袁水平

列車自動駕駛（ATO）技術(shù)應(yīng)用開始于上世紀(jì)60 年代的城市軌道交通領(lǐng)域，1967 年，世界首條采用ATO 技術(shù)的地鐵線路在倫敦開通運營，隨后ATO 技術(shù)得到日益廣泛的應(yīng)用。近10 年以來，ATO技術(shù)開始逐步向城際和高速鐵路延伸。2016年03月，采用CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)的珠三角城際鐵路開通運營，成為世界首條采用ATO 技術(shù)的時速200 km 城際鐵路，在行業(yè)內(nèi)贏得了廣泛關(guān)注和認(rèn)可。自開通運營以來，ATO技術(shù)得到充分驗證，對保證列車運行安全、提高運輸效率發(fā)揮了關(guān)鍵作用［1］。

城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備構(gòu)成，其中車載設(shè)備由ATP（列車自動防護系統(tǒng)）和ATO 構(gòu)成，ATO 系統(tǒng)是在ATP系統(tǒng)的安全防護下，結(jié)合時間調(diào)整命令、前方信號狀態(tài)、軌道線路條件等因素自動計算列車的目標(biāo)運行模式曲線［2］。ATO 系統(tǒng)在不超速、不觸發(fā)ATP緊急制動的前提下，通過高效、經(jīng)濟、合理的控車策略控制列車的牽引和制動，自動調(diào)節(jié)控制列車運行，提高列車運行效率，滿足站間運行間隔、到站精度、乘客舒適性等性能要求［3］。

ATO 系統(tǒng)的控車策略實質(zhì)是依靠事先給定的目標(biāo)速度曲線，由控制系統(tǒng)實時自動調(diào)整列車的運行速度，實現(xiàn)列車實際運行速度對給定目標(biāo)速度的精確跟蹤，其中最主要的任務(wù)是高精度速度跟蹤控制器及控制算法的設(shè)計，以及對列車運行狀態(tài)的建模［4?6］。目前有許多控制策略應(yīng)用于ATO 系統(tǒng)的速度跟蹤控制中，如經(jīng)典PID 控制［5］、模糊控制［7］、遺傳算法控制［8］、滑模PID 組合控制［2］等。經(jīng)典PID 控制器將設(shè)定值和輸出值的偏差按照積分、微分和比例進行控制，這種方法在控制速度時加減速切換次數(shù)過多，不利于控制列車平穩(wěn)運行；模糊控制器通過估計下一時刻的安全度、運行速度、停車精度等指標(biāo)選擇相應(yīng)的控制量，可以實現(xiàn)多目標(biāo)控制，但控制過程參數(shù)不斷變化，易造成由于對參數(shù)估計不當(dāng)而導(dǎo)致控制效果較差；遺傳算法控制器適用于復(fù)雜和非線性系統(tǒng)，可做到自適應(yīng)控制，但其穩(wěn)定性較差，同樣不利于控制列車平穩(wěn)運行。而滑模PID組合控制器具有魯棒性好和自適應(yīng)的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)ATO 系統(tǒng)對目標(biāo)曲線快速且平滑的跟蹤。

良好的ATO 系統(tǒng)控車策略除了對于列車的高效、節(jié)能運行具有重要意義外，對乘客在乘車過程中的體驗感尤其是舒適性方面也非常重要。本文針對珠三角城際線CTCS2-200K+ATO 車載在列車運行過程中控車舒適性欠佳問題，在探討城際鐵路CTCS2+ATO 系統(tǒng)控車策略及控車舒適性的基礎(chǔ)上，分析造成該問題的原因，并提出基于滑模PID組合控制器的ATO系統(tǒng)控制策略優(yōu)化方案。

