一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制系统及方法

1.本发明属于铁路控制领域，具体的说是一种铁路接触网作业车智能辅助驾驶控制系统及方法。


背景技术：

2.随着智能驾驶技术的不断进步，轨道车辆领域也在逐步普及和应用，目前在运行的高铁、地铁已有部分列车实现自动驾驶，然而，对于采用传统内燃机驱动、空气制动机制动的铁路接触网作业车智能辅助驾驶技术研究和应用较少。铁路接触网作业车一般为双司机值乘，且大部分出车时间是在夜间，安全和效率问题较为突出。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种铁路接触网作业车智能辅助驾驶控制系统及方法，以期能在部分场景下替代司机对接触网作业车进行油门和制动控制，从而能提升作业车油门和制动控制的准确性，使作业车在不同路况下行驶更加平稳。
4.本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
5.本发明一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制系统的特点在于，包括：限速信息采集模块、车速信息采集模块、位置信息采集模块、轨道信息采集模块、参数调试模块、数据处理模块、油门驱动模块、制动执行模块；
6.所述限速信息采集模块从轨道运行控制设备中获取限速信息并发送至所述数据处理模块；
7.所述车速信息采集模块从轨道运行控制设备中获取车速信息并发送至所述数据处理模块；
8.所述位置信息采集模块从轨道运行控制设备中获取位置信息并发送至所述数据处理模块；
9.所述轨道信息采集模块从轨道运行控制设备中获取轨道信息并发送至所述数据处理模块，所述轨道信息包括：轨道坡度、曲线半径、隧道长度；
10.所述参数调试模块获取外部输入的控制指标及控制参数并发送至数据处理模块，所述控制指标包括：目标停车位置、停车精准度指标、舒适度指标、运行时长指标、能耗指标；所述控制参数包括：速度差阈值内修正系数、速度差阈值外修正系数、坡度阈值内修正系数、坡度阈值外修正系数、曲线半径阈值内修正系数、隧道长度阈值外修正系数、制动修正系数；
11.所述数据处理模块根据接收到的限速信息、轨道信息及控制指标生成目标速度-位置曲线，并结合车速信息、位置信息及控制参数，计算油门控制指令和制动控制指令后，相应发送至油门驱动模块和制动执行模块；
12.所述油门驱动模块将所接收的油门控制指令转化为电子油门信号并发送至作业
车油门控制器，以驱动作业车行进；
13.所述制动执行模块将所接收的制动控制指令转化为脉冲信号和方向信号后，控制电机驱动作业车的制动机阀芯旋转，以完成对作业车的制动操作。
14.本发明一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制方法的特点在于，是按如下步骤进行：
15.步骤1、从轨道运行控制设备中获取限速、轨道信息，并根据所设定的控制指标和控制参数，构建综合控制目标函数f，其中，所述控制指标包括目标停车位置、停车精准度指标、舒适度指标、运行时长指标、能耗指标，所述控制参数包括速度差阈值内修正系数、速度差阈值外修正系数、坡度阈值内修正系数、坡度阈值外修正系数、曲线半径阈值内修正系数、隧道长度阈值外修正系数、制动修正系数；
16.步骤2、采用遗传算法，对所述综合控制目标函数f转换为适应度函数fit进行求解，生成目标速度-位置曲线；结合铁路接触网作业车的当前位置s，从所述目标速度-位置曲线中获得当前目标车速va；
17.根据铁路接触网作业车的当前车速v，从稳速平坡直道工况下的速度-油门标定曲线v-thr中获取初始的油门控制参数thr0；
18.步骤3、计算修正系数a：
19.当|v-va|≤δ时，令a＝x4×
(v
