李翔

（浙江眾合科技股份有限公司 信號事業(yè)部 浙江杭州 310000）

摘 要：在城市軌道系統(tǒng)中，列車運(yùn)行的自動控制是整個機(jī)電系統(tǒng)中最核心的部分之一。本文將從城市軌道交通信號系統(tǒng)的角度簡要描述列車自動控制的主要元素和實(shí)現(xiàn)方式。同時，簡單指出在列車的自動控制過程中需要注意的其它問題。

關(guān)鍵詞：城市軌道；交通列車；自動控制

1列車自動控制的主要元素：

信號系統(tǒng)為了按照運(yùn)營需求實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的自動控制，主要需要以下幾個要素：

列車當(dāng)前的速度

列車當(dāng)前的位置

列車當(dāng)前的目標(biāo)停車點(diǎn)

1.1列車當(dāng)前的速度

列車通過讀取輪軸上安裝的速度傳感器直接獲得實(shí)時速度。為了獲得更為準(zhǔn)確的速度值，一般情況下，速度傳感器都安裝在非動力軸上以防止突然的制動或牽引可能引起的打滑或空轉(zhuǎn)對速度探測準(zhǔn)確性的影響。即便如此，因?yàn)楦鞣N原因，列車非動力軸的打滑和空轉(zhuǎn)仍舊不可避免。因此，信號系統(tǒng)一般仍舊會通過加速度計或者雷達(dá)等設(shè)備對上述情況下的速度進(jìn)行補(bǔ)償已保證速度探測的準(zhǔn)確性。

1.2列車當(dāng)前的位置

在整條線路的設(shè)計之初，設(shè)計單位根據(jù)線路情況會定義本條線路的設(shè)計0點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)使用公里標(biāo)來定義軌道線路上相關(guān)元素的位置。例如：某站臺的停車位置為12KM+456.34M。列車確定當(dāng)前位置的常用方法是通過讀取線路上按照一定規(guī)則布置的位置信標(biāo)來獲取基準(zhǔn)位置，在此基礎(chǔ)上通過實(shí)時速度的積分運(yùn)算來更新實(shí)時位置。

1.3列車當(dāng)前的目標(biāo)停車點(diǎn)

列車的目標(biāo)停車點(diǎn)由信號系統(tǒng)的其它部分通過整個軌道系統(tǒng)的整體情況實(shí)時計算得出，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至列車。一般情況下，列車的目標(biāo)停車點(diǎn)都為下一站的站臺位置。在站臺出現(xiàn)問題或前方軌道有列車占用等情況下，列車當(dāng)前的目標(biāo)停車點(diǎn)有可能會被設(shè)置在區(qū)間。

2列車自動控制的實(shí)現(xiàn)方式：

信號系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一就是根據(jù)時運(yùn)營需求來控制列車。其實(shí)在安全前提下，以最高的效率使列車運(yùn)行至下一停車點(diǎn)是自動控制核心任務(wù)，完成這個任務(wù)需要三個步驟：

采集相關(guān)信息得到目標(biāo)運(yùn)行曲線；

控制車輛以目標(biāo)曲線完成運(yùn)行；

站臺精確停車。

2.1目標(biāo)運(yùn)行曲線的形成：

以一次正常的停站過程為例：當(dāng)列車從本站完成上客和站臺的開關(guān)門操作后，信號系統(tǒng)會檢測本站至下一站的路徑上是否存在異常、下一站的站臺情況是否正常。正常情況下，系統(tǒng)將判斷列車應(yīng)正常行駛至下一站停車點(diǎn)。

同時，為了使列車更快速地到達(dá)下一站停車點(diǎn)，在安全的前提下，系統(tǒng)將盡量使列車高速運(yùn)行。這些需要考慮地安全因素主要有：線路允許運(yùn)行的最高速度，列車最大的制動率，因?yàn)閺澋阑蚍勒鸬囊蠖诰€路上人為設(shè)置的限速等。

經(jīng)過以上過程，系統(tǒng)將在內(nèi)部生成一條速度-距離的目標(biāo)控曲線，見圖：

值得指出的是：因?yàn)榱熊囁俣?、位置可能會因?yàn)楦鞣N原因與預(yù)計的數(shù)值不同，線路實(shí)際情況也可能在列車運(yùn)行過程中發(fā)生變化，所以上述目標(biāo)控制曲線是基于列車當(dāng)前的速度、位置以及線路情況而實(shí)時計算并更新的。

