吳大武

（合肥市軌道交通集團有限公司運營分公司，合肥 230092）

城市的不斷發(fā)展，城市軌道交通的高效運營是國內(nèi)城市發(fā)展的必然趨勢，而列車控制系統(tǒng)自動化程度的好壞將是城市軌道交通發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。ATO子系統(tǒng)作為列車運行控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，起著十分重要的作用。ATO在ATP子系統(tǒng)的安全防護下，高效、經(jīng)濟、合理地控制列車的牽引和制動，實現(xiàn)列車自動駕駛、區(qū)間運行、精確停車、節(jié)能控車等功能。因此良好的ATO系統(tǒng)控車策略對于城市軌道高效發(fā)展具有重要意義。

1 概述

1.1 研究背景與現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已有大量針對列車控制系統(tǒng)自動化策略的研究。文獻[2]將牽引與制動作為控制變量，計算列車的最優(yōu)控制序列。文獻[3]提出基于模糊Petri神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，深入研究了系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，從而提高ATO控制算法的精準性。新加坡國立大學的 Chang C.S 教授對列車運行惰行點位置進行研究，通過遺傳算法優(yōu)化列車運行方案[4]。文獻[5]將模糊控制和預(yù)測理論運用到列車控制系統(tǒng)，提出了預(yù)測模糊列車控制系統(tǒng)。

列車控制信號系統(tǒng)在合肥3號線工程應(yīng)用過程中，因列車信號傳輸具有較大延時，不同列車性能存在差異性且道路環(huán)境因素復(fù)雜，導致控車難度較高。本文設(shè)計實現(xiàn)一種基于追趕時間計算控制的ATO制動控制優(yōu)化策略，能夠有效地解決實際存在的工程應(yīng)用問題，保證ATO系統(tǒng)的精確控制。如圖1所示。

圖1 ATO控制系統(tǒng)模型示意Fig.1 Model of ATO control system

1.2 列車制動系統(tǒng)與性能

合肥3號線列車的制動系統(tǒng)包括電制動、空氣制動、以及電氣指令單元。該制動系統(tǒng)為計算機閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)，采用分散式控制，即以每個轉(zhuǎn)向架為單位設(shè)置單個制動控制單元。車與車之間的接口、功能相匹配，編成列車后不互相干擾[6]。在與ATO系統(tǒng)交互時，能夠?qū)崟r接收ATO的控制指令，并依據(jù)指令進行相應(yīng)制動力的輸出。

在列車進站停車制動過程中，低速下的電制動與空氣制動的轉(zhuǎn)換十分關(guān)鍵，即混合制動階段，在此轉(zhuǎn)換過程中，由于車輛的制動系統(tǒng)是多系統(tǒng)配合且響應(yīng)ATO系統(tǒng)制動級位延時較大，因此制動可控性不足。如何適應(yīng)多列車的不同制動性能狀態(tài)而有效控車成為ATO自動駕駛系統(tǒng)制動控制策略制定的研究難點。

2 ATO制動控制策略的優(yōu)化

在進站停車過程中，面對列車運行系統(tǒng)大延時、非線性等特點，本文研究一種基于追趕時間計算控制的列車制動控制策略，能夠有效解決列車制動過程中舒適度與停車精度等問題。

本文描述的追趕時間算法應(yīng)用于控制列車至目標點或停車點。假設(shè)當前列車均減速運動至目標點或停車點前配置值，計算實際運行時間racttime，如公式（1）所示。計算目標速度和當前速度的差值，若此差值小于0，即目標速度小于當前速度，則計算各個級位消除速度差的追趕時間catchtime，如公式（2）所示，選取小于racttime的最大追趕時間對應(yīng)的級位，如圖2所示。若此差值大于0，即目標速度小于當前速度，計算能夠減小速度差的各個級位消除速度差的追趕時間catchtime，選取大于racttime的最大追趕時間對應(yīng)的級位，如圖3所示。