a-v)，其中，x4表示速度差阈值内修正系数，δ表示速度差阈值；v表示铁路接触网作业车的当前车速；
20.当|v-va|＞δ时，令a＝x5×
(v
a-v)，其中，x5表示速度差阈值外修正系数；
21.步骤4、利用轨道信息中的当前坡度a，计算修正系数b：
22.当|a|＜ε时，令b＝x6×
a，其中，x6表示坡度阈值内修正系数；ε表示坡度阈值；
23.当|a|≥ε时，令b＝x7×
a，其中，x7表示坡度阈值外修正系数；
24.步骤5、利用轨道信息中的曲线半径r，计算修正系数c：
25.当r《τ时，令c＝x8/r，其中，x8表示曲线半径阈值内修正系数；τ表示半径阈值；
26.当r≥τ时，令c＝0；
27.步骤6、利用轨道信息中的隧道长度l，计算修正系数d：
28.当l≥σ时，令d＝l/x9，其中，x9表示隧道长度阈值外修正系数；σ表示长度阈值；
29.当l＜σ时，令d＝0；
30.步骤7、计算控制参数thr1＝thr0+a+b+c+d；
31.若0≤thr1≤δ，则令油门控制参数thr2＝thr1，制动控制参数bre＝0；其中，δ表示油门阈值；
32.若thr1＞δ，则令thr2＝δ，bre＝0；
33.若thr1＜0，则令油门控制参数thr2＝0，制动控制参数bre＝x
10
×
|thr1|，其中，x
10
表示制动修正系数；
34.步骤8：油门控制器按照油门控制参数thr2驱动作业车行进，电机按照制动控制参数bre驱动作业车的制动机阀芯旋转，从而实现对铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制。
35.本发明所述的铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制方法的特点也在于，所述步骤1的综合控制目标函数f是利用式(1)构建的：
36.f＝μ1×
k1+μ2×
k2+μ3×
k3+μ4×k4 (1)
37.式(1)中，k1为停车精准度指标，且k1＝|s
p-s
t
|，s
p
为实际停车位置，s
t
表示目标停车位置，k2为舒适度指标，k3为准时性指标，且k3＝|t
p-t
t
|，t
p
为实际行驶时间，t
t
表示目标行驶时间，k4为能耗指标，μ1为车精准度权重系数，μ2为舒适度权重系数，μ3为准时性权重系数，μ4为能耗权重系数。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
39.1、本发明针对铁路接触网作业车，设计了一套铁路接触网作业车智能辅助驾驶控制系统，该智能辅助驾驶系统能够采集作业车运行状态和轨道信息，经过数据处理模块的分析处理，生成油门和制动控制指令，发送给油门驱动模块和制动执行模块，从而替代司机对作业车进行运行控制，解决了传统作业车智能化水平较低的问题，减轻了司机压力，提高了控车安全性。
40.2、本发明设计的智能辅助驾驶系统目标速度曲线规划方法，通过设置权重系数和适应度函数，将多目标优化问题转换成单目标优化问题，并基于分区段运动学建模的方式，采用遗传算法进行求解，得到目标速度-位置曲线，使得作业车辅助驾驶系统能够规划出最优方案，克服了人工驾驶不确定性、主观性的问题。
41.3、本发明设计的智能辅助驾驶控制方法，结合平路稳速下的油门标定表，将实际速度与目标速度差、坡度、曲线半径、隧道长度对油门和制动的影响换算成修正系数，求和后得到控制参数并判断其取值范围，得到最终的油门控制指令和制动控制指令，从而有效降低了不同工况对作业车运行的干扰，提高了行驶时的稳定性和适应性。
附图说明
42.图1为本发明系统的结构示意图；
43.图2为本发明方法的控制流程图。
具体实施方式
44.本实施例中，如图1所示，一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制系统，包括：限速信息采集模块、车速信息采集模块、位置信息采集模块、轨道信息采集模块、参数调试模块、数据处理模块、油门驱动模块、制动执行模块；
