CN112776835B - 一种控制机车自动挂车的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制机车自动挂车的方法及智能驾驶系统，以及一种计算机可读存储介质。该方法包括：探测待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离；根据所述车钩距离及目标撞击速度制定运行控制曲线，其中，所述目标撞击速度为成功挂车所需的指定速度，所述运行控制曲线包括多个元素，每个元素指示自动挂车过程中一个时刻的控制量；以及根据所述运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶，使所述机车车钩按所述目标撞击速度撞击所述待挂车厢车钩，以实现所述自动挂车。本发明能够降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

Description

一种控制机车自动挂车的方法及系统

技术领域

本发明涉及机车的智能驾驶控制技术，尤其涉及一种控制机车自动挂车的方法，以及一种用于实施该方法的智能驾驶系统。

背景技术

列车是由机车编组和车厢编组共同组成的成列车组，是最主要的铁路运输形式。在列车运行时，车厢编组用于承载乘客或货物而不产生动力，而是由机车编组提供动力并牵引车厢编组行驶。

在列车运营前，首先需要对机车编组和车厢编组进行挂车作业，利用各编组的车钩来实现编组之间的连接，进而组建列车。然而，目前铁路运输领域主要由司机根据目视距离及个人经验，人工操控机车编组来完成挂车及挂车后的试拉等作业。这种人工控制的挂车方式一方面容易因为车钩的撞击速度过快而发生挂重钩(即撞大响)，其后果轻则将车门弹开或使货物窜出，重则将车厢顶溜甚至挤坏道岔造成严重事故。另一方面，也容易因撞击速度过慢而发生挂不上的问题，需多次调整机车位置才能完成挂车作业。因此，挂车成功与否极度依赖司机的个人经验，很大部分取决于司机对机车车钩与车厢车钩间距离的把握和机车牵引/制动力的大小掌控。

为了减少由人为操作失误引起的挂车失败及事故，本领域亟需一种控制机车自动挂车的技术，用于降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。

为了减少由人为操作失误引起的挂车失败及事故，本发明提供了一种控制机车自动挂车的方法、一种智能驾驶系统，以及一种计算机可读存储介质，用于降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

本发明提供的上述控制机车自动挂车的方法包括：探测待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离；根据所述车钩距离及目标撞击速度制定运行控制曲线，其中，所述目标撞击速度为成功挂车所需的指定速度，所述运行控制曲线包括多个元素，每个元素指示自动挂车过程中一个时刻的控制量；以及根据所述运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶，使所述机车车钩按所述目标撞击速度撞击所述待挂车厢车钩，以实现所述自动挂车。

优选地，在本发明的一些实施例中，制定所述运行控制曲线的步骤可以包括：根据所述车钩距离及所述目标撞击速度，制定运行速度曲线及运行距离曲线，其中，所述运行速度曲线的最后一个速度元素为所述目标撞击速度，所述运行距离曲线的最后一个距离元素为零，所述机车按照所述运行速度曲线行驶能满足所述运行距离曲线；以及根据所述运行速度曲线及所述运行距离曲线计算对应的牵引力曲线。

优选地，在本发明的一些实施例中，制定所述运行控制曲线的步骤还可以包括：根据所述运行速度曲线计算对应的加速度曲线；对所述加速度曲线的各加速度元素进行加速度约束判断；以及响应于任意加速度元素超过预设的加速度阈值，对决定该加速度元素的两个速度元素进行调整。

可选地，在本发明的一些实施例中，控制所述机车向所述待挂车厢行驶的步骤可以包括：根据所述牵引力曲线的各牵引力元素控制所述机车行驶，并实时采集所述机车的运行速度及所述待挂车厢车钩到所述机车车钩的车钩距离；以及根据采集的运行速度及车钩距离对所述机车进行速度及距离的双闭环控制，以调整对所述机车的牵引力。

优选地，在本发明的一些实施例中，控制所述机车向所述待挂车厢行驶的步骤还可以包括：响应于采集的运行速度与所述运行速度曲线的对应速度元素的差值大于预设的误差阈值，重新根据采集的车钩距离及所述目标撞击速度制定新的运行控制曲线；以及根据所述新的运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶。

可选地，在本发明的一些实施例中，制定所述运行控制曲线的步骤可以进一步包括：获取所述机车行驶到所述待挂车厢的线路数据，其中，所述线路数据包括所述线路上的各信号灯的位置信息及状态信息、机车限速信息、所述车钩距离的信息，以及停车位置信息中的一者或多者；对所述线路数据进行有效性校验，以确定所述待挂车厢的身份；以及根据通过所述有效性校验的线路数据制定所述运行控制曲线。

