城市軌道交通ATO系統性能指標評價

張 強 陳德旺 于振宇

(北京交通大學電子信息工程學院 北京 100044)

1 研究背景

目前，行車密度、行車速度等是國內城市軌道交通發展中所面臨的問題，而列車控制系統的自動化程度較低是產生這些問題原因之一。對于非自動化的列車，存在列車平均速度低、安全性差、停車不準等缺點。在人工駕駛的情況下，決定列車運行狀況的最重要因素就是司機的駕駛技術。然而，司機駕駛技術的掌握主要是依靠長期實踐、不斷積累經驗，這樣培訓出來的司機往往只習慣于在一條線路上駕駛，換到另一條陌生線路上就不一定能夠勝任。另外，人工駕駛也加重了司機的勞動強度，在駕駛效率和舒適性上不一定能夠達到最優的控制效果。

通過列車自動駕駛(automatic train operation，ATO)，可以在保證列車安全的前提下，提高或改善列車旅行平均速度、停車準確性和旅客舒適度等多項指標;可根據線路數據庫自動進行修正，只需要將新數據輸入自動駕駛系統就可以在新線路上實現自動駕駛，不存在司機要對新線路長期實踐才能達到較好控制效果的問題。列車自動駕駛還可以大幅減少司機的工作量，改善司機的工作條件。綜上所述，列車自動駕駛已經成為軌道交通發展的重要目標之一。

由于具有以上明顯的優勢，近期開通的城市軌道交通線路(如北京亦莊線、昌平線、4號線等)均配備了ATO系統。不同廠家ATO系統的功能、硬件、軟件、控制算法都不盡相同，如何評價一個ATO系統的優劣非常重要。

確定了評價原則，不僅能夠向用戶提供一個驗收或選擇ATO系統的準則，同時對ATO系統的發展方向、設計原則都有非常重要的引領作用。

2 ATO評價要素分析

ATO在控車過程中，主要承擔了兩方面的職責:自動駕駛列車運行到目標點和實現運營需要的相應控制功能，如開關門、報站提示等。對于后者，功能由用戶需求決定，實現和評價的標準很清楚，非常容易評價。本研究主要針對ATO自動駕駛列車過程中的相關要素進行評價。

2.1 不超過緊急制動觸發速度

運行在列車超速防護(automatic train supervision，ATP)的緊急制動防護曲線之下(見圖1)，保證在運行過程中不能超速，且不能由于ATO的原因觸發緊急制動。

圖1 ATO運行在緊急制動觸發速度之下

ATO在控制列車運行過程中，ATP系統也在計算緊急制動觸發速度來保證行車過程的安全性，由于前車、線路限速、坡度、彎道等因素的影響，緊急制動觸發速度也在不斷地被計算。在整個運行過程中，ATO必須保證控制車輛的速度低于緊急制動觸發的速度，以達到不觸發緊急制動、維持ATO模式運行的目的。由于車輛的響應有一定的延時，所以ATO必須采用一定的預判來提前做出響應。不超過緊急制動觸發速度的評價函數為

式中，v為運行速度，vA為緊急制動觸發速度。

在ATO全程運行過程中，該指標不能大于0，否則ATO將由于緊急制動而被切除。

2.2 精確停車

由于現在的車站都配置了屏蔽門系統，要求ATO必須實現精確停車作業，不能影響乘降作業的效率，即車門要能夠完整地對乘客開放(見圖2)。

圖2 屏蔽門打開寬度與車門打開寬度

可以看出，為了不影響乘客正常的上下車，停車誤差至少要滿足屏蔽門打開寬度與車門打開寬度的差值1/2的要求，一般在30 cm范圍內。ATO的停車過程，應該是一個穩定地跟蹤一條恒定制動率的制動曲線的過程(見圖3)。

圖3 ATO精確停車過程

2.3 運行舒適度

在自動駕駛過程中，必須保證乘客的舒適度，對于站立或坐著的乘客都應該保證他們在列車的運行過程中無不適感。在列車加速、制動和站間巡航的過程中，均應該保證列車的平穩運行。

分析表明，加速度的變化會導致舒適度變差。通過對運行過程中的速度進行兩次微分，得到列車的加速度變化率，即沖擊率。沖擊率越大，則舒適度越差。

對沖擊率峰值的評價為

對運行過程中平均沖擊率的評價為

式中，v為運行速度，S為運行距離。

沖擊率的峰值和平均沖擊率要求越小越好。

2.4 運行準點率

目前，城市軌道交通的運行密度大、運力高，對列車運行過程的準點率要求非常高。對于ATO系統來說，只有按照列車自動監控系統(automatic train supervision，ATS)的指揮，保證準點運行，才能實現全系統的高效運行。

對于準點的要求，是列車從起點列車啟動到終點列車停車的這段運行過程中，實際運行時間與計劃運行時間的差應該小于一個允許的誤差范圍，不能晚點也不能早點。在本研究中，準點是指站間運行時間，不考慮停站時間。

運行準點率的評價函數為

式中，Tp為計劃站間運行時間，T為實際站間運行時間。站間運行時間的誤差越小越好。

2.5 節能

在列車載客的運行過程中，牽引、制動、照明、空調等因素都會對能耗產生影響。由于ATO對列車的控制主要在牽引、制動方面，所以本研究的對象為ATO在駕駛過程中對動力系統的節能評價。ATO駕駛應該根據不同運行效率的要求，實現當前條件下的最優節能運行。

