基于動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)牽引計(jì)算技術(shù)的平穩(wěn)操縱系統(tǒng)研究

尹亮、陳文勝、牛耀、趙永明

（國(guó)能新朔鐵路機(jī)務(wù)分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

目前我國(guó)鐵路運(yùn)行多采用長(zhǎng)交路單司機(jī)值乘，司機(jī)不可能對(duì)幾百公里線路完全熟悉。特別是貨物列車，線路情況復(fù)雜，司機(jī)值乘時(shí)間長(zhǎng)，而且很多時(shí)候通宵開(kāi)車，容易疲勞。在這樣的環(huán)境下，司機(jī)操作容易不到位，對(duì)行車安全和平穩(wěn)操縱都有影響。同時(shí)，也不利于運(yùn)輸效率提升，特別是在能源緊張，運(yùn)輸任務(wù)繁重的當(dāng)下，是亟待解決的問(wèn)題。

因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)重載貨物列車的平穩(wěn)操縱，保證列車運(yùn)行安全、正點(diǎn)、節(jié)能；同時(shí)幫助司機(jī)熟悉線路，減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，是鐵路機(jī)車操縱技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 背景

目前鐵路機(jī)車操縱指導(dǎo)技術(shù)主要為靜態(tài)曲線指導(dǎo)，即機(jī)務(wù)段內(nèi)有專門的運(yùn)用部門，根據(jù)優(yōu)秀司機(jī)的運(yùn)行記錄，經(jīng)手工調(diào)整，拼湊成一條固定的經(jīng)驗(yàn)曲線用于指導(dǎo)行車。由于列車運(yùn)行的情況是變動(dòng)的，比如臨時(shí)停車、揭示限速等，都會(huì)造成經(jīng)驗(yàn)曲線的不可用。因此，對(duì)司機(jī)的提示指導(dǎo)，要以線路實(shí)際情況為準(zhǔn)，才能真正幫助司機(jī)優(yōu)化操縱、平穩(wěn)開(kāi)車。

2 基于動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)牽引計(jì)算技術(shù)的平穩(wěn)操縱系統(tǒng)

第一步，根據(jù)存儲(chǔ)線路數(shù)據(jù)以及運(yùn)行模式參數(shù)與列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算出符合運(yùn)行要求的模式曲線。

第二步，根據(jù)優(yōu)秀司機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)，修正當(dāng)前列車參數(shù)，同時(shí)修正模式曲線。

第三步，將模式曲線以圖形和語(yǔ)音提示的方式，給予司機(jī)指導(dǎo)。

2.1 設(shè)計(jì)原則

2.1.1 保證安全原則

由于LKJ2000 型監(jiān)控記錄裝置以及后續(xù)的LKJ15型監(jiān)控記錄裝置（以下簡(jiǎn)稱監(jiān)控裝置）是經(jīng)國(guó)家鐵路局批準(zhǔn)的行車安全設(shè)備，所以平穩(wěn)操縱系統(tǒng)的固定地面數(shù)據(jù)與運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都要與監(jiān)控裝置保持一致。

（1）固定地面數(shù)據(jù)保持一致

平穩(wěn)操縱系統(tǒng)所用的地面數(shù)據(jù)主要包括信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)、限速數(shù)據(jù)等，要從監(jiān)控裝置數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)換而來(lái)，這樣就可以保持一致。

（2）運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保持一致

平穩(wěn)操縱系統(tǒng)要從監(jiān)控裝置中獲取實(shí)時(shí)信息，特別是運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，司機(jī)的設(shè)定參數(shù)，包括交路、車次、總重、車長(zhǎng)、輛數(shù)等，都要與司機(jī)在設(shè)定菜單中填寫的參數(shù)一致，這樣計(jì)算曲線才能符合列車運(yùn)行實(shí)際情況。

同時(shí)，列車運(yùn)行過(guò)程中，還要從監(jiān)控裝置中獲取實(shí)時(shí)參數(shù)，包括色燈、速度、手柄級(jí)位置、管壓等。從而根據(jù)列車當(dāng)前情況修正計(jì)算結(jié)果。

2.1.2 指導(dǎo)人性化的原則

平穩(wěn)操縱系統(tǒng)采用人性化的算法，指導(dǎo)提示基本符合司機(jī)操作習(xí)慣，給司機(jī)以一定的自由操縱空間，司機(jī)根據(jù)屏幕顯示的前方4.5 公里(顯示屏幕寬度)速度變化趨勢(shì)曲線，可以按個(gè)人操作習(xí)慣對(duì)指導(dǎo)操作進(jìn)行適當(dāng)修正，使操作更合理。這樣將計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)和人的長(zhǎng)處結(jié)合，才適合我國(guó)鐵路目前技術(shù)條件。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

2.2.1 穩(wěn)定操作實(shí)時(shí)在線指導(dǎo)功能

建設(shè)一套完整的智能化實(shí)時(shí)在線管理系統(tǒng)，在列車正常行駛期間，對(duì)機(jī)車穩(wěn)定操作過(guò)程能進(jìn)行動(dòng)態(tài)化指導(dǎo)，這樣駕駛員就能更規(guī)范化的進(jìn)行操作、控制。

