王勝軍
(哈爾濱鐵路局減速頂調(diào)速系統(tǒng)研究中心,黑龍江 哈爾濱 15000066)
現(xiàn)場總線式溜放車輛調(diào)速控制系統(tǒng)在駝峰調(diào)車場從溜放部分到調(diào)車線內(nèi)采用可控減速頂+普通減速頂調(diào)速設(shè)備,通過自動控制調(diào)速設(shè)備最終實現(xiàn)溜放車輛安全連掛。原則上在駝峰溜放部分至股道頭部大頂群區(qū)段采用可控減速頂,在打靶區(qū)后的連掛區(qū)內(nèi)采用普通減速頂,在調(diào)車場尾部停車區(qū)采用停車頂,形成較為完整的連續(xù)式調(diào)速控制系統(tǒng)。
從1976年起,哈爾濱鐵路局減速頂調(diào)速系統(tǒng)研究中心就開始了利用計算機(jī)進(jìn)行實時控制技術(shù)的研究,主要應(yīng)用于對鐵路編組站的駝峰調(diào)速設(shè)備進(jìn)行自動控制,如減速器、可控減速頂、加速頂?shù)鹊取?/p>
現(xiàn)場總線式調(diào)速控制系統(tǒng)通過通訊技術(shù)對溜放車輛實時跟蹤控制,它根據(jù)溜放鉤車的重量、長度、速度、股道內(nèi)的空閑長度、可控頂?shù)闹苿幽芰σ约败囕v的走行阻力等參數(shù)實時控制,使可控頂分別處于制動或不制動二種狀態(tài),最終實現(xiàn)鉤車之間的安全連掛。圖1所示為微機(jī)可控頂調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備布置圖。
該系統(tǒng)克服了駝峰全減速頂和股道全減速頂調(diào)速系統(tǒng)中存在的對任何類型的溜放車輛都會制動減速的不足,同時連續(xù)式控制方式也可避免點式控制中局部故障會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓的重大隱患問題。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對不同溜放阻力的車輛進(jìn)行有區(qū)別的調(diào)速。由于可控頂調(diào)速系統(tǒng)屬于連續(xù)式調(diào)速方式,所以在系統(tǒng)的安全可靠性上要比點式調(diào)速系統(tǒng)要高。
另外,現(xiàn)場總線式調(diào)速控制系統(tǒng)在現(xiàn)場施工時對正常運輸?shù)母蓴_很小,對施工線路的施工占用時間較短,因而能將對車站日常調(diào)車作業(yè)的影響減至最小。
近年來,哈爾濱鐵路局減速頂調(diào)速系統(tǒng)研究中心的調(diào)速控制系統(tǒng)又將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等應(yīng)用于調(diào)車場的調(diào)速領(lǐng)域,采用現(xiàn)場總線、實時嵌入式系統(tǒng),使系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性得到增強(qiáng)。并能隨時根據(jù)外界環(huán)境和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性,自動調(diào)整和優(yōu)化系統(tǒng)的控制參數(shù),提高調(diào)速的效果,同時,可節(jié)約設(shè)備和電纜等工程投資,具有較高的性能價格比。
圖1 微機(jī)可控頂調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備布置圖
目前鐵路編組站調(diào)速系統(tǒng)的自動化、半自動化研究與開發(fā),大多是采用集中式或是分散式控制方式,如美國通用信號公司的YARDS、美國聯(lián)合信號公司的DDC和德國西門子公司的MSR、英國的Dowty公司、南非和中國的鐵科院及通號公司等。而哈爾濱鐵路局減速頂調(diào)速系統(tǒng)研究中心的現(xiàn)場總線式調(diào)速控制系統(tǒng)將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)應(yīng)用于駝峰調(diào)車場的調(diào)速領(lǐng)域,采用現(xiàn)場總線、嵌入式結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可靠性增強(qiáng),并能根據(jù)外界環(huán)境和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性,自動調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)的控制參數(shù),提高了調(diào)速效果,同時可節(jié)約設(shè)備、電纜等工程投資。該系統(tǒng)采用全數(shù)字通信,具有開放式、全分布、可互操作性及現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性等特點,形成了從測控設(shè)備到監(jiān)控計算機(jī)的全數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。順應(yīng)了控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求,改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),形成了新型的網(wǎng)絡(luò)集成全分布系統(tǒng)。如圖2所示,為一種現(xiàn)場總線式調(diào)速控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖2 現(xiàn)場總線式調(diào)速控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
