(中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,湖南 株洲 412001)
自20世紀80年代起,澳大利亞、英國、德國、日本等國家進行了大量列車自動駕駛技術的研究,CBTC系統(tǒng)作為自動駕駛的關鍵技術得到廣泛運用,而近年來國際重載運輸飛速發(fā)展,美國、加拿大、俄羅斯、澳大利亞等地域廣袤、煤炭礦石資源豐富的國家均大力發(fā)展重載運輸技術,鐵路在資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方面優(yōu)勢顯著,但重載運輸中還存在著人工操縱不一致、以人工作業(yè)為主,人為觀察機車、線路異常,開行萬噸重載組合列車操作強度與難度大等問題,因此現(xiàn)有重載運輸列車運行效率、安全性與平穩(wěn)性、資源利用率、社會經(jīng)濟效益方面仍有較大提升空間,提高列車控制水平和系統(tǒng)安全性成為提升重載列車技術發(fā)展的重要方向。
高密度、小間隔、安全運輸是城市軌道交通自動駕駛技術運用中的顯著特點,以移動閉塞為技術特點的CBTC系統(tǒng)正廣泛應用于城市軌道交通自動駕駛,CBTC系統(tǒng)能實現(xiàn)車地雙向、車與軌旁的實時大容量信息安全傳輸通信,產(chǎn)品安全認證等級可達SIL4,突破了傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的限制,控制更加靈活,運行效率更高,列車在運用中滿足安全、準點、舒適、節(jié)能、精準停車等技術指標。
CBTC系統(tǒng)主要由軟件構成,軌旁設備少,其主要結(jié)構如圖1所示。
圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構圖
CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng),可實現(xiàn)精準定位,通過移動閉塞縮短運行間隔,將速度和位置信息通過車地通信傳遞,從而追蹤控制區(qū)內(nèi)全部列車,并為后續(xù)列車計算和發(fā)送移動授權,形成列車閉塞區(qū)間。VOBC綜合線路速度和移動授權,計算并控制列車當前速度,保證列車運行的安全性。
重載運輸?shù)奶攸c是遠距離、長編組、大載重、高能耗、運用環(huán)境復雜,因此,城市軌道交通的自動駕駛技術無法全部直接應用在重載運輸領域,研究重載列車的自動駕駛技術,要基于線路條件、運用特點、裝備現(xiàn)狀,開發(fā)具有高可靠性、高安全性、高智能化特點的智能駕駛技術。
智能駕駛系統(tǒng)應保留機車原有的安全防護與電氣系統(tǒng)控制邏輯,其原理見圖2。
重載列車智能駕駛技術可實現(xiàn)自動喚醒、自動整備、自動運行、導向安全的自動邏輯控制、自動休眠的全自動化運行控制,融合地面調(diào)度、軌道信號,實現(xiàn)機車自動注冊、自動調(diào)車、自動無線重聯(lián)編組、運行過程中的臨時限速,同時實現(xiàn)機車的智能化自檢、智能跟隨控制。
要實現(xiàn)上述重載列車智能駕駛技術,需要突破機車運用場景、線路條件、機車控制、障礙物檢測等多項關鍵技術。
圖2 系統(tǒng)原理框圖(節(jié)車)
智能駕駛技術結(jié)合機車特性、運用環(huán)境及司乘人員操縱機車的規(guī)定,研究機車智能駕駛過車中的段內(nèi)作業(yè)、出段與掛車、始發(fā)站發(fā)車、區(qū)間運行、區(qū)間停車、區(qū)間發(fā)車、解編入段等多個應用場景,相關的場景描述、約束條件、功能邊界、經(jīng)驗規(guī)則是開發(fā)重載列車智能駕駛技術的關鍵條件。
智能駕駛技術基于最優(yōu)控制與模型預測控制理論,采集列車編組、基礎線路信息、機車狀態(tài)等信息,規(guī)劃出列車運行的最優(yōu)目標速度曲線,再結(jié)合模型預測控制算法生成控制指令,最終實現(xiàn)目標速度跟隨,實現(xiàn)列車安全、正點、平穩(wěn)、節(jié)能的目標。
重載列車編組長、載重大,尤其是空氣制動緩解過程,列車縱向沖動大,容易出現(xiàn)車鉤斷裂緩沖器磨損、渡板變形等問題。智能駕駛技術以現(xiàn)有運用的真實實驗數(shù)據(jù)為基礎,建立精確車鉤-緩沖器模型,實時計算并反饋車鉤力,同時作為列車智能駕駛正常運行的一個約束條件,有效防止車鉤力過大,降低維修成本。
在機車運行前方的鐵路限界內(nèi),智能駕駛技術綜合運用激光雷達、毫米波雷達、視頻監(jiān)控可實現(xiàn)障礙物檢測、識別及報警。各系統(tǒng)結(jié)合各自傳感優(yōu)勢進行預警,保障機車在復雜路況下的運營安全,系統(tǒng)還具備優(yōu)良的探測功能、目標識別、事件記錄等功能,在不同光照條件、風雨雪等惡劣環(huán)境下均具有良好的適用性。
智能駕駛技術通過對空氣波列車管、制動缸中暫態(tài)變化過程的準確建模,實現(xiàn)列車車鉤力的精確計算與仿真,通過空氣制動力的精確計算,得出列車牽引/制動控制的可靠算法,以保證列車運行的安全。
智能駕駛技術通過列車動力學及能耗優(yōu)化建模、空氣制動特性研究、多質(zhì)點列車動力學建模研究、不同編組方式下的牽引力與電制動力綜合建模、不同級位的特性控制與級位轉(zhuǎn)換、不同減壓量的作用時間與緩解時間建立精確的列車動力學模型,從而實現(xiàn)機車牽引、制動性能的全面把控,對提升列車壽命、減少重載運輸能耗作用顯著。
通過研究開發(fā)重載列車智能駕駛系統(tǒng),提出機車運用場景,以及障礙物檢測、精準定位、安全導向控制策略等前沿技術的研究方向,從而達到降低司乘人員配置和司乘人員工作量,提高運輸效率,提升運行安全性的目的,對提高國際重載運輸列車智能駕駛技術有著重要意義。