能耗的適應度值函數可以簡化為列車牽引力F乘以速度v對時間的積分，即

將上式轉換為用于計算的加速度和速度，即

在列車運行過程中，車輛載重隨著乘客的增減在不斷發生變化，為了對不同載重列車能耗進行比較，需要將二者放在同一個水平線上，即去除質量的影響，有

式中，a為加速度，v為速度，S為運行距離。能耗參數越小越好。

2.6 牽引、制動切換頻繁度

在ATO控車過程中，需要不斷地切換牽引、制動和惰行，保證列車準確、舒適地運行到目的地。從舒適度的角度，降低牽引制動切換的頻率有利于舒適度的提高，并且有利于延長設備壽命;而ATO過快的牽引制動切換可能會導致車輛對指令的誤判斷，如圖4中左側較短的制動脈沖會導致車輛對制動指令的誤判斷。

圖4 短制動脈沖導致車輛的誤判斷

對運行過程切換次數的評價函數為

式中，n為全程的切換次數，S為運行距離。

式中，Tc為運行過程中牽引、制動、惰行狀態的維持時間。

在運行過程中，切換次數越少越好，維持時間要求不能小于車輛判斷的門限值。最終可通過對各項指標的測試和統計，評價ATO的控制效果。

3 ATO評價指標的測試方法

為了分析ATO控車性能指標，在ATO的控車過程中，需要實時對列車運行數據進行采集，存儲在記錄系統中，并在列車下線后將數據導出，以供研究人員進一步分析ATO控車效果。

車載ATO系統在司機確認(方向手柄向前、牽引制動手柄在零位、按下ATO啟動按鈕)后，啟動列車從起點運行至終點。在運行過程中，對當前時間、列車位置、速度、緊急制動觸發速度、ATO目標速度、輸出的牽引/制動指令進行實時計算，并發送給記錄系統，記錄系統每周期將接收到的數據寫入記錄文件。在運營結束后，將記錄數據拷出，利用分析軟件對其進行分析，得出相應的指標。

4 ATO運行數據分析

以ATO控車過程中的一個站間數據為例，對運行數據進行分析，站間運行曲線如圖5所示。

圖5 運行過程中的3條曲線

從起點到終點的運行距離為1.544 km。

1)不超過緊急制動觸發速度。從圖5的曲線上可以看出，全程沒有發生實際速度高于緊急制動觸發速度的情況，Ko=0。

2)精確停車。ATO系統記錄的停車精度數據為－16 cm，即越過停車點16 cm，Ks=16 cm。

3)運行舒適度。通過對采集的速度進行處理，得到沖擊率的曲線，見圖6。

圖6 沖擊率與速度曲線

通過分析可以得出Kj，max=575 cm/s2，對于運行過程中平均沖擊率的評價為Kj，ave=21 904 cm/s3km－1。需要注意的是，本統計中對沖擊率的計算采用相鄰數據微分的形式，未能對一些數據中的噪聲進行處理，可作為比較ATO舒適度趨勢的依據。要分析出實際的沖擊率，還需要加速度計算和數據濾波處理等進一步的工作。

4)運行準點率。從數據分析結果可以看出，共運行了113.6 s，而ATO的計劃運行時間為110 s。通過計算可以看出，Kt=3.27%。

5)節能。本文中的分析是基于一個站間的運行能耗情況，該站間內的能耗參數(考慮質量為固定值1)為Ke=303 047/km。

6)牽引、制動切換頻繁度。從數據記錄中可以看出，全程中ATO的開關量切換發生了2次(最后一次是保持制動和制動同時輸出，可算作制動輸出)，模擬量在0處的切換發生了7次，綜合可計為7次的牽引、惰行、制動間切換(見圖7)。

圖7 牽引、制動切換頻繁度

通過對數據的分析，形 成 結 論 為:Kc，t=7，Ka，feq=0.8 s。匯總各項數據，最終形成如表1所示的統計表。

通過對不同ATO系統的統計表進行比較，即可實現對ATO系統的評價結果。

表1 ATO控車性能評價指標分析結果

5 結語

從目前軌道交通發展過程中對ATO系統需要一個評價指標的需求出發，結合ATO的功能、性能需求，提出了相應的ATO指標，并且提出了ATO控制指標的量化計算方法。通過對實際工程測試數據的分析，表明ATO控制效果的評價方法切實可行，分析結果可以作為對ATO系統指標的驗收標準，也可作為比較不同ATO系統的參考依據。

在此基礎上，下一步的工作將考慮如何將ATO的若干控制參數整合成一個最終的結果，即充分考慮各個指標的權重，且權重可根據不同的線路、不同的用戶進行相應的調整。總之，通過不斷的研究與試驗，優化對ATO系統的評價指標，可以促進ATO系統的進一步研究，最終實現城市軌道交通自動駕駛系統更加高質、高效的運行。

［1］宗明，郜春海，何燕.基于CBTC控制的全自動駕駛系統［J］.都市快軌交通，2006，19(3):35-36.

［2］唐濤，黃良驥.列車自動駕駛系統控制算法綜述［J］.鐵道學報，2003，25(2):98-102.

［3］Chang C S，Sim S S.Optimising train movements through coast control using genetic algorithms［J］.Electric Power Application，IEE Proc.，1997，144(1):65-73.

［4］石紅國，彭其淵.列車運行過程仿真及優化研究［D］.成都:西南交通大學，2006:9-27.

［5］楊光，唐禎敏.基于MATLAB的磁浮列車自動駕駛控制系統的仿真［J］.鐵路計算機應用.2007(6):49-51.

［6］郜春海，唐濤，張建明.高速鐵路列車運行控制系統車載設備的軟件設計［J］.北京交通大學學報:自然科學版，1999(5):1-2.