城軌線路ATO系統(tǒng)控車策略優(yōu)化

吳大武

（合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，合肥 230092）

城市的不斷發(fā)展，城市軌道交通的高效運(yùn)營(yíng)是國(guó)內(nèi)城市發(fā)展的必然趨勢(shì)，而列車控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度的好壞將是城市軌道交通發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。ATO子系統(tǒng)作為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，起著十分重要的作用。ATO在ATP子系統(tǒng)的安全防護(hù)下，高效、經(jīng)濟(jì)、合理地控制列車的牽引和制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛、區(qū)間運(yùn)行、精確停車、節(jié)能控車等功能。因此良好的ATO系統(tǒng)控車策略對(duì)于城市軌道高效發(fā)展具有重要意義。

1 概述

1.1 研究背景與現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外已有大量針對(duì)列車控制系統(tǒng)自動(dòng)化策略的研究。文獻(xiàn)[2]將牽引與制動(dòng)作為控制變量，計(jì)算列車的最優(yōu)控制序列。文獻(xiàn)[3]提出基于模糊Petri神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，深入研究了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，從而提高ATO控制算法的精準(zhǔn)性。新加坡國(guó)立大學(xué)的 Chang C.S 教授對(duì)列車運(yùn)行惰行點(diǎn)位置進(jìn)行研究，通過遺傳算法優(yōu)化列車運(yùn)行方案[4]。文獻(xiàn)[5]將模糊控制和預(yù)測(cè)理論運(yùn)用到列車控制系統(tǒng)，提出了預(yù)測(cè)模糊列車控制系統(tǒng)。

列車控制信號(hào)系統(tǒng)在合肥3號(hào)線工程應(yīng)用過程中，因列車信號(hào)傳輸具有較大延時(shí)，不同列車性能存在差異性且道路環(huán)境因素復(fù)雜，導(dǎo)致控車難度較高。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于追趕時(shí)間計(jì)算控制的ATO制動(dòng)控制優(yōu)化策略，能夠有效地解決實(shí)際存在的工程應(yīng)用問題，保證ATO系統(tǒng)的精確控制。如圖1所示。

圖1 ATO控制系統(tǒng)模型示意Fig.1 Model of ATO control system

1.2 列車制動(dòng)系統(tǒng)與性能

合肥3號(hào)線列車的制動(dòng)系統(tǒng)包括電制動(dòng)、空氣制動(dòng)、以及電氣指令單元。該制動(dòng)系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)，采用分散式控制，即以每個(gè)轉(zhuǎn)向架為單位設(shè)置單個(gè)制動(dòng)控制單元。車與車之間的接口、功能相匹配，編成列車后不互相干擾[6]。在與ATO系統(tǒng)交互時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)接收ATO的控制指令，并依據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)制動(dòng)力的輸出。

在列車進(jìn)站停車制動(dòng)過程中，低速下的電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的轉(zhuǎn)換十分關(guān)鍵，即混合制動(dòng)階段，在此轉(zhuǎn)換過程中，由于車輛的制動(dòng)系統(tǒng)是多系統(tǒng)配合且響應(yīng)ATO系統(tǒng)制動(dòng)級(jí)位延時(shí)較大，因此制動(dòng)可控性不足。如何適應(yīng)多列車的不同制動(dòng)性能狀態(tài)而有效控車成為ATO自動(dòng)駕駛系統(tǒng)制動(dòng)控制策略制定的研究難點(diǎn)。

2 ATO制動(dòng)控制策略的優(yōu)化

在進(jìn)站停車過程中，面對(duì)列車運(yùn)行系統(tǒng)大延時(shí)、非線性等特點(diǎn)，本文研究一種基于追趕時(shí)間計(jì)算控制的列車制動(dòng)控制策略，能夠有效解決列車制動(dòng)過程中舒適度與停車精度等問題。

本文描述的追趕時(shí)間算法應(yīng)用于控制列車至目標(biāo)點(diǎn)或停車點(diǎn)。假設(shè)當(dāng)前列車均減速運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)或停車點(diǎn)前配置值，計(jì)算實(shí)際運(yùn)行時(shí)間racttime，如公式（1）所示。計(jì)算目標(biāo)速度和當(dāng)前速度的差值，若此差值小于0，即目標(biāo)速度小于當(dāng)前速度，則計(jì)算各個(gè)級(jí)位消除速度差的追趕時(shí)間catchtime，如公式（2）所示，選取小于racttime的最大追趕時(shí)間對(duì)應(yīng)的級(jí)位，如圖2所示。若此差值大于0，即目標(biāo)速度小于當(dāng)前速度，計(jì)算能夠減小速度差的各個(gè)級(jí)位消除速度差的追趕時(shí)間catchtime，選取大于racttime的最大追趕時(shí)間對(duì)應(yīng)的級(jí)位，如圖3所示。

