張 強 陳德旺 于振宇

(北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044)

1 研究背景

目前，行車密度、行車速度等是國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展中所面臨的問題，而列車控制系統(tǒng)的自動化程度較低是產(chǎn)生這些問題原因之一。對于非自動化的列車，存在列車平均速度低、安全性差、停車不準等缺點。在人工駕駛的情況下，決定列車運行狀況的最重要因素就是司機的駕駛技術(shù)。然而，司機駕駛技術(shù)的掌握主要是依靠長期實踐、不斷積累經(jīng)驗，這樣培訓出來的司機往往只習慣于在一條線路上駕駛，換到另一條陌生線路上就不一定能夠勝任。另外，人工駕駛也加重了司機的勞動強度，在駕駛效率和舒適性上不一定能夠達到最優(yōu)的控制效果。

通過列車自動駕駛(automatic train operation，ATO)，可以在保證列車安全的前提下，提高或改善列車旅行平均速度、停車準確性和旅客舒適度等多項指標;可根據(jù)線路數(shù)據(jù)庫自動進行修正，只需要將新數(shù)據(jù)輸入自動駕駛系統(tǒng)就可以在新線路上實現(xiàn)自動駕駛，不存在司機要對新線路長期實踐才能達到較好控制效果的問題。列車自動駕駛還可以大幅減少司機的工作量，改善司機的工作條件。綜上所述，列車自動駕駛已經(jīng)成為軌道交通發(fā)展的重要目標之一。

由于具有以上明顯的優(yōu)勢，近期開通的城市軌道交通線路(如北京亦莊線、昌平線、4號線等)均配備了ATO系統(tǒng)。不同廠家ATO系統(tǒng)的功能、硬件、軟件、控制算法都不盡相同，如何評價一個ATO系統(tǒng)的優(yōu)劣非常重要。

確定了評價原則，不僅能夠向用戶提供一個驗收或選擇ATO系統(tǒng)的準則，同時對ATO系統(tǒng)的發(fā)展方向、設(shè)計原則都有非常重要的引領(lǐng)作用。

2 ATO評價要素分析

ATO在控車過程中，主要承擔了兩方面的職責:自動駕駛列車運行到目標點和實現(xiàn)運營需要的相應(yīng)控制功能，如開關(guān)門、報站提示等。對于后者，功能由用戶需求決定，實現(xiàn)和評價的標準很清楚，非常容易評價。本研究主要針對ATO自動駕駛列車過程中的相關(guān)要素進行評價。

2.1 不超過緊急制動觸發(fā)速度

運行在列車超速防護(automatic train supervision，ATP)的緊急制動防護曲線之下(見圖1)，保證在運行過程中不能超速，且不能由于ATO的原因觸發(fā)緊急制動。

圖1 ATO運行在緊急制動觸發(fā)速度之下

ATO在控制列車運行過程中，ATP系統(tǒng)也在計算緊急制動觸發(fā)速度來保證行車過程的安全性，由于前車、線路限速、坡度、彎道等因素的影響，緊急制動觸發(fā)速度也在不斷地被計算。在整個運行過程中，ATO必須保證控制車輛的速度低于緊急制動觸發(fā)的速度，以達到不觸發(fā)緊急制動、維持ATO模式運行的目的。由于車輛的響應(yīng)有一定的延時，所以ATO必須采用一定的預(yù)判來提前做出響應(yīng)。不超過緊急制動觸發(fā)速度的評價函數(shù)為

式中，v為運行速度，vA為緊急制動觸發(fā)速度。

在ATO全程運行過程中，該指標不能大于0，否則ATO將由于緊急制動而被切除。

2.2 精確停車

由于現(xiàn)在的車站都配置了屏蔽門系統(tǒng)，要求ATO必須實現(xiàn)精確停車作業(yè)，不能影響乘降作業(yè)的效率，即車門要能夠完整地對乘客開放(見圖2)。