优选地，在本发明的一些实施例中，制定所述运行控制曲线的步骤可以进一步包括：获取目标列车的状态数据，其中，所述目标列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢，所述状态数据包括所述目标列车的列车速度信息、编组数量信息、各编组的身份信息、编组顺序信息、载重信息、长度信息、列车故障状态信息，以及各所述机车编组的牵引/制动级位信息中的一者或多者；对所述线路数据及所述状态数据进行预处理，以确定所述自动挂车过程的线路；以及根据所述预处理的结果制定所述运行控制曲线。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述方法还可以包括：响应于完成对所述待挂车厢的挂车操作，获取当前列车的基本阻力及空气制动力以计算所述机车的试拉牵引力，其中，所述当前列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢；控制所述机车以所述试拉牵引力试拉所述待挂车厢，并获取所述当前列车的位移距离；以及响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩保持连接，且所述当前列车在指定的试拉时间内的位移大于或等于预设的距离阈值，判断试拉成功。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述方法还可以包括：响应于所述当前列车在所述试拉时间内的位移小于所述距离阈值，判断试拉失败，并定量地增大所述试拉牵引力以再次进行试拉；和/或响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩发生脱钩，判断试拉失败并重新控制所述机车进行自动挂车。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种智能驾驶系统。

本发明提供的上述智能驾驶系统包括挂车系统、环境感知单元、目标曲线规划单元及曲线跟随控制单元。所述环境感知单元用于探测待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离。所述目标曲线规划单元用于根据所述车钩距离及目标撞击速度制定运行控制曲线，其中，所述目标撞击速度为成功挂车所需的指定速度，所述运行控制曲线包括多个元素，每个元素指示自动挂车过程中一个时刻的控制量。所述曲线跟随控制单元用于根据所述运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶，使所述机车车钩按所述目标撞击速度撞击所述待挂车厢车钩，以实现所述自动挂车。所述挂车系统配置为：读取所述环境感知单元以获取所述车钩距离，并将其发送到所述目标曲线规划单元；以及从所述目标曲线规划单元获取所述运行控制曲线，并将其发送到所述曲线跟随控制单元。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述目标曲线规划单元可以进一步配置为：根据所述车钩距离及所述目标撞击速度，制定运行速度曲线及运行距离曲线，其中，所述运行速度曲线的最后一个速度元素为所述目标撞击速度，所述运行距离曲线的最后一个距离元素为零，所述机车按照所述运行速度曲线行驶能满足所述运行距离曲线；以及根据所述运行速度曲线及所述运行距离曲线计算对应的牵引力曲线。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述目标曲线规划单元还可以配置为：

根据所述运行速度曲线计算对应的加速度曲线；对所述加速度曲线的各加速度元素进行加速度约束判断；以及响应于任意加速度元素超过预设的加速度阈值，对决定该加速度元素的两个速度元素进行调整。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述曲线跟随控制单元可以进一步配置为：根据所述牵引力曲线的各牵引力元素控制所述机车行驶，并实时采集所述机车的运行速度及所述待挂车厢车钩到所述机车车钩的车钩距离；以及根据采集的运行速度及车钩距离对所述机车进行速度及距离的双闭环控制，以调整对所述机车的牵引力。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述挂车系统还可以配置为：监测采集的运行速度与所述运行速度曲线的对应速度元素的差值；响应于所述差值大于预设的误差阈值，将采集的车钩距离发送到所述目标曲线规划单元，以重新根据所述采集的车钩距离及所述目标撞击速度制定新的运行控制曲线；以及从所述目标曲线规划单元获取所述新的运行控制曲线，并将其发送到所述曲线跟随控制单元，以控制所述机车根据所述新的运行控制曲线向所述待挂车厢行驶。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述环境感知单元可以进一步用于获取所述机车行驶到所述待挂车厢的线路数据，其中，所述线路数据包括所述线路上的各信号灯的位置信息及状态信息、机车限速信息、所述车钩距离的信息，以及停车位置信息中的一者或多者。所述智能驾驶系统还可以包括数据预处理单元。所述数据预处理单元可以配置为：读取所述环境感知单元以获取所述线路数据；对所述线路数据进行有效性校验，以确定所述待挂车厢的身份；以及将通过所述有效性校验的线路数据发送到所述挂车系统，以供所述目标曲线规划单元制定所述运行控制曲线。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述智能驾驶系统还可以包括列车状态获取单元。所述列车状态获取单元可以配置为：获取目标列车的状态数据，并将其发送到所述数据预处理单元，其中，所述目标列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢，所述状态数据包括所述目标列车的列车速度信息、编组数量信息、各编组的身份信息、编组顺序信息、载重信息、长度信息、列车故障状态信息，以及各所述机车编组的牵引/制动级位信息中的一者或多者。所述数据预处理单元可以进一步配置为：对所述线路数据及所述状态数据进行预处理，以确定所述自动挂车过程的线路；以及将所述预处理的结果发送到所述挂车系统，以供所述目标曲线规划单元根据所述预处理的结果制定所述运行控制曲线。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述挂车系统还可以配置为：响应于完成对所述待挂车厢的挂车操作，从列车状态获取单元获取当前列车的基本阻力及空气制动力，以计算所述机车的试拉牵引力，其中，所述当前列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢；控制所述机车以所述试拉牵引力试拉所述待挂车厢，并从所述列车状态获取单元获取所述当前列车的位移距离；以及响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩保持连接，且所述当前列车在指定的试拉时间内的位移大于或等于预设的距离阈值，判断试拉成功。

