徐 杰，郜洪民，孟 軍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通的發(fā)展，各城市很多地鐵線路都從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的ATO技術(shù)。ATO的核心功能表現(xiàn)為對(duì)列車速度的調(diào)節(jié)與控制，ATO自動(dòng)駕駛能否滿足列車運(yùn)行指標(biāo)取決于其所采用的速度控制算法。本文將列車自動(dòng)駕駛劃分為車站發(fā)車、速度跟蹤、目標(biāo)制動(dòng)3個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段的速度控制算法進(jìn)行研究，為國(guó)內(nèi)ATO技術(shù)的完善和進(jìn)一步實(shí)用化打下基礎(chǔ)。

1 ATO系統(tǒng)概述

圖1 車載ATO系統(tǒng)關(guān)系圖

如圖1所示，作為車載控制器（VOBC）的重要組成部分，列車自動(dòng)駕駛（ATO，Atomatic Train Operation）主要功能是通過(guò)接收、處理來(lái)自速度傳感器的脈沖信號(hào)，計(jì)算列車當(dāng)前速度，并以列車當(dāng)前速度與目標(biāo)速度的誤差作為輸入，通過(guò)伺服控制模塊輸出控制命令，驅(qū)動(dòng)牽引或制動(dòng)繼電器，并且通過(guò)模擬0 mA～20 mA電流環(huán)硬件電路輸出控制量大小，整個(gè)過(guò)程采用PID控制算法，其算法的核心是基于比例、積分、微分控制原理計(jì)算。列車牽引或制動(dòng)系統(tǒng)按照控制命令和控制量對(duì)列車速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。列車目標(biāo)速度根據(jù)ATS（Automatic Train Supervision，列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)）運(yùn)行時(shí)間要求計(jì)算獲得，ATO列車自動(dòng)駕駛在ATP（Automatic Train Protection，列車超速防護(hù)系統(tǒng)）的監(jiān)督保護(hù)下運(yùn)行。同時(shí)ATO根據(jù)采集到的門控模式開關(guān)以及ATP門使能信號(hào)，控制車門和屏蔽門開關(guān)。給列車駕駛臺(tái)輸出ATO激活、自動(dòng)折返等信息，輔助司機(jī)對(duì)列車進(jìn)行必要的操作和監(jiān)控。

圖2 自動(dòng)駕駛速度曲線

2 列車自動(dòng)駕駛過(guò)程

如圖2，列車從車站A自動(dòng)駕駛至車站B，整個(gè)過(guò)程包括車站發(fā)車、速度跟蹤、目標(biāo)制動(dòng)3個(gè)階段。列車在站臺(tái)A，ATP給出ATO使能信號(hào)，司機(jī)按壓ATO發(fā)車按鈕，ATO以一個(gè)固定的加速度計(jì)算目標(biāo)速度，列車跟隨目標(biāo)牽引曲線加速至惰行速度；區(qū)間運(yùn)行過(guò)程中，ATO通過(guò)速度離散化PID算法跟蹤惰行速度，整體ATO限速（低于ATP限速）與ATS運(yùn)行時(shí)間相關(guān)；若遇到前方有目標(biāo)制動(dòng)點(diǎn)，ATO利用距目標(biāo)制動(dòng)點(diǎn)的距離和一個(gè)固定的減速度，根據(jù)能量守恒原理計(jì)算當(dāng)前位置的目標(biāo)速度，列車跟隨目標(biāo)制動(dòng)曲線減速。

整個(gè)ATO運(yùn)行過(guò)程需要考慮的運(yùn)行指標(biāo)包括運(yùn)行時(shí)間、能耗、安全性、舒適性、跟隨性、停站精度。

2.1 車站發(fā)車階段

列車從車站A發(fā)車，考慮節(jié)省運(yùn)行時(shí)間和能耗，系統(tǒng)應(yīng)輸出最大牽引電流，使列車采用最大加速度（MaxAcc）在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到區(qū)間惰行速度，但考慮到乘客舒適性，最大加速度不能大于乘客忍受度（AccBear），而且考慮到速度調(diào)節(jié)控制的穩(wěn)定性，系統(tǒng)應(yīng)采用一個(gè)恒定的加速度a1。綜上各個(gè)因素，取為車輛所有速度下對(duì)應(yīng)的最大加速度和乘客能忍受的最大加速度中的最小值，即a1=min(MaxAcc, AccBear)。

加速階段的目標(biāo)速度r(t)=a1t，系統(tǒng)采用牽引模式下的PID參數(shù)，調(diào)節(jié)控制列車速度。表1為車輛方提供的不同速度對(duì)應(yīng)最大加速度值。

