楊華昌 馮 軍

編組站機車控制智能化的探討

楊華昌*馮 軍*

論述編組站機車無線綜合安全控制系統(tǒng)的機車控制基本原則,提出實現(xiàn)機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)機作業(yè)效率進行分析,為實現(xiàn)編組站調(diào)機最佳自動控制在理論及技術(shù)上提出參考意見。

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

編組站機車無線綜合安全控制系統(tǒng),包括駝峰推峰機車無線遙控系統(tǒng)的全部功能。在推峰解體作業(yè)中,推峰機車在系統(tǒng)控制下可實現(xiàn)自動起車、調(diào)速、停車,推峰速度準確平穩(wěn)。預(yù)推時自動實現(xiàn)定距離停車,主推時自動變速推送、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,本文僅就如何實現(xiàn)最佳機車控制進行探討。

1 編組站調(diào)車機車控制原則

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

1.手動優(yōu)先。系統(tǒng)只有在機車乘務(wù)員授權(quán)后才能對機車實施控制。任何情況下機車乘務(wù)員手動切除時,必須進入手動模式。

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

3.在不影響安全的情況下,盡量提高作業(yè)效率。

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

5.機車制動時,在保證制動效率的同時要避免車輪抱死所導(dǎo)致的擦輪事故。

2 影響機車控制的因素

調(diào)機在進行遙控作業(yè)時,其走行與制動受機車動力性能、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。機車在牽引狀態(tài)時,在車列前方目標走行距離或目標速度給定后,車列的加速和制動要受到以下因素的制約。

1.機車動力性能。不同型號的機車,其牽引特性差別較大。即使同一型號的機車,由于其使用時間、保養(yǎng)條件的不同,牽引特性也會有所區(qū)別。

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

3.車列平均重量。車列中重車的比例越多,其慣性也就越大,啟動及制動所需時間也就越長。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過程中的動力-速度變化情況來粗略估計。

4.作業(yè)站場地形條件、坡度。在駝峰進行推峰作業(yè)時,車列主要受壓鉤坡的影響。壓鉤坡的坡度可以通過車站或直接測量取得。在解體作業(yè)過程中,要求車列減速運行時,不能采用機車制動的方式。因為在車列解體過程中,如果機車進行制動,將使推送車列的車鉤由壓縮狀態(tài)變?yōu)槔鞝顟B(tài),提鉤員將無法將解體車組分離,造成“釣魚”或停車。只能通過卸載機車動力,依靠壓鉤坡和車列所受的總阻力來達到減速的目的。在其他站場作業(yè)時,無特殊情況一般認為坡度為0。一般站場忽略線路曲線的影響。在部分峰下作業(yè)時,車列的走行還會受到減速頂?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系統(tǒng),其制動、緩解性能各不相同。在制動系統(tǒng)故障或緩解未充分時,就會出現(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相應(yīng)下降,對車列的加速和制動都會產(chǎn)生不利影響。

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

編組站機車無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)置在駝峰信號樓的地面主機、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;在到達場及峰頂?shù)南鄳?yīng)位置設(shè)置點式地面應(yīng)答器。機車設(shè)備采用車載控制計算機、接口設(shè)備、司機顯示器、點式查詢器主機及查詢器、電臺天線等構(gòu)成。系統(tǒng)地面設(shè)備與編組站綜合自動化系統(tǒng)接口,采集站場狀態(tài)、駝峰信號、作業(yè)單等信息,可同時對到達場、調(diào)車場作業(yè)的多臺調(diào)車機車進行控制。車載設(shè)備接收地面設(shè)備的控制指令后,對調(diào)車作業(yè)進行安全防護,在機車乘務(wù)員授權(quán)下,通過機車的接口自動控制推峰機車進行變速推峰或平面調(diào)車作業(yè)。

車載設(shè)備控制機車進行變速推峰是一個多變量的控制過程,控制動作與輸出量速度v之間很難用一個定量的公式來描述,而且各因素的影響大小無法測量。另外,由于車列本身的慣性及坡度、機車工況等因素的影響,對機車的控制動作并不能及時反映在輸出量速度v上,一般都有1～8 s的時間延遲,因此這也是一個有純延遲的控制過程。

基于上述特點,在機車自動推峰控制過程中引入了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,將影響機車控制的各個因素模糊化,并建立規(guī)則庫。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,實現(xiàn)機車控制的優(yōu)化。系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 編組站機車控制系統(tǒng)模型

模型校正是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)的過程,學(xué)習(xí)的參數(shù)集合包括機車牽引、制動特性等相對穩(wěn)定的參數(shù),也包括當前車列輛數(shù)、總重等實時參數(shù)。對于機車牽引、制動特性,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)相對確定時,通過多次、滾動計算的平均值進行校正。對于車列當前輛數(shù),可通過調(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行校正。

