城市軌道交通列車(chē)自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)述

李翔

（浙江眾合科技股份有限公司 信號(hào)事業(yè)部 浙江杭州 310000）

摘 要：在城市軌道系統(tǒng)中，列車(chē)運(yùn)行的自動(dòng)控制是整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)中最核心的部分之一。本文將從城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的角度簡(jiǎn)要描述列車(chē)自動(dòng)控制的主要元素和實(shí)現(xiàn)方式。同時(shí)，簡(jiǎn)單指出在列車(chē)的自動(dòng)控制過(guò)程中需要注意的其它問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：城市軌道；交通列車(chē)；自動(dòng)控制

1列車(chē)自動(dòng)控制的主要元素：

信號(hào)系統(tǒng)為了按照運(yùn)營(yíng)需求實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行的自動(dòng)控制，主要需要以下幾個(gè)要素：

列車(chē)當(dāng)前的速度

列車(chē)當(dāng)前的位置

列車(chē)當(dāng)前的目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)

1.1列車(chē)當(dāng)前的速度

列車(chē)通過(guò)讀取輪軸上安裝的速度傳感器直接獲得實(shí)時(shí)速度。為了獲得更為準(zhǔn)確的速度值，一般情況下，速度傳感器都安裝在非動(dòng)力軸上以防止突然的制動(dòng)或牽引可能引起的打滑或空轉(zhuǎn)對(duì)速度探測(cè)準(zhǔn)確性的影響。即便如此，因?yàn)楦鞣N原因，列車(chē)非動(dòng)力軸的打滑和空轉(zhuǎn)仍舊不可避免。因此，信號(hào)系統(tǒng)一般仍舊會(huì)通過(guò)加速度計(jì)或者雷達(dá)等設(shè)備對(duì)上述情況下的速度進(jìn)行補(bǔ)償已保證速度探測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.2列車(chē)當(dāng)前的位置

在整條線路的設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)單位根據(jù)線路情況會(huì)定義本條線路的設(shè)計(jì)0點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)使用公里標(biāo)來(lái)定義軌道線路上相關(guān)元素的位置。例如：某站臺(tái)的停車(chē)位置為12KM+456.34M。列車(chē)確定當(dāng)前位置的常用方法是通過(guò)讀取線路上按照一定規(guī)則布置的位置信標(biāo)來(lái)獲取基準(zhǔn)位置，在此基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)時(shí)速度的積分運(yùn)算來(lái)更新實(shí)時(shí)位置。

1.3列車(chē)當(dāng)前的目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)

列車(chē)的目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)由信號(hào)系統(tǒng)的其它部分通過(guò)整個(gè)軌道系統(tǒng)的整體情況實(shí)時(shí)計(jì)算得出，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至列車(chē)。一般情況下，列車(chē)的目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)都為下一站的站臺(tái)位置。在站臺(tái)出現(xiàn)問(wèn)題或前方軌道有列車(chē)占用等情況下，列車(chē)當(dāng)前的目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)有可能會(huì)被設(shè)置在區(qū)間。

2列車(chē)自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方式：

信號(hào)系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一就是根據(jù)時(shí)運(yùn)營(yíng)需求來(lái)控制列車(chē)。其實(shí)在安全前提下，以最高的效率使列車(chē)運(yùn)行至下一停車(chē)點(diǎn)是自動(dòng)控制核心任務(wù)，完成這個(gè)任務(wù)需要三個(gè)步驟：

采集相關(guān)信息得到目標(biāo)運(yùn)行曲線；

控制車(chē)輛以目標(biāo)曲線完成運(yùn)行；

站臺(tái)精確停車(chē)。

2.1目標(biāo)運(yùn)行曲線的形成：

以一次正常的停站過(guò)程為例：當(dāng)列車(chē)從本站完成上客和站臺(tái)的開(kāi)關(guān)門(mén)操作后，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)本站至下一站的路徑上是否存在異常、下一站的站臺(tái)情況是否正常。正常情況下，系統(tǒng)將判斷列車(chē)應(yīng)正常行駛至下一站停車(chē)點(diǎn)。

同時(shí)，為了使列車(chē)更快速地到達(dá)下一站停車(chē)點(diǎn)，在安全的前提下，系統(tǒng)將盡量使列車(chē)高速運(yùn)行。這些需要考慮地安全因素主要有：線路允許運(yùn)行的最高速度，列車(chē)最大的制動(dòng)率，因?yàn)閺澋阑蚍勒鸬囊蠖诰€路上人為設(shè)置的限速等。

經(jīng)過(guò)以上過(guò)程，系統(tǒng)將在內(nèi)部生成一條速度-距離的目標(biāo)控曲線，見(jiàn)圖：

值得指出的是：因?yàn)榱熊?chē)速度、位置可能會(huì)因?yàn)楦鞣N原因與預(yù)計(jì)的數(shù)值不同，線路實(shí)際情況也可能在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生變化，所以上述目標(biāo)控制曲線是基于列車(chē)當(dāng)前的速度、位置以及線路情況而實(shí)時(shí)計(jì)算并更新的。