45.限速信息采集模块从轨道运行控制设备中获取离散、分段的限速信息，经过数据筛选与拼接、曲线拟合，得到完整的限速曲线，并发送至数据处理模块；
46.车速信息采集模块从轨道运行控制设备中获取作业车当前运行车速信息并发送至数据处理模块；
47.位置信息采集模块从轨道运行控制设备中获取作业车公里标位置信息并发送至数据处理模块；
48.轨道信息采集模块从轨道运行控制设备中获取轨道信息，并发送至数据处理模块，轨道信息包括：轨道坡度、曲线半径、隧道长度；
49.参数调试模块包含人机交互界面及通信接口，经过数值与逻辑转换后，获取外部输入的控制指标及控制参数并发送至数据处理模块，其中，控制指标包括：目标停车位置、停车精准度指标、舒适度指标、运行时长指标、能耗指标；控制参数包括：停车精准度权重系数、舒适度权重系数、准时性权重系数、能耗权重系数、速度-油门标定曲线二次项系数、速
度-油门标定曲线一次项系数、速度-油门标定曲线常数项、速度差阈值内修正系数、速度差阈值外修正系数、坡度阈值内修正系数、坡度阈值外修正系数、曲线半径阈值内修正系数、隧道长度阈值外修正系数、制动修正系数。
50.数据处理模块根据接收到的限速信息、轨道信息及控制指标生成目标速度-位置曲线，结合车速信息、位置信息及控制参数，计算出油门控制指令和制动控制指令后，相应发送至油门驱动模块和制动执行模块；
51.油门驱动模块将所接收的油门控制指令转化为电子油门信号并发送至作业车油门控制器，以驱动作业车行进；
52.制动执行模块将所接收的制动控制指令转化为脉冲信号和方向信号后，控制电机驱动作业车的制动机阀芯旋转，以完成对作业车的制动操作。
53.本实施例中，一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
54.步骤1、从铁路接触网作业车轨道运行控制设备中获取限速、轨道信息，并根据所设定的控制指标，将多目标问题转化为单目标问题，利用式(1)构建综合控制目标函数f：
55.f＝μ1×
k1+μ2×
k2+μ3×
k3+μ4×k4 (1)
56.式(1)中，k1为停车精准度指标，且k1＝|s
p-s
t
|，s
p
为实际停车位置，为实际停车位置，整个路程分为n段，ai、vi、si分别为第i段线路作业车的加速度、末端速度、末端位置；s
t
表示目标停车位置，k2为舒适度指标，且k3为准时性指标，且k3＝|t
p-t
t
|，t
p
为实际行驶时间，且ti为第i段线路作业车的运行时长，t
t
表示目标行驶时间，k4为能耗指标，且m为作业车质量；μ1为停车精准度权重系数、μ2为舒适度权重系数、μ3为准时性权重系数，μ4为能耗权重系数；本实施例中，μ1、μ2、μ3、μ4分别取0.5、0.1、0.1、0.2，m＝4.7*104kg；s0＝0，v0＝0。
57.步骤2、采用遗传算法，对综合控制目标函数f转换为适应度函数fit进行求解，生成目标速度-位置曲线；其中，遗传算法适应度函数结合铁路接触网作业车的当前位置s，从目标速度-位置曲线中获得当前目标车速va；
58.步骤3、令稳速平坡直道工况下的速度-油门标定曲线v-thr表示为：thr＝x1×v2
+x2×
v+x3，其中，x1表示速度-油门标定曲线二次项系数，x2表示速度-油门标定曲线一次项系数，x3表示速度-油门标定曲线常数项，本实施例中，x1＝-0.000768，x2＝0.132，x3＝0；根据铁路接触网作业车的当前车速v，以及稳速平坡直道工况下的速度-油门标定曲线v-thr，经过计算，得到初始的油门控制参数thr0；
59.步骤4、计算修正系数a：
60.当|v-va|≤δ时，令a＝x4×
(v
a-v)，其中，x4表示速度差阈值内修正系数，属于0.1-0.5之间，并根据v取不同值；δ表示速度差阈值；
