摘 要：本文首先介紹了列車運(yùn)行的優(yōu)化操縱策略，采用模糊控制與預(yù)測(cè)控制相結(jié)合的在線控制算法使列車按照優(yōu)化操縱曲線運(yùn)行，并選取西安地鐵二號(hào)線完成了仿真驗(yàn)證，通過與常規(guī)PID控制器的對(duì)比，證明了算法的有效性。最后，用C++語言將該算法移植到WinCE嵌入式系統(tǒng)中，并接入分布式列車運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ATO車載平臺(tái)的模擬。

關(guān)鍵詞：模糊控制；預(yù)測(cè)控制；ATO；嵌入式；分布式

中圖分類號(hào)：U284.482

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市交通帶來的壓力越來越大，軌道交通由于其便捷性、快速性，也逐漸成為我國重點(diǎn)發(fā)展方向。目前我國的城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)效率還比較低下，列車運(yùn)行基本上都是需要司機(jī)手動(dòng)干預(yù)才能完成，精準(zhǔn)程度和智能化程度不高，司機(jī)的駕駛效率也很低。對(duì)一個(gè)現(xiàn)代化的智能系統(tǒng)來說，ATO系統(tǒng)處于核心地位，它的研究有著重要意義。本文主要討論了城軌列車的優(yōu)化操縱問題，并通過編程，實(shí)現(xiàn)了嵌入式ATO車載系統(tǒng)。

1 列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

1.1 列車模型

ATO子系統(tǒng)是列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC）三個(gè)組成部分之一[1]，它的主要功能有：自動(dòng)速度控制，自動(dòng)開、關(guān)車門，車站屏蔽門控制，站臺(tái)定點(diǎn)停車，調(diào)整列車的運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)啟動(dòng)列車等。本文首先建立列車模型。

列車不同工況運(yùn)行的合力可以由如下公式表示：

（1）

式中法f（v）—列車上的單位動(dòng)力；

Q（v）—列車單位牽引力，該力以v作為變量，由列車牽引特性確定；

ωo（v）—列車單位運(yùn)行阻力，是速度的函數(shù)；

g（s）—坡道阻力，是 的函數(shù)；

bd（v）—單位動(dòng)力制動(dòng)力，以v為自變量，主要由動(dòng)力制動(dòng)特性決定；

b（v）—最大單位空氣制動(dòng)力，由列車制動(dòng)機(jī)特性確定；

βcb（v）—由列車制動(dòng)機(jī)特性確定的單位空氣制動(dòng)力。

1.2 列車優(yōu)化操縱策略

（1）節(jié)能策略。列車主要可以通過在關(guān)鍵點(diǎn)[2]調(diào)整列車的手柄級(jí)位，來達(dá)到調(diào)整列車的速度，增加列車惰行時(shí)間使得E值最小；

（2）精確停車策略。地鐵列車到站需要制動(dòng)停車時(shí)，ATO會(huì)根據(jù)列車當(dāng)前的速度、位置和停車點(diǎn)等信息計(jì)算出當(dāng)前的常用制動(dòng)曲線，然后使列車最大限度地跟隨這條制動(dòng)曲線，直至列車速度減為零停站[3]；

（3）舒適性策略。影響旅客乘車舒適的因素很多，主要包括列車行進(jìn)中制動(dòng)牽引時(shí)的顛簸和過道岔時(shí)的晃動(dòng)等，這些因素中列車加速度最為重要。

2 基于模糊預(yù)測(cè)控制的控制器設(shè)計(jì)及仿真

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

預(yù)測(cè)控制和模糊控制的結(jié)合能很好的處理好外界干擾問題，同時(shí)也能使優(yōu)秀操作人員的操縱策略在算法中得到完美的體現(xiàn)[4]。本文總體設(shè)計(jì)的思路是：采用離線優(yōu)化與在線優(yōu)化相結(jié)合的方式，計(jì)算出列車的準(zhǔn)點(diǎn)、節(jié)能優(yōu)化曲線，將這條曲線作為在線優(yōu)化的目標(biāo)曲線，舒適性和精確停車等指標(biāo)作為約束條件，利用模糊預(yù)測(cè)算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 基于模糊預(yù)測(cè)的列車控制結(jié)構(gòu)圖

預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)主要包括：預(yù)測(cè)模型的選取，模型自校正部分的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)矩陣參數(shù)的選取。本文用速度誤差 和加速度 作為模糊控制器的輸入量，來控制列車速度的級(jí)位變化量 作為輸出量。

