编组站机车控制智能化的探讨

杨华昌 冯 军

编组站机车控制智能化的探讨

杨华昌*冯 军*

论述编组站机车无线综合安全控制系统的机车控制基本原则,提出实现机车控制智能化的基本思路和方法;就如何在确保安全的前提下提高调机作业效率进行分析,为实现编组站调机最佳自动控制在理论及技术上提出参考意见。

编组站;驼峰;机车无线综合安全控制系统;变速推峰;平调遥控

编组站机车无线综合安全控制系统,包括驼峰推峰机车无线遥控系统的全部功能。在推峰解体作业中,推峰机车在系统控制下可实现自动起车、调速、停车,推峰速度准确平稳。预推时自动实现定距离停车,主推时自动变速推送、解体,提高了推峰平均速度,比人工操作显著提高了解体效率,本文仅就如何实现最佳机车控制进行探讨。

1 编组站调车机车控制原则

编组站调车机车控制的基本原则:在保证调车作业安全的前提下,最大限度地提高调机作业效率。需考虑以下问题。

1.手动优先。系统只有在机车乘务员授权后才能对机车实施控制。任何情况下机车乘务员手动切除时,必须进入手动模式。

2.车列走行速度应低于LKJ2000监控装置的限制速度,低于驼峰信号所指定的最高速度。必须执行平面无线调车设备的控制指令,必须保证车列在关闭的信号机或其他停车点之前停车。

3.在不影响安全的情况下,尽量提高作业效率。

4.机车加速要考虑机车本身的牵引特性,实现平稳、有效的加速。加速过程要符合机车柴油机、牵引电机的工作特性,避免车轮打滑。

5.机车制动时,在保证制动效率的同时要避免车轮抱死所导致的擦轮事故。

2 影响机车控制的因素

调机在进行遥控作业时,其走行与制动受机车动力性能、车组辆数、车重、接风管条件、坡度、曲线、车辆状态等因素的影响。机车在牵引状态时,在车列前方目标走行距离或目标速度给定后,车列的加速和制动要受到以下因素的制约。

1.机车动力性能。不同型号的机车,其牵引特性差别较大。即使同一型号的机车,由于其使用时间、保养条件的不同,牵引特性也会有所区别。

2.车列辆数及接风管方式。车列辆数越多,启动或制动所需时间也就越长。接风管的比例越低,车列制动时间及距离也就越长。

3.车列平均重量。车列中重车的比例越多,其惯性也就越大,启动及制动所需时间也就越长。在调车作业中,车列重量一般是未知的,车列平均重量要靠车列启动过程中的动力-速度变化情况来粗略估计。

4.作业站场地形条件、坡度。在驼峰进行推峰作业时,车列主要受压钩坡的影响。压钩坡的坡度可以通过车站或直接测量取得。在解体作业过程中,要求车列减速运行时,不能采用机车制动的方式。因为在车列解体过程中,如果机车进行制动,将使推送车列的车钩由压缩状态变为拉伸状态,提钩员将无法将解体车组分离,造成“钓鱼”或停车。只能通过卸载机车动力,依靠压钩坡和车列所受的总阻力来达到减速的目的。在其他站场作业时,无特殊情况一般认为坡度为0。一般站场忽略线路曲线的影响。在部分峰下作业时,车列的走行还会受到减速顶的影响。

5.车辆状态及天气状况。列车一般由不同种类的车辆编成,各种车辆采用不同的制动系统,其制动、缓解性能各不相同。在制动系统故障或缓解未充分时,就会出现“抱闸车”,影响车列的加速。此外,还有的车辆闸瓦间隙过小,车辆走行阻力很大。在雨雪霜冻天气,车辆车轮与钢轨的粘着力也会相应下降,对车列的加速和制动都会产生不利影响。