1 城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)控車策略

本文所述ATO 系統(tǒng)的控制策略采用滑模PID組合控制器，其結(jié)構(gòu)見圖1。滑模PID 組合控制器由滑?？刂破鳎⊿liding Mode Control，SMC）和PID 控制器兩部分組成?；？刂破魇且环N特殊類型的變結(jié)構(gòu)非線性控制，其核心思想是設(shè)計一個切換超平面，使系統(tǒng)狀態(tài)沿著預(yù)設(shè)的滑動模態(tài)運動，具有對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、控制策略簡單易實現(xiàn)等優(yōu)點。雖然SMC 的切換具有理想開關(guān)特性，但是實際上由于外界干擾和模型誤差等原因，SMC 很難達到理想開關(guān)特性，使得在滑模切換過程中系統(tǒng)容易出現(xiàn)較大的抖動。而PID控制器是一種誤差反饋調(diào)節(jié)器，可將前級滑模控制輸出與列車實時測量的實際加速度的偏差按比例、積分和微分進行控制［2］。將滑?？刂破髋cPID 控制器進行組合，可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，削弱甚至消除滑模控制器的抖動，提高對列車的控制精度。

圖1 滑模PID組合控制器結(jié)構(gòu)

控制器模型及其參數(shù)：

式中：ac(t)為目標(biāo)控車加速度，即通過列車牽引制動控制系統(tǒng)期望得到的加速度；asl(t)為滑?？刂破鞯妮敵?；acu(t)為實時測量的列車加速度；acl(t)為滑?？刂破鬏敵鲋蹬c列車加速度實時測量值的偏差；aref(t)為目標(biāo)加速度，即ATO 系統(tǒng)控車時根據(jù)列車當(dāng)前位置、速度、加速度、目標(biāo)點距離、目標(biāo)點限速、列車牽引制動性能等實時計算得到的目標(biāo)參考速度曲線中所對應(yīng)的加速度值；ve(t)為列車當(dāng)前速度與目標(biāo)速度之間的偏差值；ae(t)為列車當(dāng)前加速度與目標(biāo)加速度之間的偏差值；k為靜態(tài)增益；kp、ki、kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，其值分別為0.1、0.05 和0；k?v和k?a分別為速度滑模增益和加速度滑模增益，其值分別為0.6和0.3。

2 ATO控車舒適性

評價ATO 系統(tǒng)的主要指標(biāo)包括準(zhǔn)點率、停車精度、舒適性和耗能。其中，準(zhǔn)點率、停車精度和耗能情況是較為客觀的評價指標(biāo)，而舒適性主要是指乘客在乘車過程中的感受，是一種較為主觀的評價指標(biāo)。

2.1 舒適性評價

從廣義上來講，乘車過程中對舒適性的評價可能受到多種因素影響，不僅包括列車本身的振動、沖擊、空間設(shè)計等，還包括諸如車廂內(nèi)的噪聲、人流量的大小、溫度、濕度、空氣清新度等環(huán)境因素。除此之外，與乘客本身的身體健康狀態(tài)和心理狀態(tài)也有密切關(guān)系［8］。從狹義上來講，舒適性主要指乘客對列車運行平穩(wěn)性的感受。本文主要針對狹義上的舒適性進行研究和分析。

針對乘客乘坐舒適性要求，目前有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的ISO2631 標(biāo)準(zhǔn)和國際鐵路聯(lián)盟（UIC）提出的UIC513 標(biāo)準(zhǔn)［9］；國內(nèi)《城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案》［10］中明確ATO 系統(tǒng)控制列車減速度的變化率（即沖擊率）宜小于0.75 m/s3。

當(dāng)前較多研究都將沖擊率大小作為評價指標(biāo)。文獻［11］在對自動駕駛算法舒適性進行仿真分析時，將啟動和停車時的沖擊率不高于0.5 m/s3，以及其他階段的沖擊率不高于0.4 m/s3作為是否滿足舒適性要求的判斷依據(jù)；文獻［12］針對天津2 號線列車前期調(diào)試存在舒適性較差的情況，以沖擊率為基礎(chǔ)，分析認(rèn)為主要原因是車鉤緩沖裝置存在沖動和異響，以及ATO 模式下頻繁牽引制動引起的沖動加劇。但其他研究表明，人體在隨列車運動過程中，前后方向的加速度也會對生理產(chǎn)生影響［13?14］。當(dāng)列車持續(xù)加速或者減速時，人體在慣性力的作用下，可能會出現(xiàn)呼吸困難、惡心、心跳加快、心慌等不適癥狀；而頭部和上身會傾斜，可能導(dǎo)致頸部和背部肌肉的疲勞。加速度對人體的影響也是符合直觀感受的，即乘客長時間在以較大加速度運行的載體環(huán)境中會感到不適。

