100%低地板輕軌車的ATO精準停車控制

陳 逸，田 元，史 莉

（通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著我國智慧城市化進程的推進，以及自主化FAO 全自動駕駛與互聯(lián)互通制式的先進信號技術(shù)在軌道交通線路的應(yīng)用，城市軌道交通中針對列車自動運行系統(tǒng)（ATO）系統(tǒng)的運行可靠性、運行效率、旅客舒適度等的標準和規(guī)范日益完善。

根據(jù)《城市軌道交通CBTC 信號系統(tǒng)-ATO子系統(tǒng)規(guī)范》中對于ATO 在站臺停車精度的系統(tǒng)指標要求：ATO 停車精度范圍±0.5 m 內(nèi)的概率大于等于99.999 8%；精度范圍±0.3 m 內(nèi)的概率大于等于99.99%。因此信號系統(tǒng)車載ATO 如何高效實現(xiàn)精準停車功能成為軌道交通列控系統(tǒng)研究的熱點。

ATO 精準停車是一個綜合性問題，車輛制動性能直接關(guān)系著ATO 的精準停車的實現(xiàn)。100%低地板輕軌車輛車下安裝空間十分受限，尤其是轉(zhuǎn)向架部分，需要更小的制動盤，因此無論在車輛制動性能還是ATO 控制效果都與軌道交通地鐵上常用的A、B 型車具有明顯差異，致使車載ATO 控制100%低地板輕軌列車實現(xiàn)精準停車功能具有一定的難度。

在A T O 控制車輛在站臺精準停車的過程中，車輛的速度逐漸減小，電制動的制動力逐漸衰減，此時低地板輕軌車輛的制動系統(tǒng)會逐步增加一定的液壓制動以保證車輛停止的過程，此過程是電制動和液壓制動切換的混合制動過程，混合制動階段結(jié)束后，根據(jù)部分100% 低地板車輛的性能，液壓制動力以固定的制動級別進行施加。針對低地板輕軌車輛制動電制動、混合制動、液壓制動3 個階段的A T O 協(xié)同配合控制策略，決定了ATO 精準停車功能的實現(xiàn)。

2 100%低地板輕軌車輛的ATO精準停車控制策略

2.1 ATO的控車策略

基于模糊PID 控制算法的ATO精準停車控制策略是ATO 系統(tǒng)實現(xiàn)自動駕駛和精確停車的重要部分， ATO 系統(tǒng)通過連續(xù)實現(xiàn)列車速度的自動控制和調(diào)整功能，包括牽引、惰行、制動控制，ATO 實時計算當前目標點位置，當前偏移量等，并給出可靠的控車輸出，從而實現(xiàn)控制列車自動駕駛及精確停車功能。

A T O 的精準停車控制策略整體流程如圖1 所示。

圖1 ATO的精準停車控制策略整體流程圖Fig.1 Overall flow chart of ATO precise parking control strategy

2.2 基于低地板車輛的ATO控車策略的優(yōu)化

通過對比分析國內(nèi)外各種100%低地板輕軌列車可以看出，制動系統(tǒng)的功能優(yōu)劣主要取決于電制動的性能和與液壓制動的配合，制動系統(tǒng)中電制動和液壓制動采用分別控制的方式實現(xiàn)制動功能，車輛將電制動系統(tǒng)分別通過網(wǎng)絡(luò)和硬線發(fā)送至各個車輛的制動電子單元，制動電子單元通過讀取相應(yīng)的信號，確定各個動車的電制動是否正常，即就制動系統(tǒng)控制而言，各個單車的電制動只存在100%電制動和無電制動2 種情況，制動電子單元之間無數(shù)據(jù)的交互，車輛依據(jù)等粘著利用的原則，在某輛車丟失電制動的情況下，通過施加液壓制動進行補充。

上述100%低地板輕軌車輛的制動系統(tǒng)特性決定了電制動和液壓制動切換階段的混合制動過程，車輛在低速情況下進行電制動退出與空氣制動補償?shù)倪^程并非如圖2 所示地鐵常用的A、B 型車的混合制動中減速度應(yīng)恒定不變的過程，即100%低地板車無法實現(xiàn)在混合制動過程中，液壓制動對電制動進行制動力的連續(xù)補償，同時液壓制動力以固定的制動級別進行施加，因此低地板車輛無法保證制動減速度的連續(xù)，制動系統(tǒng)的制動力大小無法按照ATO 系統(tǒng)控車輸出指令執(zhí)行，呈現(xiàn)為失控狀態(tài)。

圖2 地鐵常用A、B型車混合制動過程制動力示意圖Fig.2 Schematic diagram for braking force of composite braking process for Type A and B commonly used in subway

