孟 軍，余 剛，賈 鵬，許 碩

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

0 引言

自動駕駛技術(shù)的應用，可以有效地提高運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，是高速鐵路智能化的重要標志。高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)(ATO)是在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載增加ATO單元、通用無線分組業(yè)務(GPRS)電臺及相關(guān)配套設備，地面在臨時限速服務器(TSRS)、調(diào)度集中控制系統(tǒng)(CTC)、列控中心(TCC)等設備上增加功能，車站股道增加精確定位應答器，從而實現(xiàn)車站自動發(fā)車、站間自動運行、車站自動停車、車門自動開門與防護、車門站臺門聯(lián)動控制等功能[1]。自動駕駛技術(shù)的應用，可以有效的提高運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，有效降低運營成本，提高線網(wǎng)運營質(zhì)量[2]。隨著軌道交通運營里程的高速增長及高速鐵路ATO系統(tǒng)的推廣應用，對ATO車載設備的控制模式提出了更高的要求，要求ATO車載設備在運行準點率、控車舒適性、節(jié)能降耗等指標上達到優(yōu)秀司機的操作水平。

目前ATO車載設備通過無線通信網(wǎng)絡獲取CTC發(fā)送的站間運行計劃，嚴格依據(jù)站間運行計劃的到達/通過時間點計算區(qū)間運行速度曲線，并按照速度曲線控制列車準點到達或通過車站。當中間一個或多個車站為通過計劃時，若站間運行時間分配不合理，可能會導致ATO車載設備在自動駕駛過程中的多個區(qū)間運行過程出現(xiàn)“前松后緊”、“前緊后松”，或“時松時緊”的情況，影響停車站的準點率。通過研究提出高速鐵路ATO線路站間時間分配優(yōu)化方法，可以進一步優(yōu)化站間運行時間的分配，實現(xiàn)CTC與ATO車載設備的協(xié)同運行控制。

1 高速鐵路ATO準點運行時間分析

1.1 ATO準點運行功能

高速鐵路ATO線路中，ATO車載設備通過無線通信網(wǎng)絡接收CTC下發(fā)的運行計劃，并按照運行計劃控制列車準點高效運行。ATO準點運行功能由ATO車載設備和地面CTC和TSRS設備實現(xiàn)，ATO車載設備與地面TSRS設備通過GPRS網(wǎng)絡建立連接，地面CTC通過TSRS向ATO發(fā)送運行計劃信息，ATO車載設備通過TSRS向CTC發(fā)送列車運行狀態(tài)信息。無線通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless communication network structure

CTC系統(tǒng)周期向ATO車載設備發(fā)送3站2區(qū)間的運行計劃信息，包括：出發(fā)股道ID、出發(fā)時間、到達/通過股道ID、到達/通過時間、辦客/不辦客、通過/停車[3-4]。ATO車載設備收到運行計劃后，按照“準點運行”的原則，根據(jù)運行計劃(計劃到達/通過時間、通過/停車)及站間線路數(shù)據(jù)(固定限速、坡度、臨時限速、站間距)，結(jié)合當前位置、速度、線路坡度、空氣阻力、列車牽引性能、列車制動性能等因素，計算站間目標速度曲線，并控制列車按照目標速度曲線準點運行。與司機人工駕駛期間采用“定速巡航”的駕駛方式不同，ATO車載設備會根據(jù)區(qū)間準確的線路數(shù)據(jù)計算節(jié)能控制曲線，在保證準點的前提下，盡可能的使用惰行方式運行，行駛過程中充分利用線路坡度實現(xiàn)加速減速。當站間運行時間較寬裕的情況下，會有明顯的節(jié)能效果。

由于列車在運行過程中受非常多因素的影響，這些因素在列車運行過程中隨時可能發(fā)生變化，會導致當前預計的列車速度模型與實際列車運行的速度曲線存在偏差，該偏差隨著時間及距離的累計將逐漸放大，造成最終到站早點或晚點。因此，需要在列車運行過程中通過當前運行狀態(tài)實時校正預計的列車速度曲線，減少列車運行狀態(tài)變化造成的偏差，確保獲得最優(yōu)速度控制曲線。