因此，本文提出在ATO 控車設(shè)計過程中考慮舒適性時，除了要考慮沖擊率，也需要考慮控車過程中的加速度大小。

2.2 不同控車階段的舒適性

ATO 系統(tǒng)根據(jù)預(yù)編程的控制算法，通過控制加/減速來實現(xiàn)列車的自動運行控制功能。一次完整的ATO 站間運行過程主要包含加速啟動發(fā)車階段、恒速巡航階段和減速停車階段。

1）加速啟動發(fā)車階段。在列車啟動加速過程中，如果牽引力突然增加到最大值，會導(dǎo)致加速度及沖擊率過大，引起乘客身體不適。因此，為了提高舒適性，ATO系統(tǒng)應(yīng)控制列車逐步增加牽引力，使加速度逐漸增加并保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，同時應(yīng)當(dāng)在調(diào)整級位時保持一定的時間間隔。

2）恒速巡航階段。在該階段，ATO 系統(tǒng)控車的目標(biāo)是使列車以相對恒定的速度運行，在此過程中需要頻繁地控制列車進行加速（惰行過程中列車由于受到阻力會緩慢減速），但使用較大的牽引級位加速雖然會提升運行效率但影響控車的舒適性。因此，一個舒適性較好的恒速巡航過程為：①當(dāng)列車速度低于目標(biāo)速度下限時，ATO系統(tǒng)先控制列車逐級增加牽引級位，保持一定時間后再逐級減小牽引級位，使列車加速至目標(biāo)速度；②當(dāng)列車加速至目標(biāo)速度上限時，ATO控制列車從大到小逐級撤銷牽引，直至列車開始惰行；③當(dāng)列車惰性一段時間后速度降低至目標(biāo)速度下限，再重復(fù)①和②的過程，使列車速度在目標(biāo)速度上下一定范圍內(nèi)波動。

3）減速停車階段。列車減速進站停車包含2 個過程：進入站臺前的區(qū)間制動階段和進入站臺后的制動停車階段。在區(qū)間制動階段，為了控制列車平穩(wěn)減速從而提高控車舒適性，ATO 系統(tǒng)根據(jù)連續(xù)速度-距離模式曲線，從合適的位置開始，提前對列車從小到大逐級增大制動級位；在接近目標(biāo)限速點時，再從大到小逐級撤銷制動，最終以較小制動或者依靠惰行，平穩(wěn)控制列車在進入站臺前將速度降低至站臺限速以下。在進入站臺后的控車目標(biāo)與區(qū)間制動階段類似，為保證停車準(zhǔn)確度并兼顧舒適性，在接近目標(biāo)停車點時應(yīng)以小級位制動結(jié)合惰行方式控制列車減速停車。

3 案例分析

珠三角城際鐵路ATO 系統(tǒng)（車載為CTCS2-200K+ATO）在區(qū)間制動減速進站階段控車舒適性欠佳問題較為突出。

3.1 減速前控車策略分析

進站前ATO 系統(tǒng)控制列車從160 km/h 降至80 km/h 的過程見圖2。圖2 中，紅色線段為列車實際速度，黃色線段為列車實際加速度。列車減速時，為保證舒適度，控制命令曲線需平緩地變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)列車接近進站停車點一定距離時，應(yīng)提前將牽引命令逐漸減小到零，準(zhǔn)備進行小制動或者利用惰性減速，維持列車速度平穩(wěn)變化。但由圖2 可以看出，ATO 系統(tǒng)控制列車從恒速區(qū)進入降速區(qū)前并未提前準(zhǔn)備減速，而是按照正常的控車指令進行速度跟隨，導(dǎo)致在進入減速區(qū)前有加速趨勢后直接開始制動減速，初始減速度較大且減速過程中減速度波動較大，乘客舒適性體驗較差。