圖2 屏蔽門打開寬度與車門打開寬度

可以看出，為了不影響乘客正常的上下車，停車誤差至少要滿足屏蔽門打開寬度與車門打開寬度的差值1/2的要求，一般在30 cm范圍內(nèi)。ATO的停車過程，應(yīng)該是一個穩(wěn)定地跟蹤一條恒定制動率的制動曲線的過程(見圖3)。

圖3 ATO精確停車過程

2.3 運行舒適度

在自動駕駛過程中，必須保證乘客的舒適度，對于站立或坐著的乘客都應(yīng)該保證他們在列車的運行過程中無不適感。在列車加速、制動和站間巡航的過程中，均應(yīng)該保證列車的平穩(wěn)運行。

分析表明，加速度的變化會導致舒適度變差。通過對運行過程中的速度進行兩次微分，得到列車的加速度變化率，即沖擊率。沖擊率越大，則舒適度越差。

對沖擊率峰值的評價為

對運行過程中平均沖擊率的評價為

式中，v為運行速度，S為運行距離。

沖擊率的峰值和平均沖擊率要求越小越好。

2.4 運行準點率

目前，城市軌道交通的運行密度大、運力高，對列車運行過程的準點率要求非常高。對于ATO系統(tǒng)來說，只有按照列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision，ATS)的指揮，保證準點運行，才能實現(xiàn)全系統(tǒng)的高效運行。

對于準點的要求，是列車從起點列車啟動到終點列車停車的這段運行過程中，實際運行時間與計劃運行時間的差應(yīng)該小于一個允許的誤差范圍，不能晚點也不能早點。在本研究中，準點是指站間運行時間，不考慮停站時間。

運行準點率的評價函數(shù)為

式中，Tp為計劃站間運行時間，T為實際站間運行時間。站間運行時間的誤差越小越好。

2.5 節(jié)能

在列車載客的運行過程中，牽引、制動、照明、空調(diào)等因素都會對能耗產(chǎn)生影響。由于ATO對列車的控制主要在牽引、制動方面，所以本研究的對象為ATO在駕駛過程中對動力系統(tǒng)的節(jié)能評價。ATO駕駛應(yīng)該根據(jù)不同運行效率的要求，實現(xiàn)當前條件下的最優(yōu)節(jié)能運行。

能耗的適應(yīng)度值函數(shù)可以簡化為列車牽引力F乘以速度v對時間的積分，即

將上式轉(zhuǎn)換為用于計算的加速度和速度，即

在列車運行過程中，車輛載重隨著乘客的增減在不斷發(fā)生變化，為了對不同載重列車能耗進行比較，需要將二者放在同一個水平線上，即去除質(zhì)量的影響，有

式中，a為加速度，v為速度，S為運行距離。能耗參數(shù)越小越好。

2.6 牽引、制動切換頻繁度

在ATO控車過程中，需要不斷地切換牽引、制動和惰行，保證列車準確、舒適地運行到目的地。從舒適度的角度，降低牽引制動切換的頻率有利于舒適度的提高，并且有利于延長設(shè)備壽命;而ATO過快的牽引制動切換可能會導致車輛對指令的誤判斷，如圖4中左側(cè)較短的制動脈沖會導致車輛對制動指令的誤判斷。

圖4 短制動脈沖導致車輛的誤判斷

對運行過程切換次數(shù)的評價函數(shù)為

式中，n為全程的切換次數(shù)，S為運行距離。

式中，Tc為運行過程中牽引、制動、惰行狀態(tài)的維持時間。

在運行過程中，切換次數(shù)越少越好，維持時間要求不能小于車輛判斷的門限值。最終可通過對各項指標的測試和統(tǒng)計，評價ATO的控制效果。

3 ATO評價指標的測試方法

為了分析ATO控車性能指標，在ATO的控車過程中，需要實時對列車運行數(shù)據(jù)進行采集，存儲在記錄系統(tǒng)中，并在列車下線后將數(shù)據(jù)導出，以供研究人員進一步分析ATO控車效果。

