矯德余 石 勇

(中車(chē)大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116000)

防呆控制是內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組的一項(xiàng)基本的初級(jí)安全保護(hù)控制功能。當(dāng)司機(jī)在駕駛過(guò)程中頭腦不清醒或車(chē)輛已缺乏人為控制時(shí)，立即或延時(shí)啟動(dòng)防呆控制迫使車(chē)輛緊急制動(dòng)停車(chē)[1-2]。傳統(tǒng)的防呆控制是建立在機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，存在諸多弊端，車(chē)輛或者司機(jī)的不正常操作均可能導(dǎo)致防呆控制失效。內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)防呆控制策略是在傳統(tǒng)防呆控制基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行改進(jìn)的更加智能化的控制。

1 防呆控制策略設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)防呆控制通過(guò)電氣接口采集信號(hào)，要求車(chē)輛操控者按照循環(huán)的間斷的秩序施加和釋放機(jī)械應(yīng)力，即由動(dòng)態(tài)作用力替代傳統(tǒng)防呆控制中的靜態(tài)固定作用力。網(wǎng)絡(luò)防呆控制根據(jù)預(yù)訂的安全運(yùn)行條件，監(jiān)測(cè)操控者的操作節(jié)奏，適時(shí)發(fā)出安全警報(bào)(連續(xù)或間斷的聲光)，直至啟動(dòng)緊急制動(dòng)停車(chē)。

網(wǎng)絡(luò)防呆控制目標(biāo)是：(1)在司機(jī)開(kāi)車(chē)過(guò)程中始終為司機(jī)提供必要的、有效的警報(bào)；(2)司機(jī)可通過(guò)一定方式取消該警報(bào)，并保證車(chē)輛繼續(xù)正常行駛；(3)判斷車(chē)輛確已失控并進(jìn)行緊急制動(dòng)停車(chē)；(4)對(duì)上述過(guò)程及參數(shù)進(jìn)行記錄。

1.1 啟動(dòng)條件

同時(shí)滿(mǎn)足以下條件即啟動(dòng)防呆控制邏輯：(1)本端有權(quán)；(2)方向手柄處于非0位(即處于向前或向后位)；(3)任何一個(gè)制動(dòng)缸壓力小于1.76 kPa；(4)動(dòng)車(chē)組處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(v>6.4 km/h)。

1.2 退出條件

出現(xiàn)下列條件之一即退出防呆控制邏輯：(1)3個(gè)制動(dòng)缸壓力均大于1.76 kPa。(2)動(dòng)車(chē)組處于靜止或低速運(yùn)行狀態(tài)(v<6.4 km/h)。出現(xiàn)下列條件之一即退出防呆控制邏輯并施加緊急制動(dòng)：(1)防呆控制過(guò)程中本地有權(quán)信號(hào)丟失。(2)防呆控制過(guò)程中方向信號(hào)丟失。(3)防呆控制過(guò)程中發(fā)生需要緊急制動(dòng)停車(chē)故障。

1.3 控制目標(biāo)

防呆控制周期內(nèi)滿(mǎn)足以下條件之一即實(shí)施緊急制動(dòng)：(1)無(wú)警惕運(yùn)行距離超過(guò)600 m。(2)無(wú)警惕運(yùn)行時(shí)間超過(guò)30 s。

1.4 階段策略及目標(biāo)分解

完整的防呆控制周期分為3個(gè)階段：包括信號(hào)監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)階段T1、藍(lán)光報(bào)警階段T2和聲光報(bào)警階段T3，如圖1(1)所示。無(wú)論防呆控制邏輯處于哪一階段，均能夠被防呆按鈕狀態(tài)變化打斷而重新進(jìn)入新的防呆控制周期。圖1中(2)、(3)、(4)分別為防呆控制邏輯在T1、T2、T3階段被打斷而進(jìn)入新的邏輯控制周期。

圖1 防呆控制周期

1.4.1信號(hào)監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)階段T1

該階段為信號(hào)監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)階段，T1時(shí)間是可變化的。目標(biāo)是在可控的距離和可控的時(shí)間內(nèi)控制無(wú)警報(bào)輸出，一旦無(wú)操作的運(yùn)行距離超過(guò)限值或無(wú)操作時(shí)間超過(guò)限值將立即進(jìn)入下一階段。

1.4.2藍(lán)光報(bào)警階段T2

該階段為預(yù)報(bào)警階段，通過(guò)藍(lán)光提示司機(jī)進(jìn)行防呆操作，T2階段固定時(shí)間為t2=2.5 s，超過(guò)時(shí)間無(wú)動(dòng)作將立即進(jìn)入下一階段。

1.4.3聲光報(bào)警階段T3

該階段為報(bào)警階段，通過(guò)聲光混合方式警告司機(jī)進(jìn)行防呆操作，否則將實(shí)施緊急制動(dòng)停車(chē)，T3階段固定時(shí)間為t3=2.5 s。