61.当|v-va|》δ时，令a＝x5×
(v
a-v)，其中，x5表示速度差阈值外修正系数，属于0.5-10之间，并根据v取不同值；
62.步骤5、利用轨道信息中的当前坡度a，计算修正系数b：
63.当|a|＜ε时，令b＝x6×
a，其中，x6表示坡度阈值内修正系数，属于10-100之间，并根据v取不同值；ε表示坡度阈值；
64.当坡度|a|≥ε时，令b＝x7×
a，其中，x7表示坡度阈值外修正系数，属于10-200之间，并根据v取不同值；
65.步骤6、利用轨道信息中的曲线半径r，计算修正系数c：
66.当线路曲线半径r《τ时，令c＝x8/r，其中，x8表示曲线半径阈值内修正系数，属于500-1000之间，并根据线路条件取不同值；τ表示半径阈值；
67.当线路半径r≥τ时，令c＝0；
68.步骤7、利用轨道信息中的隧道长度l，计算修正系数d：
69.当隧道长度l≥σ时，令d＝l/x9，其中，x9表示隧道长度阈值外修正系数，属于5000-10000之间，并根据线路条件取不同值；σ表示长度阈值；
70.当隧道长度l＜σ时，令d＝0；
71.步骤8、计算控制参数thr1＝thr0+a+b+c+d；
72.若0≤thr1≤δ，则令油门控制参数thr2＝thr1，制动控制参数bre＝0；其中，δ表示油门阈值；
73.若thr1＞δ，则令thr2＝δ，bre＝0；
74.若thr1＜0，则令油门控制参数thr2＝0，制动控制参数bre＝x
10
×
|thr1|，其中，x
10
表示制动修正系数，属于0-10之间，并根据作业车性能参数取不同值；
75.本实施例中，δ＝3km/h，ε＝10
‰
，τ＝3000m，σ＝500m，δ＝13；
76.步骤9：结合油门控制参数thr2、制动控制参数bre，计算并发送油门控制指令和制动控制指令，使作业车前进或减速，从而实现对铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制。

技术特征：
1.一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制系统，其特征在于，包括：限速信息采集模块、车速信息采集模块、位置信息采集模块、轨道信息采集模块、参数调试模块、数据处理模块、油门驱动模块、制动执行模块；所述限速信息采集模块从轨道运行控制设备中获取限速信息并发送至所述数据处理模块；所述车速信息采集模块从轨道运行控制设备中获取车速信息并发送至所述数据处理模块；所述位置信息采集模块从轨道运行控制设备中获取位置信息并发送至所述数据处理模块；所述轨道信息采集模块从轨道运行控制设备中获取轨道信息并发送至所述数据处理模块，所述轨道信息包括：轨道坡度、曲线半径、隧道长度；所述参数调试模块获取外部输入的控制指标及控制参数并发送至数据处理模块，所述控制指标包括：目标停车位置、停车精准度指标、舒适度指标、运行时长指标、能耗指标；所述控制参数包括：速度差阈值内修正系数、速度差阈值外修正系数、坡度阈值内修正系数、坡度阈值外修正系数、曲线半径阈值内修正系数、隧道长度阈值外修正系数、制动修正系数；所述数据处理模块根据接收到的限速信息、轨道信息及控制指标生成目标速度-位置曲线，并结合车速信息、位置信息及控制参数，计算油门控制指令和制动控制指令后，相应发送至油门驱动模块和制动执行模块；所述油门驱动模块将所接收的油门控制指令转化为电子油门信号并发送至作业车油门控制器，以驱动作业车行进；所述制动执行模块将所接收的制动控制指令转化为脉冲信号和方向信号后，控制电机驱动作业车的制动机阀芯旋转，以完成对作业车的制动操作。2.