一種動車組輔助駕駛系統的設計與實現*

鄭 斌，王青元，趙紅衛,2，李洋濤,2，李小勇

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；3 西南交通大學 電氣工程學院，成都610031）

中國高速鐵路總運營里程不斷增長，在完成運輸任務的前提下，降低鐵路運輸能耗已成為保持軌道交通高速、可持續發展必須解決的重要問題之一。列車牽引能耗占總運行能耗的比重較大，降低列車牽引能耗受到了國內外專家學者的廣泛關注。

目前，高速列車運行過程基本都采用司機手動駕駛的方式，在這種情況下，司機按照自身駕駛經驗和信號提示控制列車運行速度，盡可能的保證列車正點運行。對于復雜運行線路，司機憑個人經驗操縱列車，不僅列車運行的準點性較難保證，而且難以合理利用線路勢能降低牽引能耗。因此，有必要研制動車組輔助駕駛系統在線計算節能優化速度曲線指導司機，使列車在安全、準點運行前提下，充分利用時刻表富裕時間和線路勢能，降低列車牽引能耗，提高列車運行的節能性。

1 動車組司機輔助駕駛系統的整體實施方案

圖1 動車組司機輔助駕駛系統整體實施方案

該方案以動車組司機輔助駕駛設備（以下簡稱DAS）為核心實現，DAS通過網絡接口接入列車控制網絡（MVB網或者實時以太網）內，與列車控制網絡、司機顯示屏、信號系統等設備之間進行通信，從而獲取當前列車實際運行速度、牽引手柄狀態、列車位置（包括GPS信息和公里標信息）、臨時限速等信息，DAS內部計算后可以實時在線調整，通過列車控制網絡向司機顯示屏發送司機操作建議，輔助司機完成節能駕駛。

動車組司機輔助駕駛設備還需要列車運行時刻表、線路數據和行程數據等靜態配置信息，這些信息需要提前下載到司機輔助駕駛設備。

2 節能優化算法的數學原理

考慮高速列車電制動優先、空氣制動補足的空電聯合制動機理，將電制動力與空氣制動力用不同的物理量描述，建立高速列車運動學方程為式（1）、式（2）：

式中：s為列車運行位置，km；v為列車運行速度，km/h；t為運行時間，s；F0（v）表示列車速度為v時的基本運行阻力，Fs（s）表示列車在s處的附加阻力。Ft（v）、Fd（v）、Fm（v）分別表示列車速度為v時的最大牽引力、最大電制動力和空氣制動力，kN。μt，μd，μm分別為牽引力、電制動力和空氣制動力的控制系數。γ為回轉質量系數，通常取為定值。M為列車總質量，t。

高速列車運行過程受列車參數，線路條件和時刻表的共同約束。列車實際運行中力的發揮不能超過列車輪周所能發揮的最大牽引力/電制動力/空氣制動力的控制系數，如式（3）：

列車運行速度不應超過線路限速如式（4）：

“古代希臘和羅馬”作為一個常規考點，幾乎是近五年來全國高考卷中的必考項目。筆者梳理了2014年來高考題這一內容的具體考點（見表1），并試從這一考點出發談一下高三歷史備考策略。

式中：Vlim（s）表示列車在位置s處的限速值。

列車運行準點約束為式（5）、式（6）：

式中：v（s0），v（sf）分別為列車運行區間起點s0和區間終點sf的速度值，t（s0），t（sf）分別為區間起點和終點對應的時間。

在準點運行條件下，列車輔助能耗近似為常數，此部分能耗可不考慮進優化目標。因此，以列車運行能耗最小為優化目標的目標函數即為網側牽引能耗與再生利用能量之差，為式（7）：