1.控制對象—可控減速頂、加速頂、停車頂。
2.實時、高效、靈活的嵌入式控制機(jī)。
采用嵌入式系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制核心,主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件和嵌入式軟件系統(tǒng)組成,它是集軟、硬件于一體的可獨立工作的“器件”。它具有以下4個特點:
圖3 室內(nèi)控制機(jī)柜
圖4 室外控制單元
⑴對實時多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力,能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間;
⑵具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能,系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已經(jīng)模塊化,利于軟件診斷;
⑶可擴(kuò)展的微處理器結(jié)構(gòu),具有迅速擴(kuò)展的性能;
⑷具有低功耗的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。
總體看來,嵌入式系統(tǒng)具有方便靈活、性能價格比高、嵌入性強(qiáng)等特點,可以嵌入到現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)中。從軟件角度來看,系統(tǒng)具有所需的配置要求較低、系統(tǒng)專業(yè)性和實時性較強(qiáng)等特點,具有極其廣闊的應(yīng)用前景。
3.集多種功能為一體的監(jiān)控機(jī)
監(jiān)控機(jī)一方面能以圖形化的形式動態(tài)顯示現(xiàn)場工況,在室內(nèi)監(jiān)測外部設(shè)備如測重機(jī)、控制機(jī)、各類傳感器和執(zhí)行電源板等設(shè)備的工作狀態(tài)。在特殊情況下,也可通過監(jiān)控機(jī)手動參與控制。
另一方面,該機(jī)具有圖形化的統(tǒng)計分析功能,以圖表等形式顯示鉤車速度曲線,并和難易行車速度曲線相對比,以便分析改進(jìn)調(diào)速效果。還可對歷史數(shù)據(jù)及溜放情況進(jìn)行匯總,便于故障處理。對外部設(shè)備出現(xiàn)的故障能及時給出語音及圖形報警,同時可動態(tài)分析減速頂工作狀態(tài)及車輛溜放速度預(yù)測,為峰頂變速推峰提供依據(jù)。
圖5 監(jiān)控機(jī)
圖6 監(jiān)控界面
4.控制電源、傳感設(shè)備、現(xiàn)場總線
可控頂控制電源采用無觸點供電和單片機(jī)控制,并以現(xiàn)場總線形式通訊,具有負(fù)載工況反饋功能。該控制電源按多路輸出模板化結(jié)構(gòu)設(shè)計,一路電源發(fā)生故障不影響其它路電源的輸出,因此提高了系統(tǒng)的可靠性。
傳感設(shè)備種類很少,僅有無源非接觸式測速傳感器、硅力敏應(yīng)變片式測重傳感器、軌道電路,沒有復(fù)雜的雷達(dá)測速和測長等設(shè)備,即使在道岔手動條件下也能實現(xiàn)自動調(diào)速控制。由于傳感器設(shè)備的種類少,結(jié)構(gòu)原理簡單,維護(hù)人員很容易掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理,并進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。
圖7 室內(nèi)執(zhí)行電源柜
圖8 室外執(zhí)行電源箱
圖9 測速傳感器
圖10 測重傳感器
圖11 軌道電路箱
本系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線通訊方式,它綜合了數(shù)字通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段,從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字一模擬信號控制的局限性,構(gòu)成一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多接點的通信與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場儀器的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線傳到控制設(shè)備上,現(xiàn)場總線還可通過網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡(luò)相連,以便企業(yè)管理者掌握第一手資料,為決策提供依據(jù)。操作員可在控制室實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、設(shè)定或調(diào)整現(xiàn)場設(shè)備的運行參數(shù),還能借助現(xiàn)場設(shè)備的自診斷功能對故障進(jìn)行定位和診斷。系統(tǒng)可使用雙絞線、同軸電纜、光纜和無線等方式傳送數(shù)據(jù),靈活高效。