优选地，在本发明的一些实施例中，所述挂车系统还可以配置为：响应于所述当前列车在所述试拉时间内的位移小于所述距离阈值，判断试拉失败，并定量地增大所述试拉牵引力以再次进行试拉；和/或响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩发生脱钩，判断试拉失败并重新控制所述机车进行自动挂车。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机可读存储介质。

本发明提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。所述计算机指令被处理器执行时，可以实施上述任意一个实施例所述的控制机车自动挂车的方法，以降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本发明的一些实施例提供的智能驾驶系统的架构示意图。

图2示出了根据本发明的一些实施例提供的挂车控制方法的流程示意图。

图3示出了根据本发明的一些实施例提供的试拉控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。

如上所述，目前铁路运输领域主要由司机根据目视距离及个人经验，人工操控机车编组来完成挂车及挂车后的试拉等作业。这种挂车方式成功与否极度依赖司机的个人经验，很容易导致挂重钩或挂不上的问题，进而引发车门弹开、货物窜出、顶溜车厢，甚至挤坏道岔等严重事故。

为了减少由人为操作失误引起的挂车失败及事故，本发明提供了一种控制机车自动挂车的方法、一种智能驾驶系统，以及一种计算机可读存储介质，用于降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

在一些非限制性的实施例中，上述控制机车自动挂车的方法可以由一种货运列车的智能驾驶系统来实施。请参考图1，图1示出了根据本发明的一些实施例提供的智能驾驶系统的架构示意图。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，货运列车可以包括多节用于提供牵引/制动力的机车编组，以及多节用于装载货物的车厢编组。货运列车的智能驾驶系统10可以配置于货运列车的一节或多节机车编组，用于控制对应的机车编组完成挂车操作、试拉操作和/或对整列货运列车的智能驾驶控制。

具体来说，上述智能驾驶系统10可以包括挂车系统11、环境感知单元12、列车状态获取单元13、人机交互单元14、数据预处理单元15、目标曲线规划单元16，以及曲线跟随控制单元17。挂车系统11通信连接各其余单元12～17，适于控制各其余单元12～17以实施一种挂车控制方法，从而控制机车达到自动挂车的效果。通过实施上述挂车控制方法，本发明可以根据待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离自动进行待挂车厢与机车的挂车操作。因此，本发明可以降低司机的劳作强度，并减少由人为操作失误引起的挂车失败及事故，从而提升一次挂车的成功率及铁路运营的安全性。

以下将结合一些挂车控制方法的实施例来描述上述智能驾驶系统10的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些挂车控制方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。

请结合参考图1及图2，图2示出了根据本发明的一些实施例提供的挂车控制方法的流程示意图。

如图1及图2所示，在本发明的一些实施例中，人机交互单元14可以选用配置于机车司机室的司控交互界面，其上可以配置有挂车功能按键。司机可以通过按压该挂车功能按键来启动机车的挂车模式。在一些实施例中，响应于司机对挂车功能按键的按压，挂车系统11可以在司机室的司控交互界面14进行是否需要进入挂车模式的二次弹窗提示。响应于司机在二次确认窗口进一步点击确认键，挂车系统11可以运行预先编写的挂车控制程序以进入挂车模式，并执行该挂车控制程序的计算机指令以实施上述挂车控制方法。

具体来说，在进入挂车模式后，挂车系统11可以首先读取环境感知单元12中存储的数据，以获取待挂车厢车钩到机车车钩的实际车钩距离。该环境感知单元12主要用于获取机车行驶到待挂车厢的线路数据。在一些实施例中，该实际线路数据包括但不限于这段线路上的各信号灯的位置信息及状态信息、机车在这段线路上的列车自动保护(AutomaticTrain Protection，ATP)限速曲线、这段线路的距离信息(即待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离)，以及待挂车厢的停车位置信息中的一者或多者。