一种铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制方法，其特征在于，是按如下步骤进行：步骤1、从轨道运行控制设备中获取限速、轨道信息，并根据所设定的控制指标和控制参数，构建综合控制目标函数f，其中，所述控制指标包括目标停车位置、停车精准度指标、舒适度指标、运行时长指标、能耗指标，所述控制参数包括速度差阈值内修正系数、速度差阈值外修正系数、坡度阈值内修正系数、坡度阈值外修正系数、曲线半径阈值内修正系数、隧道长度阈值外修正系数、制动修正系数；步骤2、采用遗传算法，对所述综合控制目标函数f转换为适应度函数fit进行求解，生成目标速度-位置曲线；结合铁路接触网作业车的当前位置s，从所述目标速度-位置曲线中获得当前目标车速v
a
；根据铁路接触网作业车的当前车速v，从稳速平坡直道工况下的速度-油门标定曲线v-thr中获取初始的油门控制参数thr0；步骤3、计算修正系数a：当|v-v
a
|≤δ时，令a＝x4×
(v
a-v)，其中，x4表示速度差阈值内修正系数，δ表示速度差阈值；v表示铁路接触网作业车的当前车速；当|v-v
a
|＞δ时，令a＝x5×
(v
a-v)，其中，x5表示速度差阈值外修正系数；步骤4、利用轨道信息中的当前坡度a，计算修正系数b：
当|a|＜ε时，令b＝x6×
a，其中，x6表示坡度阈值内修正系数；ε表示坡度阈值；当|a|≥ε时，令b＝x7×
a，其中，x7表示坡度阈值外修正系数；步骤5、利用轨道信息中的曲线半径r，计算修正系数c：当r<τ时，令c＝x8/r，其中，x8表示曲线半径阈值内修正系数；τ表示半径阈值；当r≥τ时，令c＝0；步骤6、利用轨道信息中的隧道长度l，计算修正系数d：当l≥σ时，令d＝l/x9，其中，x9表示隧道长度阈值外修正系数；σ表示长度阈值；当l＜σ时，令d＝0；步骤7、计算控制参数thr1＝thr0+a+b+c+d；若0≤thr1≤δ，则令油门控制参数thr2＝thr1，制动控制参数bre＝0；其中，δ表示油门阈值；若thr1＞δ，则令thr2＝δ，bre＝0；若thr1＜0，则令油门控制参数thr2＝0，制动控制参数bre＝x
10
×
|thr1|，其中，x
10
表示制动修正系数；步骤8：油门控制器按照油门控制参数thr2驱动作业车行进，电机按照制动控制参数bre驱动作业车的制动机阀芯旋转，从而实现对铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制。3.根据权利要求2所述的铁路接触网作业车的智能辅助驾驶控制方法，其特征在于，所述步骤1的综合控制目标函数f是利用式(1)构建的：f＝μ1×
k1+μ2×
k2+μ3×
k3+μ4×
k4ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，k1为停车精准度指标，且k1＝|s
p-s
t
|，s
p
为实际停车位置，s
t
表示目标停车位置，k2为舒适度指标，k3为准时性指标，且k3＝|t
p-t
t
|，t
p
为实际行驶时间，t
t
表示目标行驶时间，k4为能耗指标，μ1为车精准度权重系数，μ2为舒适度权重系数，μ3为准时性权重系数，μ4为能耗权重系数。

技术总结
本发明公开了一种铁路接触网作业车智能辅助驾驶控制系统及方法，该系统包括：限速信息采集模块、车速信息采集模块、位置信息采集模块、轨道信息采集模块、参数调试模块、数据处理模块、油门驱动模块、制动执行模块，其中，数据处理模块通过对限速、车速、位置、轨道及控制指标、控制参数信息进行分析处理，得到油门和制动控制指令并传递给油门驱动模块、制动执行模块，用于控制作业车油门大小和制动机制动手柄位置，实现替代司机平稳控车功能，保证行车安全。安全。安全。


技术研发人员：张炳力 沈干 刘中正 程进 卢晓涛 米向东 罗翔 黄浩然 周晨志
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/5/14