2.2控制車(chē)輛以目標(biāo)曲線運(yùn)行：

控制車(chē)輛以目標(biāo)曲線運(yùn)行的核心就是實(shí)時(shí)控制列車(chē)的速度。信號(hào)的控制系統(tǒng)與列車(chē)通過(guò)列車(chē)管理系統(tǒng)進(jìn)行接口，通過(guò)該接口將牽引和制動(dòng)指令實(shí)時(shí)發(fā)送至車(chē)輛，車(chē)輛按照收到的指令對(duì)列車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)操控。

為了實(shí)現(xiàn)精確控制的目的，發(fā)送給車(chē)輛的牽引和制動(dòng)指令在時(shí)間和精度上的要求都非常高。指令的更新周期要求為毫秒級(jí)，制動(dòng)和牽引力的指令為百級(jí)以上（人工駕駛時(shí)一般牽引為4級(jí)，制動(dòng)為7級(jí)）。

列車(chē)速度的實(shí)時(shí)控制采用傳統(tǒng)的比例積分微分處理器進(jìn)行閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)比觀測(cè)速度與給定速度的差值，通過(guò)比例積分計(jì)算得出此刻需要的牽引或制動(dòng)力，實(shí)時(shí)傳輸給列車(chē)執(zhí)行。下一個(gè)運(yùn)算周期再觀察列車(chē)變化后的速度并再一次與變化后的給定速度進(jìn)行對(duì)比和計(jì)算，進(jìn)而更新?tīng)恳蛑苿?dòng)指令。以此實(shí)現(xiàn)列車(chē)速度的實(shí)時(shí)控制。

2.3站臺(tái)精確停車(chē)

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至距離車(chē)站一段距離的預(yù)設(shè)位置時(shí)，就會(huì)初始化程序進(jìn)入站臺(tái)停車(chē)過(guò)程。站臺(tái)停車(chē)過(guò)程與兩站之間的區(qū)間運(yùn)行過(guò)程的控制理念從原理上基本一致，但精度要求更高。

一般情況下：城市軌道要求的站臺(tái)停車(chē)位置精度為±30CM，為了滿(mǎn)足停車(chē)精度，會(huì)在站臺(tái)區(qū)域停車(chē)點(diǎn)前按照一定的原則布置更多的位置信標(biāo)以更頻繁地校準(zhǔn)列車(chē)的絕對(duì)位置以減少列車(chē)的定位誤差以達(dá)到精確停車(chē)的目的。

一旦列車(chē)停止，CC會(huì)發(fā)出制動(dòng)力要求（通常為70%的制動(dòng)力）來(lái)禁止列車(chē)移動(dòng)以保證列車(chē)停穩(wěn)在站臺(tái)。至此，一次正常的停站過(guò)程就完成了。

3列車(chē)自動(dòng)控制的需考慮的其它問(wèn)題

在實(shí)際應(yīng)用中，除了通過(guò)實(shí)時(shí)的自動(dòng)控制將列車(chē)運(yùn)行至目標(biāo)停車(chē)點(diǎn)以外，控制系統(tǒng)還要兼顧考慮很多其它問(wèn)題。常見(jiàn)的問(wèn)題有舒適性、節(jié)能、安全防護(hù)等。

為了保證列車(chē)上乘客的乘車(chē)舒適性，控制系統(tǒng)通過(guò)限制列車(chē)運(yùn)行的沖擊率（加速度的變化率，常用單位為m/s3）來(lái)達(dá)到目的。沖擊率分為與行車(chē)方向同向的縱向沖擊率和與運(yùn)行方向垂直的橫向向沖擊率。為了限制列車(chē)運(yùn)行的沖擊率，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送給列車(chē)的牽引和制動(dòng)指令的變化率將有一定的限制。

節(jié)能方面，控制系統(tǒng)通過(guò)全局考慮，在生成目標(biāo)控制曲線時(shí)，首先盡量增加整個(gè)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中惰行的時(shí)間，減少牽引和制動(dòng)的次數(shù)以減少動(dòng)力使用。其次在牽引和制動(dòng)的過(guò)程中盡量減少牽引和制動(dòng)力變化的幅度以減少為了抵抗慣性所耗費(fèi)的動(dòng)力。

故障防護(hù)的主要原則就是在發(fā)現(xiàn)不安全因素時(shí)，控制系統(tǒng)將列車(chē)停止下來(lái)提示相關(guān)人員進(jìn)行安全狀態(tài)確認(rèn)或隱患排除。常見(jiàn)不安全因素有：

控制系統(tǒng)本身故障；

列車(chē)牽引/制動(dòng)系統(tǒng)故障；

列車(chē)車(chē)門(mén)或站臺(tái)屏蔽門(mén)非正常打開(kāi)；

前方軌道突然出現(xiàn)異物占用；

車(chē)輛或站臺(tái)上設(shè)置的緊急停車(chē)按鈕被按下等。

4總結(jié)：

可見(jiàn)，列車(chē)的自動(dòng)控制主要是在考慮安全和效率等因素的前提下，基于精確的位置和速度判斷，結(jié)合整個(gè)線路的動(dòng)態(tài)高頻率地更新控制指令以滿(mǎn)足列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行的需求。

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