2.2控制車輛以目標(biāo)曲線運(yùn)行：

控制車輛以目標(biāo)曲線運(yùn)行的核心就是實(shí)時控制列車的速度。信號的控制系統(tǒng)與列車通過列車管理系統(tǒng)進(jìn)行接口，通過該接口將牽引和制動指令實(shí)時發(fā)送至車輛，車輛按照收到的指令對列車進(jìn)行實(shí)時操控。

為了實(shí)現(xiàn)精確控制的目的，發(fā)送給車輛的牽引和制動指令在時間和精度上的要求都非常高。指令的更新周期要求為毫秒級，制動和牽引力的指令為百級以上（人工駕駛時一般牽引為4級，制動為7級）。

列車速度的實(shí)時控制采用傳統(tǒng)的比例積分微分處理器進(jìn)行閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時對比觀測速度與給定速度的差值，通過比例積分計算得出此刻需要的牽引或制動力，實(shí)時傳輸給列車執(zhí)行。下一個運(yùn)算周期再觀察列車變化后的速度并再一次與變化后的給定速度進(jìn)行對比和計算，進(jìn)而更新牽引或制動指令。以此實(shí)現(xiàn)列車速度的實(shí)時控制。

2.3站臺精確停車

當(dāng)列車運(yùn)行至距離車站一段距離的預(yù)設(shè)位置時，就會初始化程序進(jìn)入站臺停車過程。站臺停車過程與兩站之間的區(qū)間運(yùn)行過程的控制理念從原理上基本一致，但精度要求更高。

一般情況下：城市軌道要求的站臺停車位置精度為±30CM，為了滿足停車精度，會在站臺區(qū)域停車點(diǎn)前按照一定的原則布置更多的位置信標(biāo)以更頻繁地校準(zhǔn)列車的絕對位置以減少列車的定位誤差以達(dá)到精確停車的目的。

一旦列車停止，CC會發(fā)出制動力要求（通常為70%的制動力）來禁止列車移動以保證列車停穩(wěn)在站臺。至此，一次正常的停站過程就完成了。

3列車自動控制的需考慮的其它問題

在實(shí)際應(yīng)用中，除了通過實(shí)時的自動控制將列車運(yùn)行至目標(biāo)停車點(diǎn)以外，控制系統(tǒng)還要兼顧考慮很多其它問題。常見的問題有舒適性、節(jié)能、安全防護(hù)等。

為了保證列車上乘客的乘車舒適性，控制系統(tǒng)通過限制列車運(yùn)行的沖擊率（加速度的變化率，常用單位為m/s3）來達(dá)到目的。沖擊率分為與行車方向同向的縱向沖擊率和與運(yùn)行方向垂直的橫向向沖擊率。為了限制列車運(yùn)行的沖擊率，控制系統(tǒng)實(shí)時發(fā)送給列車的牽引和制動指令的變化率將有一定的限制。

節(jié)能方面，控制系統(tǒng)通過全局考慮，在生成目標(biāo)控制曲線時，首先盡量增加整個列車運(yùn)行過程中惰行的時間，減少牽引和制動的次數(shù)以減少動力使用。其次在牽引和制動的過程中盡量減少牽引和制動力變化的幅度以減少為了抵抗慣性所耗費(fèi)的動力。

故障防護(hù)的主要原則就是在發(fā)現(xiàn)不安全因素時，控制系統(tǒng)將列車停止下來提示相關(guān)人員進(jìn)行安全狀態(tài)確認(rèn)或隱患排除。常見不安全因素有：

控制系統(tǒng)本身故障；

列車牽引/制動系統(tǒng)故障；

列車車門或站臺屏蔽門非正常打開；

前方軌道突然出現(xiàn)異物占用；

車輛或站臺上設(shè)置的緊急停車按鈕被按下等。

4總結(jié)：

可見，列車的自動控制主要是在考慮安全和效率等因素的前提下，基于精確的位置和速度判斷，結(jié)合整個線路的動態(tài)高頻率地更新控制指令以滿足列車自動運(yùn)行的需求。

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