表1 車輛不同速度對(duì)應(yīng)最大加速度值

2.2 速度跟蹤階段

2.2.1 速度離散化PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

速度離散化PID控制算法是在經(jīng)典PID控制基礎(chǔ)上，以ATO限速s(t)和列車實(shí)際速度y(t)作為輸入，用速度離散化的方法進(jìn)行在線推理判斷，計(jì)算當(dāng)前ATO采用的目標(biāo)速度r(t)，并選擇PID控制算法的參數(shù)Kp、Ki、Kd。以計(jì)算出的ATO目標(biāo)速度r(t)與列車實(shí)際速度y(t)之間的誤差e(t)作為PID調(diào)節(jié)器的輸入，PID調(diào)節(jié)器采用速度離散化推理判斷出的Kp、Ki、Kd進(jìn)行計(jì)算，輸出牽引、惰行或制動(dòng)命令以及相應(yīng)控制量大小，調(diào)節(jié)控制列車速度。速度離散化PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。其中，Kp為比例系數(shù)，按比例反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)；Ki為積分系數(shù)，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；Kd為微分系數(shù)，反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，可改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖3 ATO模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

速度跟蹤階段必須滿足運(yùn)行時(shí)間、能耗、安全性、舒適性、跟隨性要求。采用速度離散化PID控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)：

（1）根據(jù)從ATS獲得的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出的ATO限速s(t)作為輸入條件，系統(tǒng)考慮了運(yùn)行時(shí)間要求，運(yùn)行時(shí)間與規(guī)定值誤差≤±5%；

（2）采用上下兩個(gè)目標(biāo)速度r(t)作為速度控制的目標(biāo)點(diǎn)，增加了惰行機(jī)會(huì)和時(shí)間，避免了復(fù)雜情況下圍繞一個(gè)目標(biāo)速度頻繁切換牽引制動(dòng)命令而產(chǎn)生的不必要能耗；

（3）設(shè)有低于ATO限速的超速曲線，提前采取最大制動(dòng)電流，避免實(shí)際的超速發(fā)生，而且有繼續(xù)施加最大制動(dòng)電流的過(guò)程，避免二次超速，保證系統(tǒng)安全性；

（4）采用上下兩個(gè)目標(biāo)速度r(t)作為速度控制的目標(biāo)點(diǎn)，避免復(fù)雜情況下圍繞一個(gè)目標(biāo)速度頻繁切換牽引制動(dòng)命令，保持列車平穩(wěn)運(yùn)行，增加乘客舒適性；

（5）不同模式下系統(tǒng)采用不同的PID參數(shù)，增強(qiáng)了速度調(diào)節(jié)的精確度。實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)合理選擇速度離散區(qū)間間隔大小來(lái)滿足速度跟隨性。

2.2.2 速度離散化PID推理判斷原則

圖4 離散化速度分布圖

如圖4，利用系統(tǒng)在受控過(guò)程中對(duì)應(yīng)不同ATO限速s(t)和列車實(shí)際速度y(t)，速度離散化PID推理判斷原則歸納如下（設(shè)ATO限速s(t)和列車實(shí)際速度y(t)之間的速度差值為ΔV）：

表2 速度離散化推理判斷規(guī)則表

（1）當(dāng)ΔV≤1.5 km/h時(shí)，列車超速，系統(tǒng)輸出最大制動(dòng)電流，確保列車速度在最短時(shí)間內(nèi)下降到正常范圍。

（2）當(dāng)1.5 km/h＜ΔV≤2.5 km/h時(shí)，如果1.5 km/h＜ΔV≤2.0 km/h且在此之前列車處于超速狀態(tài)，則系統(tǒng)輸出最大制動(dòng)電流，繼續(xù)減速，避免二次超速；其它情況下，系統(tǒng)按照ATO目標(biāo)速度r(t)=s(t)-2，圖4中BrakeDownCoasting-Line2，選擇惰行模式下PID參數(shù)Kp、Ki、Kd，計(jì)算輸出比較小的制動(dòng)電流，列車巡航。

（3）當(dāng)2.5 km/h＜ΔV≤4.0 km/h時(shí)，如果3.5 km/h＜ΔV≤4.0 km/h且在此之前列車處于加速狀態(tài)，則系統(tǒng)按照ATO目標(biāo)速度r(t)=s(t)-3，圖4中SpeedUpCoastingLine2，選擇牽引模式下PID參數(shù)Kp、Ki、Kd，計(jì)算輸出合適的牽引電流，繼續(xù)加速，確保列車一次性完成加速過(guò)程；其它情況下，系統(tǒng)按照ATO目標(biāo)速度r(t)=s(t)-3，圖4中SpeedUpCoastingLine2，選擇惰行模式下PID參數(shù)Kp、Ki、Kd，計(jì)算輸出比較小的牽引電流，列車巡航。