1.2 運行計劃站間時間

目前，運行計劃站間時間的分配通常需要通過牽引計算，折算進站、出站時間，計算區(qū)間運行時間及各中間站的通過時刻，并結(jié)合司機人工駕駛的方式進行優(yōu)化。動車組司機在區(qū)間通常采用“定速巡航”的方式駕駛列車運行，并且對于中間車站通過時刻的準點性要求并不敏感，因而對于中間車站通過時刻分配的松緊對司機駕駛方式影響不大。與人工駕駛方式不同，ATO車載設備嚴格按照中間站通過時刻控制列車運行。當實際運營車次中出現(xiàn)1個或多個車站為“通過”時，中間車站所設置的“通過”時間點會直接影響ATO車載設備在本區(qū)間運行曲線、中間車站的通過速度、下一區(qū)間的起始速度和運行曲線。而當各區(qū)間時間分配不均時，ATO車載設備在不同區(qū)間運行會時快時慢，以及在停車車站發(fā)生準點、早點或晚點(以實際通過/到達時刻與運行計劃時刻偏差＜30 s為準點，偏差≥30 s為早點或晚點)到達的情況。

（1）前松后緊導致晚點到達。CTC設置A到C站的運行計劃，A站8 : 07 : 00發(fā)車，B站8 : 21 : 00通過，C站8 : 30 : 00到達，而司機以ATO模式從A站8 : 06 : 26早點34 s發(fā)車，B站8 : 20 : 54準點通過，C站8 : 30 : 30晚點30 s到達。A站到C站運行計劃執(zhí)行情況如表1所示。

表1 A站到C站運行計劃執(zhí)行情況Tab.1 Execution of the operation plan from Station A to C

對區(qū)間運行情況進行分析：A- ＞ B區(qū)間，ATO車載設備控制列車從A站出站后，根據(jù)B站計劃通過時刻計算區(qū)間運行曲線，先加速至貼近頂棚速度308 km/h左右運行，之后開始惰行至170 km/h左右，準點通過B站。B- ＞ C區(qū)間，ATO根據(jù)C站的計劃通過時刻計算區(qū)間運行曲線，加速至貼近頂棚速度308 km/h左右后開始巡航，之后進入減速區(qū)開始制動減速，進站停車，晚點30 s到達C站。

在 A- ＞ B- ＞ C 這個區(qū)間 ATO 車載設備按照CTC發(fā)送的運行計劃時刻準點執(zhí)行，但是由于A- ＞ B區(qū)間計劃時間較長，B- ＞ C區(qū)間時間較短，導致在A- ＞ B區(qū)間ATO車載設備先以較高的速度運行后惰行至較低的速度準點通過B站；由于B- ＞ C區(qū)間設置較緊，進入B- ＞ C區(qū)間后ATO車載設備再次加速至頂棚速度區(qū)之后保持巡航，并減速進站。A- ＞ B- ＞ C區(qū)間的時間分配，使ATO車載設備在A- ＞ B- ＞ C區(qū)間運行呈現(xiàn)了“凹”字形，由于給A- ＞ B區(qū)間分配較長，為了B站的準點通過的要求，ATO控制列車以較低的速度通過B站。由于B站通過速度較低，因而在B- ＞ C區(qū)間需要額外消耗時間用于加速，使得最終晚點30 s到達C站。ATO車載設備在A- ＞ B- ＞ C區(qū)間的運行情況如圖2所示。

綜上所述，應綜合考慮整個區(qū)間的運行情況，適當將B站的通過時刻向前調(diào)整，壓縮A- ＞ B區(qū)間的運行時間，以提高B站的通過速度，滿足B- ＞ C區(qū)間的時間要求。

（2）時間分配不均導致早點到達。CTC設置A到D站的運行計劃，A站15 : 31 : 00發(fā)車，B站15 : 44 : 48通過，C站15 : 51 : 06通過，D站15 : 56 : 30到達。司機以ATO模式從A站15 : 30 : 30早點30 s發(fā)車，B站15 : 44 : 40準點通過，C站15 : 50 : 56準點通過，D站15 : 55 : 40早點50 s到達。A站到D站運行計劃執(zhí)行情況如表2所示。

對區(qū)間運行情況進行分析：A- ＞ B區(qū)間，ATO車載設備從A站出站后，根據(jù)B站計劃通過時刻計算區(qū)間運行曲線，先加速至貼近頂棚速度308 km/h左右運行，之后開始惰行至225 km/h左右，準點通過B站。B- ＞ C區(qū)間，ATO車載設備根據(jù)C站的計劃通過時刻計算區(qū)間運行曲線，加速至貼近頂棚速度308 km/h左右后保持巡航。C- ＞ D區(qū)間處于減速區(qū)，ATO車載設備開始制動減速，進站停車，早點50 s到達D站。

