基于中低速磁浮列車自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計方案

楊 絢 張 菊 張 薦

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210031；3.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，北京 100096)

1 概述

北京S1線是北京首條中低速磁浮示范線，于2017年底投入運(yùn)營，其列車自動控制系統(tǒng)是基于交叉感應(yīng)環(huán)線的移動閉塞控制系統(tǒng)。中低速磁浮列車自動駕駛系統(tǒng)（簡稱ATO系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)列車自動駕駛功能，保證列車安全、平穩(wěn)、準(zhǔn)時運(yùn)行，不僅可以提高乘坐舒適度，還能起到節(jié)約能源的作用。ATO系統(tǒng)利用感應(yīng)環(huán)線進(jìn)行雙向通信，交叉點(diǎn)實(shí)現(xiàn)位置校正，具有抗干擾能力強(qiáng)，測速測距精度高等特點(diǎn)[1]。

2 ATO系統(tǒng)分析

ATO系統(tǒng)通過測速測距單元實(shí)時獲取當(dāng)前列車速度和距離，利用交叉點(diǎn)進(jìn)行位置校正，實(shí)現(xiàn)精確測速和精確定位。根據(jù)ATP目標(biāo)信息計算ATO控車曲線，最終生成控制命令輸出至車輛，實(shí)現(xiàn)列車速度的自動調(diào)整，控制列車自動駕駛和精確停車。其功能還包括車門控制、響應(yīng)地面控制命令、節(jié)能控制、自診斷和記錄報警等[2]。

車載ATO系統(tǒng)運(yùn)行在車載ATP系統(tǒng)的安全防護(hù)下。ATP從通信和I/O接口兩個層面對ATO的行為進(jìn)行卡控，確保在不滿足自動駕駛條件或ATO發(fā)生故障時，可以切掉ATO所有輸出。車載ATO通過CAN總線和ATP、人機(jī)界面連接，通過RS-485總線與列車管理系統(tǒng)（TMS）連接，通過電壓控制列車輸出級位，通過開關(guān)量接口實(shí)現(xiàn)與車輛的I/O交互[3]。關(guān)鍵接口及交互信息如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵接口及交互信息示意圖Fig.1 Schematic diagram of key interfaces and interactive information

3 ATO控車方案

ATO在控車過程中考慮當(dāng)前限速和由ATP獲取的目標(biāo)速度，若按照參考加速度，足夠在目標(biāo)距離內(nèi)達(dá)到目標(biāo)速度，則使用當(dāng)前限速作為ATO控車的命令速度。否則，使用目標(biāo)速度作為ATO控車的命令速度重新計算加速度，輸出恰當(dāng)極位，確保不超速不逾越。在控車過程中，考慮命令速度和實(shí)際速度差值，實(shí)時調(diào)整級位，形成負(fù)反饋回路[4]?？剀嚵鞒淌疽馊鐖D2所示。

在滿足ATS運(yùn)營計劃要求的前提下，ATO系統(tǒng)通過采取減少列車牽引、制動切換頻率的控車策略，實(shí)現(xiàn)低功耗的自動控車功能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)營。

圖2 控車流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of train control flow

3.1 精確停車方案

磁浮列車不同于輪軌列車，輪軌列車制動主要靠輪軌黏著方式，而磁浮列車是通過制動夾鉗側(cè)面抱軌而產(chǎn)生摩擦力的方式[5]。由于側(cè)面抱軌方式受側(cè)面空間的限制，僅僅通過使用空氣壓力無法滿足磁浮列車的制動性能，磁浮列車采用增壓缸進(jìn)行空氣壓力的放大，通過電空制動相結(jié)合的方式進(jìn)行控制，優(yōu)先使用電制動，利用機(jī)械制動補(bǔ)充，以滿足其制動需求。中低速磁浮列車制動過程中，制動夾向軌道移動過程會引入不同程度的制動延時，且不同的外界環(huán)境，例如溫度或濕度發(fā)生變化，都可能導(dǎo)致制動延時不盡相同。

中低速磁浮列車的停車精度關(guān)鍵在于控車策略能夠適應(yīng)磁浮列車牽引制動性能，為適應(yīng)電制動與空氣制動不同的制動特性，以及不同外界環(huán)境下的制動延時，將站臺停車分3個階段進(jìn)行ATO控車，使得停車過程更加可控[6]。階段一：當(dāng)列車進(jìn)入站臺前，控制列車速度降低至較低水平；階段二：當(dāng)列車到達(dá)停車點(diǎn)前配置距離S_INERTIA時，采用制動2檔—惰行—制動1檔進(jìn)行控車；階段三：最后一段距離（如5 m左右）時，采取持續(xù)減速，直至停車。在第二階段中，施加制動2檔直至速度降至配置值V_STOP時開始施加惰行，惰行一定時長后施加制動1檔，施加制動1檔到達(dá)最后階段3，使用制動2檔—惰行—制動1檔的制動方式，中間增加惰行過程，可以有效減小制動延時帶來的影響。在第三階段，根據(jù)速度距離實(shí)時計算級位，計算過程中增加制動延時帶來的距離補(bǔ)償[7,8]。停車過程ATO控車數(shù)據(jù)曲線如圖3所示，其中紅線表示控車速度，紫線表示ATP限速，黃線表示控車距離。

圖3 控車數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Train control data curve

為避免磁浮列車各車輛制動性能差距性，以及同一列車制動性能的不穩(wěn)定性對精確停車的影響，在列車停車過程中加入自學(xué)習(xí)過程，實(shí)時調(diào)整控車相關(guān)參數(shù)。參考前數(shù)次停車的停車精度，停車誤差均值為100 cm，50 cm或30 cm時，不同程度地減小S_INERTIA和V_STOP值，當(dāng)停車誤差均值為-100，-50或-30時，不同程度地增大S_INERTIA和V_STOP值。

通過北京S1線中低速磁浮現(xiàn)場試驗(yàn)，對車載ATO精確停車功能進(jìn)行驗(yàn)證，通過驗(yàn)證，ATO現(xiàn)有控制策略有效消除不同工況下制動力的差異性，最大程度降低車輛制動性能造成的影響，停準(zhǔn)率達(dá)到99.35%。ATO精確停車現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 S1線ATO停車精度數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 ATO stop precision data statistics of line S1

4 總結(jié)

本文在分析ATO系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，完成ATO控車功能及站內(nèi)停車功能在磁浮列車動力學(xué)特性下的深化研究，形成我國中低速磁浮交通運(yùn)行控制系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新能力，對城市軌道交通ATO系統(tǒng)的發(fā)展起到參考作用。