本文針對100%低地板列車性能混合制動期間的失控時間長，以及液壓制動階段的制動級位為不分級的制動性能機制，ATO 系統(tǒng)制定了針對100%低地板列車的精準停車控制策略，如圖3 所示，將常規(guī)的ATO 控車邏輯（整個停車階段使用連續(xù)閉環(huán)PID 負反饋控制策略）進行修改，引入分段式模糊PID 控制算法，將整個停車階段劃分為3 個階段，分別為：電制動參與的速度連續(xù)跟隨階段、混合制動參與的速度分段控制階段、液壓制動參與的一把閘階段，通過給定速度（命令速度）與反饋速度（列車當前速度）作為輸入，通過有限狀態(tài)機FSM 制定了不同階段的控制策略協(xié)調(diào)配合，ATO輸出不同的控制列車級位，從而有效的控制列車以平滑的停車曲線，精準的停穩(wěn)停準在站臺的停車點位置。最終實現(xiàn)基于低地板輕軌車輛的ATO 精準停車功能。

圖3 ATO的控制策略優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure chart of ATO control strategy optimization

ATO 運用有限狀態(tài)機FSM 制定ATO 系統(tǒng)的精確停車階段的控車策略如下。

1）停車點減速狀態(tài)機：基于車輛在高速階段制動性能相對穩(wěn)定，制動效果好的特點，滿足更新停車點信息的事件后，進入進站停車停車點減速邏輯，在停車點減速狀態(tài)機運用模糊PID 的控制算法，調(diào)整列車位置和速度，使ATO 的停車過程為一個穩(wěn)定地跟蹤一條恒定制動率的制動曲線的過程，當滿足列車速度小于TV(cm/s)或列車估計位置大于停車點前TS(cm)的事件條件后，狀態(tài)機執(zhí)行動作，進入電制動階段狀態(tài)機。

2）電制動階段狀態(tài)機：完成對于列車位置和速度的微調(diào)，保證進入混合制動階段的時候能夠有效的避免因車輛性能的制動力失控導致的列車速度異常，當滿足列車估計位置達到停車點前ADJ(cm)的事件后，進入混合制動階段狀態(tài)機。

3）混合制動階段狀態(tài)機：ATO 控制策略中的混合制動狀態(tài)機內(nèi)主要的動作是利用分段的速度控制算法，制定不同的列車速度與輸出級位對應(yīng)策略，同時引入惰行級位的輸出，有效的將速度穩(wěn)定在一個能夠安全度過混合制動期間列車性能失控的設(shè)定閾值，防止因混合制動階段，電制動和液壓制動的綜合效果失控導致的ATO 輸出級位錯亂問題。當滿足列車估計位置超過停車點前STOP_S 的事件后，進入液壓制動狀態(tài)機。

4）液壓制動狀態(tài)機：該狀態(tài)機為液壓制動輸出恒定制動力的過程，因液壓制動的制動力是不分級的制動機制，不響應(yīng)ATO 輸出級位，因此ATO 的控制策略就是輸出最后一把閘級位，控制列車快速且精準停車，因上述幾個階段狀態(tài)機，已經(jīng)將列車的速度和位置調(diào)節(jié)到了一個穩(wěn)定的數(shù)值，符合固定減速度的條件，列車能夠精準的停在站臺停車點。當滿足正常停車且零速周期達到配置值的事件后，進入停車狀態(tài)機。

5）停車狀態(tài)機：該狀態(tài)機為列車已經(jīng)停準停穩(wěn)在站臺的停車點，完成了ATO 精準停車的功能實現(xiàn)。

針對100%低地板列車的ATO 精準停車階段運用有限狀態(tài)機FSM 的狀態(tài)遷移，如圖4 所示。

圖4 ATO停車階段有限狀態(tài)機FSM的狀態(tài)遷移圖Fig.4 State transition diagram of finite-state machine FSM in ATO parking phase

3 控制策略的應(yīng)用及分析

通過將城市軌道交通領(lǐng)域100%低地板輕軌車輛的ATO 精準停車控制策略應(yīng)用于長春快軌北湖線一期工程，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試、算法適應(yīng)性修改、參數(shù)反復(fù)尋優(yōu)等工作，得出車載ATO 精準停車階段運用分段式模糊PID 控制算法和有限狀態(tài)機FSM的各狀態(tài)機遷移事件和條件參數(shù)如圖5 所示。

圖5 ATO精準停車階段運用有限狀態(tài)機FSM的參數(shù)Fig.5 Parameters for finite-state machine FSM used in ATO precise parking phase

通過現(xiàn)場ATO 精準停車測試的數(shù)據(jù)分析，ATO 停車精度滿足在停車誤差范圍±0.5 m 內(nèi)的概率大于等于99.999 8%。具體停車誤差和實際列車運行曲線如圖6、7 所示。

圖6 應(yīng)用在長春北湖線的ATO停車誤差Fig.6 ATO parking error used in North Lake Line in Changchun

圖7 實際列車運行曲線Fig.7 Actual train operation curve

4 結(jié)論

針對100%低地板輕軌車輛混合制動階段失控以及液壓制動不分級的制動機制引起的ATO 停車精度差的問題，本文以100%低地板輕軌車輛為研究對象，運用分段式模糊PID 控制算法和有限狀態(tài)機FSM 的控制策略，高效的實現(xiàn)了100%低地板輕軌車輛的ATO 精準停車功能，并在實際軌道交通線路中進行了應(yīng)用和驗證，對列控ATO 系統(tǒng)的研究以及城市軌道交通的發(fā)展和具有重要作用。