模糊控制在列車自動運行中的研究與應(yīng)用

劉煥海

【摘 要】隨著我國軌道交通的迅速發(fā)展，列車運行速度不斷提高，純純?nèi)斯ゑ{駛模式已經(jīng)不能滿足要求，通過計算機控制技術(shù)實現(xiàn)列車安全平穩(wěn)試述正點精準定位停車成為軌道交通發(fā)展的主流。

列車自動運行系統(tǒng)（ATO）是一個復(fù)雜、多目標、非線性系統(tǒng)，很難用一個確定的數(shù)學(xué)模型來模擬，而模糊預(yù)測控制對被控對象模型要求不高，可以滿足列車的控制要求。

本文介紹ATC列車自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能，尤其是ATO子系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的聯(lián)系與協(xié)作然后介紹模糊控制的基本原理，將模糊預(yù)測控制應(yīng)用與列車自動運行系統(tǒng)中，對日后我國列車自動駕駛具有重要的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】模糊控制；ATO；計算機控制技術(shù)

一、列車自動駕駛（ATO）

列車自動駕駛是一種完整的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，即列車一方面檢測本列車的實際行車速度，另一方面連續(xù)獲取地面給予的最大允許車速，經(jīng)過計算機的解算，并依據(jù)其他與行車有關(guān)的因素如機車牽引特性、區(qū)間坡道、彎道等，求得最佳的行車速度，控制列車加速或減速，甚至制動。在列車自動駕駛系統(tǒng)中，司機起監(jiān)督作用，因此要求這種系統(tǒng)獲得最大允許車速的信道和求解最佳速度的機車計算機等，要有更高的可靠性和實用性。目前列車自動操縱已應(yīng)用在地下鐵道和市郊或兩市之間直達的客運干線上。

隨著微型計算機技術(shù)飛速發(fā)展，我國已經(jīng)自主研發(fā)完成故障-安全型的列車自動操縱系統(tǒng)。ATO輔助ATP工作，接受來自ATP的信息，其中有ATP速度指令、列車實際速度和列車走行距離。此外還從ATS子系統(tǒng)和地面標志線圈接受到列車運行等級等信息。根據(jù)以上信息，ATO通過牽引 制動線控制列車，使其維持在一個參考速度上運行；并在設(shè)有屏蔽門地站臺準確停車。

二、模糊控制

“模糊”是人類感知萬物，獲取知識，思維推理，決策實施的重要特征?！澳：北取扒逦彼鶕碛械男畔⑷萘扛螅瑑?nèi)涵更豐富，更符合客觀世界。在日常生活中，人們的思維中有許多模糊的概念，如大、小、冷、熱等，都沒有明確的內(nèi)涵和外延，只能用模糊集合來描述。人們常用的經(jīng)驗規(guī)則都是用模糊條件語句表達，例如，當(dāng)我們擰開水閥往水桶里注水時，有這樣的經(jīng)驗：桶里沒水或水較少時，應(yīng)開大水閥；桶里水較多時，應(yīng)將水閥關(guān)小些；當(dāng)水桶里水快滿時，則應(yīng)把閥門關(guān)得很小；而水桶里水滿時應(yīng)迅速關(guān)掉水閥。其中，“較少”、“較多”、“小一些”、“很小”等，這些表示水位和控制閥門動作的概念都具有模糊性。即有經(jīng)驗的操作人員的控制規(guī)則具有相當(dāng)?shù)哪：?。模糊控制就是利用計算機模擬人的思維方式，按照人的操作規(guī)則進行控制，實現(xiàn)人的控制經(jīng)驗。

1. 知識庫

知識庫包括模糊控制器參數(shù)庫和模糊控制規(guī)則庫。模糊控制規(guī)則建立在語言變量的基礎(chǔ)上。

2. 模糊化

將精確的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量F有兩種方法：

（1）將精確量轉(zhuǎn)換為標準論域上的模糊單點集。精確量x經(jīng)對應(yīng)關(guān)系G轉(zhuǎn)換為標準論域x上的基本元素，則該元素的模糊單點集F為：

uF（u）=1 if u=G（x）

（2）將精確量轉(zhuǎn)換為標準論域上的模糊子集。

精確量經(jīng)對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為標準論域上的基本元素，在該元素上具有最大隸屬度的模糊子集，即為該精確量對應(yīng)的模糊子集。