圖2 目標(biāo)速度小于當(dāng)前速度示意Fig.2 Target speed is less than the current speed

圖3 目標(biāo)速度大于當(dāng)前速度示意Fig.3 Target speed is greater than the current speed

St和vt為配置值，Scur和vcur如公式（3）所示為當(dāng)前的列車位置和速度，v級(jí)位如公式（4）所示為級(jí)位的減速率考慮坡度影響后的綜合減速率，對(duì)應(yīng)的級(jí)位即為列車電流環(huán)相對(duì)應(yīng)的電流值，控制列車的牽引和制動(dòng)。

每次選取出列車能夠達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)前，列車速度能回歸至目標(biāo)速度，同時(shí)滿足最高舒適度的追趕曲線所對(duì)應(yīng)的級(jí)位作為控車級(jí)位，將會(huì)控制列車貼近目標(biāo)速度曲線。當(dāng)使用無級(jí)控車時(shí)，即電流環(huán)步長(zhǎng)劃分更加精細(xì)，此曲線將會(huì)更加精細(xì)地貼近目標(biāo)速度曲線，并最終達(dá)到精確控車的目的。

圖4 追趕時(shí)間控車算法最終效果示意Fig.4 Schematic diagram of the final effect of the chasing time train control algorithm

當(dāng)列車從當(dāng)前位置以當(dāng)前速度做勻減速運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，若平均減速度與某個(gè)級(jí)位的減速率接近，微小的速度差就會(huì)對(duì)追趕時(shí)間造成很大的影響，加上列車的延時(shí)，此時(shí)容易出現(xiàn)級(jí)位連續(xù)減小，對(duì)于延時(shí)大的車輛，這種效果尤為顯著，為避免這種情況出現(xiàn)，在距離目標(biāo)點(diǎn)一定位置時(shí)，提前進(jìn)入下一狀態(tài)機(jī)，即當(dāng)需要從惰行轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，在未到達(dá)目標(biāo)速度與目標(biāo)距離時(shí)，提前進(jìn)入減速狀態(tài)。

另外，當(dāng)列車進(jìn)入電空轉(zhuǎn)換階段時(shí)，由于控制效果差，不能很好的響應(yīng)ATO系統(tǒng)輸出的級(jí)位，從進(jìn)站制動(dòng)過程采用一次制動(dòng)停車曲線控車算法，優(yōu)化為在電空轉(zhuǎn)換過程中施加小制動(dòng)甚至惰行的控車曲線算法，從而緩解車輛制動(dòng)力固有離散性引起的ATO停車精度差的問題。在列車電空轉(zhuǎn)換過程后，將繼續(xù)以追趕時(shí)間控制算法控制列車精確停車。

3 列控系統(tǒng)ATO控車策略的應(yīng)用

合肥3號(hào)線為使ATO控車更加精確，提升控車舒適度。采用追趕時(shí)間ATO控制策略，使得控車更加精確，提升區(qū)間運(yùn)行舒適度與站臺(tái)停車精度。

舒適度優(yōu)化前的停車曲線如圖5所示（依據(jù)合肥3號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)繪制）。

同一區(qū)間繪制舒適度優(yōu)化后的停車曲線如圖6所示。從優(yōu)化后的控車曲線可以明顯看出，列車在進(jìn)站制動(dòng)過程中，列車實(shí)際運(yùn)行曲線更加貼近命令速度曲線，速度變化更為平緩，沖擊率下降，有效提升乘車舒適度。

圖6 舒適度優(yōu)化后合肥3號(hào)線同一區(qū)間控車曲線示意Fig.6 Train control curve of the same section of Hefei Line 3 after comfort optimization

同時(shí)在采用優(yōu)化后的追趕時(shí)間ATO控制策略下，采用合肥3號(hào)線調(diào)試前、后數(shù)據(jù)分析如圖7、8所示。

圖7 合肥3號(hào)線控車策略優(yōu)化前停車誤差Fig.7 Stop error before the optimization of train control strategy for Hefei Line 3

4 結(jié)束語

本文提出一種ATO系統(tǒng)進(jìn)站制動(dòng)的控制策略，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算ATO命令速度曲線并進(jìn)行速度修正，通過合肥3號(hào)線列控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。本文提出的制動(dòng)控車策略更為精準(zhǔn)，同時(shí)能夠適應(yīng)不同車型與環(huán)境，優(yōu)化ATO系統(tǒng)的乘車舒適度與停車精度，在列控信號(hào)系統(tǒng)精確控車工程應(yīng)用方面具有實(shí)用價(jià)值。

圖8 合肥3號(hào)線控車策略優(yōu)化后停車誤差Fig.8 Stop error after the optimization of train control strategy for Hefei Line 3