陳 逸，田 元，史 莉

（通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著我國智慧城市化進(jìn)程的推進(jìn)，以及自主化FAO 全自動(dòng)駕駛與互聯(lián)互通制式的先進(jìn)信號技術(shù)在軌道交通線路的應(yīng)用，城市軌道交通中針對列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、運(yùn)行效率、旅客舒適度等的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范日益完善。

根據(jù)《城市軌道交通CBTC 信號系統(tǒng)-ATO子系統(tǒng)規(guī)范》中對于ATO 在站臺停車精度的系統(tǒng)指標(biāo)要求：ATO 停車精度范圍±0.5 m 內(nèi)的概率大于等于99.999 8%；精度范圍±0.3 m 內(nèi)的概率大于等于99.99%。因此信號系統(tǒng)車載ATO 如何高效實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車功能成為軌道交通列控系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。

ATO 精準(zhǔn)停車是一個(gè)綜合性問題，車輛制動(dòng)性能直接關(guān)系著ATO 的精準(zhǔn)停車的實(shí)現(xiàn)。100%低地板輕軌車輛車下安裝空間十分受限，尤其是轉(zhuǎn)向架部分，需要更小的制動(dòng)盤，因此無論在車輛制動(dòng)性能還是ATO 控制效果都與軌道交通地鐵上常用的A、B 型車具有明顯差異，致使車載ATO 控制100%低地板輕軌列車實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車功能具有一定的難度。

在A T O 控制車輛在站臺精準(zhǔn)停車的過程中，車輛的速度逐漸減小，電制動(dòng)的制動(dòng)力逐漸衰減，此時(shí)低地板輕軌車輛的制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)逐步增加一定的液壓制動(dòng)以保證車輛停止的過程，此過程是電制動(dòng)和液壓制動(dòng)切換的混合制動(dòng)過程，混合制動(dòng)階段結(jié)束后，根據(jù)部分100% 低地板車輛的性能，液壓制動(dòng)力以固定的制動(dòng)級別進(jìn)行施加。針對低地板輕軌車輛制動(dòng)電制動(dòng)、混合制動(dòng)、液壓制動(dòng)3 個(gè)階段的A T O 協(xié)同配合控制策略，決定了ATO 精準(zhǔn)停車功能的實(shí)現(xiàn)。

2 100%低地板輕軌車輛的ATO精準(zhǔn)停車控制策略

2.1 ATO的控車策略

基于模糊PID 控制算法的ATO精準(zhǔn)停車控制策略是ATO 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛和精確停車的重要部分， ATO 系統(tǒng)通過連續(xù)實(shí)現(xiàn)列車速度的自動(dòng)控制和調(diào)整功能，包括牽引、惰行、制動(dòng)控制，ATO 實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)位置，當(dāng)前偏移量等，并給出可靠的控車輸出，從而實(shí)現(xiàn)控制列車自動(dòng)駕駛及精確停車功能。

A T O 的精準(zhǔn)停車控制策略整體流程如圖1 所示。

圖1 ATO的精準(zhǔn)停車控制策略整體流程圖Fig.1 Overall flow chart of ATO precise parking control strategy

2.2 基于低地板車輛的ATO控車策略的優(yōu)化

通過對比分析國內(nèi)外各種100%低地板輕軌列車可以看出，制動(dòng)系統(tǒng)的功能優(yōu)劣主要取決于電制動(dòng)的性能和與液壓制動(dòng)的配合，制動(dòng)系統(tǒng)中電制動(dòng)和液壓制動(dòng)采用分別控制的方式實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能，車輛將電制動(dòng)系統(tǒng)分別通過網(wǎng)絡(luò)和硬線發(fā)送至各個(gè)車輛的制動(dòng)電子單元，制動(dòng)電子單元通過讀取相應(yīng)的信號，確定各個(gè)動(dòng)車的電制動(dòng)是否正常，即就制動(dòng)系統(tǒng)控制而言，各個(gè)單車的電制動(dòng)只存在100%電制動(dòng)和無電制動(dòng)2 種情況，制動(dòng)電子單元之間無數(shù)據(jù)的交互，車輛依據(jù)等粘著利用的原則，在某輛車丟失電制動(dòng)的情況下，通過施加液壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。