2.2 仿真及結(jié)果分析

算法采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，本文與傳統(tǒng)的PID控制器與相比較。列車選用國內(nèi)常用的A型車，6節(jié)編組，總長度約為136.8m，AW2載荷下總重量約為318t，平均速度為36km/h，它的運(yùn)營最高速度為80km/h。本文選取西安地鐵2號(hào)線的鐵路北客站到麻家什字站線路數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。

圖2 模糊預(yù)測(cè)與PID控制下的列車加速度曲線

圖3 模糊預(yù)測(cè)與PID控制下的列車加加速度曲線

由圖2及圖3可知，模糊預(yù)測(cè)控制下的加速度及加速度變化率都相對(duì)平穩(wěn)，保持在1m/s2及0.1m/s3以內(nèi)，而PID控制下它們分別保持在1.4m/s2及0.4m/s3以內(nèi)，模糊預(yù)測(cè)控制下列車的舒適性較高。

通過對(duì)速度進(jìn)行積分求差值，得到模糊預(yù)測(cè)控制下的停車誤差為0.118m，而PID控制下的停車誤差超過了1.19m，模糊預(yù)測(cè)控制下的列車停車精度較高。

3 ATO算法的嵌入式實(shí)現(xiàn)

本文的硬件平臺(tái)采用的是一款EPCS-9000工業(yè)控制機(jī)，它采用TI公司雙核處理器OMAP3530，其板載資源豐富，能在大多數(shù)場(chǎng)合應(yīng)用。

3.1 分布式仿真平臺(tái)簡介

分布式列車運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)是一個(gè)包含區(qū)域控制器、牽引供電、ATS、總控臺(tái)等子系統(tǒng)的分布式綜合仿真系統(tǒng)，它通過HLA/RTI進(jìn)行仿真節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)交互及仿真推進(jìn)，可以提供人工駕駛和自動(dòng)駕駛兩種模式。

WinCE嵌入式操作系統(tǒng)的架構(gòu)和windows有很大的不同[5，6]，HLA目前不支持WinCE，不能將嵌入式系統(tǒng)直接與分布式仿真平臺(tái)相連。本文在PC機(jī)上編寫了上位機(jī)軟件，主要實(shí)現(xiàn)通過HLA與地面信號(hào)的各邦元之間完成數(shù)據(jù)交互，通過TCP/IP協(xié)議與嵌入式WinCE平臺(tái)同步等功能。

3.2 嵌入式ATO車載系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

算法的移植過程主要是將Matlab程序用C++在WinCE嵌入式平臺(tái)上編寫。文中基于與分布式列車運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互關(guān)系，對(duì)程序的變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等做出規(guī)劃。

3.3 上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)主要包含累的設(shè)計(jì)和界面，HLA對(duì)象類設(shè)計(jì)：ATO車載模塊中，需要交互的數(shù)據(jù)很多，此時(shí)需要把節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)象類變量打包為一個(gè)結(jié)構(gòu)體，統(tǒng)一發(fā)送，提高系統(tǒng)仿真效率。交互類設(shè)計(jì)：在HLA架構(gòu)中，交互類變量具有脈沖信號(hào)的特性，在傳輸網(wǎng)絡(luò)中具有一定的時(shí)效性，過一定的時(shí)間后會(huì)自動(dòng)消除。

3.4 仿真實(shí)例

將嵌入式ATO車載平臺(tái)加入分布式列車運(yùn)行綜合仿真品平臺(tái)，選取西安地鐵2號(hào)線全線數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合仿真。圖4顯示了列車在整個(gè)分布式仿真中列車信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ATO車載平臺(tái)以及列車運(yùn)行環(huán)境的模擬。

圖4 列車運(yùn)行仿真曲線

4 結(jié)束語

本文研究了基于模糊預(yù)測(cè)方法的城軌列車ATO的控制算法，并利用HLA/pRTI，將嵌入式ATO車載平臺(tái)接入列車運(yùn)行綜合仿真平臺(tái)進(jìn)行分布式聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ATO車載平臺(tái)以及列車運(yùn)行環(huán)境的模擬。本文設(shè)計(jì)的模糊預(yù)測(cè)控制器能較優(yōu)地控制列車的運(yùn)行過程，說明了該算法的正確性和有效性，但它與實(shí)際列車還有一定差距，其他部分還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：董選勇（1986-），男，四川廣元人，碩士研究生，研究方向：列車運(yùn)行控制。

作者單位：西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031