城市軌道交通列車自動駕駛各階段速度控制算法的研究

徐 杰，郜洪民，孟 軍

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通的發展，各城市很多地鐵線路都從國外引進先進的ATO技術。ATO的核心功能表現為對列車速度的調節與控制，ATO自動駕駛能否滿足列車運行指標取決于其所采用的速度控制算法。本文將列車自動駕駛劃分為車站發車、速度跟蹤、目標制動3個階段，對每個階段的速度控制算法進行研究，為國內ATO技術的完善和進一步實用化打下基礎。

1 ATO系統概述

圖1 車載ATO系統關系圖

如圖1所示，作為車載控制器（VOBC）的重要組成部分，列車自動駕駛（ATO，Atomatic Train Operation）主要功能是通過接收、處理來自速度傳感器的脈沖信號，計算列車當前速度，并以列車當前速度與目標速度的誤差作為輸入，通過伺服控制模塊輸出控制命令，驅動牽引或制動繼電器，并且通過模擬0 mA～20 mA電流環硬件電路輸出控制量大小，整個過程采用PID控制算法，其算法的核心是基于比例、積分、微分控制原理計算。列車牽引或制動系統按照控制命令和控制量對列車速度進行調節控制。列車目標速度根據ATS（Automatic Train Supervision，列車自動監控系統）運行時間要求計算獲得，ATO列車自動駕駛在ATP（Automatic Train Protection，列車超速防護系統）的監督保護下運行。同時ATO根據采集到的門控模式開關以及ATP門使能信號，控制車門和屏蔽門開關。給列車駕駛臺輸出ATO激活、自動折返等信息，輔助司機對列車進行必要的操作和監控。

圖2 自動駕駛速度曲線

2 列車自動駕駛過程

如圖2，列車從車站A自動駕駛至車站B，整個過程包括車站發車、速度跟蹤、目標制動3個階段。列車在站臺A，ATP給出ATO使能信號，司機按壓ATO發車按鈕，ATO以一個固定的加速度計算目標速度，列車跟隨目標牽引曲線加速至惰行速度；區間運行過程中，ATO通過速度離散化PID算法跟蹤惰行速度，整體ATO限速（低于ATP限速）與ATS運行時間相關；若遇到前方有目標制動點，ATO利用距目標制動點的距離和一個固定的減速度，根據能量守恒原理計算當前位置的目標速度，列車跟隨目標制動曲線減速。

整個ATO運行過程需要考慮的運行指標包括運行時間、能耗、安全性、舒適性、跟隨性、停站精度。

2.1 車站發車階段

列車從車站A發車，考慮節省運行時間和能耗，系統應輸出最大牽引電流，使列車采用最大加速度（MaxAcc）在最短時間內達到區間惰行速度，但考慮到乘客舒適性，最大加速度不能大于乘客忍受度（AccBear），而且考慮到速度調節控制的穩定性，系統應采用一個恒定的加速度a1。綜上各個因素，取為車輛所有速度下對應的最大加速度和乘客能忍受的最大加速度中的最小值，即a1=min(MaxAcc, AccBear)。

加速階段的目標速度r(t)=a1t，系統采用牽引模式下的PID參數，調節控制列車速度。表1為車輛方提供的不同速度對應最大加速度值。

表1 車輛不同速度對應最大加速度值

2.2 速度跟蹤階段

2.2.1 速度離散化PID控制系統結構

速度離散化PID控制算法是在經典PID控制基礎上，以ATO限速s(t)和列車實際速度y(t)作為輸入，用速度離散化的方法進行在線推理判斷，計算當前ATO采用的目標速度r(t)，并選擇PID控制算法的參數Kp、Ki、Kd。以計算出的ATO目標速度r(t)與列車實際速度y(t)之間的誤差e(t)作為PID調節器的輸入，PID調節器采用速度離散化推理判斷出的Kp、Ki、Kd進行計算，輸出牽引、惰行或制動命令以及相應控制量大小，調節控制列車速度。速度離散化PID控制系統結構圖如圖3。其中，Kp為比例系數，按比例反映系統的偏差信號；Ki為積分系數，主要用于消除靜差，提高系統的無差度；Kd為微分系數，反映偏差信號的變化趨勢，可改善系統的動態性能。

圖3 ATO模糊PID控制系統結構圖

速度跟蹤階段必須滿足運行時間、能耗、安全性、舒適性、跟隨性要求。采用速度離散化PID控制算法能夠實現：

（1）根據從ATS獲得的運行時間計算出的ATO限速s(t)作為輸入條件，系統考慮了運行時間要求，運行時間與規定值誤差≤±5%；

（2）采用上下兩個目標速度r(t)作為速度控制的目標點，增加了惰行機會和時間，避免了復雜情況下圍繞一個目標速度頻繁切換牽引制動命令而產生的不必要能耗；

（3）設有低于ATO限速的超速曲線，提前采取最大制動電流，避免實際的超速發生，而且有繼續施加最大制動電流的過程，避免二次超速，保證系統安全性；

（4）采用上下兩個目標速度r(t)作為速度控制的目標點，避免復雜情況下圍繞一個目標速度頻繁切換牽引制動命令，保持列車平穩運行，增加乘客舒適性；

（5）不同模式下系統采用不同的PID參數，增強了速度調節的精確度。實際工程應用中，可以通過合理選擇速度離散區間間隔大小來滿足速度跟隨性。

2.2.2 速度離散化PID推理判斷原則

圖4 離散化速度分布圖

如圖4，利用系統在受控過程中對應不同ATO限速s(t)和列車實際速度y(t)，速度離散化PID推理判斷原則歸納如下（設ATO限速s(t)和列車實際速度y(t)之間的速度差值為ΔV）：