圖2 進站前ATO降速過程

3.2 減速過程分析

圖3 所示為一個典型的站前減速過程，其中青色線為ATO 系統(tǒng)控車的目標(biāo)速度，黑色線為列車速度，黃色線為列車減速度。在站臺停車過程之前是站前減速過程，制動初始階段列車減速度比較大，其絕對值通常可達到0.8 m/s2以上。站前減速限制點（Non_vital_train_limit_speed）的計算配置見表1。表1中，80 km/h為距離運營停車點1 000 m時的站臺限速，200 km/h為距離運營停車點2 850 m時的區(qū)間限速。

表1 站前減速限制點計算配置

圖3 站前減速過程中列車減速度變化曲線

根據(jù)表1 的配置，速度與距離是線性關(guān)系（減速過程是一個變減速過程，且初始階段減速度較大），根據(jù)運營停車點距離，通過線性插值方式計算站前減速限制點處的速度v為

式中：s為當(dāng)前列車位置距停車點的距離；v1為區(qū)間限速；v2為站臺限速；s1為從區(qū)間限速到站臺限速開始的減速點；s2為站臺限速起點。

將列車運行至距離運營停車點2 850 m（即s1的位置）的時刻記為開始減速時間原點，將s1的位置記為開始減速點（即走行距離原點），記st為列車距開始減速點的走行距離，st，1為開始減速點（則st，1=0 m），st，2為站臺限速起點（則st，2=1 850 m），則可將式（4）轉(zhuǎn)化為

式中：取v1=200 km/h（換算為m/s），v2=80 km/h（換算為m/s），記則k≈ 0.018。

將式（5）簡化為

對式（6）求導(dǎo)得a= -kv，進一步求導(dǎo)可得

解式（7）可得

根據(jù)式（8），則站前減速度變化過程如圖4 中的紅色線所示，其初始值為-1 m/s2，終點值為-0.4 m/s2，減速過程總時間為50.8 s，制動初始階段減速度比較大且平均減速度也較大。顯然，如果要達到勻減速過程，那么距離與速度之間的映射應(yīng)該按照二次平方關(guān)系進行配置。

圖4 速度和距離線性配置時的變化曲線

綜上分析，在列車進站過程中影響乘客舒適性體驗的原因主要有2 個：一是列車在開始減速前可能會有一段加速期；二是列車從區(qū)間高速巡航狀態(tài)結(jié)束時直接從加速狀態(tài)變?yōu)闇p速進站狀態(tài)，導(dǎo)致制動初始階段及持續(xù)的減速過程中減速度及其變化偏大，影響舒適性。

4 優(yōu)化方案

通過上述分析，針對減速進站階段舒適性欠佳的問題，優(yōu)化方案整體思路如下。

1）調(diào)整ATO 系統(tǒng)部分控制參數(shù)，使減速過程更加平緩，提高舒適性。

2）盡可能減小加速度的變化率。

4.1 減速前控車策略優(yōu)化

車載信號計算的控制命令由兩部分組成：滑模參考控制命令和閉環(huán)誤差調(diào)整命令。降低列車高速運行時的滑模增益系數(shù)，可避免控制命令飽和。牽引工況下，滑模增益系數(shù)減小后的滑模參考控制命令見圖5。圖5 中，紅色線為牽引等級（牽引等級范圍為0～10 級，等級越高相應(yīng)的牽引力越大，列車加速越快），黃色線為列車速度，綠色線為滑模參考控制命令，藍色線為誤差積分調(diào)整命令。從圖5 可以看出，控制命令始終在7 級以下，而優(yōu)化之前牽引等級最大可達到10 級。這是由于滑模參考控制命令不再進入飽和狀態(tài)，閉環(huán)誤差積分調(diào)整命令起主要作用，消除了坡度等各種誤差因素。隨著積分的累積作用，列車速度逐漸趨近目標(biāo)速度，當(dāng)列車速度距目標(biāo)速度小于2 km/h 時，立即撤銷牽引，則牽引等級最大變化范圍是從7 級降到0 級，相比于優(yōu)化之前從10級直接降到0級，頓挫感會有所改善。

