内燃动车组网络防呆控制策略

矫德余 石 勇

(中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116000)

防呆控制是内燃动车组的一项基本的初级安全保护控制功能。当司机在驾驶过程中头脑不清醒或车辆已缺乏人为控制时，立即或延时启动防呆控制迫使车辆紧急制动停车[1-2]。传统的防呆控制是建立在机械结构的基础上，存在诸多弊端，车辆或者司机的不正常操作均可能导致防呆控制失效。内燃动车组网络防呆控制策略是在传统防呆控制基础上，结合网络控制系统的技术优势，进行改进的更加智能化的控制。

1 防呆控制策略设计

网络防呆控制通过电气接口采集信号，要求车辆操控者按照循环的间断的秩序施加和释放机械应力，即由动态作用力替代传统防呆控制中的静态固定作用力。网络防呆控制根据预订的安全运行条件，监测操控者的操作节奏，适时发出安全警报(连续或间断的声光)，直至启动紧急制动停车。

网络防呆控制目标是：(1)在司机开车过程中始终为司机提供必要的、有效的警报；(2)司机可通过一定方式取消该警报，并保证车辆继续正常行驶；(3)判断车辆确已失控并进行紧急制动停车；(4)对上述过程及参数进行记录。

1.1 启动条件

同时满足以下条件即启动防呆控制逻辑：(1)本端有权；(2)方向手柄处于非0位(即处于向前或向后位)；(3)任何一个制动缸压力小于1.76 kPa；(4)动车组处于运动状态(v>6.4 km/h)。

1.2 退出条件

出现下列条件之一即退出防呆控制逻辑：(1)3个制动缸压力均大于1.76 kPa。(2)动车组处于静止或低速运行状态(v<6.4 km/h)。出现下列条件之一即退出防呆控制逻辑并施加紧急制动：(1)防呆控制过程中本地有权信号丢失。(2)防呆控制过程中方向信号丢失。(3)防呆控制过程中发生需要紧急制动停车故障。

1.3 控制目标

防呆控制周期内满足以下条件之一即实施紧急制动：(1)无警惕运行距离超过600 m。(2)无警惕运行时间超过30 s。

1.4 阶段策略及目标分解

完整的防呆控制周期分为3个阶段：包括信号监测计时阶段T1、蓝光报警阶段T2和声光报警阶段T3，如图1(1)所示。无论防呆控制逻辑处于哪一阶段，均能够被防呆按钮状态变化打断而重新进入新的防呆控制周期。图1中(2)、(3)、(4)分别为防呆控制逻辑在T1、T2、T3阶段被打断而进入新的逻辑控制周期。

图1 防呆控制周期

1.4.1信号监测计时阶段T1

该阶段为信号监测计时阶段，T1时间是可变化的。目标是在可控的距离和可控的时间内控制无警报输出，一旦无操作的运行距离超过限值或无操作时间超过限值将立即进入下一阶段。

1.4.2蓝光报警阶段T2

该阶段为预报警阶段，通过蓝光提示司机进行防呆操作，T2阶段固定时间为t2=2.5 s，超过时间无动作将立即进入下一阶段。

1.4.3声光报警阶段T3

该阶段为报警阶段，通过声光混合方式警告司机进行防呆操作，否则将实施紧急制动停车，T3阶段固定时间为t3=2.5 s。

假定车辆初始启动速度由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，则初始启动阶段行驶距离s0为

(1)

T2和T3阶段按照车辆最大运行时速v=100 km/h(27.78 m/s)计算，T2阶段最大可行驶距离sT2和T3阶段最大可行驶距离sT3为

sT2=sT3≈69 m

(2)

为了满足无警惕行驶距离不超过600 m的距离总目标，T1阶段最大可行驶距离sT1为

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

(3)

为了满足无警惕行驶时间不超过30 s时间总目标，T1阶段最大可行驶时间t1为

t1=30-t2-t3=25 s

(4)

1.5 控制的实现

1.5.1距离的计算

动车组行驶的距离可通过以下公式计算：假设动车组运行的实时速度为v(t)，当前时间t，则动车组运行距离s可表示为

以等差级数分割时间，即相邻时间点Δt=50 ms是相同的。动车组运行距离s可等效计算为

1.5.2输入输出信号

内燃动车组网络防呆控制相关的输入输出信号如表1所示。

表1 网络防呆控制输入输出信号表

1.5.3控制流程

在出口内燃动车组上，通过可视化编程环境OPENPCS，使用ST编程语言实现上述控制方法，防呆控制流程如图2所示。其中，蓝光报警通过输入输出信号BLO实现，声音报警通过输入输出信号ASO实现，制动过程通过LMO实现。

图2 防呆控制流程

1.6 数据记录

数据记录应有助于对事故的分析，记录要求参照实际的时间基准，最低存储能力要求30天对应1 s的数据。

2 数据分析

根据上述控制策略推算，内燃动车组在不同的运行速度下，对应不同的控制需求，具体时间和距离要求如表2所示。

表2 参数关系表

从表2中可知，当动车组运行速度小于65 km/h时，完整的警惕控制周期固定为30 s；当速度大于65 km/h，为保证车辆在无人为控制时行驶距离不大于447 m，完整的警惕控制周期是可变的，但总小于30 s。由上表可知，基于网络防呆控制无人操作情况下可运行时间和距离与速度关系如图3所示。

图3 控制参数关系图

3 应用

阿根廷内燃动车组用于国铁线路旅客运输，单列车为3辆编组形式，其中2辆动车和1辆拖车，2列动车组可以编组连挂运行。动车组采用交流电传动，能够以最高100 km/h的速度运行。动车组网络控制系统是列车的高层通信与控制系统，采用满足IEC 61375标准的列车通信网络(TCN)，由绞线式列车级总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)组成。网络控制系统负责功能控制、故障诊断、数据记录等。在该内燃动车组上，编程实现上述控制策略并进行试验验证，试验表明该控制策略保证动车组在无人操作时能够在最长30 s的时间内和最长447 m的距离内停车，实现了既定目标，控制策略安全有效。使用该控制策略的内燃动车组列车共27列，已安全平稳载客运营1年多。

4 结论

基于网络的防呆控制较传统的防呆控制更加智能化，且及时性、准确性、灵活性更强，能够按照既定需求以不同的警惕形式提醒司机安全驾驶，并能够在合理的时间和距离范围内主动控制车辆，避免因人为因素导致的事故发生或将事故危害降到最低，经装车使用效果良好，具有推广价值。