自動控制在地鐵自動駕駛控制系統中的應用

張琪琪 程曉旭 高文秀 李淼 張路 曹軒銘

摘 要：隨著時代的不斷發展，地鐵全自動駕駛技術成為地鐵系統中的發展趨勢，對于地鐵全自動駕駛技術，同時自動控制技術的質量性能決定了地鐵自動駕駛控制中的精度，同時對地鐵全自動駕駛技術的安全性、高效性及舒適性都有非常重要的意義。本文對自動控制及其基本原理以及其在地鐵全自動駕駛技術的應用來進行研究。

關鍵詞：地鐵全自動駕駛;自動控制技術;控制精度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.121

0 前言

隨著科技的不斷進步，軌道交通技術也在快速發展，同時也引領著全自動駕駛技術的快速發展，目前已經越趨成熟。目前，許多發達國家的城市軌道交通都實現了全自動駕駛，包括國內香港的迪士尼線、上海地鐵10 號線以及北京地鐵機場線。地鐵全自動駕駛是指在無人參與的情況下，列車能夠自主運行。車輛在全自動化駕駛過程中，需要系統能夠實現高效率、高密度的要求，因此列車的自動控制系統是必不可少的。自動控制系統（ATC，即Automatic Train Control）包括三個子系統：列車超速防護子系統（ATP ：Automatic Train Protection） 、列車自動駕駛子系統（ATO ：Automatic Train Operation） 、列車自動監控子系統（ATS ：Automatic Train Supervision）。

ATO系統，即列車自動駕駛子系統，主要實現“地對車控制”，模擬最佳司機駕駛， 實現正常情況下高質量的自動駕駛，使列車高效率運行，同時也提升列車運行過程中的舒適度，節省能源。ATS子系統是ATC的核心功能，可自動或由人工控制進路，進行行車調度指揮，并向行車調度員和外部系統提供信息，其可以實現對列車運行的監督和控制，輔助行車調度人員對全線列車運行進行管理。ATP子系統則是根據地面傳遞的信息計算出列車在運行過程中所允許的安全速度，進而保證列車間隔，從而實現超速防護。

為了提高全自動駕駛地鐵的整體性能，自動控制技術是非常有必要的，而自動控制的檢測性能對列車行駛的最優性能也非常重要[1]。

1 自動控制及其基本原理

自動控制，是利用控制裝置使被控對象在沒有人直接參與的情況下按照預定的規律運行和變化。全自動無人地鐵駕駛即地鐵不依賴人員的控制條件下，能夠自主的行駛以及確定車輛各種信息，為了能夠準確的完成全自動駕駛，具有良好的自動控制系統控制質量是非常有必要的。

控制系統分為開環控制系統、閉環控制系統以及復合控制系統，開環控制系統是單向傳遞的，系統結構比較簡單，同時成本較低，但被控量的精度只能取決于控制器及被控對象參數的穩定性，無法進行自修正。閉環系統系統可以自動糾正干擾或內部特性參數變化引起的變動，系統的控制精度較高，但是負反饋需要引入合適的參數匹配[2]。

地鐵全自動駕駛控制系統中，利用自動控制系統的自適應控制特性，通過監控系統自動測量系統狀態，由中央控制單元自動辨識、分析測量參數，再通過預先設定狀態去判斷并自動改變控制器結構與參數，使其適應環境變化，并始終維持最優的性能指標。

2 自動控制在全自動駕駛地鐵控制系統中的應用

2.1 車速自動駕駛控制

在列車行駛過程中，綜合列車的運行計劃、列車的實時運行速度、實時運行線路以及運行的目標速度等信息，通過自動駕駛系統車載設備實時計算出列車要達到目標車速時，所需要的牽引力或制動力的大小，然后通過總控制單元，根據列車的需求對列車牽引系統或控制系統的執行器發出指令，進而完成列車的加速和減速作業。

車載 ATO 模塊是列車自動駕駛的核心組成，其包括硬件和軟件。車載 ATO 模塊從 ATP 模塊接收到列車的運行速度、線路允許速度、限速和目標速度，以及列車所處位置等信息。車載 ATO 模塊綜合這些數據信息，實時計算出列車當前所需的牽引力或制動力，然后通過控制指令向列車執行機構發出請求指令，其原理框圖如圖 1 所示。

利用列車自動駕駛系統對列車進行精確的控制，使列車駕駛最大程度處于最佳的運行狀態。列車在運行過程中合理的速度需求，可以使列車運行效率顯著提升，同時也可以減小列車的能源消耗。在列車運行過程中，根據所施加牽引力及制動力的大小，列車的運行速度被控制在一定的速度范圍內， 列車自動駕駛下的速度和距離運行曲線如圖 2 所示。

根據列車自動駕駛過程中的速度、距離曲線，在自動駕駛控制時，列車速度在一個較小的速度區間內波動，采用惰行狀態可以提高列車運行效率，較小能源消耗，同時也可以增加乘客的舒適度，通過選擇最佳的惰行點防止列車在制動和牽引狀態之間頻繁切換[3]。

2.2 車站精準停車控制分析

列車全自動駕駛過程中，車站精準停車對提高列車的運營效率，同時提高性行車安全具有重要意義。

列車實現車站精準停車，需要有機結合列車的車載系統、牽引和制動系統，使其能夠相互配合。列車監控系統采集列車行駛速度，同時將行駛速度傳遞給自動駕駛車載模塊，通過車載模塊對列車速度及位置的分析， 對列車發出控制指令，從而實現列車的精確停車。

列車在車站精確停車，便于在站臺設置安全門等防護裝置，從而為乘客提供安全的候車、乘車環境。

2.3 自動控制系統質量指標

控制系統受到干擾后，被控量會產生信號波動。控制性能的優劣可以從控制系統輸入與輸出信號的比較中體現，一般從穩定性、快速性和準確性三個方面來衡量。

控制系統中穩定性使系統能夠正常工作，快速性決定被控量對控制量反應的快慢程度，準確性體現了系統被控量所能達到的控制精度。控制系統的這三個控制指標可以通過對控制系統中元件的選擇以及參數的合理設置來實現，同時，三個性能指標是互相制約的。因此，在控制系統中，尤其是在無人自動地鐵駕駛過程中，利用不同的系統達到不同的控制性能，可以有利于提升地鐵的運行效率以及運行過程中舒適性及安全性。因此，自動控制系統參數對地鐵全自動無人駕駛系統的運營有著重要意義。

3 結語

隨著時代的不斷發展，地鐵無人駕駛技術的發展將越來越成熟，而自動控制技術對其發展有著積極的促進作用。通過自動控制系統的不同參數和元件的選擇，地鐵全自動駕駛技術可以更精準、安全、高效的運營， 同時還可以提供更舒適的乘車環境。在未來，地鐵駕駛的發展方向必定朝著智能化發展， 同時，滿足乘客的方便快捷乘車的需求。提高全自動列車駕駛系統中自動控制技術控制性能的最優化，依然是我們需要努力的方向。

參考文獻：

[1]黃良驥，唐濤.地鐵列車自動駕駛系統分析與設計[J].北方交通大學學報，2002.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業出版社，1984.

[3]肖衍，蘇立勇.軌道交通全自動駕駛系統集成技術研究[J].中國鐵路，2015（05）：39-42.