城軌線路ATO系統控車策略優化

吳大武

（合肥市軌道交通集團有限公司運營分公司，合肥 230092）

城市的不斷發展，城市軌道交通的高效運營是國內城市發展的必然趨勢，而列車控制系統自動化程度的好壞將是城市軌道交通發展的關鍵所在[1]。ATO子系統作為列車運行控制系統的重要組成部分之一，起著十分重要的作用。ATO在ATP子系統的安全防護下，高效、經濟、合理地控制列車的牽引和制動，實現列車自動駕駛、區間運行、精確停車、節能控車等功能。因此良好的ATO系統控車策略對于城市軌道高效發展具有重要意義。

1 概述

1.1 研究背景與現狀

目前，國內外已有大量針對列車控制系統自動化策略的研究。文獻[2]將牽引與制動作為控制變量，計算列車的最優控制序列。文獻[3]提出基于模糊Petri神經網絡系統，深入研究了系統動態特性的影響，從而提高ATO控制算法的精準性。新加坡國立大學的 Chang C.S 教授對列車運行惰行點位置進行研究，通過遺傳算法優化列車運行方案[4]。文獻[5]將模糊控制和預測理論運用到列車控制系統，提出了預測模糊列車控制系統。

列車控制信號系統在合肥3號線工程應用過程中，因列車信號傳輸具有較大延時，不同列車性能存在差異性且道路環境因素復雜，導致控車難度較高。本文設計實現一種基于追趕時間計算控制的ATO制動控制優化策略，能夠有效地解決實際存在的工程應用問題，保證ATO系統的精確控制。如圖1所示。

圖1 ATO控制系統模型示意Fig.1 Model of ATO control system

1.2 列車制動系統與性能

合肥3號線列車的制動系統包括電制動、空氣制動、以及電氣指令單元。該制動系統為計算機閉環控制的控制系統，采用分散式控制，即以每個轉向架為單位設置單個制動控制單元。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系統交互時，能夠實時接收ATO的控制指令，并依據指令進行相應制動力的輸出。

在列車進站停車制動過程中，低速下的電制動與空氣制動的轉換十分關鍵，即混合制動階段，在此轉換過程中，由于車輛的制動系統是多系統配合且響應ATO系統制動級位延時較大，因此制動可控性不足。如何適應多列車的不同制動性能狀態而有效控車成為ATO自動駕駛系統制動控制策略制定的研究難點。

2 ATO制動控制策略的優化

在進站停車過程中，面對列車運行系統大延時、非線性等特點，本文研究一種基于追趕時間計算控制的列車制動控制策略，能夠有效解決列車制動過程中舒適度與停車精度等問題。

本文描述的追趕時間算法應用于控制列車至目標點或停車點。假設當前列車均減速運動至目標點或停車點前配置值，計算實際運行時間racttime，如公式（1）所示。計算目標速度和當前速度的差值，若此差值小于0，即目標速度小于當前速度，則計算各個級位消除速度差的追趕時間catchtime，如公式（2）所示，選取小于racttime的最大追趕時間對應的級位，如圖2所示。若此差值大于0，即目標速度小于當前速度，計算能夠減小速度差的各個級位消除速度差的追趕時間catchtime，選取大于racttime的最大追趕時間對應的級位，如圖3所示。

圖2 目標速度小于當前速度示意Fig.2 Target speed is less than the current speed

圖3 目標速度大于當前速度示意Fig.3 Target speed is greater than the current speed

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

每次選取出列車能夠達到目標點前，列車速度能回歸至目標速度，同時滿足最高舒適度的追趕曲線所對應的級位作為控車級位，將會控制列車貼近目標速度曲線。當使用無級控車時，即電流環步長劃分更加精細，此曲線將會更加精細地貼近目標速度曲線，并最終達到精確控車的目的。

圖4 追趕時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

當列車從當前位置以當前速度做勻減速運動至目標點時，若平均減速度與某個級位的減速率接近，微小的速度差就會對追趕時間造成很大的影響，加上列車的延時，此時容易出現級位連續減小，對于延時大的車輛，這種效果尤為顯著，為避免這種情況出現，在距離目標點一定位置時，提前進入下一狀態機，即當需要從惰行轉制動時，在未到達目標速度與目標距離時，提前進入減速狀態。

另外，當列車進入電空轉換階段時，由于控制效果差，不能很好的響應ATO系統輸出的級位，從進站制動過程采用一次制動停車曲線控車算法，優化為在電空轉換過程中施加小制動甚至惰行的控車曲線算法，從而緩解車輛制動力固有離散性引起的ATO停車精度差的問題。在列車電空轉換過程后，將繼續以追趕時間控制算法控制列車精確停車。

3 列控系統ATO控車策略的應用

合肥3號線為使ATO控車更加精確，提升控車舒適度。采用追趕時間ATO控制策略，使得控車更加精確，提升區間運行舒適度與站臺停車精度。

舒適度優化前的停車曲線如圖5所示（依據合肥3號線現場數據繪制）。

同一區間繪制舒適度優化后的停車曲線如圖6所示。從優化后的控車曲線可以明顯看出，列車在進站制動過程中，列車實際運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 舒適度優化后合肥3號線同一區間控車曲線示意Fig.6 Train control curve of the same section of Hefei Line 3 after comfort optimization

同時在采用優化后的追趕時間ATO控制策略下，采用合肥3號線調試前、后數據分析如圖7、8所示。

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

4 結束語

本文提出一種ATO系統進站制動的控制策略，能夠實時計算ATO命令速度曲線并進行速度修正，通過合肥3號線列控系統的現場驗證。本文提出的制動控車策略更為精準，同時能夠適應不同車型與環境，優化ATO系統的乘車舒適度與停車精度，在列控信號系統精確控車工程應用方面具有實用價值。

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