張 帆

（卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100070）

1 問(wèn)題來(lái)源

目前一般地鐵線路列車自動(dòng)駕駛（Automatic Train Operation，ATO）采用固定的控車策略。隨著列車制動(dòng)系統(tǒng)性能的變化，自動(dòng)駕駛停車精度會(huì)有一定范圍的浮動(dòng)，對(duì)于有些地鐵線路，停車精度會(huì)隨著季節(jié)變化而出現(xiàn)周期性變化，比如夏季多出現(xiàn)過(guò)標(biāo)、冬季多出現(xiàn)欠標(biāo)。此時(shí)列車會(huì)超出地鐵站臺(tái)的停車窗口，列車自動(dòng)駕駛的停車位置會(huì)超出站臺(tái)門(mén)的范圍，導(dǎo)致無(wú)法打開(kāi)列車車門(mén)與站臺(tái)門(mén)。

究其原因，是列車響應(yīng)的制動(dòng)性能（以測(cè)出的加速度表示）出現(xiàn)了偏差。如圖1 所示，可以看出在夏季，列車的制動(dòng)性能可能會(huì)隨著氣溫的升高，在曲線后段（多為氣制動(dòng)介入后、電制動(dòng)-氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中）列車實(shí)際的減速度會(huì)變小、偏離ATO模型中的期望加速度a0（圖1 中虛線）。在冬季，由于氣溫變低，列車的制動(dòng)性能可能存在一定程度的增大，在曲線后段（氣制動(dòng)介入后、電制動(dòng)-氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中）列車實(shí)際的減速度會(huì)變大、偏離ATO 模型中的期望加速度a0（圖1 中虛線）。

圖1 夏季、冬季列車停車加速度跟隨曲線示意Fig.1 Schematic diagram of train stop acceleration following curve in summer and winter

2 解決方案探討

依據(jù)ATO 控車原理，針對(duì)此問(wèn)題筆者認(rèn)為可采用下面方法執(zhí)行。

由于ATO 停車精度季節(jié)性變化的根本原因?yàn)榱熊嚉庵苿?dòng)性能的不穩(wěn)定性和周期性變化，車輛方可以將制動(dòng)性能優(yōu)化，提高穩(wěn)定性，ATO 停車精度會(huì)有較好表現(xiàn)。

一旦車輛無(wú)法繼續(xù)優(yōu)化制動(dòng)性能，需要ATO 做補(bǔ)償性優(yōu)化。此優(yōu)化基于ATO 自動(dòng)判斷，進(jìn)而改變ATO 對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，最終實(shí)現(xiàn)ATO 在站臺(tái)精確停車。優(yōu)化流程主要分為兩個(gè)步驟：

對(duì)切換ATO 控制策略時(shí)機(jī)的判斷；

確定控制策略中包含的內(nèi)容（策略組）。

2.1 切換ATO控制策略的時(shí)機(jī)

ATO 停車精度的變化可以有多種表現(xiàn)形式。如不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段、不同季節(jié)，甚至帶有一定隨機(jī)性的變化。可將各種外部因素當(dāng)作觸發(fā)條件，匹配出不同的ATO 策略。筆者遇到較多因季節(jié)變化而造成的ATO 停車精度變化，所以暫以此為主因素輸入進(jìn)行ATO 相應(yīng)的優(yōu)化方法的闡述。

如圖2 所示，先以地鐵列車制動(dòng)性能變化最明顯、表現(xiàn)最為極端的夏季與冬季制定基礎(chǔ)性的策略組分區(qū)，選取一個(gè)合適的時(shí)間點(diǎn)在兩種策略組之間制定切換時(shí)機(jī)，即切分點(diǎn)1。

圖2 按夏季、冬季、過(guò)渡策略切分示意Fig.2 Schematic diagram of segmentation by summer, winter and transition strategies

由于夏季與冬季的ATO 調(diào)節(jié)策略可能存在較大的差距，如果以單一固定點(diǎn)切換點(diǎn)作切分，在切分點(diǎn)前后停車精度會(huì)有一個(gè)較大幅度的整體偏移。為避免過(guò)于機(jī)械僵化的切換，可在夏季與冬季策略之前添加若干個(gè)不同的切分點(diǎn)，如圖2 所示，這樣就可以按照實(shí)際需要增加策略組切換的平滑度，使ATO 自動(dòng)補(bǔ)償調(diào)節(jié)向無(wú)感化靠攏。

2.2 切換ATO控制策略的時(shí)機(jī)

針對(duì)策略中具體調(diào)節(jié)內(nèi)容項(xiàng)的選擇，從ATO控車邏輯與實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，選取以下3 種主因素。

1）ATO 模型中的預(yù)期減速度

如表1 所示，列車氣制動(dòng)一般以制動(dòng)缸壓力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，故每次對(duì)ATO 系統(tǒng)發(fā)出的制動(dòng)指令信號(hào)響應(yīng)的偏離值是以壓力絕對(duì)數(shù)值大小為標(biāo)準(zhǔn)，如±20 kPa。而ATO 停車精度的效果實(shí)際是與偏差的百分比相關(guān)。所以相同的制動(dòng)性能偏差對(duì)不同大小的基礎(chǔ)制動(dòng)缸壓力而言，造成的制動(dòng)百分比效果是不同的，如圖3 所示。

表1 車輛制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)不同級(jí)位響應(yīng)減速度偏差Tab.1 Deceleration deviation of train braking response to different levels

圖3 停車減速度-響應(yīng)偏差關(guān)聯(lián)示意Fig.3 Schematic diagram of train stop deceleration-response deviation correlation