式中：α為再生制動能量利用率，0≤α≤1；ηt和ηd分別為列車牽引工況和電制動工況下牽引傳動系統效率等效值，0＜ηt＜1，0＜ηd＜1。

設運動學方程中的列車車速和運行時間2個狀態變量構成狀態向量X=［vt］T，控制系數構成控制向量U=［μtμdμm］T，則高速列車節能優化模型可表述為不等式和等式約束下的數學規劃問題為式（8）：

式中：g為列車運行能耗函數，由式（7）表示；f為運動學向量函數，由式（1）、（2）表示；C為狀態量和控制變量的不等式約束向量函數，由式（3）、（4）表示；e為列車運行過程的等式約束向量函數，由式（5）、（6）表示；E為運行區間起始位置對應的速度和時間。

3 節能優化控制算法

由文獻［1］可知，高速列車節能最優控制工況集包含最大牽引、牽引恒速、惰行、電制動恒速、最大電制動、部分綜合制動和最大綜合制動。在最優牽引恒速不觸及線路限速的情況下，牽引恒速和制動恒速對應的速度值不相同。而高速列車有定速巡航功能，為符合司機的操縱習慣，減少司機負擔，輔助駕駛系統簡化高速列車節能運行工況集為最大牽引、恒速、惰行和最大制動［2］，一個典型運行區間的列車節能最優工況和速度曲線如圖2所示，其運行工況由全牽加速-恒速-惰行-全力制動4個工況連接而成。其核心在于恒速-惰行工況轉換點的確定與求解。

圖2 典型的列車節能優化工況和速度曲線

我國高速鐵路采用單相交流供電制式，列車必須過電分相。列車過分相時，牽引工況無法施加，列車運行速度會受到一定影響［3］。當分相區位于惰行區段時，節能優化速度曲線無影響；當分相區位于全牽加速和恒速區段時，列車速度會下降，出分相區段后采用全牽加速的運行策略使車速恢復，如圖3（a）所示；當分相區位于全力制動區段時，采用提前制動的策略降低車速，如圖3（b）所示。

圖3 電分相調整策略示意圖

高速列車準點節能優化算法流程如下：

Step1：讀取線路限速、坡道、曲線、隧道等基礎數據信息，讀取列車特性和計劃運行時間；

Step2：計算給定條件下的列車最大能力速度曲線；

Step3：預留電分相損失時間，在此條件下計算惰行切換位置，得到典型的列車節能優化速度曲線；

Step4：根據電分相區段所在位置，調整列車運行速度曲線。

為了統計列車能耗，司機輔助裝置還具有能量計算軟件模塊，利用實際列車傳感器采集到的網壓和網流的信號，計算牽引時的牽引能耗和制動時的再生制動能耗。列車的總能耗是各個車輛單元能耗之和。列車能耗從列車主斷閉合開始進行計算。通過能耗計算模塊，可以統計單程或累計消耗的能量，為列車節約能耗提供依據。

4 司機輔助駕駛系統的嵌入式實現

考慮到輔助駕駛系統節能優化算法的計算復雜度，因此對嵌入式系統的主控CPU的性能有較高的要求，尤其是CPU主頻的要求。文中設計的司機輔助駕駛裝置硬件平臺采用了Xilinx公司的ZYNQ7000平臺。其內部由處理系統（PS）和可編程邏輯系統（PL）組成。其中PS部分包含2個ARMCortex-A9MPCore硬核處理器，PL部分采用的Xilinx 7系的FPGA。系統和可編程邏輯之間采用高帶寬的AMBA?-AXI總線互聯。這種可擴展架構為用戶功能的開發提供了極大的靈活性和可擴展性。

為了保證輔助駕駛裝置的實時性和可靠性，嵌入式軟件是基于QNX RTOS開發，采用C語言編寫，整體的軟件架構如圖4所示。

圖4中，整個DAS系統的嵌入式軟件分為5個模塊，其中主模塊、控制網協議處理模塊和節能優化算法模塊為核心模塊；WEB服務模塊和日志服務模塊為輔助模塊。

圖4 輔助駕駛裝置的嵌入式軟件架構

控制網協議處理模塊是一個與項目配置相關的模塊，不同的項目配置可能對應不同的控制網類型（MVB或者實時以太網），以及不同的信號協議，該模塊的構建需要根據具體項目協議的部署來實現。