3 应用模糊控制-神经网络理论实现智能化机车控制

编组站机车无线综合安全控制系统是由地面设备及车载设备组成。地面设备由设置在驼峰信号楼的地面主机、接口设备及电务维修终端,以及设置在调度楼的车务终端组成;在到达场及峰顶的相应位置设置点式地面应答器。机车设备采用车载控制计算机、接口设备、司机显示器、点式查询器主机及查询器、电台天线等构成。系统地面设备与编组站综合自动化系统接口,采集站场状态、驼峰信号、作业单等信息,可同时对到达场、调车场作业的多台调车机车进行控制。车载设备接收地面设备的控制指令后,对调车作业进行安全防护,在机车乘务员授权下,通过机车的接口自动控制推峰机车进行变速推峰或平面调车作业。

车载设备控制机车进行变速推峰是一个多变量的控制过程,控制动作与输出量速度v之间很难用一个定量的公式来描述,而且各因素的影响大小无法测量。另外,由于车列本身的惯性及坡度、机车工况等因素的影响,对机车的控制动作并不能及时反映在输出量速度v上,一般都有1～8 s的时间延迟,因此这也是一个有纯延迟的控制过程。

基于上述特点,在机车自动推峰控制过程中引入了模糊控制和神经网络理论,将影响机车控制的各个因素模糊化,并建立规则库。将模糊控制与神经网络自学习、全局寻优等特性相结合,实现机车控制的优化。系统模型如图1所示。

图1 编组站机车控制系统模型

模型校正是一种监督学习的过程,学习的参数集合包括机车牵引、制动特性等相对稳定的参数,也包括当前车列辆数、总重等实时参数。对于机车牵引、制动特性,可在车载设备软件配置中设定初始值,并在车列辆数相对确定时,通过多次、滚动计算的平均值进行校正。对于车列当前辆数,可通过调车监控的车列跟踪及轨道电路占用的变化情况作出粗略推算,结合控制的反馈情况进行校正。

在现场实际作业中,使用较多的东风7G车型有2种,一种是中国南车集团青岛四方机车厂生产的东风7G型内燃机车,这种机车虽然控制接口与传统的东风7车型有区别,但基本的控制方式、控制响应差别不大。另一种是中国北车集团北京二七机车厂2004年推出的东风7G型内燃机车,主传动采用架控式交-直-交电传动,微机控制;辅助传动采用交流电机驱动,牵引电机抱滚轴承悬挂,柴油机型号为12V240ZJ6E型,标定功率为2400kW,最大运用功率为2200kW,脉冲增压方式。这种机车控制方式较传统东风7系列有区别,主要表现在机车卸载减速时必须将司机手柄回到0位,如果机车卸载到1位后不经过0位而直接回到保位时机车不能重新获得动力,且在1位时机车不输出动力。在控制响应方面,司机控制手柄从0位提到保位后,机车电机在7～8 s后才能有牵引电流输出,比传统东风7车型的延迟时间要长。因此在软件控制流程上,必须要针对这种车型的特点单独设计优化。

对于东风7G机车(二七厂)的控制方式,车载设备控制软件在机车卸载时要将控制手柄完全回到0位。需要重新加载时,先提到1位并保持一段固定时间,然后提到保位。由于东风7G机车(二七厂)在加载时的控制响应时间较长,在机车速度曲线控制过程中,需要充分考虑这段延迟时间。体现在实际控制模式中,就要对车列的速度变化进行预判。如果按照一般机车的控制方式,在需要加载的时候再将控制手柄提到保位,则在7～8 s延时后,机车速度可能已经超出系统的设计范围,甚至导致车列停止或反溜。

实际应用中,在模糊-神经网络中加入一个预测环节来解决此问题。当机车卸载后,预测环节根据规则库的内容计算9～16 s后的机车速度值与当前目标速度的差值,如果差值过大,则立即控制机车进行加载准备。在加载准备的过程中,预测环节也根据实时的机车工况修正预测值,必要时取消加载准备,再次卸载。