圖5 牽引工況下滑模增益系數(shù)減小后的滑模參考控制命令

4.2 減速過程控車優(yōu)化

為實現(xiàn)勻減速的站前減速過程，將速度與距離的關(guān)系按照二次函數(shù)進行映射，見圖6。從圖6 可以看出，在進站過程中速度曲線更加平緩。進行線性近似分段后可得優(yōu)化后的Non_vital_train_lim?it_speed（非安全列車限速），見表2。

表2 優(yōu)化后的Non_vital_train_limit_speed

圖6 優(yōu)化后的速度和距離關(guān)系

通過對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的進站減速階段相比于優(yōu)化前提前了約843 m，故在保證距離停車點1 000 m 可以降速到80 km/h 的前提下，ATO 系統(tǒng)可以在初始階段以更小的減速度控制列車減速。優(yōu)化后一個典型站前勻減速過程見圖7。圖7 中，蘭色線為ATO 系統(tǒng)控車的目標(biāo)速度，黑色線為列車速度，黃色線為列車減速度。對比圖7 和圖3，優(yōu)化后列車在進站過程中，ATO系統(tǒng)在初始制動階段減速度最大不超過0.6 m/s2，減速過程較為平緩，提高了ATO系統(tǒng)控車的舒適性。

圖7 站前勻減速過程

5 現(xiàn)場驗證

圖8 所示為列車進站前在同一地點ATO 系統(tǒng)控車策略優(yōu)化前后的日志對比。從圖8 可以看出，優(yōu)化后的制動曲線更加平滑，減速度更加穩(wěn)定，降低了該階段的沖擊率，舒適性得到有效提升。具體表現(xiàn)在以下2個方面。

1）優(yōu)化前的速度曲線在減速階段會有一個速度增大的時間段，但優(yōu)化后的速度曲線更加平滑，是一個連貫的減速過程。

2）優(yōu)化后的加速度曲線更加穩(wěn)定。優(yōu)化前，在列車開始減速后有一個加速過程，其后開始持續(xù)減速，但加速度值在-0.4～-0.7 m/s2之間變化。優(yōu)化后的加速度值在開始減速前基本為0，在開始減速后，在約6 s內(nèi)的加速度值由0減小到-0.5 m/s2，且基本穩(wěn)定在-0.4～-0.5 m/s2，其沖擊率約為0.09 m/s3。

6 結(jié)論

針對珠三角城際CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)控制列車減速進站過程中舒適性欠佳問題，對進站前ATO 的控車策略進行了優(yōu)化，其中針對列車進站進入降速區(qū)前存在異常加速而導(dǎo)致的沖擊率過大問題，采取降低列車高速運行時的滑模增益系數(shù)避免控制命令飽和的優(yōu)化方案；針對站前減速過程速度與距離采用線性關(guān)系導(dǎo)致減速過程不平穩(wěn)問題，提出將速度與距離關(guān)系按照二次函數(shù)進行映射的優(yōu)化方案。通過現(xiàn)場驗證，ATO 控車進站停車減速過程更加平緩，舒適性得到顯著提升，達到了預(yù)期效果，可為ATO 系統(tǒng)控車曲線的優(yōu)化提供參考。但ATO 系統(tǒng)控車舒適性的提升是一個逐步完善的過程，后續(xù)仍需持續(xù)分析和研究優(yōu)化策略，以不斷提升乘客舒適性。