重载货运列车自动驾驶关键平稳性操控方法研究

杨振国

摘要：近年来，我国重载货运列车自动驾驶技术快速发展，通过对重载货运列车自动驾驶关键平稳性操控方法进行研究，可以提高机车操作的一致化水平，大大降低司机工作强度的同时确保机车能安全平稳操控。本文研究的关键平稳性 操控方法可以确保机车自动驾驶功能安全实现，实现全过程的列车自动驾驶运行。

关键词：重载货运列车;自动驾驶;操控方法

1.引言

本文主要研究重载货运列车自动驾驶的关键平稳性操控方法，可以实现重载货运列车自动驾驶在不同运用场景下可以自动操控机车的牵引、制动用以降低机车牵引能耗，最终实现自动控制列车安全、平稳、节能运行。

2.列车模型的建立

列车模型主要包括列车运行的数学模型和列车能耗模型，在满足约束条件给定的情况下，构建列车数学模型，找寻消耗能源低的控制方法，形成列车最优的平稳性操控策略[1]。

2.1 列车运动模型的建立

重载货运列车自动驾驶平稳性操控方法研究以列车动力学和运行时因牵引和制动产生的车钩力分析为依据，列车牵引计算主要以列车的纵向力为对象，而列车所受的纵向力主要由牵引力、电制力和运行过程中受到的阻力构成。

F为驱动列车向前运行的牵引力，由牵引电机根据牵引功率提供;B为与牵引力方向相反的制动力;W为列车运行过程中所受到的各种阻力，可以得到列车合力的表达式：

列车在运行过程中对当前列车所处位置、速度、和工况等实时状态进行采集后用于处理所得到的合力，由此可以构建列车运行状态中合力变化的模型，列车运动方程可以表达为[2]：

公式（2）中v为列车当前运行的速度，t为运行的时间，c为所受的列车合力，ξ为加速系数。根据此方程式建立的数学模型可以用于货运机车自动驾驶系统平稳性操控方法的研究。列车的纵向动力学主要以非稳态运动的牵引和制动为主要研究对象，需要不断提取司机的优秀操作方法作为控制经验加以研究，用以对货运列车的运动模型进行进一步优化。

2.2 约束条件

重载货运列车自动驾驶在控制列车运行过程中会受到各种条件的约束，如列车限速约束、列车停车距离精度约束等。

（1）列车限速约束

重载货运列车自动驾驶在控车过程中，实际运行速度必须要比列车运行监控装置ATP速度要低，数学表达式为：

其中Vs表示列车运行的实际速度，Vmax表示区间行驶线路上最高限速。

（2）列车停车距离约束

重载货运列车自动驾驶控制列车停车时要求机车头部不能超过前方信号机

位置，列车尾部必须保证已经过标，所以列车停车距离精度的表达式为：

其中L表示自动驾驶控制停车的最大误差距离，Y表示停车所能允许的最大误差距离。

3.关键平稳性操控方法研究与验证

重载货运列车自动驾驶系统根据机车运用进行场景分析，可以得出自动驾驶系统中过程控制需求，不同的场景采用不同的操控方法进行控制。

3.1自动驾驶行程规划策略

当自动驾驶系统LKJ数据版本正确且获取LKJ揭示信息后，根据机车特性以及从各个通信接口获取的列车、线路信息，按照行车的要求规范约束，进行行程规划。

3.2列车运行速度控制策略

基于列车编组、机辆特性、运行揭示信息、线路限速、车站、信号灯等多种因素，进行多目标实时规划，规划不超速、满足运行时间要求、符合运输操作规程的速度曲线和列车操纵指令序列。

列车运行速度控制策略为;系统根据行程规划，输出合理的级位手柄信息控制列车运行;系统根据行程规划，输出合理的空气制动指令控制列车减速运行;系统按照规划的目标输出牵引、电制动、空气制动控制指令，如果实际运行速度低于目标速度，追加牵引力或减小电制动力;如果实际速度高于目标速度，减小牵引力或追加制动力，系统通过控制牵引和电制以及空气制动自动调节列车运行速度。

3.3牵引和电制动控制策略

自动驾驶系统通过通信接口向机车控制系统（TCMS）发送牵引或电制工况以及等效手柄级位目标值，TCMS系统按照工况和级位要求执行牵引或电制动后，将牵引或电制动的实际力数值通过通信接口反馈给自动驾驶系统，自动驾驶系统通过反馈数值监测指令是否执行到位，并修正控制指令的目标值。

3.4空气制动控制策略

自动驾驶系统通过通信接口向制动系统发送空气制动目标值，包括列车管压力目标值和制动缸压力目标值。制动系统按照压力目标值执行空气制动指令后，将列车管和制动缸的实际压力数值通过通信接口反馈给自动驾驶系统，自动驾驶系统通过反馈数值监测空气制动指令是否执行到位。

自动驾驶系统通过与制动机的通信接口，根据实际需求操控列车按规划速度运行、空气制动调速、贯通试验、停车以及追加减压防溜等给制动机发送相应指令，实现对空气制动的控制。

3.5安全故障控制策略

自动驾驶系统在控车过程中与LKJ通信故障或与CCU通信中断时，系统按照减速停车进行防护，实施50kPa空气制动，控制列车减速并停车。在LKJ通信故障恢复之前，不允许再进入自动驾驶。

自动驾驶系统在控车过程中与列尾通信發生中断或发生影响自动驾驶正常工作的故障时，自动驾驶系统按照减速停车导向进行防护。

4.结语

本文对重载货运列车自动驾驶关键控制策略进行了研究，经过现场试验表明自动驾驶系统在采用该最优控制策略后，可以提高列车运行的安全性、平稳性、节能性，能够很好地运用在重载货运列车自动驾驶系统中，为我国重载货运机车自动驾驶系统的全面推广提供了理论依据和支持。

参考文献：

[1]程茗. 货运列车控制策略仿真分析研究[D]. 北京交通大学， 2015.

[2]黄丽珍， 王昊， 王烈. 机车牵引能源消耗因素分析及计算模型研究[J]. 铁道运输与经济， 2014， 36（9）：88-92.

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