2.2.2 針對(duì)操作過(guò)程的記錄、分析及考核的功能

具體是完整的記錄駕駛員的操作控制過(guò)程，科學(xué)分析控制行為，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行合理考核與打分，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車平穩(wěn)操作過(guò)程的智能化管理。

2.2.3 監(jiān)控與預(yù)警機(jī)車安全隱患、故障問(wèn)題、操作行為不規(guī)范等異常狀況

采集及報(bào)警分析機(jī)車網(wǎng)壓、總風(fēng)、電池電壓及牽引電流等運(yùn)行參數(shù)。

2.2.4 聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一化管控

任何區(qū)域內(nèi)的列車均可以基于4G 網(wǎng)絡(luò)與地面服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)管理，并運(yùn)用PC、收集執(zhí)行業(yè)務(wù)操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)各列車運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、操作記錄及評(píng)分報(bào)表等資料的集中化管理，切在突發(fā)事故時(shí)能進(jìn)行一鍵上報(bào)達(dá)到聯(lián)網(wǎng)通知、事故匯報(bào)及臨時(shí)管控。

2.3 牽引計(jì)算技術(shù)

2.3.1 受力分析

把列車作為一個(gè)整體考慮，而不是作為質(zhì)點(diǎn)。考慮列車在起伏坡道上的阻力和加速度，如圖1所示。

圖1 列車平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵影響參數(shù)

列車合力C 包括如下分力：

（1）機(jī)車力F

機(jī)車力是指由列車自身產(chǎn)生的力，包括牽引、電阻制動(dòng)、空氣制動(dòng)等。由于機(jī)車力F 是一個(gè)復(fù)雜函數(shù)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)某一級(jí)位的列車力，用二項(xiàng)式擬合得[1]:

v 為速度。

（2）基本阻力W

基本阻力是指列車運(yùn)行過(guò)程中受到的摩擦阻力，由《列車牽引計(jì)算規(guī)程》（TBT 1407—1998）基本阻力公式得：

v 為速度。

（3）坡度力P

坡度力指列車在上下坡時(shí)受到的重力切向分力。因?yàn)榱熊囀孜部赡茉诓煌露榷紊?，因此隨列車移動(dòng)，坡度會(huì)線性變化。因此要用一次函數(shù)來(lái)表示[2]：

x 為移動(dòng)距離,i 為初始坡度,k 為首尾坡度差。

（4）合力C

合力C 為上述力的合力，按照列車運(yùn)動(dòng)方向，機(jī)車力F 為正，基本阻力為負(fù)，坡度力為負(fù)（正坡度為上坡）。得公式（4）：

2.3.2 運(yùn)動(dòng)方程

（1）基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)方程

列車運(yùn)行的可以看作一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，設(shè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度v，移動(dòng)距離x，時(shí)間t。由牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的微分形式得出：

（2）合力運(yùn)動(dòng)方程

將合力C 公式（4）代入基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)方程公式（5），展開(kāi)得：

公式（6）就是最終計(jì)算中用到的方程，求解這個(gè)微分方程，即可根據(jù)運(yùn)行時(shí)間得到列車運(yùn)行前方的速度，同時(shí)也可以計(jì)算出距離。

（3）用高等數(shù)學(xué)計(jì)算方法求解

由于公式（6）的方程為非常規(guī)微分方程，因此用高等數(shù)學(xué)的迭代法求數(shù)值解。這樣就可以在較長(zhǎng)距離內(nèi)計(jì)算出精度足夠準(zhǔn)確的列車運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而不需要用簡(jiǎn)單牽引計(jì)算分段試湊。

當(dāng)然實(shí)際計(jì)算中精度不用那么高，簡(jiǎn)單迭代即可。

2.4 實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)

2.4.1 基本原理

實(shí)時(shí)牽引計(jì)算基本原理是：根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的地面線路數(shù)據(jù)、點(diǎn)單數(shù)據(jù)，從監(jiān)控裝置得到的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，以及調(diào)度命令，實(shí)時(shí)對(duì)前方線路進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)列車運(yùn)行情況對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正[3]。

2.4.2 計(jì)算要素

（1）預(yù)存數(shù)據(jù)：線路數(shù)據(jù)、區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、各種機(jī)車參數(shù)和車輛參數(shù)。

（2）獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：通過(guò)LKJ2000 的CAN 總線獲取速度、時(shí)間、前方距離、公里標(biāo)、交路、限速、牽引重量、列車編組等。

（3）司機(jī)輸入?yún)?shù)：揭示等。

2.4.3 計(jì)算方法

根據(jù)里程、路況、列車編組、列車運(yùn)行時(shí)刻表等條件及列車當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)車應(yīng)輸出的功率，并以對(duì)應(yīng)的司機(jī)操縱手柄位（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速）信息指導(dǎo)司機(jī)操縱，同時(shí)給出按指導(dǎo)信息操作后列車前方一定距離內(nèi)以內(nèi)的未來(lái)速度曲線、參照目標(biāo)點(diǎn)的指導(dǎo)速度值，前方站到達(dá)時(shí)間等。