假定車(chē)輛初始啟動(dòng)速度由v0=0加速到vt=6.4 km/h(1.78 m/s)的平均加速度a=0.1 m/s2，則初始啟動(dòng)階段行駛距離s0為

(1)

T2和T3階段按照車(chē)輛最大運(yùn)行時(shí)速v=100 km/h(27.78 m/s)計(jì)算，T2階段最大可行駛距離sT2和T3階段最大可行駛距離sT3為

sT2=sT3≈69 m

(2)

為了滿(mǎn)足無(wú)警惕行駛距離不超過(guò)600 m的距離總目標(biāo)，T1階段最大可行駛距離sT1為

sT1=600-s0-sT2-sT3=447 m

(3)

為了滿(mǎn)足無(wú)警惕行駛時(shí)間不超過(guò)30 s時(shí)間總目標(biāo)，T1階段最大可行駛時(shí)間t1為

t1=30-t2-t3=25 s

(4)

1.5 控制的實(shí)現(xiàn)

1.5.1距離的計(jì)算

動(dòng)車(chē)組行駛的距離可通過(guò)以下公式計(jì)算：假設(shè)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行的實(shí)時(shí)速度為v(t)，當(dāng)前時(shí)間t，則動(dòng)車(chē)組運(yùn)行距離s可表示為

以等差級(jí)數(shù)分割時(shí)間，即相鄰時(shí)間點(diǎn)Δt=50 ms是相同的。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行距離s可等效計(jì)算為

1.5.2輸入輸出信號(hào)

內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)防呆控制相關(guān)的輸入輸出信號(hào)如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)防呆控制輸入輸出信號(hào)表

1.5.3控制流程

在出口內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組上，通過(guò)可視化編程環(huán)境OPENPCS，使用ST編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)上述控制方法，防呆控制流程如圖2所示。其中，藍(lán)光報(bào)警通過(guò)輸入輸出信號(hào)BLO實(shí)現(xiàn)，聲音報(bào)警通過(guò)輸入輸出信號(hào)ASO實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)過(guò)程通過(guò)LMO實(shí)現(xiàn)。

圖2 防呆控制流程

1.6 數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)記錄應(yīng)有助于對(duì)事故的分析，記錄要求參照實(shí)際的時(shí)間基準(zhǔn)，最低存儲(chǔ)能力要求30天對(duì)應(yīng)1 s的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述控制策略推算，內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組在不同的運(yùn)行速度下，對(duì)應(yīng)不同的控制需求，具體時(shí)間和距離要求如表2所示。

表2 參數(shù)關(guān)系表

從表2中可知，當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度小于65 km/h時(shí)，完整的警惕控制周期固定為30 s；當(dāng)速度大于65 km/h，為保證車(chē)輛在無(wú)人為控制時(shí)行駛距離不大于447 m，完整的警惕控制周期是可變的，但總小于30 s。由上表可知，基于網(wǎng)絡(luò)防呆控制無(wú)人操作情況下可運(yùn)行時(shí)間和距離與速度關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制參數(shù)關(guān)系圖

3 應(yīng)用

阿根廷內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組用于國(guó)鐵線(xiàn)路旅客運(yùn)輸，單列車(chē)為3輛編組形式，其中2輛動(dòng)車(chē)和1輛拖車(chē)，2列動(dòng)車(chē)組可以編組連掛運(yùn)行。動(dòng)車(chē)組采用交流電傳動(dòng)，能夠以最高100 km/h的速度運(yùn)行。動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是列車(chē)的高層通信與控制系統(tǒng)，采用滿(mǎn)足IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)的列車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)，由絞線(xiàn)式列車(chē)級(jí)總線(xiàn)(WTB)和多功能車(chē)輛總線(xiàn)(MVB)組成。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)功能控制、故障診斷、數(shù)據(jù)記錄等。在該內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組上，編程實(shí)現(xiàn)上述控制策略并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明該控制策略保證動(dòng)車(chē)組在無(wú)人操作時(shí)能夠在最長(zhǎng)30 s的時(shí)間內(nèi)和最長(zhǎng)447 m的距離內(nèi)停車(chē)，實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)，控制策略安全有效。使用該控制策略的內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組列車(chē)共27列，已安全平穩(wěn)載客運(yùn)營(yíng)1年多。

4 結(jié)論

基于網(wǎng)絡(luò)的防呆控制較傳統(tǒng)的防呆控制更加智能化，且及時(shí)性、準(zhǔn)確性、靈活性更強(qiáng)，能夠按照既定需求以不同的警惕形式提醒司機(jī)安全駕駛，并能夠在合理的時(shí)間和距離范圍內(nèi)主動(dòng)控制車(chē)輛，避免因人為因素導(dǎo)致的事故發(fā)生或?qū)⑹鹿饰：档阶畹?，?jīng)裝車(chē)使用效果良好，具有推廣價(jià)值。