表2 速度離散化推理判斷規則表

（1）當ΔV≤1.5 km/h時，列車超速，系統輸出最大制動電流，確保列車速度在最短時間內下降到正常范圍。

（2）當1.5 km/h＜ΔV≤2.5 km/h時，如果1.5 km/h＜ΔV≤2.0 km/h且在此之前列車處于超速狀態，則系統輸出最大制動電流，繼續減速，避免二次超速；其它情況下，系統按照ATO目標速度r(t)=s(t)-2，圖4中BrakeDownCoasting-Line2，選擇惰行模式下PID參數Kp、Ki、Kd，計算輸出比較小的制動電流，列車巡航。

（3）當2.5 km/h＜ΔV≤4.0 km/h時，如果3.5 km/h＜ΔV≤4.0 km/h且在此之前列車處于加速狀態，則系統按照ATO目標速度r(t)=s(t)-3，圖4中SpeedUpCoastingLine2，選擇牽引模式下PID參數Kp、Ki、Kd，計算輸出合適的牽引電流，繼續加速，確保列車一次性完成加速過程；其它情況下，系統按照ATO目標速度r(t)=s(t)-3，圖4中SpeedUpCoastingLine2，選擇惰行模式下PID參數Kp、Ki、Kd，計算輸出比較小的牽引電流，列車巡航。

（4）當ΔV＞4.0 km/h時，系統按照ATO目標速度r(t)=s(t)-3，圖4中SpeedUp-CoastingLine2，選擇牽引模式下PID參數Kp、Ki、Kd，計算輸出合適的牽引電流，控制列車加速運行。

2.3 列車目標制動階段

如圖5，列車制動目標分為低速點和零速點：低速點包括低于當前速度的線路限速點或臨時限速點（圖5中TSR點）；零速點包括安全停車點（圖5中POP點）和非安全停車點（圖5中OSP點）。如公式（1），系統利用列車當前位置（圖5中P點）與目標制動點的距離Δs、高度差Δh和目標點的速度值vg，采用恒定的減速度ab（考慮因素與車站發車過程同理），根據能量守恒原理（見公式（1））推出列車當前位置不同的局部設定速度vp、vo、vl、va，列車當前位置目標速度的最終取值vr為不同的局部設定速度vp、vo、vl、va中的最小值，即vr=min(vp,vo,vl,va)。所有不同的局部設定速度vp、vo、vl、va的最小值集合即為ATO目標速度曲線（圖5中的虛線）。系統采用制動模式下的PID參數，調節控制列車速度。

圖5 不同的局部設定速度

其中，Mp為列車靜態質量；Mi為列車動態質量；g為重力加速度。

另外，列車站臺停車需要考慮停車精度要求，ATO采集速度傳感器的速度脈沖信號實時計算列車速度和位置，避免了接收ATP速度的時延。通過增加站臺鋪設應答器的密度，列車經過應答器即時修正位置誤差，可以實現精確停車，停站精度≤±30 cm。

3 測試與驗證

以上分別對列車自動駕駛各階段的速度控制算法進行了研究，下面通過基于CPCI硬件平臺和Linux嵌入式操作系統的列車自動駕駛系統，對速度控制算法的整體實現效果進行測試和驗證。

測試線路選用廣州地鐵1號線試車線，包含2個虛擬站臺和1個折返線，進入折返線之前有一段限速區段。

測試結果如圖6。

圖6中，輸出曲線為廣州地鐵1號線試車線的列車自動駕駛過程，紫色曲線為目標速度，藍色曲線為列車實際速度。整個過程中，實際速度都低于ATP限速，滿足安全性要求；實際速度與目標速度的差值≤±3 km/h，滿足跟隨性要求；速度跟蹤階段的速度取決于運行時間，圖6中按最高限速駕駛，即最短運行時間。發車階段和目標制動階段的加減速度值和沖擊率合理，滿足乘客舒適性要求。停站之后，通過查看列車位置和站臺停車點確定停站精度≤±30 cm，滿足停站精度要求。加速和制動過程較短，速度調節波動變化較小，滿足節約能耗的要求。所以，本文所研究的各階段速度控制算法整體實現效果良好，控制誤差很小，控制系統滿足要求。

圖6 列車自動駕駛過程測試結果

4 結束語

列車自動駕駛系統是現代城市軌道交通列車自動控制的重要組成部分，其實現的關鍵是列車速度控制算法的設計，本文中各階段速度控制算法的設計能滿足列車自動駕駛的運行指標要求，對列車自動駕駛技術的國產化研究有一定參考意義。

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