控制系統(tǒng)和測重系統(tǒng)的軟件平臺是一個流行世界的完全可擴(kuò)展的嵌入式實時操作系統(tǒng),納秒級實時控制,支持多處理器、文件管理、TCP/IP通訊,圖形界面、JAVA、HTTP等。程序采用分層模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析處理層、執(zhí)行控制處理層。各子模塊任務(wù)明確,提高了程序的可讀性與可維護(hù)性,具有靈活的功能擴(kuò)充裝配功能。系統(tǒng)軟件全部采用固化方式裝入存儲器中,具有較高的抗干擾能力,因此程序運用相當(dāng)可靠。
監(jiān)控機(jī)系統(tǒng)的軟件采用WindowsXP環(huán)境,面向?qū)ο蟮木幊陶Z言,具有多進(jìn)程和多線程技術(shù),以及數(shù)據(jù)庫檢索功能??蓜討B(tài)顯示車輛在各個控制點的速度、重量等級、各個控制點控制信息和測重機(jī)、電源、負(fù)載報警等??筛鶕?jù)需要檢索控制系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)及現(xiàn)場車輛溜放情況等,同時能以圖表等形式進(jìn)行顯示或打印。
該系統(tǒng)是由計算機(jī)控制系統(tǒng)、可控減速頂、普通減速頂?shù)冉M成。其中控制系統(tǒng)包括測重機(jī)、控制計算機(jī)、控制電源、手動作業(yè)及監(jiān)測平臺、執(zhí)行電源柜及控制電纜等硬件設(shè)備組成。測重和測速傳感器得到的車輛信息傳遞給控制計算機(jī),通過軟件系統(tǒng)的判斷與計算,發(fā)出指令控制可控頂對車輛進(jìn)行調(diào)速控制,實現(xiàn)對溜放車輛的速度進(jìn)行實時自動化調(diào)速。圖12是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖12 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模及參數(shù)優(yōu)化,并把專家系統(tǒng)引入到調(diào)速控制領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的車輛溜放過程模型是把車組看成質(zhì)點,阻力作為各種因素組合來體現(xiàn),使得速度控制難以精確,已有的各種駝峰調(diào)速系統(tǒng)所共同依據(jù)的溜放過程模型為
式中:v1為溜放車組的初速(m/s), v2為溜放車組的末速(m/s),g為考慮車輛轉(zhuǎn)動慣量后的重力加速度(m/s2),l為車輛溜放距離(m),w為車輛的走行阻力(N/kN),i為線路的坡度值(‰)。而車輛溜放過程是一個非常復(fù)雜的過程,受到眾多的因素影響,如氣候因素、車輛本身的因素、環(huán)境因素等。把諸因素用阻力來表達(dá),使得阻力的構(gòu)成極其復(fù)雜。現(xiàn)行的控制系統(tǒng)一般為開環(huán),因而使現(xiàn)行的車輛溜放過程模型存在難以克服的缺陷。近年來神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究得到普遍重視和迅速發(fā)展,這是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息處理原理是建立在模式聯(lián)想基礎(chǔ)上的,通過自組織和自學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的模式變換能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的模式識別相比有如下幾個特點:能識別帶有噪聲或變形的輸入模式;具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力,通過對樣本的學(xué)習(xí),能掌握模式變換的內(nèi)在規(guī)律;能夠把識別處理與若干預(yù)處理融合在一起進(jìn)行,識別速度快。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成系統(tǒng)的閉合,即構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng),使系統(tǒng)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)的能力。