城市軌道列車自動運(yùn)行的仿真研究

陶細(xì)華

【摘要】 根據(jù)列車運(yùn)行啟動過程，中間調(diào)整和定點停車階段，在滿足安全性、舒適性、準(zhǔn)時性和停車精度的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際線路路況條件，設(shè)計了ATO控制算法，針對列車運(yùn)行各階段建立由最快加速、巡航和專家打分法及預(yù)測算法組成的數(shù)學(xué)模型，并對ATO系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明效果理想。

【關(guān)鍵詞】 軌道列車 自動運(yùn)行 控制算法 仿真

一、 引言

城市軌道列車蓬勃發(fā)展，列車自動運(yùn)行順應(yīng)時代發(fā)展，成為軌道交通發(fā)展趨勢。ATO是核心子系統(tǒng)，在列車自動防護(hù)系統(tǒng)（ATP）的監(jiān)督下，實現(xiàn)自動運(yùn)行目標(biāo)，達(dá)到高效性、準(zhǔn)時性、舒適性、節(jié)能性和精準(zhǔn)停車等目的。本文研究的重點就是綜合考慮各指標(biāo)，設(shè)計自動運(yùn)行算法，建立仿真系統(tǒng)，探尋最優(yōu)操縱方案，模擬生成運(yùn)行曲線。

二、體系結(jié)構(gòu)

通過應(yīng)答器和軌道電路上傳線路參數(shù)，利用移動授權(quán)信息到車載設(shè)備，利用車載設(shè)備生成ATP 防護(hù)曲線，完成列車啟動、牽引、巡航和制動控制，實現(xiàn)安全運(yùn)行。

三、控制算法

自動運(yùn)行過程歸納為三大部分：啟動階段、運(yùn)行階段和停車階段，尋找合理的優(yōu)化操縱方案，給出最優(yōu)控制策略來控制列車自動運(yùn)行。

3.1 啟動階段

啟動階段對列車采用最短運(yùn)行時間，以其最大的牽引力運(yùn)行使列車在最短的時間內(nèi)啟動。計算得出相應(yīng)的加速度，從而進(jìn)一步進(jìn)行列車運(yùn)行控制。

該過程還需要與反饋的加速度信息進(jìn)行比較，按照我國TB/T2370-1993《鐵路旅客縱向動力學(xué)試驗方法與評定指標(biāo)》中規(guī)定的旅客縱向加（減）速度的評定指標(biāo)系數(shù)，即保證其平均加（減）速度的絕對值不超過0.082g（a<0.783m/s2），保證舒適度這一性能指標(biāo)要求。

3.2 區(qū)間運(yùn)行階段

為了研究各個線路的限速情況，設(shè)定一個臨時限速區(qū)，有三種工況：從高限速區(qū)進(jìn)入低限速區(qū)、常數(shù)速度監(jiān)視區(qū)和從低限速區(qū)進(jìn)入高限速區(qū)。

從高限速區(qū)進(jìn)入低限速區(qū)：為了保證行車的安全性，防止列車超速運(yùn)行，要求列車提前減速，等價為制動工況，以臨時限速為目標(biāo)速度。

進(jìn)入常數(shù)速度監(jiān)視區(qū)：自動尋找合適的牽引力使其與阻力近乎相等，從而實現(xiàn)列車的巡航階段過程；要求列車可以貼線巡航，使其擁有極佳的舒適性、節(jié)能性和高效性。

從低限速區(qū)進(jìn)入高限速區(qū)：采用最短運(yùn)行時間策略，該階段的加速過程與啟動階段類似，要求列車以最大牽引力運(yùn)行。

3.3 停車階段

為了確保列車能夠在ATO控制下穩(wěn)定地精確停車（誤差在±25cm范圍內(nèi)），算法在停車階段對制動起模點、停車過程中制動檔位選擇和其變化頻率，計算并設(shè)計合理的操縱策略，確保停車穩(wěn)定性、安全性和精準(zhǔn)性指標(biāo)。