圖2 ATO車載設備在A- ＞ B- ＞ C區(qū)間的運行情況Fig.2 ATO running scenario in A- ＞ B- ＞ C

表2 A站到D站運行計劃執(zhí)行情況Tab.2 Execution of the operation plan from Station A to D

在A- ＞ B- ＞ C這個區(qū)間ATO車載設備按照CTC發(fā)送的運行計劃時刻準點執(zhí)行，但是在C- ＞ D區(qū)間進入減速區(qū)后開始減速運行，最終早點到達D站。由于A- ＞ B區(qū)間計劃時間較長，B- ＞ C區(qū)間計劃時間較短，C- ＞ D區(qū)間計劃時間較長，導致ATO在A- ＞ B區(qū)間先以較高的速度運行后惰行至較低的速度準點通過B站，進入B- ＞ C區(qū)間后再次加速并在頂棚速度區(qū)巡航，進入C- ＞ D區(qū)間之后計劃時間較長，但是由于已經(jīng)進入減速區(qū)，沒有調(diào)節(jié)余量，最終早點50 s到達D站。這個區(qū)間計劃時間分配，使得第一個區(qū)間較松，第2個區(qū)間時間較緊，最后1個區(qū)間處于減速區(qū)，沒有調(diào)節(jié)空間。ATO 車載設備在 A- ＞ B- ＞ C- ＞ D 區(qū)間的運行情況如圖3所示。

綜上所述，應綜合考慮整個區(qū)間的運行情況，適當將B站的通過時刻向前調(diào)整，壓縮A- ＞ B區(qū)間的運行時間，加長B- ＞ C區(qū)間的運行時間，以提高B站的通過速度，降低C站的通過速度，滿足C- ＞ D區(qū)間的準點運行的要求。

2 高速鐵路ATO站間時間分配優(yōu)化方法及驗證

2.1 站間時間分配優(yōu)化方法

由于各中間車站的通過速度將對后續(xù)車站的準點到達產(chǎn)生影響，因而站間時間優(yōu)化方法需要將從“發(fā)車”到“停車”，包括中間各“通過”車站的整個運行區(qū)間作為整體進行考慮，滿足準點到達停車車站的要求。建立列車動態(tài)模型，綜合計算坡度、運行阻力、分相區(qū)等線路條件對列車運行的影響，考慮ATO控制算法，結(jié)合站間線路限速，按照到站時間對整個區(qū)間的運行速度曲線進行計算，從而獲得中間各車站的通過時刻。

記A站發(fā)車，B，C，D站通過，E站停車，在進行區(qū)間的時間優(yōu)化分配時，需要將A- ＞ E作為完整區(qū)間進行優(yōu)化計算，根據(jù)E站的計劃到站時刻，結(jié)合車輛動態(tài)模型及線路數(shù)據(jù)，代入ATO車載設備控制算法，計算從A站出發(fā)E站到達的整個區(qū)間運行速度曲線，可獲得中間通過B，C，D各站的時刻數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)中間各站時間的優(yōu)化分配。如果對于某些中間車站的通過時間段有明確要求，如需要列車不早于或不晚于某個時刻通過中間站，可將該約束條件作為輸入，帶入優(yōu)化方法進行計算。站間運行時間的優(yōu)化方法如圖 4所示。圖4中綠框所示C站對“通過”時刻有明確的窗口要求，應將其作為約束條件進行計算，從而獲得帶約束條件的中間各站“通過”時刻的計算結(jié)果。

圖3 ATO車載設備在A- ＞ B- ＞ C- ＞ D區(qū)間的運行情況Fig.3 ATO running scenario in A-＞B-＞C-＞D

圖4 站間運行時間優(yōu)化方法Fig.4 Optimization method of time allocation between stations

為了對站間運行時間進行優(yōu)化計算，建立由列車動態(tài)模型、線路數(shù)據(jù)庫、ATO控制模型3部分組成的站間時間分配優(yōu)化模型。

（1）建立列車動態(tài)模型。主要包括動車組車輛不同級位牽引、制動動態(tài)性能、列車運行過程中的阻力特性及列車能耗模型等，主要用于準確計算列車在區(qū)間運行的速度、里程。

（2）建立線路數(shù)據(jù)庫。主要包括以下數(shù)據(jù)：①線路限速和臨時限速；②線路坡度；③車站位置；④各站側(cè)向通過速度；⑤運行路徑；⑥分相區(qū)位置、長度；⑦其他影響自動駕駛控制的線路條件。