而具有自適應(yīng)能力和非線性處理能力的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),特別是多層感知器網(wǎng)絡(luò),適于復(fù)雜建模,并且通常優(yōu)越于其它建模技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)輸出節(jié)點只有一個,即控制時間的估計值,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)已估計的控制時間和車輛走行參數(shù)來預(yù)測過程輸出變量。上述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在使用之前必須進(jìn)行離線訓(xùn)練,多層感知器型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最常用的訓(xùn)練算法為BP算法,但該算法具有容易陷入局部最小的缺點。而模擬退火算法則可以跳出局部最優(yōu)的陷阱,找到全局(或近似)最優(yōu)解。將兩種算法結(jié)合起來,可充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點。經(jīng)過訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還可用于在線優(yōu)化。
高效、可靠的優(yōu)化算法是實現(xiàn)在線優(yōu)化的必要條件。本系統(tǒng)可以用于道岔區(qū),在滿足一定的安全間隔的條件下,盡可能使溜放車輛的間隔減少,以便提高駝峰的解體效率。對于車輛溜放目的制動模型,是使鉤車在減速頂出口處的速度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的能保證鉤車安全連掛的速度,其系統(tǒng)控制模型如圖13所示。
圖13 系統(tǒng)控制模型
能對測速傳感器和軌道電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,能在混雜的數(shù)據(jù)中提取正確的數(shù)據(jù),判出鉤車在運行中的丟軸、誤動、故障等錯誤,并能擬補(bǔ)出正確的軸的數(shù)據(jù)和判出鉤車運動方向,同時具有抗干擾性。
鉤車各軸經(jīng)過測重傳感器時的波形信號能記錄下來并進(jìn)行分析處理,能判斷鉤車運動方向,劃分鉤車重量級別和累計鉤車軸數(shù),還具有判追鉤等功能。
溜放間隔調(diào)速控制的依據(jù)是根據(jù)鉤車的重量級別、運行速度、走行阻力和外界環(huán)境和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能等,調(diào)整易行車的速度,使它的走行速度曲線向難行車的走行曲線靠攏。對難行車中的易行車,當(dāng)其走行速度超過一定范圍時也要進(jìn)行適當(dāng)控制,以求難易行車基本都能以相同速度過岔,達(dá)到等間隔控制的目的。
由軌道電路提供鉤車停留的位置及股道內(nèi)的存車情況,進(jìn)行變速或定速調(diào)速控制。力求使鉤車溜放距離最遠(yuǎn),并經(jīng)打靶區(qū)末端的小頂群將車速調(diào)整到5km/h以下,與前停留車最終實現(xiàn)安全連掛。
在股道存車位置允許的條件下,對大組車特別是大組空車采取“讓頭攔尾”控制,使其能盡快通過道岔區(qū),以提高峰頂?shù)耐品逅俣群蜏p少車輛追鉤的可能性。
機(jī)車下峰反牽作業(yè)時,系統(tǒng)能控制道岔區(qū)可控頂處于吸下狀態(tài),這樣可提高機(jī)車上、下峰的走行速度。機(jī)車進(jìn)入股道反牽時使可控頂群處于吸下狀態(tài),可減少反牽阻力,提高反牽速度,減少輪頂磨耗并有利于作業(yè)安全。
嵌入式系統(tǒng)具有較高的性價比。系統(tǒng)可采用雙機(jī)熱備,當(dāng)測重傳感器發(fā)生故障時能在后臺監(jiān)控機(jī)給出故障報警??刂茩C(jī)對無重量數(shù)據(jù)的鉤車可自行根據(jù)專家系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù),先進(jìn)行試探性控制得出車輛速度變化值,然后系統(tǒng)根據(jù)車速、變化值的大小,大體判出該鉤車的重量級別作為控制參數(shù)。同時將判出的級別傳送到下個控制點,保證系統(tǒng)正常運行。
可在異地通過網(wǎng)絡(luò)或無線通訊方式實現(xiàn)對現(xiàn)場工況的預(yù)診斷,防患于未然。
系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的微機(jī)和功能模塊組成,為控制級、管理級、操作級三級體系結(jié)構(gòu),級間采用網(wǎng)絡(luò)通信。控制機(jī)為專用嵌入式計算機(jī),操作與管理級采用工業(yè)PC機(jī),按控制功能和范圍設(shè)定了不同的自動化獨立節(jié)點,故障不擴(kuò)散。該結(jié)構(gòu)體系使系統(tǒng)具有管理和控制一體化,風(fēng)險高度分散,并可針對不同編組場和不同功能需求進(jìn)行多種方式的優(yōu)化組合。