車載ATO系統(tǒng)在司機確認(方向手柄向前、牽引制動手柄在零位、按下ATO啟動按鈕)后，啟動列車從起點運行至終點。在運行過程中，對當前時間、列車位置、速度、緊急制動觸發(fā)速度、ATO目標速度、輸出的牽引/制動指令進行實時計算，并發(fā)送給記錄系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)每周期將接收到的數(shù)據(jù)寫入記錄文件。在運營結(jié)束后，將記錄數(shù)據(jù)拷出，利用分析軟件對其進行分析，得出相應(yīng)的指標。

4 ATO運行數(shù)據(jù)分析

以ATO控車過程中的一個站間數(shù)據(jù)為例，對運行數(shù)據(jù)進行分析，站間運行曲線如圖5所示。

圖5 運行過程中的3條曲線

從起點到終點的運行距離為1.544 km。

1)不超過緊急制動觸發(fā)速度。從圖5的曲線上可以看出，全程沒有發(fā)生實際速度高于緊急制動觸發(fā)速度的情況，Ko=0。

2)精確停車。ATO系統(tǒng)記錄的停車精度數(shù)據(jù)為－16 cm，即越過停車點16 cm，Ks=16 cm。

3)運行舒適度。通過對采集的速度進行處理，得到?jīng)_擊率的曲線，見圖6。

圖6 沖擊率與速度曲線

通過分析可以得出Kj，max=575 cm/s2，對于運行過程中平均沖擊率的評價為Kj，ave=21 904 cm/s3km－1。需要注意的是，本統(tǒng)計中對沖擊率的計算采用相鄰數(shù)據(jù)微分的形式，未能對一些數(shù)據(jù)中的噪聲進行處理，可作為比較ATO舒適度趨勢的依據(jù)。要分析出實際的沖擊率，還需要加速度計算和數(shù)據(jù)濾波處理等進一步的工作。

4)運行準點率。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，共運行了113.6 s，而ATO的計劃運行時間為110 s。通過計算可以看出，Kt=3.27%。

5)節(jié)能。本文中的分析是基于一個站間的運行能耗情況，該站間內(nèi)的能耗參數(shù)(考慮質(zhì)量為固定值1)為Ke=303 047/km。

6)牽引、制動切換頻繁度。從數(shù)據(jù)記錄中可以看出，全程中ATO的開關(guān)量切換發(fā)生了2次(最后一次是保持制動和制動同時輸出，可算作制動輸出)，模擬量在0處的切換發(fā)生了7次，綜合可計為7次的牽引、惰行、制動間切換(見圖7)。

圖7 牽引、制動切換頻繁度

通過對數(shù)據(jù)的分析，形 成 結(jié) 論 為:Kc，t=7，Ka，feq=0.8 s。匯總各項數(shù)據(jù)，最終形成如表1所示的統(tǒng)計表。

通過對不同ATO系統(tǒng)的統(tǒng)計表進行比較，即可實現(xiàn)對ATO系統(tǒng)的評價結(jié)果。

表1 ATO控車性能評價指標分析結(jié)果

5 結(jié)語

從目前軌道交通發(fā)展過程中對ATO系統(tǒng)需要一個評價指標的需求出發(fā)，結(jié)合ATO的功能、性能需求，提出了相應(yīng)的ATO指標，并且提出了ATO控制指標的量化計算方法。通過對實際工程測試數(shù)據(jù)的分析，表明ATO控制效果的評價方法切實可行，分析結(jié)果可以作為對ATO系統(tǒng)指標的驗收標準，也可作為比較不同ATO系統(tǒng)的參考依據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，下一步的工作將考慮如何將ATO的若干控制參數(shù)整合成一個最終的結(jié)果，即充分考慮各個指標的權(quán)重，且權(quán)重可根據(jù)不同的線路、不同的用戶進行相應(yīng)的調(diào)整?？傊?，通過不斷的研究與試驗，優(yōu)化對ATO系統(tǒng)的評價指標，可以促進ATO系統(tǒng)的進一步研究，最終實現(xiàn)城市軌道交通自動駕駛系統(tǒng)更加高質(zhì)、高效的運行。

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