挂车系统11可以将环境感知单元12中存储的数据输入数据预处理单元15，以进行车钩距离的数据有效性校验。该有效性校验可以包括待挂车厢的线路信息校验。具体来说，数据预处理单元15可以根据环境感知单元12采集的各信号灯的位置信息及状态信息、机车在这段线路上的ATP限速曲线、待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离，以及待挂车厢的停车位置信息进行上述有效性校验，以确定待挂车厢的身份。响应于任意一个线路信息与司机输入的线路信息不符，数据预处理单元15即可判断有效性校验失败，从而要求司机重新输入线路信息，并重新从环境感知单元12获取数据来进行车钩距离的数据有效性校验。反之，当所有线路信息均与司机输入的线路信息相符，数据预处理单元15可以判断有效性校验通过，从而将通过有效性校验的线路数据发送到挂车系统11，以供目标曲线规划单元16制定运行控制曲线。

如上所述，货运列车可以包括多节机车编组及多节车厢编组。在一些实施例中，数据预处理单元15还可以从列车状态获取单元13获取待组建的目标货运列车的状态数据，以确定该目标列车包括哪些机车编组及哪些车厢编组。具体来说，目标列车的状态数据包括但不限于目标列车的列车速度信息、编组数量信息、各编组的身份信息、编组顺序信息、载重信息、长度信息、列车故障状态信息，以及各机车编组的牵引/制动级位信息中的一者或多者。数据预处理单元15可以对获取的状态数据进行预处理，以进行列车的故障状况诊断。更进一步地，数据预处理单元15还可以对获取的线路数据及状态数据进行预处理，以确定本机车需要对哪些待挂车厢进行挂车作业，进而确定本机车的整个自动挂车过程的线路信息。之后，数据预处理单元15可以将预处理的结果发送到挂车系统11，以供目标曲线规划单元16根据该预处理的结果制定整个自动挂车过程的运行控制曲线。

如图1及图2所示，在本发明的一些实施例中，在获取一个待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离、该段挂车线路上各信号灯的位置信息及状态信息，以及机车在该段挂车线路上的ATP限速曲线后，目标曲线规划单元16可以根据车钩距离及目标撞击速度制定对应的运行速度曲线V及运行距离曲线S：

V＝{v₁,v₂,...v_n} (1)

S＝{s₁,s₂,...s_n} (2)

式中(1)，V_i表示机车的运行速度，单位为：公里/小时。式(2)中，S_i表示机车运行距离，单位为：米。n为描点个数。

当机车按照运行速度曲线V向待挂车厢行驶时，机车车钩与待挂车厢车钩的车钩距离应当满足运行距离曲线S中每个距离元素指示的距离。在一些实施例中，为了使机车车钩能够以指定的目标撞击速度V₀撞击待挂车厢车钩以成功地进行挂车，运行速度曲线V的最后一个速度元素V_n可以设置为目标撞击速度。对应地，运行距离曲线S的最后一个距离元素S_n可以设置为零。

通过使机车车钩撞击待挂车厢车钩(即S_n＝0)时，机车的运行速度应当恰好为目标撞击速度(即V_n＝V₀)，本发明提供的上述智能驾驶系统10可以精确地控制机车车钩对待挂车厢车钩的撞击力，确保车钩不会因撞击力过小而挂车失败，也不会因撞击力过大而导致挂重钩、车门弹出、货物窜出，甚至挤坏道岔等事故。因此，通过精确控制机车车钩对待挂车厢车钩的撞击速度，本发明提供的上述智能驾驶系统10可以确保机车一次挂车成功，从而提升降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

在一些实施例中，在制定运行速度曲线V时，目标曲线规划单元16可以根据挂车线路上的ATP限速曲线V_max＝{V_1max,V_2max,…,V_nmax}对运行速度曲线V的各速度元素V₁～V_n进行速度限制，以保障挂车作业过程中的行车安全。

进一步地，目标曲线规划单元16可以根据运行速度曲线V＝{V₁,V₂,…,V_n}计算对应的加速度曲线a＝{a₁,a₂,…,a_n}，并对加速度曲线a中的各加速度元素a₁～a_n进行加速度约束判断，即：

a_i≤a_max (3)

响应于任意加速度元素a_i超过预设的加速度阈值a_max，目标曲线规划单元16即可对决定该加速度元素a_i的两个速度元素V_i及V_i+1进行调整，限制机车的牵引力以控制机车的行驶速度，从而进一步保障挂车作业的安全性及可靠性。

在一些实施例中，目标曲线规划单元16可以依据运动学公式：

2as＝v_i+1 ²-v_i ² (4)

对运行速度曲线V中不满足加速度约束a_max的速度元素进行重新计算，以得到满足加速度约束条件(即a_i≤a_max)下的运行速度曲线V’及运行距离曲线S’。通过对运行速度曲线V及运行距离曲线S进行加速度约束，本发明提供的上述智能驾驶系统10可以对车身相对较轻的空载机车(即未挂车厢的机车)进行牵引力的限制，通过控制其加速度以保障挂车作业的安全性及可靠性。

