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        城市軌道列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行的仿真研究

        2017-05-27 12:00:30陶細(xì)華
        中國(guó)新通信 2017年9期
        關(guān)鍵詞:仿真

        陶細(xì)華

        【摘要】 根據(jù)列車(chē)運(yùn)行啟動(dòng)過(guò)程,中間調(diào)整和定點(diǎn)停車(chē)階段,在滿(mǎn)足安全性、舒適性、準(zhǔn)時(shí)性和停車(chē)精度的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際線(xiàn)路路況條件,設(shè)計(jì)了ATO控制算法,針對(duì)列車(chē)運(yùn)行各階段建立由最快加速、巡航和專(zhuān)家打分法及預(yù)測(cè)算法組成的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)ATO系統(tǒng)仿真,結(jié)果表明效果理想。

        【關(guān)鍵詞】 軌道列車(chē) 自動(dòng)運(yùn)行 控制算法 仿真

        一、 引言

        城市軌道列車(chē)蓬勃發(fā)展,列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行順應(yīng)時(shí)代發(fā)展,成為軌道交通發(fā)展趨勢(shì)。ATO是核心子系統(tǒng),在列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP)的監(jiān)督下,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行目標(biāo),達(dá)到高效性、準(zhǔn)時(shí)性、舒適性、節(jié)能性和精準(zhǔn)停車(chē)等目的。本文研究的重點(diǎn)就是綜合考慮各指標(biāo),設(shè)計(jì)自動(dòng)運(yùn)行算法,建立仿真系統(tǒng),探尋最優(yōu)操縱方案,模擬生成運(yùn)行曲線(xiàn)。

        二、體系結(jié)構(gòu)

        通過(guò)應(yīng)答器和軌道電路上傳線(xiàn)路參數(shù),利用移動(dòng)授權(quán)信息到車(chē)載設(shè)備,利用車(chē)載設(shè)備生成ATP 防護(hù)曲線(xiàn),完成列車(chē)啟動(dòng)、牽引、巡航和制動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

        三、控制算法

        自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程歸納為三大部分:?jiǎn)?dòng)階段、運(yùn)行階段和停車(chē)階段,尋找合理的優(yōu)化操縱方案,給出最優(yōu)控制策略來(lái)控制列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行。

        3.1 啟動(dòng)階段

        啟動(dòng)階段對(duì)列車(chē)采用最短運(yùn)行時(shí)間,以其最大的牽引力運(yùn)行使列車(chē)在最短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)。計(jì)算得出相應(yīng)的加速度,從而進(jìn)一步進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行控制。

        該過(guò)程還需要與反饋的加速度信息進(jìn)行比較,按照我國(guó)TB/T2370-1993《鐵路旅客縱向動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法與評(píng)定指標(biāo)》中規(guī)定的旅客縱向加(減)速度的評(píng)定指標(biāo)系數(shù),即保證其平均加(減)速度的絕對(duì)值不超過(guò)0.082g(a<0.783m/s2),保證舒適度這一性能指標(biāo)要求。

        3.2 區(qū)間運(yùn)行階段

        為了研究各個(gè)線(xiàn)路的限速情況,設(shè)定一個(gè)臨時(shí)限速區(qū),有三種工況:從高限速區(qū)進(jìn)入低限速區(qū)、常數(shù)速度監(jiān)視區(qū)和從低限速區(qū)進(jìn)入高限速區(qū)。

        從高限速區(qū)進(jìn)入低限速區(qū):為了保證行車(chē)的安全性,防止列車(chē)超速運(yùn)行,要求列車(chē)提前減速,等價(jià)為制動(dòng)工況,以臨時(shí)限速為目標(biāo)速度。

        進(jìn)入常數(shù)速度監(jiān)視區(qū):自動(dòng)尋找合適的牽引力使其與阻力近乎相等,從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)的巡航階段過(guò)程;要求列車(chē)可以貼線(xiàn)巡航,使其擁有極佳的舒適性、節(jié)能性和高效性。

        從低限速區(qū)進(jìn)入高限速區(qū):采用最短運(yùn)行時(shí)間策略,該階段的加速過(guò)程與啟動(dòng)階段類(lèi)似,要求列車(chē)以最大牽引力運(yùn)行。

        3.3 停車(chē)階段

        為了確保列車(chē)能夠在ATO控制下穩(wěn)定地精確停車(chē)(誤差在±25cm范圍內(nèi)),算法在停車(chē)階段對(duì)制動(dòng)起模點(diǎn)、停車(chē)過(guò)程中制動(dòng)檔位選擇和其變化頻率,計(jì)算并設(shè)計(jì)合理的操縱策略,確保停車(chē)穩(wěn)定性、安全性和精準(zhǔn)性指標(biāo)。