室內(nèi)主要設(shè)備構(gòu)成:執(zhí)行電源柜,控制機(jī)柜,電子控制臺,監(jiān)測機(jī),UPS電源,二路電源。
(1)集中控制方式
圖14 集中控制方式圖(設(shè)備集中放置在信號樓內(nèi))
優(yōu)點:設(shè)備集中管理,受環(huán)境因素影響小,維修方便,易于保養(yǎng)。
不足:需要占用一定面積的房間,現(xiàn)場受控設(shè)備與執(zhí)行機(jī)柜之間的距離較遠(yuǎn),電纜距離長,線路壓降損失較大,電源驅(qū)動部件負(fù)荷大。
(2)集中管理分散控制方式
圖15 集中與分散組合控制方式圖
優(yōu)點:僅需要占用很少房間面積,主要設(shè)備維修方便,易于保養(yǎng)和管理。部分設(shè)備分散布置,有利于節(jié)約電纜,減少線路壓降損耗。
缺點:設(shè)備分散,維護(hù)、保養(yǎng)略為困難。
(3)分散控制方式
圖16 分散控制方式圖
優(yōu)點:無需車站另外提供房間,控制設(shè)備在線間安放,與受控設(shè)備之間距離較近,節(jié)約電纜,可把線間壓降損失減少到最低限度。
不足:與集中控制方式相比受環(huán)境因素影響較大,維護(hù)保養(yǎng)難度也相應(yīng)增大。
控制系統(tǒng)軟件控制模型構(gòu)造繼承傳統(tǒng)控制理論并與現(xiàn)代控制理論有機(jī)結(jié)合,將神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于調(diào)速領(lǐng)域,形成獨具特色的采用現(xiàn)場總線的嵌入式自適應(yīng)調(diào)速控制體系。
建立在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的歷史數(shù)據(jù)分為永久性概要數(shù)據(jù)和按月更新的詳細(xì)數(shù)據(jù),使系統(tǒng)可提供各種直觀的表格或圖形統(tǒng)計分析報告,為編組站運營管理和維護(hù)管理提供了強(qiáng)有力的支持。此外,系統(tǒng)還提供了基于上述數(shù)據(jù)庫的作業(yè)回放及事件歸類查看功能,為各種故障的分析提供了完備和直觀的資料。
完備的基礎(chǔ)測量與執(zhí)行設(shè)備故障導(dǎo)向安全,以及故障軟化、故障降級處理功能,對保障作業(yè)安全提供了強(qiáng)有力的支持。
關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理采用軟、硬件并舉的冗余方式,如雙機(jī)冷備、雙機(jī)熱備以及關(guān)鍵接口的備用等。
網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用使得控制邏輯關(guān)系變得十分簡捷,摒棄了傳統(tǒng)的控制臺內(nèi)部復(fù)雜的線路層層轉(zhuǎn)接關(guān)系,減少了故障發(fā)生的層次,使故障處理簡捷明了。
新型的電子控制臺及各機(jī)柜接口設(shè)計采用了符合國際標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)的工藝、結(jié)構(gòu)及器材,采用了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言編制的監(jiān)控平臺更加圖形化、人性化,直觀清晰,具有實時在線分析、打印數(shù)據(jù),記錄過程全數(shù)據(jù)的功能。
運用專家系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),該系統(tǒng)可根據(jù)用戶的需求,增加遠(yuǎn)程故障診斷的功能。
1.駝峰日均解體能力不小于2000輛,繁忙時每小時解體能力不小于100輛;
2.允許平均推峰速度為5km/h;
3.調(diào)車線內(nèi)5km/h以下的車輛安全連掛率不小于98%;
4.全場集中操縱,直接操作人員僅1人。
本系統(tǒng)采用神經(jīng)元控制器、專家系統(tǒng)、實時嵌入式結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場總線和自主知識產(chǎn)權(quán)的可控減速頂,對溜放車輛實現(xiàn)了有效的間隔控制和目的制動控制。充分利用了神經(jīng)元的自學(xué)功能,在運行中能根據(jù)被控對象的特性以及外界環(huán)境的變化,對神經(jīng)元的權(quán)重值進(jìn)行在線調(diào)整。同時結(jié)合專家經(jīng)驗,使得整個系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)能力與抗干擾能力。這種控制方法能夠有效地克服傳統(tǒng)控制算法存在的不足,使系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)化的工作狀態(tài),具有較高的可靠性和防止惡性事故發(fā)生的安全措施,保證了作業(yè)的安全。系統(tǒng)還具有動態(tài)性能好、調(diào)節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點,在中小型鐵路編組站具有非常廣泛的應(yīng)用前景。