本领域的技术人员可以理解，上述采用运动学公式(4)重新计算运行速度曲线V’的方案，只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。可选地，在另一些实施例中，本领域的技术人员也可以通过限制两个速度元素V_i及V_i+1之间的间隔时间，以同样达到限制加速度a_i的目的。

在完成运行速度曲线V’及运行距离曲线S’的制定后，目标曲线规划单元16可以进一步根据车钩距离及机车(或列车)当前的质量m，计算对应的牵引力曲线F＝{F₁,F₂,…,F_n}，即

F_i＝m_i·α_i (5)

式中，F_i为第i个描点的牵引力，m_i为第i个描点的机车(或列车)质量，a_i为第i个描点的加速度。当挂车作业涉及多个挂车过程时，机车每挂载一节车厢编组，其质量就会发生显著的变化。

如图1及图2所示，在本发明的一些实施例中，在完成牵引力曲线F等运行控制曲线的制定后，目标曲线规划单元16可以将计算结果传送到人机交互界面14进行曲线显示。同时，挂车系统11可以从目标曲线规划单元16获取机车的运行控制曲线F，并将其发送到曲线跟随控制单元17，从而由曲线跟随控制单元17根据该运行控制曲线F控制机车向待挂车厢前进，以进行自动挂车。

具体来说，曲线跟随控制单元17可以根据目标曲线规划单元16的计算结果，结合当前机车的状态确定所需的牵引/制动级位。之后，曲线跟随控制单元17可以通过智能驾驶系统10对机车的执行端发送牵引/制动指令，以使机车的运行速度与目标规划曲线V’的规划速度保持高度一致，从而达到曲线跟随控制的目的。

在一些实施例中，曲线跟随控制单元17可以实时采集机车的运行速度及待挂车厢车钩到所述机车车钩的车钩距离，并根据采集的运行速度及车钩距离对机车进行速度及距离的双闭环控制，以实时调整对机车的牵引力。通过对机车的运行速度及车钩距离进行双闭环控制，本发明提供的上述智能驾驶系统10相较于传统的距离闭环控制具有更高的控制精度，并能防止速度闭环控制无法发现并克服距离误差的问题，从而更精确地实现机车对运行控制曲线的跟随控制，并进一步提升自动挂车的成功率。

更进一步地，在控制机车进行曲线跟随控制的过程中，挂车系统11可以实时地从环境感知单元12获取待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离，并从列车状态获取单元13读取列车的速度信息，以对采集的列车速度与运行速度曲线V’的对应速度元素的差值进行监测。响应于两者的差值大于预设的误差阈值ΔV₀，挂车系统11可以判断已经无法通过修正现有的运行速度曲线V’来达到目标撞击速度的速度要求。此时，挂车系统11可以将从环境感知单元12获取的车钩距离发送到目标曲线规划单元16，以供目标曲线规划单元16根据新采集的车钩距离及目标撞击速度重新制定新的运行控制曲线V”。之后，挂车系统11可以从目标曲线规划单元16获取新制定的运行控制曲线V”，并将其发送到曲线跟随控制单元17，以控制机车根据新的运行控制曲线V”向待挂车厢行驶。通过采用新的运行控制曲线V”来控制机车行驶，能够重新使机车车钩按目标撞击速度撞击待挂车厢车钩，从而保障自动挂车的成功率，并减少由控制误差引起的挂车事故。

可选地，在本发明的一些实施例中，针对铁路运输领域对挂车作业“两停一挂”规定，在进入挂车模式后，挂车系统11可以首先通过人机交互界面14要求司机输入停车点信息(例如：在距离待挂车厢35米处第一次停车，并在距离待挂车厢20米处第二次停车)。之后，目标曲线规划单元16可以根据司机输入的该停车点信息，规划运行速度曲线V及运行距离曲线S。具体来说，该运行速度曲线V中可以包括两段设置为零的速度元素，即V_d1～V_d2及V_d3～V_d4都等于零。对应地，该运行距离曲线S中可以包括两段设置为35米及20米的距离元素，即S_d1～S_d2都等于35，而S_d3～S_d4都等于20。之后，曲线跟随控制单元17可以根据目标曲线规划单元16规划的运行控制曲线F控制机车行驶，以达到“两停一挂”的效果。

通过利用人机交互界面14为用户提供输入挂车作业参数的接口，本发明提供的上述智能驾驶系统10可以进一步适应不同用户对挂车作业个性化的规定及需求，能够有效提高其实用性及适用范围。