        (1)停車(chē)制動(dòng)起模點(diǎn)確定

        a.確定最大常用制動(dòng)曲線(xiàn)的起模點(diǎn)stop;

        b.根據(jù)最大常用起模點(diǎn)位置,前推不同距離,確定列車(chē)停車(chē)階段的制動(dòng)起模點(diǎn),如 stop-400m、stop-500m;

        c.取不同起模點(diǎn),記錄影響運(yùn)行的性能指標(biāo),記錄列車(chē)運(yùn)行后對(duì)應(yīng)的停車(chē)誤差、運(yùn)行時(shí)間、檔位變化頻率和是否觸發(fā)最大常用制動(dòng)等信息。

        d.權(quán)重分配,對(duì)于停車(chē)準(zhǔn)度分配 60% 的權(quán)重,其余幾項(xiàng)性能指標(biāo)分別分配 13.3% 的權(quán)重,反比打分。

        e.根據(jù)打分結(jié)果,取綜合得分最高的制動(dòng)起模點(diǎn),列車(chē)在該處開(kāi)始制動(dòng)會(huì)取得最好的停車(chē)效果。

        (2)停車(chē)制動(dòng)檔位選擇

        停車(chē)階段是通過(guò)制動(dòng)力減速,使其在目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的停車(chē)效果,實(shí)際制動(dòng)力表現(xiàn)在制動(dòng)檔位的變化,當(dāng)列車(chē)選擇不同的制動(dòng)檔位停車(chē),列車(chē)的停車(chē)點(diǎn)位置則會(huì)相同。

        讀取當(dāng)前位置S0 和速度Vn; 系統(tǒng)根據(jù)上傳目標(biāo)停車(chē)點(diǎn),計(jì)算所得的制動(dòng)距離△s,計(jì)算出各制動(dòng)檔位即不同的減速度對(duì)應(yīng)的停車(chē)誤差 stop-(S0+ △s);根據(jù)不同停車(chē)誤差,該系統(tǒng)比較其大小,取其中使得停車(chē)誤差最小的檔位來(lái)實(shí)施制動(dòng),最后達(dá)到精確停車(chē)目標(biāo)。

        (3)列車(chē)制動(dòng)檔位變化的頻率

        制動(dòng)檔位變化的頻率越高,則列車(chē)停車(chē)精度相應(yīng)的越高,但制動(dòng)檔位頻率的變化涉及到乘客的舒適性,故需要綜合考慮停車(chē)準(zhǔn)度和舒適性?xún)身?xiàng)性能指標(biāo),通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得到大量數(shù)據(jù),再應(yīng)用專(zhuān)家打分法來(lái)分析確定制動(dòng)變化的頻率,該方法類(lèi)似于對(duì)制動(dòng)起模點(diǎn)的確定。

        四、仿真驗(yàn)證

        用合寧線(xiàn)做仿真實(shí)驗(yàn),距離21.087km,采用 CTCS2 級(jí),動(dòng)車(chē)型號(hào)是 CRH1 型,定員載荷質(zhì)量470t,長(zhǎng)度212m。

        仿真系統(tǒng)由三部分構(gòu)成:

        地面數(shù)據(jù)上傳生成列車(chē)模擬運(yùn)行界面和ATP防護(hù)曲線(xiàn)。

        按照CTCS2級(jí)列控車(chē)載系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行,在ATP的防護(hù)下,實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行,以達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

        根據(jù)ATO算法控制列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行,列車(chē)牽引制動(dòng)等級(jí)變化曲線(xiàn)是對(duì)列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行操縱過(guò)程的記錄,其平穩(wěn)的變化過(guò)程證明了列車(chē)在運(yùn)行中具有良好的舒適性;同時(shí)列車(chē)運(yùn)行后記錄的各數(shù)據(jù)表明列車(chē)在21.087km的線(xiàn)路上運(yùn)行耗時(shí)為8min24s,停車(chē)精度達(dá)到0.01m,且沒(méi)有觸發(fā)最大常用制動(dòng)或緊急制動(dòng)的情況,仿真結(jié)果表明列車(chē)在ATO算法控制下,完成了較高質(zhì)量自動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程。

        通過(guò)記錄列車(chē)運(yùn)行信息設(shè)置曲線(xiàn)回放功能,查看列車(chē)運(yùn)行記錄,為日后改進(jìn)行車(chē)技術(shù)和確定事故責(zé)任提供保障。

        五、結(jié)束語(yǔ)

        研究列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行,設(shè)計(jì)列車(chē)啟動(dòng)、區(qū)間調(diào)速及定點(diǎn)停車(chē)的算法,確定了較優(yōu)的操縱方案,考慮了舒適性、停車(chē)準(zhǔn)度、準(zhǔn)時(shí)性等性能指標(biāo)。最后通過(guò)仿真設(shè)計(jì),證明設(shè)計(jì)的ATO系統(tǒng),在ATP監(jiān)控下按照操縱策略行車(chē),達(dá)到了較好運(yùn)行效果。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [1] Su S, Tang T, Li X, etal. Optimization of multitrain operations in a subway system[J]. 2014,6(11)534-539

        [2] 陸小紅,王長(zhǎng)林. 基于預(yù)測(cè)型灰色控制的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行速度控制器建模與仿真[J].城市軌道交通研究,2013,16(02):62-65.

        [3] Gao Mingang. Multi-objective Optimization of Pilots FFS Recurrent training problem[J]. Engineering, 2012,4(10):662-667.

        [4] 張沖, 劉曉磊. 列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的性能指標(biāo)權(quán)重分配方案研究[J].鐵道通信信號(hào),2012(12):9-12.

        [5] 安志強(qiáng). ATO目標(biāo)速度曲線(xiàn)優(yōu)化及跟隨控制研究[D].西南交通大學(xué),2011,19-23,57-62.

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