo)力、實(shí)際力與級(jí)位曲線，在1 772～1 801 s 時(shí)間范圍內(nèi)，列車的目標(biāo)力、級(jí)位與實(shí)際力均為0。這是自動(dòng)駕駛控制基于分相信息，根據(jù)列車過分相要求提前規(guī)劃出列車過分相的目標(biāo)力為0，列車過分相時(shí)執(zhí)行目標(biāo)力指令。在通過分相之后，給出“分相通過”信號(hào)，列車成功完成過分相試驗(yàn)。

（5）停車

根據(jù)圖6 中的實(shí)際力曲線、速度曲線可知，列車在接收到停車信號(hào)后，在2 368～2 428 s 時(shí)間范圍內(nèi)，一直用電制動(dòng)力控制列車減速，列車速度由24 km/h 降到10 km/h；在2 491 s、速度為5 km/h 時(shí)，控制空氣制動(dòng)減壓50 kPa；在2 500 s、速度為2 km/h 時(shí)，追加空氣制動(dòng)減壓至110 kPa；在2 504 s 時(shí)，列車速度為0，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)停車速度到零。

5 結(jié)語

針對(duì)重載貨運(yùn)列車運(yùn)行，本文研究了在實(shí)際線路、信號(hào)狀態(tài)條件下的貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛目標(biāo)曲線規(guī)劃與控制技術(shù)，以及列車在故障或異常情況時(shí)的安全導(dǎo)向控制方法。在西康線鐵路進(jìn)行了列車自動(dòng)駕駛控制試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了重載貨運(yùn)列車“自動(dòng)零速起車-區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行-自動(dòng)停車到零”，試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提方法可以有效實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛。為進(jìn)一步提高自動(dòng)駕駛貨運(yùn)列車運(yùn)量，后續(xù)將對(duì)無線重聯(lián)編組模式下重載貨運(yùn)列車的自動(dòng)駕駛控制技術(shù)進(jìn)行研究。