（3）模糊推理

稱為模糊蘊涵關(guān)系，記為A→B。在實際應(yīng)用中，一般先針對各條規(guī)則進行推理，然后將各個推理結(jié)果總合而得到最終推理結(jié)果。

（4）精確化

推理得到的模糊子集要轉(zhuǎn)換為精確值，以得到最終控制量輸出y。目前常用兩種精確化方法：最大隸屬度法、重心法。

三、列車自動駕駛模塊劃分

1.停車點防護

停車點也就是停車的目標點，有時即是危險點。比如車站的起點即是必須停車點。在停車點前方通常還需設(shè)置一段防護段，ATP系統(tǒng)計算得出一條緊急制動曲線，一旦需要，列車可在此基礎(chǔ)上減速，或者停在危險點前方。

2.速度監(jiān)督與防護

ATO系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)正常情況下的高質(zhì)量自動行駛，其功能細化后可分為以下幾點：

（1）停車點的目標制動

ATO系統(tǒng)與列車定位系統(tǒng)相配合，采用最適合的制動率使列車準確、平穩(wěn)的停在規(guī)定的目標地點，停車位置的誤差在0.5m以下。

（2）打開車門

列車車門可以自動或手動打開。由ATP系統(tǒng)監(jiān)督開門條件，當(dāng)ATP發(fā)出開門命令時，可以由司機手動打開正確一側(cè)的車門，也可以按事先設(shè)定的ATO系統(tǒng)自動的打開車門。

（3）列車離開車站

用ATO系統(tǒng)裝備的城市軌道交通的列車，出發(fā)應(yīng)按以下順序進行：列車停站時間等于或大于預(yù)置停站時間一司機根據(jù)啟動發(fā)出命令（通常是自動的或由ATS系統(tǒng)給出，該出發(fā)命令一般以信號燈的方式給出）關(guān)閉車門一檢查車門準確關(guān)閉并符合發(fā)車條件，ATO系統(tǒng)給出啟動顯示一司機按（撥）啟動按鈕，ATO系統(tǒng)使列車從制動停車狀態(tài)轉(zhuǎn)為驅(qū)動狀態(tài)。

（4）列車加速

列車開出后開始加速。ATO系統(tǒng)按事前規(guī)定的數(shù)據(jù)提供給機車驅(qū)動控制機。（見圖1）

四、自動駕駛運行參考曲線的生成

出于保障列車運行考慮，地面信號講列車運行速度做出一定的限制，如果通過信號機、進站信號機黃燈限速；由于線路構(gòu)造的特殊性，線路上的個別路段也要有速度限制，如：道岔限速、曲線限速、橋梁限速、施工臨時限速等。（見圖2）

圖1 ATO速度控制示意圖

圖2 列車目標速度曲線的形成

五、總結(jié)

本文對列車運行數(shù)學(xué)模型、列車自動駕駛理論、操縱策略以及模糊控制理論在列車自動運行中的應(yīng)用進行了深入分析和研究，并且設(shè)計出列車目標速度曲線，與傳統(tǒng)手動控制相比，模糊控制更加穩(wěn)定更加精準定位在停車地點，為模糊控制理論在實際線路中的應(yīng)用做了必要的準備工作。

六、展望

本問結(jié)構(gòu)達到了預(yù)期的目標，采用模糊預(yù)測控制可以實現(xiàn)列車運行的高品質(zhì)控制，由于列車自動駕駛過程是個多變、非線性、復(fù)雜的控制系統(tǒng)，牽連到很多專業(yè)的知識，本文所設(shè)計分析的過程對列車運行控制進行了簡化，距離實際的列車自動駕駛還有一定差距，有待于今后繼續(xù)研究。

參考文獻：

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