上述100%低地板輕軌車輛的制動(dòng)系統(tǒng)特性決定了電制動(dòng)和液壓制動(dòng)切換階段的混合制動(dòng)過程，車輛在低速情況下進(jìn)行電制動(dòng)退出與空氣制動(dòng)補(bǔ)償?shù)倪^程并非如圖2 所示地鐵常用的A、B 型車的混合制動(dòng)中減速度應(yīng)恒定不變的過程，即100%低地板車無法實(shí)現(xiàn)在混合制動(dòng)過程中，液壓制動(dòng)對電制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)力的連續(xù)補(bǔ)償，同時(shí)液壓制動(dòng)力以固定的制動(dòng)級別進(jìn)行施加，因此低地板車輛無法保證制動(dòng)減速度的連續(xù)，制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力大小無法按照ATO 系統(tǒng)控車輸出指令執(zhí)行，呈現(xiàn)為失控狀態(tài)。

圖2 地鐵常用A、B型車混合制動(dòng)過程制動(dòng)力示意圖Fig.2 Schematic diagram for braking force of composite braking process for Type A and B commonly used in subway

本文針對100%低地板列車性能混合制動(dòng)期間的失控時(shí)間長，以及液壓制動(dòng)階段的制動(dòng)級位為不分級的制動(dòng)性能機(jī)制，ATO 系統(tǒng)制定了針對100%低地板列車的精準(zhǔn)停車控制策略，如圖3 所示，將常規(guī)的ATO 控車邏輯（整個(gè)停車階段使用連續(xù)閉環(huán)PID 負(fù)反饋控制策略）進(jìn)行修改，引入分段式模糊PID 控制算法，將整個(gè)停車階段劃分為3 個(gè)階段，分別為：電制動(dòng)參與的速度連續(xù)跟隨階段、混合制動(dòng)參與的速度分段控制階段、液壓制動(dòng)參與的一把閘階段，通過給定速度（命令速度）與反饋速度（列車當(dāng)前速度）作為輸入，通過有限狀態(tài)機(jī)FSM 制定了不同階段的控制策略協(xié)調(diào)配合，ATO輸出不同的控制列車級位，從而有效的控制列車以平滑的停車曲線，精準(zhǔn)的停穩(wěn)停準(zhǔn)在站臺的停車點(diǎn)位置。最終實(shí)現(xiàn)基于低地板輕軌車輛的ATO 精準(zhǔn)停車功能。

圖3 ATO的控制策略優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of ATO control strategy optimization

ATO 運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)FSM 制定ATO 系統(tǒng)的精確停車階段的控車策略如下。

1）停車點(diǎn)減速狀態(tài)機(jī)：基于車輛在高速階段制動(dòng)性能相對穩(wěn)定，制動(dòng)效果好的特點(diǎn)，滿足更新停車點(diǎn)信息的事件后，進(jìn)入進(jìn)站停車停車點(diǎn)減速邏輯，在停車點(diǎn)減速狀態(tài)機(jī)運(yùn)用模糊PID 的控制算法，調(diào)整列車位置和速度，使ATO 的停車過程為一個(gè)穩(wěn)定地跟蹤一條恒定制動(dòng)率的制動(dòng)曲線的過程，當(dāng)滿足列車速度小于TV(cm/s)或列車估計(jì)位置大于停車點(diǎn)前TS(cm)的事件條件后，狀態(tài)機(jī)執(zhí)行動(dòng)作，進(jìn)入電制動(dòng)階段狀態(tài)機(jī)。

2）電制動(dòng)階段狀態(tài)機(jī)：完成對于列車位置和速度的微調(diào)，保證進(jìn)入混合制動(dòng)階段的時(shí)候能夠有效的避免因車輛性能的制動(dòng)力失控導(dǎo)致的列車速度異常，當(dāng)滿足列車估計(jì)位置達(dá)到停車點(diǎn)前ADJ(cm)的事件后，進(jìn)入混合制動(dòng)階段狀態(tài)機(jī)。