如图1及图2所示，在本发明的一些实施例中，在机车到达司机设定的停车位置并完成对待挂车厢的挂车作业后，挂车系统11可以通过智能驾驶系统10控制机车进行驻车，并通过人机交互界面14提示司机退出挂车模式。在一些实施例中，响应于司机再次按压挂车功能按键，挂车系统11可以再次通过人机交互界面14进行是否需要退出挂车模式的二次弹窗提示。响应于司机在二次确认窗口进一步点击确认键，挂车系统11可以关闭挂车控制程序以退出挂车模式，并维持退出前的机车控制状态不变。

优选地，在本发明的一些实施例中，为了进一步提升自动挂车的可靠性，本发明提供的上述智能驾驶系统10可以进一步包括挂车试拉的功能。请结合参考图1及图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的试拉控制方法的流程示意图。

如图1及图3所示，在本发明的一些实施例中，在完成机车对待挂车厢的挂车作业后，挂车系统11可以通过人机交互界面14提示司机进入试拉模式。在一些实施例中，人机交互界面14上可以进一步配置有试拉功能按键。响应于司机对试拉功能按键的按压，挂车系统11可以进一步在人机交互界面14进行是否需要进入试拉模式的二次弹窗提示。响应于司机在二次确认窗口进一步点击确认键，挂车系统11可以运行预先编写的试拉控制程序以进入试拉模式，并执行该试拉控制程序的计算机指令以实施对应的试拉控制方法。

具体来说，在进入试拉模式后，挂车系统11可以首先从列车状态获取单元13获取当前组建的货运列车的基本阻力F_B及空气制动力F_A。该基本阻力F_B取决于当前列车中各机车编组及各车厢编组的总质量，而该空气制动力F_A取决于当前列车中各机车编组的总制动力。之后，挂车系统11可以根据获取的基本阻力F_B及空气制动力F_A，计算本机车的试拉牵引力F’：

F′＝F_B+F_A+m·a′ (6)

式中，a’为试拉作业中加速度约束值。

之后，挂车系统11可以将指示试拉牵引力F’大小的试拉指令发送到智能驾驶系统10。响应于该试拉指令，智能驾驶系统10可以控制机车完成由前进模式到后退模式的切换，并进行试拉牵引级位的输出，从而控制机车以试拉牵引力F’试拉待挂车厢。

在一些实施例中，在进行试拉作业的过程中，挂车系统11可以从列车状态获取单元13获取当前列车的位移距离，并根据机车车钩的连接状态及机车的累计位移信息来判断试拉是否成功。具体来说，响应于当前列车在指定的试拉时间内的累计位移大于或等于预设的距离阈值，挂车系统11可以进一步判断待挂车厢车钩与机车车钩连接状态。若待挂车厢车钩与机车车钩保持连接，则挂车系统11可以判断试拉成功。反之，若待挂车厢车钩与机车车钩发生脱钩，则挂车系统11可以判断试拉失败，并重新控制机车进行自动挂车。

反之，若当前列车在指定的试拉时间内的累计位移小于上述距离阈值，挂车系统11可以判断计算的试拉牵引力F’过小，不足以拉动列车正常运行。此时，挂车系统11可以判断试拉失败，并定量地为上述试拉牵引力F’增大一个步进量，以再次进行试拉作业，直到试拉成功或挂车厢车钩与机车车钩发生脱钩。通过采用递增步进量的方式自适应地调节牵引力大小，本发明提供的上述智能驾驶系统10可以有效地限制试拉牵引力F’的大小，从而限制低载荷列车的启动速度以防止其在试拉作业的过程中发生脱轨的问题，并防止车钩脱钩引发的列车脱轨的问题。

如图1及图3所示，在本发明的一些实施例中，在完成当前列车的试拉作业后，挂车系统11可以通过智能驾驶系统10控制机车进行驻车，并通过人机交互界面14提示司机退出试拉模式。在一些实施例中，响应于司机再次按压试拉功能按键，挂车系统11可以再次通过人机交互界面14进行是否需要退出挂车模式的二次弹窗提示。响应于司机在二次确认窗口进一步点击确认键，挂车系统11可以关闭试拉控制程序以退出试拉模式，并维持退出前的机车控制状态不变。

本领域的技术人员可以理解，尽管上述实施例将机车编组及待挂车厢编组组成的列车描述为货运列车，但这只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。可选地，在另一些实施例中，本发明提供的上述智能驾驶系统10也可以配置于客运列车、道路列车等各种列车的自动驾驶系统、辅助驾驶系统或无人驾驶系统，以同样达到自动挂车的效果。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

根据本发明的另一方面，本文还提供了一种计算机可读存储介质。

本发明提供的上述计算机可读存储介质可以配置于机车的智能驾驶系统10，其上存储有计算机指令。该计算机指令被处理器执行时，可以实施上述任意一个实施例所述的控制机车自动挂车的方法，以降低司机的劳作强度、提高一次挂车成功率，并提升铁路运营的安全性。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