在現(xiàn)場實際作業(yè)中,使用較多的東風(fēng)7G車型有2種,一種是中國南車集團青島四方機車廠生產(chǎn)的東風(fēng)7G型內(nèi)燃機車,這種機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。另一種是中國北車集團北京二七機車廠2004年推出的東風(fēng)7G型內(nèi)燃機車,主傳動采用架控式交-直-交電傳動,微機控制;輔助傳動采用交流電機驅(qū)動,牽引電機抱滾軸承懸掛,柴油機型號為12V240ZJ6E型,標定功率為2400kW,最大運用功率為2200kW,脈沖增壓方式。這種機車控制方式較傳統(tǒng)東風(fēng)7系列有區(qū)別,主要表現(xiàn)在機車卸載減速時必須將司機手柄回到0位,如果機車卸載到1位后不經(jīng)過0位而直接回到保位時機車不能重新獲得動力,且在1位時機車不輸出動力。在控制響應(yīng)方面,司機控制手柄從0位提到保位后,機車電機在7～8 s后才能有牽引電流輸出,比傳統(tǒng)東風(fēng)7車型的延遲時間要長。因此在軟件控制流程上,必須要針對這種車型的特點單獨設(shè)計優(yōu)化。

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

實際應(yīng)用中,在模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入一個預(yù)測環(huán)節(jié)來解決此問題。當機車卸載后,預(yù)測環(huán)節(jié)根據(jù)規(guī)則庫的內(nèi)容計算9～16 s后的機車速度值與當前目標速度的差值,如果差值過大,則立即控制機車進行加載準備。在加載準備的過程中,預(yù)測環(huán)節(jié)也根據(jù)實時的機車工況修正預(yù)測值,必要時取消加載準備,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)推進車列或連接時,通常由調(diào)車組使用平面無線調(diào)車設(shè)備與機車乘務(wù)員通信,控制車列的走行和制動。平面無線調(diào)車設(shè)備與LKJ2000監(jiān)控裝置接口,在機車進行調(diào)車作業(yè)的過程中,調(diào)車組通過平面無線調(diào)車設(shè)備發(fā)出的指令,在通過語音和燈顯通知乘務(wù)員的同時,也通過接口將控制命令發(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)員控制的機車走行速度超過走行限速時,LKJ2000監(jiān)控裝置進行卸載和制動,從而實現(xiàn)安全防護。這種半自動的控制方式在使用過程中,由于機車的操作者是機車乘務(wù)員,調(diào)車組在發(fā)出指令后,機車乘務(wù)員的執(zhí)行由于各種因素都會有一定時間的延遲,特別是在需要車列啟動或加速時。機車乘務(wù)員在執(zhí)行平面調(diào)車設(shè)備發(fā)出的指令時,還要注意地面調(diào)車信號的開放情況及距離。

編組站機車無線綜合安全控制系統(tǒng)與平面無線調(diào)車設(shè)備接口,在機車乘務(wù)員授權(quán)后,系統(tǒng)進入平調(diào)遙控模式,可以根據(jù)平面無線調(diào)車設(shè)備的指令及前方地面調(diào)車信號的開放情況、距離控制機車動作,實現(xiàn)自動啟動、走行、制動、連掛功能。調(diào)車員通過平面無線調(diào)車設(shè)備手持終端發(fā)出平面調(diào)車指令,包括啟動、推進、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)車指令控制機車的走、停。機車乘務(wù)員在此過程中監(jiān)控調(diào)車過程,如果機車乘務(wù)員認為有必要進行干預(yù),可以隨時切除平調(diào)遙控狀態(tài),機車控制權(quán)再切換回到機車乘務(wù)員。由于這些數(shù)據(jù)在編組站機車無線綜合安全控制系統(tǒng)中都是實時的,設(shè)備控制機車的動作不會有延遲,保證了調(diào)車作業(yè)的安全及高效。

與駝峰推峰機車的單機制動方式不同,在平面調(diào)車中,機車制動采用列車管減壓與單機小閘制動結(jié)合進行,而且對制動距離有更嚴格的要求。從故障導(dǎo)向安全的角度考慮,設(shè)備控制機車走行時,首先要考慮車列與停車點或減速點的距離,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行的最高速度,避免發(fā)出指令的調(diào)車員誤判帶來的安全隱患。在以上因素未知時,應(yīng)導(dǎo)向安全,選取安全的參數(shù)。

根據(jù)《牽規(guī)》,制動距離的計算公式為:

式中:Sk為制動空走距離(m);Se為制動有效距離(m);ν0為制動初速(km/h);νz為制動終速(km/h),停車時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,ij一般取0, φs,ωs可通過查表法求取平均數(shù),列車換算制動率?h與整列車接風(fēng)管的輛數(shù)有關(guān),通過調(diào)車監(jiān)控站場跟蹤所計算的車列輛數(shù)及車站站細規(guī)定的接風(fēng)管方式可以進行等效計算。實際應(yīng)用中,系統(tǒng)通過初制動的制動效果對此參數(shù)進行修正,在需要時加大制動減壓量,在距離停車點或減速點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)合機車小閘來修正車列速度和距離。

5 結(jié)束語

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

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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)研究院通信信號研究所 助理研究員,100081 北京

2011-01-21

(責(zé)任編輯:諸 紅)