列車自動駕駛（ATO）季節性調節方案探討

張 帆

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

1 問題來源

目前一般地鐵線路列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）采用固定的控車策略。隨著列車制動系統性能的變化，自動駕駛停車精度會有一定范圍的浮動，對于有些地鐵線路，停車精度會隨著季節變化而出現周期性變化，比如夏季多出現過標、冬季多出現欠標。此時列車會超出地鐵站臺的停車窗口，列車自動駕駛的停車位置會超出站臺門的范圍，導致無法打開列車車門與站臺門。

究其原因，是列車響應的制動性能（以測出的加速度表示）出現了偏差。如圖1 所示，可以看出在夏季，列車的制動性能可能會隨著氣溫的升高，在曲線后段（多為氣制動介入后、電制動-氣制動轉換過程中）列車實際的減速度會變小、偏離ATO模型中的期望加速度a0（圖1 中虛線）。在冬季，由于氣溫變低，列車的制動性能可能存在一定程度的增大，在曲線后段（氣制動介入后、電制動-氣制動轉換過程中）列車實際的減速度會變大、偏離ATO 模型中的期望加速度a0（圖1 中虛線）。

圖1 夏季、冬季列車停車加速度跟隨曲線示意Fig.1 Schematic diagram of train stop acceleration following curve in summer and winter

2 解決方案探討

依據ATO 控車原理，針對此問題筆者認為可采用下面方法執行。

由于ATO 停車精度季節性變化的根本原因為列車氣制動性能的不穩定性和周期性變化，車輛方可以將制動性能優化，提高穩定性，ATO 停車精度會有較好表現。

一旦車輛無法繼續優化制動性能，需要ATO 做補償性優化。此優化基于ATO 自動判斷，進而改變ATO 對列車制動系統的控制策略，最終實現ATO 在站臺精確停車。優化流程主要分為兩個步驟：

對切換ATO 控制策略時機的判斷；

確定控制策略中包含的內容（策略組）。

2.1 切換ATO控制策略的時機

ATO 停車精度的變化可以有多種表現形式。如不同運營時段、不同季節，甚至帶有一定隨機性的變化。可將各種外部因素當作觸發條件，匹配出不同的ATO 策略。筆者遇到較多因季節變化而造成的ATO 停車精度變化，所以暫以此為主因素輸入進行ATO 相應的優化方法的闡述。

如圖2 所示，先以地鐵列車制動性能變化最明顯、表現最為極端的夏季與冬季制定基礎性的策略組分區，選取一個合適的時間點在兩種策略組之間制定切換時機，即切分點1。

圖2 按夏季、冬季、過渡策略切分示意Fig.2 Schematic diagram of segmentation by summer, winter and transition strategies

由于夏季與冬季的ATO 調節策略可能存在較大的差距，如果以單一固定點切換點作切分，在切分點前后停車精度會有一個較大幅度的整體偏移。為避免過于機械僵化的切換，可在夏季與冬季策略之前添加若干個不同的切分點，如圖2 所示，這樣就可以按照實際需要增加策略組切換的平滑度，使ATO 自動補償調節向無感化靠攏。

2.2 切換ATO控制策略的時機

針對策略中具體調節內容項的選擇，從ATO控車邏輯與實際應用出發，選取以下3 種主因素。

1）ATO 模型中的預期減速度

如表1 所示，列車氣制動一般以制動缸壓力為衡量標準，故每次對ATO 系統發出的制動指令信號響應的偏離值是以壓力絕對數值大小為標準，如±20 kPa。而ATO 停車精度的效果實際是與偏差的百分比相關。所以相同的制動性能偏差對不同大小的基礎制動缸壓力而言，造成的制動百分比效果是不同的，如圖3 所示。

表1 車輛制動系統對不同級位響應減速度偏差Tab.1 Deceleration deviation of train braking response to different levels

圖3 停車減速度-響應偏差關聯示意Fig.3 Schematic diagram of train stop deceleration-response deviation correlation