2.4.4 運(yùn)行實(shí)時(shí)修正

舉例，對(duì)于變燈的修正當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中遇到非綠燈，按照色燈判斷對(duì)應(yīng)限速閉合，然后重新計(jì)算指導(dǎo)曲線。

由圖2 可以看出，原本提示曲線OA，在前方變燈限速下降為XY 后，自動(dòng)修提示曲線為OB，同時(shí)給出操作，0 代表手柄級(jí)位卸載，110 代表空氣制動(dòng)，減壓110kPa。

圖2 變燈時(shí)曲線修正

2.5 列車參數(shù)修正技術(shù)

列車在運(yùn)行中遇到臨時(shí)附加阻力（如天氣變化、列車編組阻力變化、線路坡度誤差、司機(jī)未按系統(tǒng)指導(dǎo)操作等），系統(tǒng)會(huì)及時(shí)進(jìn)行新的計(jì)算并發(fā)出修正過(guò)的指導(dǎo)信息[4]。

2.5.1 修正原理

列車參數(shù)修正簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是根據(jù)已走行線路修正計(jì)算參數(shù)。也就是根據(jù)參數(shù)計(jì)算的速度和實(shí)際速度差對(duì)比，確定合力誤差。

如圖3所示，原有提示曲線OB 與實(shí)際運(yùn)行線OA。根據(jù)運(yùn)行反饋修正計(jì)算參數(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)比指導(dǎo)曲線和已走行線路的速度差。然后根據(jù)速度差判斷列車合力差。然后計(jì)算出計(jì)算用列車參數(shù)與實(shí)際列車參數(shù)的差值，并修正。

圖3 列車參數(shù)修正原理

2.5.2 修正方法

（1）合力修正分析

由公式（4），合力C 由機(jī)車力F，基本阻力W 和坡度力P 組成。其中坡度在任何情況下都一樣，需要修正的是機(jī)車力F 與基本阻力W。因?yàn)槎叨加锌赡懿粶?zhǔn)確，并且隨著列車運(yùn)行而變動(dòng)，因此要二者同時(shí)修正。

（2）智能化修正方法

要準(zhǔn)確的同時(shí)修正機(jī)車力F 與基本阻力W，就要采用智能化判斷的方法。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是根據(jù)機(jī)車力F與基本阻力W 在合力中所占比重，來(lái)確定修正優(yōu)先級(jí)。

例如加速或制動(dòng)時(shí)，機(jī)車力F 大于阻力W，那么優(yōu)先修正機(jī)車力。反之在恒速運(yùn)行時(shí)，機(jī)車力F 小于阻力W，那么優(yōu)先修正基本阻力W。

這樣不斷修正，就能得到最接近于實(shí)際狀況的列車參數(shù)。

2.6 地面管理服務(wù)器的設(shè)計(jì)

運(yùn)用B/S 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，該架構(gòu)由以下幾部分構(gòu)成：一是通信服務(wù)程序：負(fù)責(zé)執(zhí)行4G 通信管理與數(shù)據(jù)分析任務(wù)；二是Web 服務(wù)程序：具備數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)處置、用戶群體管理等功能；三是mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)。地面管理服務(wù)器核心是實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)升級(jí)、乘務(wù)員操縱數(shù)據(jù)分析、乘務(wù)員操縱評(píng)分等功能。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試運(yùn)行區(qū)段：內(nèi)蒙古點(diǎn)岱溝（219 站）至大同燕莊（701）。試驗(yàn)車次：84736,總重10500t,輛數(shù)105 輛.計(jì)長(zhǎng)：115.5，載重8400t，重車105 輛。通過(guò)試驗(yàn)運(yùn)行，車載顯示終端可實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行前方線路路況，如信號(hào)機(jī)、坡度，并結(jié)合當(dāng)前司機(jī)級(jí)位信息，推算最優(yōu)操作曲線，并將結(jié)果以曲線形式顯示同時(shí)輸出語(yǔ)音提示及操作文本提示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該項(xiàng)目實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了重載機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)速度曲線方式進(jìn)行優(yōu)化操縱指導(dǎo)，并在關(guān)鍵點(diǎn)通過(guò)語(yǔ)音、文字方式提示司機(jī)進(jìn)行相關(guān)操縱。經(jīng)過(guò)大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論：在司機(jī)按照優(yōu)化操縱曲線操縱時(shí)，機(jī)車能夠按照?qǐng)D定時(shí)間點(diǎn)到達(dá)沿途各車站，不會(huì)因?yàn)樗緳C(jī)技術(shù)水平差異導(dǎo)致的晚點(diǎn)或提前達(dá)到站點(diǎn)。同時(shí)，操縱數(shù)據(jù)符合平穩(wěn)操縱要求。