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)上述偏差在10% 以內(nèi)時(shí)，ATO 使用預(yù)先設(shè)置的停車減速度并稍加修正命令級(jí)位，就有很高概率將列車控制在理想的停車范圍內(nèi)（如ATO 實(shí)際停車位置在停車窗30 cm 以內(nèi)）；

當(dāng)上述偏差在10%～20%時(shí)，ATO 對(duì)停車精度有一定的調(diào)節(jié)能力，可利用在ATO 停車策略中精調(diào)過(guò)的滑?？刂?、比例積分控制對(duì)列車的加速度進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)計(jì)算，并輸出給車輛相應(yīng)的制動(dòng)指令與級(jí)位，進(jìn)而可以較為穩(wěn)妥地將列車停進(jìn)最大停車窗（如標(biāo)準(zhǔn)停車窗±50 cm 以內(nèi)）。

當(dāng)上述偏差大于20%時(shí)，預(yù)先設(shè)置的單一ATO 控制策略對(duì)列車車速、減速度的控制力下降，易出現(xiàn)在站臺(tái)停車過(guò)、欠標(biāo)的情況。

因此，在條件允許的前提下，可以適當(dāng)將ATO停車模型中的減速度調(diào)高，給車輛響應(yīng)偏差留更大的寬容度。

2）制動(dòng)級(jí)位與制動(dòng)效果（如列車減速度）映射關(guān)系

這個(gè)映射關(guān)系會(huì)發(fā)生改變，特別是列車氣制動(dòng)啟用時(shí)。如圖4 所示，ATO 發(fā)出恒定的減速度申請(qǐng)（恒定制動(dòng)級(jí)位），列車實(shí)際響應(yīng)的減速度在低速電制動(dòng)-空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)更大的偏移。列車響應(yīng)減速度曲線在夏季會(huì)向變小的方向偏移，在冬季會(huì)向變大的方向偏移。

圖4 加速度-制動(dòng)級(jí)位映射示意1Fig.4 Acceleration-brake level mapping (1)

圖5 加速度-制動(dòng)級(jí)位映射示意2Fig.5 Acceleration-brake level mapping (2)

因此在車輛制動(dòng)性能周期性變化范圍過(guò)大時(shí)，只用一條停車減速度-制動(dòng)級(jí)位理想曲線不能完全調(diào)和夏季與冬季的需求，結(jié)果是ATO 停車精度也出現(xiàn)偏移。

為了消除偏移造成的影響，可以調(diào)整級(jí)位與制動(dòng)減速度的映射關(guān)系。

同樣以夏季、冬季為例，可選用如5 圖所示中兩種不同的停車度速度-制動(dòng)級(jí)位對(duì)應(yīng)關(guān)系。在夏季曲線中，相比ATO 模型計(jì)算出的理論曲線，為了獲得同等的減速度，ATO 系統(tǒng)將給車輛TCMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相對(duì)更大的級(jí)位，對(duì)列車施加相對(duì)更大的制動(dòng)力，減少因制動(dòng)力衰減而造成停車過(guò)標(biāo)的情況；冬季曲線則相反，相比ATO 模型計(jì)算出的理論曲線，獲取同樣的減速度對(duì)應(yīng)更小的級(jí)位，即ATO系統(tǒng)給車輛TCMS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相對(duì)更小的級(jí)位，使列車施加相對(duì)更小的制動(dòng)力，抵消制動(dòng)力過(guò)大的效果影響，減少停車欠標(biāo)的情況。

此種方法可在夏季時(shí)進(jìn)行制動(dòng)力的正向補(bǔ)償，改善制動(dòng)力的衰減狀況；在冬季時(shí)進(jìn)行級(jí)位的負(fù)向補(bǔ)償，改善制動(dòng)力的過(guò)度施加狀況。

3）ATO 模型中停車位置的微調(diào)

對(duì)于已經(jīng)執(zhí)行了較好停車策略優(yōu)化的控車策略，ATO 停車效果上已趨近于某一精度，而此精度與停車“零點(diǎn)”未完全重合，如圖6 所示。

圖6 實(shí)際停車精度與ATO模型精度偏差示意Fig.6 Schematic diagram of deviation between actual stop accuracy and ATO model accuracy

由于距離停車“零點(diǎn)”十分接近，已不宜再對(duì)停車策略作大幅度調(diào)整。此時(shí)可以采用將模型中虛擬停車位置向真實(shí)停車位置“貼合”，如圖7 所示，將夏季ATO 模型停車曲線向坐標(biāo)正方向調(diào)節(jié)；將冬季ATO 模型停車曲線向坐標(biāo)負(fù)方向調(diào)節(jié)，以接近停車“零點(diǎn)”。

圖7 冬、夏季向兩個(gè)方向微調(diào)的示意Fig.7 Schematic diagram of fine adjustment in two directions in winter and summer

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某些地鐵線路中ATO 停車精度季節(jié)性變化的實(shí)際情況，闡述了一種用于補(bǔ)償?shù)罔F列車制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)偏差的方法?？傮w來(lái)說(shuō)此種方法有著兩個(gè)著重點(diǎn)。

第一點(diǎn)為適用場(chǎng)景：此種方法主要適用具有一定規(guī)律的ATO 停車精度變化的場(chǎng)景，較為常見(jiàn)的場(chǎng)景為季節(jié)性變化；同樣也可作其他場(chǎng)景的適配，適合更多其他可細(xì)分的條件、邏輯，或以強(qiáng)制性的外部輸入為條件來(lái)作為觸發(fā)條件。

第二點(diǎn)為策略組所包含子策略的選擇：本文主要探討了3 種在實(shí)踐中較為常見(jiàn)的調(diào)節(jié)方向，而且這3 個(gè)子策略所包含組合在調(diào)節(jié)的次序上有一定的層次與互補(bǔ)性，也具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴?/p>