3）混合制動(dòng)階段狀態(tài)機(jī)：ATO 控制策略中的混合制動(dòng)狀態(tài)機(jī)內(nèi)主要的動(dòng)作是利用分段的速度控制算法，制定不同的列車速度與輸出級位對應(yīng)策略，同時(shí)引入惰行級位的輸出，有效的將速度穩(wěn)定在一個(gè)能夠安全度過混合制動(dòng)期間列車性能失控的設(shè)定閾值，防止因混合制動(dòng)階段，電制動(dòng)和液壓制動(dòng)的綜合效果失控導(dǎo)致的ATO 輸出級位錯(cuò)亂問題。當(dāng)滿足列車估計(jì)位置超過停車點(diǎn)前STOP_S 的事件后，進(jìn)入液壓制動(dòng)狀態(tài)機(jī)。

4）液壓制動(dòng)狀態(tài)機(jī)：該狀態(tài)機(jī)為液壓制動(dòng)輸出恒定制動(dòng)力的過程，因液壓制動(dòng)的制動(dòng)力是不分級的制動(dòng)機(jī)制，不響應(yīng)ATO 輸出級位，因此ATO 的控制策略就是輸出最后一把閘級位，控制列車快速且精準(zhǔn)停車，因上述幾個(gè)階段狀態(tài)機(jī)，已經(jīng)將列車的速度和位置調(diào)節(jié)到了一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，符合固定減速度的條件，列車能夠精準(zhǔn)的停在站臺停車點(diǎn)。當(dāng)滿足正常停車且零速周期達(dá)到配置值的事件后，進(jìn)入停車狀態(tài)機(jī)。

5）停車狀態(tài)機(jī)：該狀態(tài)機(jī)為列車已經(jīng)停準(zhǔn)停穩(wěn)在站臺的停車點(diǎn)，完成了ATO 精準(zhǔn)停車的功能實(shí)現(xiàn)。

針對100%低地板列車的ATO 精準(zhǔn)停車階段運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)FSM 的狀態(tài)遷移，如圖4 所示。

圖4 ATO停車階段有限狀態(tài)機(jī)FSM的狀態(tài)遷移圖Fig.4 State transition diagram of finite-state machine FSM in ATO parking phase

3 控制策略的應(yīng)用及分析

通過將城市軌道交通領(lǐng)域100%低地板輕軌車輛的ATO 精準(zhǔn)停車控制策略應(yīng)用于長春快軌北湖線一期工程，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試、算法適應(yīng)性修改、參數(shù)反復(fù)尋優(yōu)等工作，得出車載ATO 精準(zhǔn)停車階段運(yùn)用分段式模糊PID 控制算法和有限狀態(tài)機(jī)FSM的各狀態(tài)機(jī)遷移事件和條件參數(shù)如圖5 所示。

圖5 ATO精準(zhǔn)停車階段運(yùn)用有限狀態(tài)機(jī)FSM的參數(shù)Fig.5 Parameters for finite-state machine FSM used in ATO precise parking phase

通過現(xiàn)場ATO 精準(zhǔn)停車測試的數(shù)據(jù)分析，ATO 停車精度滿足在停車誤差范圍±0.5 m 內(nèi)的概率大于等于99.999 8%。具體停車誤差和實(shí)際列車運(yùn)行曲線如圖6、7 所示。

圖6 應(yīng)用在長春北湖線的ATO停車誤差Fig.6 ATO parking error used in North Lake Line in Changchun

圖7 實(shí)際列車運(yùn)行曲線Fig.7 Actual train operation curve

4 結(jié)論

針對100%低地板輕軌車輛混合制動(dòng)階段失控以及液壓制動(dòng)不分級的制動(dòng)機(jī)制引起的ATO 停車精度差的問題，本文以100%低地板輕軌車輛為研究對象，運(yùn)用分段式模糊PID 控制算法和有限狀態(tài)機(jī)FSM 的控制策略，高效的實(shí)現(xiàn)了100%低地板輕軌車輛的ATO 精準(zhǔn)停車功能，并在實(shí)際軌道交通線路中進(jìn)行了應(yīng)用和驗(yàn)證，對列控ATO 系統(tǒng)的研究以及城市軌道交通的發(fā)展和具有重要作用。