（3）建立ATO控制模型[5-6]。ATO控制模型包括速度曲線計算和ATO閉環(huán)控制算法2部分。速度曲線計算部分需要分別針對線路數(shù)據(jù)庫的限速、坡度、站間距、側(cè)線限速等條件，計算ATP保護速度曲線及ATO目標數(shù)速度曲線，計算結(jié)果取最小則為ATO控車速度曲線。ATO閉環(huán)控制算法采用比例微分積分(PID)控制算法，以列車的速度、位置作為反饋輸入，計算牽引、制動命令，從而控制列車按照目標速度曲線運行。

列車運行圖系統(tǒng)[7-10]需要結(jié)合列車實際發(fā)車時間，將整個區(qū)間運行計劃時刻、時間約束條件及線路數(shù)據(jù)作為輸入，代入ATO控制模型，得到ATO的牽引、控制命令，控制命令作用于列車動態(tài)模型計算得到列車的速度和位置信息，以此作為ATO控制模型的反饋輸入，進行整個區(qū)間速度曲線的計算和運行時間的預估，經(jīng)迭代計算后可獲得中間各站優(yōu)化后的“通過”計劃時刻，其結(jié)果可作為CTC下發(fā)的各站間的運行計劃時間。站間時間分配優(yōu)化模型如圖5所示。

圖5 站間時間分配優(yōu)化模型Fig.5 Optimization model of time allocation between stations

2.2 站間時間分配優(yōu)化方法驗證

使用站間時間分配優(yōu)化方法，可以對運行計劃中各站間運行時間進行更加合理的分配。以A到C站的情況為例進行優(yōu)化計算。為了與原執(zhí)行情況進行對比，優(yōu)化計算時采用相同的發(fā)車時間，以A站實際的發(fā)車時間和C站計劃到站時間為基準，對B站的通過時間進行優(yōu)化計算，得出B站計劃通過時間為8 : 18 : 06，比原計劃提前1 min 54 s。CTC按照優(yōu)化計算結(jié)果下發(fā)A到C站的運行計劃，ATO車載設備根據(jù)優(yōu)化后的運行時間控制列車在8 : 06 : 26發(fā)車，8 : 17 : 58準點通過B站，并在8 : 29 : 50準點到達C站。與原計劃相比，C站的到站準點性由晚點30 s到達提高到準點到達(偏差＜30 s)。時間分配優(yōu)化對比如表3所示。

表3 時間分配優(yōu)化對比Tab.3 Time allocation optimization comparison

與優(yōu)化前區(qū)間自動駕駛運行情況相比，優(yōu)化后的計劃時刻使ATO車載設備控制列車通過B站時速度由170 km/h提高到265 km/h，C站的到達時間由晚點30 s變?yōu)榱藴庶c到達。同時，在A- ＞ B- ＞ C整個區(qū)間ATO車載設備按照節(jié)能算法控制運行更加平穩(wěn)，以準點運行為基本要求，先貼近頂棚區(qū)以308km/h的速度巡航運行，之后采用惰行+小級位制動的節(jié)能控制方式，準點通過B站，在B- ＞ C區(qū)間保持惰行+小級位制動的方式控車，未再使用牽引命令加速，最后減速進站，準點到達C站。在整個區(qū)間運行過程中，沒有出現(xiàn)優(yōu)化前的“凹”字形速度曲線，ATO車載設備控制更加平穩(wěn)、節(jié)能。優(yōu)化后的ATO 車載設備在 A- ＞ B- ＞ C區(qū)間的運行情況如圖6所示。

3 結(jié)束語

CTC系統(tǒng)下發(fā)的運行計劃是ATO車載設備控制列車高效、準點、平穩(wěn)運行的基礎(chǔ)，在運行計劃生成時使用站間時間分配優(yōu)化方法，可獲得中間各站優(yōu)化后的通過時刻，與原計劃時刻的運行情況相比，經(jīng)過優(yōu)化計算后的時刻表可以在保證ATO車載設備準點運行的前提下，更多地使用惰行工況，避免多次牽引加速的情況，列車在區(qū)間運行更加平穩(wěn)、節(jié)能。目前，站間時間分配優(yōu)化方法在實驗室進行了測試與驗證，后續(xù)將結(jié)合運行圖的編制系統(tǒng)進行深入研究，以滿足實際線路的應用需求，進一步提高高速鐵路ATO線路自動駕駛列車運行的效率。

圖6 優(yōu)化后的ATO車載設備在A- ＞ B- ＞ C區(qū)間的運行情況Fig.6 ATO running scenario in A- ＞ B- ＞ C after optimization