（4）當(dāng)ΔV＞4.0 km/h時(shí)，系統(tǒng)按照ATO目標(biāo)速度r(t)=s(t)-3，圖4中SpeedUp-CoastingLine2，選擇牽引模式下PID參數(shù)Kp、Ki、Kd，計(jì)算輸出合適的牽引電流，控制列車加速運(yùn)行。

2.3 列車目標(biāo)制動(dòng)階段

如圖5，列車制動(dòng)目標(biāo)分為低速點(diǎn)和零速點(diǎn)：低速點(diǎn)包括低于當(dāng)前速度的線路限速點(diǎn)或臨時(shí)限速點(diǎn)（圖5中TSR點(diǎn)）；零速點(diǎn)包括安全停車點(diǎn)（圖5中POP點(diǎn)）和非安全停車點(diǎn)（圖5中OSP點(diǎn)）。如公式（1），系統(tǒng)利用列車當(dāng)前位置（圖5中P點(diǎn)）與目標(biāo)制動(dòng)點(diǎn)的距離Δs、高度差Δh和目標(biāo)點(diǎn)的速度值vg，采用恒定的減速度ab（考慮因素與車站發(fā)車過(guò)程同理），根據(jù)能量守恒原理（見公式（1））推出列車當(dāng)前位置不同的局部設(shè)定速度vp、vo、vl、va，列車當(dāng)前位置目標(biāo)速度的最終取值vr為不同的局部設(shè)定速度vp、vo、vl、va中的最小值，即vr=min(vp,vo,vl,va)。所有不同的局部設(shè)定速度vp、vo、vl、va的最小值集合即為ATO目標(biāo)速度曲線（圖5中的虛線）。系統(tǒng)采用制動(dòng)模式下的PID參數(shù)，調(diào)節(jié)控制列車速度。

圖5 不同的局部設(shè)定速度

其中，Mp為列車靜態(tài)質(zhì)量；Mi為列車動(dòng)態(tài)質(zhì)量；g為重力加速度。

另外，列車站臺(tái)停車需要考慮停車精度要求，ATO采集速度傳感器的速度脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算列車速度和位置，避免了接收ATP速度的時(shí)延。通過(guò)增加站臺(tái)鋪設(shè)應(yīng)答器的密度，列車經(jīng)過(guò)應(yīng)答器即時(shí)修正位置誤差，可以實(shí)現(xiàn)精確停車，停站精度≤±30 cm。

3 測(cè)試與驗(yàn)證

以上分別對(duì)列車自動(dòng)駕駛各階段的速度控制算法進(jìn)行了研究，下面通過(guò)基于CPCI硬件平臺(tái)和Linux嵌入式操作系統(tǒng)的列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，對(duì)速度控制算法的整體實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

測(cè)試線路選用廣州地鐵1號(hào)線試車線，包含2個(gè)虛擬站臺(tái)和1個(gè)折返線，進(jìn)入折返線之前有一段限速區(qū)段。

測(cè)試結(jié)果如圖6。

圖6中，輸出曲線為廣州地鐵1號(hào)線試車線的列車自動(dòng)駕駛過(guò)程，紫色曲線為目標(biāo)速度，藍(lán)色曲線為列車實(shí)際速度。整個(gè)過(guò)程中，實(shí)際速度都低于ATP限速，滿足安全性要求；實(shí)際速度與目標(biāo)速度的差值≤±3 km/h，滿足跟隨性要求；速度跟蹤階段的速度取決于運(yùn)行時(shí)間，圖6中按最高限速駕駛，即最短運(yùn)行時(shí)間。發(fā)車階段和目標(biāo)制動(dòng)階段的加減速度值和沖擊率合理，滿足乘客舒適性要求。停站之后，通過(guò)查看列車位置和站臺(tái)停車點(diǎn)確定停站精度≤±30 cm，滿足停站精度要求。加速和制動(dòng)過(guò)程較短，速度調(diào)節(jié)波動(dòng)變化較小，滿足節(jié)約能耗的要求。所以，本文所研究的各階段速度控制算法整體實(shí)現(xiàn)效果良好，控制誤差很小，控制系統(tǒng)滿足要求。

圖6 列車自動(dòng)駕駛過(guò)程測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是現(xiàn)代城市軌道交通列車自動(dòng)控制的重要組成部分，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是列車速度控制算法的設(shè)計(jì)，本文中各階段速度控制算法的設(shè)計(jì)能滿足列車自動(dòng)駕駛的運(yùn)行指標(biāo)要求，對(duì)列車自動(dòng)駕駛技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研究有一定參考意義。

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