4 系统平调遥控功能的优化

在编组站一般平面调车作业推进车列或连接时,通常由调车组使用平面无线调车设备与机车乘务员通信,控制车列的走行和制动。平面无线调车设备与LKJ2000监控装置接口,在机车进行调车作业的过程中,调车组通过平面无线调车设备发出的指令,在通过语音和灯显通知乘务员的同时,也通过接口将控制命令发送至LKJ2000监控装置, LKJ2000监控装置据此控制走行限速。乘务员控制的机车走行速度超过走行限速时,LKJ2000监控装置进行卸载和制动,从而实现安全防护。这种半自动的控制方式在使用过程中,由于机车的操作者是机车乘务员,调车组在发出指令后,机车乘务员的执行由于各种因素都会有一定时间的延迟,特别是在需要车列启动或加速时。机车乘务员在执行平面调车设备发出的指令时,还要注意地面调车信号的开放情况及距离。

编组站机车无线综合安全控制系统与平面无线调车设备接口,在机车乘务员授权后,系统进入平调遥控模式,可以根据平面无线调车设备的指令及前方地面调车信号的开放情况、距离控制机车动作,实现自动启动、走行、制动、连挂功能。调车员通过平面无线调车设备手持终端发出平面调车指令,包括启动、推进、十车、五车、三车、减速、连接、停车、紧急停车等。在平调遥控状态下,机车的控制权交到调车员,调车员发出不同的平面调车指令控制机车的走、停。机车乘务员在此过程中监控调车过程,如果机车乘务员认为有必要进行干预,可以随时切除平调遥控状态,机车控制权再切换回到机车乘务员。由于这些数据在编组站机车无线综合安全控制系统中都是实时的,设备控制机车的动作不会有延迟,保证了调车作业的安全及高效。

与驼峰推峰机车的单机制动方式不同,在平面调车中,机车制动采用列车管减压与单机小闸制动结合进行,而且对制动距离有更严格的要求。从故障导向安全的角度考虑,设备控制机车走行时,首先要考虑车列与停车点或减速点的距离,结合车列本身的辆数、接风管方式等,以此确定车列可以运行的最高速度,避免发出指令的调车员误判带来的安全隐患。在以上因素未知时,应导向安全,选取安全的参数。

根据《牵规》,制动距离的计算公式为:

式中:Sk为制动空走距离(m);Se为制动有效距离(m);ν0为制动初速(km/h);νz为制动终速(km/h),停车时νz=0;φs为距离等效摩擦系数; ωs为距离等效单位基本阻力;ϑh为列车换算制动率;ij为加算坡度。

上述公式应用于平调调车作业时,ij一般取0, φs,ωs可通过查表法求取平均数,列车换算制动率ϑh与整列车接风管的辆数有关,通过调车监控站场跟踪所计算的车列辆数及车站站细规定的接风管方式可以进行等效计算。实际应用中,系统通过初制动的制动效果对此参数进行修正,在需要时加大制动减压量,在距离停车点或减速点20 m前的安全距离内将车列速度减到可控范围内,再结合机车小闸来修正车列速度和距离。

5 结束语

编组站机车无线综合安全控制系统,作为编组站综合自动化系统的重要组成部分,提高了驼峰的解编效率,实现了平面调车的远程控制,减轻了乘务员的劳动强度。系统利用先进的模糊控制-神经网络理论改善了机车的控制性能,在合理利用机车动力的同时,也保证了调车作业的安全,充分运用了编组站综合自动化系统强大的信息管理、传输功能。随着现代控制理论的发展,工业控制计算机功能在不断增强,我们也将不断优化系统的控制性能,增进编组站调车作业的自动化水平。

[1] 饶忠.列车制动[M].北京:中国铁道出版社,1998, 12.

[2] 王锐.编组站驼峰推峰机车优化控制的研究,中国铁道科学研究院硕士学位论文集.2005,7.

[3] 饶忠.列车牵引计算[M].北京:中国铁道出版社, 2002,6.

[4] 张吉礼.模糊-神经网络控制原理与工程应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004,6.

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

*铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员,100081 北京

2011-01-21

(责任编辑:诸 红)