（1）停車制動起模點確定

a.確定最大常用制動曲線的起模點stop；

b.根據(jù)最大常用起模點位置，前推不同距離，確定列車停車階段的制動起模點，如 stop-400m、stop-500m；

c.取不同起模點，記錄影響運(yùn)行的性能指標(biāo)，記錄列車運(yùn)行后對應(yīng)的停車誤差、運(yùn)行時間、檔位變化頻率和是否觸發(fā)最大常用制動等信息。

d.權(quán)重分配，對于停車準(zhǔn)度分配 60% 的權(quán)重，其余幾項性能指標(biāo)分別分配 13.3% 的權(quán)重，反比打分。

e.根據(jù)打分結(jié)果，取綜合得分最高的制動起模點，列車在該處開始制動會取得最好的停車效果。

（2）停車制動檔位選擇

停車階段是通過制動力減速，使其在目標(biāo)停車點實現(xiàn)預(yù)期的停車效果，實際制動力表現(xiàn)在制動檔位的變化，當(dāng)列車選擇不同的制動檔位停車，列車的停車點位置則會相同。

讀取當(dāng)前位置S0 和速度Vn； 系統(tǒng)根據(jù)上傳目標(biāo)停車點，計算所得的制動距離△s，計算出各制動檔位即不同的減速度對應(yīng)的停車誤差 stop-（S0+ △s）；根據(jù)不同停車誤差，該系統(tǒng)比較其大小，取其中使得停車誤差最小的檔位來實施制動，最后達(dá)到精確停車目標(biāo)。

（3）列車制動檔位變化的頻率

制動檔位變化的頻率越高，則列車停車精度相應(yīng)的越高，但制動檔位頻率的變化涉及到乘客的舒適性，故需要綜合考慮停車準(zhǔn)度和舒適性兩項性能指標(biāo)，通過仿真實驗得到大量數(shù)據(jù)，再應(yīng)用專家打分法來分析確定制動變化的頻率，該方法類似于對制動起模點的確定。

四、仿真驗證

用合寧線做仿真實驗，距離21.087km，采用 CTCS2 級，動車型號是 CRH1 型，定員載荷質(zhì)量470t，長度212m。

仿真系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：

地面數(shù)據(jù)上傳生成列車模擬運(yùn)行界面和ATP防護(hù)曲線。

按照CTCS2級列控車載系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，在ATP的防護(hù)下，實現(xiàn)安全運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

根據(jù)ATO算法控制列車自動運(yùn)行，列車牽引制動等級變化曲線是對列車自動運(yùn)行操縱過程的記錄，其平穩(wěn)的變化過程證明了列車在運(yùn)行中具有良好的舒適性；同時列車運(yùn)行后記錄的各數(shù)據(jù)表明列車在21.087km的線路上運(yùn)行耗時為8min24s，停車精度達(dá)到0.01m，且沒有觸發(fā)最大常用制動或緊急制動的情況，仿真結(jié)果表明列車在ATO算法控制下，完成了較高質(zhì)量自動運(yùn)行的過程。

通過記錄列車運(yùn)行信息設(shè)置曲線回放功能，查看列車運(yùn)行記錄，為日后改進(jìn)行車技術(shù)和確定事故責(zé)任提供保障。

五、結(jié)束語

研究列車自動運(yùn)行，設(shè)計列車啟動、區(qū)間調(diào)速及定點停車的算法，確定了較優(yōu)的操縱方案，考慮了舒適性、停車準(zhǔn)度、準(zhǔn)時性等性能指標(biāo)。最后通過仿真設(shè)計，證明設(shè)計的ATO系統(tǒng)，在ATP監(jiān)控下按照操縱策略行車，達(dá)到了較好運(yùn)行效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Su S， Tang T， Li X， etal. Optimization of multitrain operations in a subway system[J]. 2014，6（11）534-539

[2] 陸小紅，王長林. 基于預(yù)測型灰色控制的列車自動運(yùn)行速度控制器建模與仿真[J].城市軌道交通研究，2013，16（02）：62-65.

[3] Gao Mingang. Multi-objective Optimization of Pilots FFS Recurrent training problem[J]. Engineering， 2012，4（10）：662-667.

[4] 張沖， 劉曉磊. 列車自動運(yùn)行系統(tǒng)的性能指標(biāo)權(quán)重分配方案研究[J].鐵道通信信號，2012（12）：9-12.

[5] 安志強(qiáng). ATO目標(biāo)速度曲線優(yōu)化及跟隨控制研究[D].西南交通大學(xué)，2011，19-23，57-62.