尽管上述的实施例所述的挂车系统11、数据预处理单元15、目标曲线规划单元16，以及曲线跟随控制单元17可以通过软件与硬件的组合来实现。但是可以理解，挂车系统11、数据预处理单元15、目标曲线规划单元16，以及曲线跟随控制单元17也可以单独在软件或硬件中加以实施。对于硬件实施而言，挂车系统11、数据预处理单元15、目标曲线规划单元16，以及曲线跟随控制单元17可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行上述功能的其它电子装置或上述装置的选择组合来加以实施。对软件实施而言，挂车系统11、数据预处理单元15、目标曲线规划单元16，以及曲线跟随控制单元17可以通过在通用芯片上运行的诸如程序模块(procedures)和函数模块(functions)等独立的软件模块来加以实施，其中每一个模块可以执行一个或多个本文中描述的功能和操作。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (19)

1.一种控制机车自动挂车的方法，其特征在于，包括：

探测待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离；

根据所述车钩距离及目标撞击速度制定运行控制曲线，其中，所述目标撞击速度为成功挂车所需的指定速度，所述运行控制曲线包括多个元素，每个元素指示自动挂车过程中一个时刻的控制量；以及

根据所述运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶，使所述机车车钩按所述目标撞击速度撞击所述待挂车厢车钩，以实现所述自动挂车。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制定所述运行控制曲线的步骤包括：

根据所述车钩距离及所述目标撞击速度，制定运行速度曲线及运行距离曲线，其中，所述运行速度曲线的最后一个速度元素为所述目标撞击速度，所述运行距离曲线的最后一个距离元素为零，所述机车按照所述运行速度曲线行驶能满足所述运行距离曲线；以及

根据所述运行速度曲线及所述运行距离曲线计算对应的牵引力曲线。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，制定所述运行控制曲线的步骤还包括：

根据所述运行速度曲线计算对应的加速度曲线；

对所述加速度曲线的各加速度元素进行加速度约束判断；以及

响应于任意加速度元素超过预设的加速度阈值，对决定该加速度元素的两个速度元素进行调整。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，控制所述机车向所述待挂车厢行驶的步骤包括：

根据所述牵引力曲线的各牵引力元素控制所述机车行驶，并实时采集所述机车的运行速度及所述待挂车厢车钩到所述机车车钩的车钩距离；以及

根据采集的运行速度及车钩距离，进行速度及距离的双闭环控制，以调整对所述机车的牵引力。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，控制所述机车向所述待挂车厢行驶的步骤还包括：

响应于采集的运行速度与所述运行速度曲线的对应速度元素的差值大于预设的误差阈值，重新根据采集的车钩距离及所述目标撞击速度制定新的运行控制曲线；以及

根据所述新的运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，制定所述运行控制曲线的步骤进一步包括：

获取所述机车行驶到所述待挂车厢的线路数据，其中，所述线路数据包括所述线路上的各信号灯的位置信息及状态信息、机车限速信息、所述车钩距离的信息，以及停车位置信息中的一者或多者；

对所述线路数据进行有效性校验，以确定所述待挂车厢的身份；以及

根据通过所述有效性校验的线路数据制定所述运行控制曲线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，制定所述运行控制曲线的步骤进一步包括：

获取目标列车的状态数据，其中，所述目标列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢，所述状态数据包括所述目标列车的列车速度信息、编组数量信息、各编组的身份信息、编组顺序信息、载重信息、长度信息、列车故障状态信息，以及各所述机车编组的牵引/制动级位信息中的一者或多者；

对所述线路数据及所述状态数据进行预处理，以确定所述自动挂车过程的线路；以及

根据所述预处理的结果制定所述运行控制曲线。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

响应于完成对所述待挂车厢的挂车操作，获取当前列车的基本阻力及空气制动力以计算所述机车的试拉牵引力，其中，所述当前列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢；

控制所述机车以所述试拉牵引力试拉所述待挂车厢，并获取所述当前列车的位移距离；以及

响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩保持连接，且所述当前列车在指定的试拉时间内的位移大于或等于预设的距离阈值，判断试拉成功。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

响应于所述当前列车在所述试拉时间内的位移小于所述距离阈值，判断试拉失败，并定量地增大所述试拉牵引力以再次进行试拉；和/或

响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩发生脱钩，判断试拉失败并重新控制所述机车进行自动挂车。

10.一种智能驾驶系统，其特征在于，包括挂车系统、环境感知单元、目标曲线规划单元及曲线跟随控制单元，其中，

所述环境感知单元用于探测待挂车厢车钩到机车车钩的车钩距离，

所述目标曲线规划单元用于根据所述车钩距离及目标撞击速度制定运行控制曲线，其中，所述目标撞击速度为成功挂车所需的指定速度，所述运行控制曲线包括多个元素，每个元素指示自动挂车过程中一个时刻的控制量，