圖2 目標速度小于當前速度示意Fig.2 Target speed is less than the current speed

圖3 目標速度大于當前速度示意Fig.3 Target speed is greater than the current speed

St和vt為配置值，Scur和vcur如公式（3）所示為當前的列車位置和速度，v級位如公式（4）所示為級位的減速率考慮坡度影響后的綜合減速率，對應(yīng)的級位即為列車電流環(huán)相對應(yīng)的電流值，控制列車的牽引和制動。

每次選取出列車能夠達到目標點前，列車速度能回歸至目標速度，同時滿足最高舒適度的追趕曲線所對應(yīng)的級位作為控車級位，將會控制列車貼近目標速度曲線。當使用無級控車時，即電流環(huán)步長劃分更加精細，此曲線將會更加精細地貼近目標速度曲線，并最終達到精確控車的目的。

圖4 追趕時間控車算法最終效果示意Fig.4 Schematic diagram of the final effect of the chasing time train control algorithm

當列車從當前位置以當前速度做勻減速運動至目標點時，若平均減速度與某個級位的減速率接近，微小的速度差就會對追趕時間造成很大的影響，加上列車的延時，此時容易出現(xiàn)級位連續(xù)減小，對于延時大的車輛，這種效果尤為顯著，為避免這種情況出現(xiàn)，在距離目標點一定位置時，提前進入下一狀態(tài)機，即當需要從惰行轉(zhuǎn)制動時，在未到達目標速度與目標距離時，提前進入減速狀態(tài)。

另外，當列車進入電空轉(zhuǎn)換階段時，由于控制效果差，不能很好的響應(yīng)ATO系統(tǒng)輸出的級位，從進站制動過程采用一次制動停車曲線控車算法，優(yōu)化為在電空轉(zhuǎn)換過程中施加小制動甚至惰行的控車曲線算法，從而緩解車輛制動力固有離散性引起的ATO停車精度差的問題。在列車電空轉(zhuǎn)換過程后，將繼續(xù)以追趕時間控制算法控制列車精確停車。

3 列控系統(tǒng)ATO控車策略的應(yīng)用

合肥3號線為使ATO控車更加精確，提升控車舒適度。采用追趕時間ATO控制策略，使得控車更加精確，提升區(qū)間運行舒適度與站臺停車精度。

舒適度優(yōu)化前的停車曲線如圖5所示（依據(jù)合肥3號線現(xiàn)場數(shù)據(jù)繪制）。

同一區(qū)間繪制舒適度優(yōu)化后的停車曲線如圖6所示。從優(yōu)化后的控車曲線可以明顯看出，列車在進站制動過程中，列車實際運行曲線更加貼近命令速度曲線，速度變化更為平緩，沖擊率下降，有效提升乘車舒適度。

圖6 舒適度優(yōu)化后合肥3號線同一區(qū)間控車曲線示意Fig.6 Train control curve of the same section of Hefei Line 3 after comfort optimization

同時在采用優(yōu)化后的追趕時間ATO控制策略下，采用合肥3號線調(diào)試前、后數(shù)據(jù)分析如圖7、8所示。

圖7 合肥3號線控車策略優(yōu)化前停車誤差Fig.7 Stop error before the optimization of train control strategy for Hefei Line 3

4 結(jié)束語

本文提出一種ATO系統(tǒng)進站制動的控制策略，能夠?qū)崟r計算ATO命令速度曲線并進行速度修正，通過合肥3號線列控系統(tǒng)的現(xiàn)場驗證。本文提出的制動控車策略更為精準，同時能夠適應(yīng)不同車型與環(huán)境，優(yōu)化ATO系統(tǒng)的乘車舒適度與停車精度，在列控信號系統(tǒng)精確控車工程應(yīng)用方面具有實用價值。

圖8 合肥3號線控車策略優(yōu)化后停車誤差Fig.8 Stop error after the optimization of train control strategy for Hefei Line 3