WEB服務模塊旨在為DAS系統提供的一個軟件運行時各種關鍵狀態的實時監視和固件更新接口。前后端交互接口設計采用RestAPI方式，針對不能的功能設計對應的RestAPI。前端設計采用當下流行的VUE漸進式框架，頁面設計采用了響應式布局方案，通過周期性AJAX（一種和后端服務器異步交互，當前頁面無跳轉且局部刷新的技術）的方式和后端http服務器進行交互，實現前端頁面狀態的自動刷新，如圖5所示。后端http服務器的實現采用開源網絡通信庫Mongoose來構建，通過它提供的接口可以快速便捷地搭建RestAPI服務。

日志服務模塊旨在為DAS系統提供日志服務功能，主要用于記錄DAS軟件內部的關鍵狀態和異常狀態信息，以便在現場出現異常問題時，可以通過日志進行快速的問題定位。日志功能的實現采用環形雙緩沖模式。在2個確定大小的文件上交替復寫，以避免日志文件超出DAS裝置的存儲空間上限。

節能優化算法的靜態信息數據的存儲采用了unqlite數據庫（一種輕量開源的嵌入式key-value?nosql數據庫，相比于傳統的sql數據庫更加高效簡單適合于嵌入式設備）。可通過它提供的接口編寫相應的服務軟件將線路數據文件集合和時刻表文件集合以及相關列車參數和算法參數一起打包制作生成相應的db文件。線路數據主要包括軌道拓撲、目標距離、運行里程、線路速度、梯度、曲線半徑、分相區、隧道以及限速信息等；列車運行時刻表包括列車出發及到達時間和站點信息。為了實現輔助駕駛裝置的跨車跨線全程全自動運行無需人工干預，采用車次號信息作為線路數據文件和時刻表文件的存儲項的存儲key。DAS主程序會實施監視車次信息，每當車次信息有變化，會重新查詢數據庫，獲取當前車次信息對應的線路信息和時刻表信息，然后傳遞給優化算法模塊進行重新初始化配置，從而實現DAS裝置的全程自動運行，而無需每次發車人工錄入線路數據文件和時刻表文件信息。

節能優化算法的核心是進行速度曲線的計算，計算復雜度較高，即使在ZYNQ7000這個高性能處理平臺下仍然需要占用較多的CPU資源和時間，為了保證優化計算的快速實時同時又盡量減少CPU占用，為優化計算單獨分配了一個線程任務，算法第一次運行時會進行一次全局優化計算，然后處于休眠狀態，之后的主要任務是周期性地計算當前位置距離下一站點的早晚點信息，一旦超出預設則通知計算任務開始重新優化計算。

5 測試與結論

以某線路區間作為線路樣本，以某型動車組列車參數進行計算。線路限速為300 km/h，牽引系統效率為0.85。

仿真計算節能優化結果如圖6所示，優化結果由全力牽引、恒速、惰行、聯合制動和過電分相的不同連接組合而成，優化結果較好的利用惰行工況實現列車節能運行。

圖6 某線路區段優化計算結果和司機操縱結果對比

圖6同時對比了某線路運行區間的優化結果和司機操縱結果。司機為了使運行時間與時刻表給定的運行時間接近，在列車進站前提前制動降低列車運行速度（里程為332～343 km）。優化結果充分利用了富裕時間，提前采用惰行工況（里程為315 km）降低列車運行速度，且有效利用了線路下坡道勢能，在惰行工況下列車速度上升（里程為338～343 km）。司機駕駛模式和節能優化計算能耗情況見表1，節能優化計算可實現12.93%的節能效果，較好地降低了列車運行能耗。

表1 某線路區段能耗統計