所述曲线跟随控制单元用于根据所述运行控制曲线控制所述机车向所述待挂车厢行驶，使所述机车车钩按所述目标撞击速度撞击所述待挂车厢车钩，以实现所述自动挂车，

所述挂车系统配置为：

读取所述环境感知单元以获取所述车钩距离，并将其发送到所述目标曲线规划单元；以及

从所述目标曲线规划单元获取所述运行控制曲线，并将其发送到所述曲线跟随控制单元。

11.如权利要求10所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述目标曲线规划单元进一步配置为：

根据所述车钩距离及所述目标撞击速度，制定运行速度曲线及运行距离曲线，其中，所述运行速度曲线的最后一个速度元素为所述目标撞击速度，所述运行距离曲线的最后一个距离元素为零，所述机车按照所述运行速度曲线行驶能满足所述运行距离曲线；以及

根据所述运行速度曲线及所述运行距离曲线计算对应的牵引力曲线。

12.如权利要求11所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述目标曲线规划单元还配置为：

根据所述运行速度曲线计算对应的加速度曲线；

对所述加速度曲线的各加速度元素进行加速度约束判断；以及

响应于任意加速度元素超过预设的加速度阈值，对决定该加速度元素的两个速度元素进行调整。

13.如权利要求11所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述曲线跟随控制单元进一步配置为：

根据所述牵引力曲线的各牵引力元素控制所述机车行驶，并实时采集所述机车的运行速度及所述待挂车厢车钩到所述机车车钩的车钩距离；以及

根据采集的运行速度及车钩距离，进行速度及距离的双闭环控制，以调整对所述机车的牵引力。

14.如权利要求13所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述挂车系统还配置为：

监测采集的运行速度与所述运行速度曲线的对应速度元素的差值；

响应于所述差值大于预设的误差阈值，将采集的车钩距离发送到所述目标曲线规划单元，以重新根据所述采集的车钩距离及所述目标撞击速度制定新的运行控制曲线；以及

从所述目标曲线规划单元获取所述新的运行控制曲线，并将其发送到所述曲线跟随控制单元，以控制所述机车根据所述新的运行控制曲线向所述待挂车厢行驶。

15.如权利要求11所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述环境感知单元进一步用于获取所述机车行驶到所述待挂车厢的线路数据，其中，所述线路数据包括所述线路上的各信号灯的位置信息及状态信息、机车限速信息、所述车钩距离的信息，以及停车位置信息中的一者或多者，

所述智能驾驶系统还包括数据预处理单元，所述数据预处理单元配置为：

读取所述环境感知单元以获取所述线路数据；

对所述线路数据进行有效性校验，以确定所述待挂车厢的身份；以及

将通过所述有效性校验的线路数据发送到所述挂车系统，以供所述目标曲线规划单元制定所述运行控制曲线。

16.如权利要求15所述的智能驾驶系统，其特征在于，还包括列车状态获取单元，所述列车状态获取单元配置为：

获取目标列车的状态数据，并将其发送到所述数据预处理单元，其中，所述目标列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢，所述状态数据包括所述目标列车的列车速度信息、编组数量信息、各编组的身份信息、编组顺序信息、载重信息、长度信息、列车故障状态信息，以及各所述机车编组的牵引/制动级位信息中的一者或多者，

所述数据预处理单元进一步配置为：

对所述线路数据及所述状态数据进行预处理，以确定所述自动挂车过程的线路；以及

将所述预处理的结果发送到所述挂车系统，以供所述目标曲线规划单元根据所述预处理的结果制定所述运行控制曲线。

17.如权利要求10所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述挂车系统还配置为：

响应于完成对所述待挂车厢的挂车操作，从列车状态获取单元获取当前列车的基本阻力及空气制动力，以计算所述机车的试拉牵引力，其中，所述当前列车包括至少一节机车编组及至少一节车厢编组，所述至少一节机车编组包括所述机车，所述至少一节车厢编组包括所述待挂车厢；

控制所述机车以所述试拉牵引力试拉所述待挂车厢，并从所述列车状态获取单元获取所述当前列车的位移距离；以及

响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩保持连接，且所述当前列车在指定的试拉时间内的位移大于或等于预设的距离阈值，判断试拉成功。

18.如权利要求17所述的智能驾驶系统，其特征在于，所述挂车系统还配置为：

响应于所述当前列车在所述试拉时间内的位移小于所述距离阈值，判断试拉失败，并定量地增大所述试拉牵引力以再次进行试拉；和/或

响应于所述待挂车厢车钩与所述机车车钩发生脱钩，判断试拉失败并重新控制所述机车进行自动挂车。

19.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，实施如权利要求1～9中任一项所述的控制机车自动挂车的方法。

Images