根據實際應用經驗，當上述偏差在10% 以內時，ATO 使用預先設置的停車減速度并稍加修正命令級位，就有很高概率將列車控制在理想的停車范圍內（如ATO 實際停車位置在停車窗30 cm 以內）；

當上述偏差在10%～20%時，ATO 對停車精度有一定的調節能力，可利用在ATO 停車策略中精調過的滑模控制、比例積分控制對列車的加速度進行閉環反饋調節計算，并輸出給車輛相應的制動指令與級位，進而可以較為穩妥地將列車停進最大停車窗（如標準停車窗±50 cm 以內）。

當上述偏差大于20%時，預先設置的單一ATO 控制策略對列車車速、減速度的控制力下降，易出現在站臺停車過、欠標的情況。

因此，在條件允許的前提下，可以適當將ATO停車模型中的減速度調高，給車輛響應偏差留更大的寬容度。

2）制動級位與制動效果（如列車減速度）映射關系

這個映射關系會發生改變，特別是列車氣制動啟用時。如圖4 所示，ATO 發出恒定的減速度申請（恒定制動級位），列車實際響應的減速度在低速電制動-空氣制動轉換過程中，會出現更大的偏移。列車響應減速度曲線在夏季會向變小的方向偏移，在冬季會向變大的方向偏移。

圖4 加速度-制動級位映射示意1Fig.4 Acceleration-brake level mapping (1)

圖5 加速度-制動級位映射示意2Fig.5 Acceleration-brake level mapping (2)

因此在車輛制動性能周期性變化范圍過大時，只用一條停車減速度-制動級位理想曲線不能完全調和夏季與冬季的需求，結果是ATO 停車精度也出現偏移。

為了消除偏移造成的影響，可以調整級位與制動減速度的映射關系。

同樣以夏季、冬季為例，可選用如5 圖所示中兩種不同的停車度速度-制動級位對應關系。在夏季曲線中，相比ATO 模型計算出的理論曲線，為了獲得同等的減速度，ATO 系統將給車輛TCMS網絡發送相對更大的級位，對列車施加相對更大的制動力，減少因制動力衰減而造成停車過標的情況；冬季曲線則相反，相比ATO 模型計算出的理論曲線，獲取同樣的減速度對應更小的級位，即ATO系統給車輛TCMS 網絡發送相對更小的級位，使列車施加相對更小的制動力，抵消制動力過大的效果影響，減少停車欠標的情況。

此種方法可在夏季時進行制動力的正向補償，改善制動力的衰減狀況；在冬季時進行級位的負向補償，改善制動力的過度施加狀況。

3）ATO 模型中停車位置的微調

對于已經執行了較好停車策略優化的控車策略，ATO 停車效果上已趨近于某一精度，而此精度與停車“零點”未完全重合，如圖6 所示。

圖6 實際停車精度與ATO模型精度偏差示意Fig.6 Schematic diagram of deviation between actual stop accuracy and ATO model accuracy

由于距離停車“零點”十分接近，已不宜再對停車策略作大幅度調整。此時可以采用將模型中虛擬停車位置向真實停車位置“貼合”，如圖7 所示，將夏季ATO 模型停車曲線向坐標正方向調節；將冬季ATO 模型停車曲線向坐標負方向調節，以接近停車“零點”。

圖7 冬、夏季向兩個方向微調的示意Fig.7 Schematic diagram of fine adjustment in two directions in winter and summer

3 結束語

本文結合某些地鐵線路中ATO 停車精度季節性變化的實際情況，闡述了一種用于補償地鐵列車制動系統響應偏差的方法。總體來說此種方法有著兩個著重點。

第一點為適用場景：此種方法主要適用具有一定規律的ATO 停車精度變化的場景，較為常見的場景為季節性變化；同樣也可作其他場景的適配，適合更多其他可細分的條件、邏輯，或以強制性的外部輸入為條件來作為觸發條件。

第二點為策略組所包含子策略的選擇：本文主要探討了3 種在實踐中較為常見的調節方向，而且這3 個子策略所包含組合在調節的次序上有一定的層次與互補性，也具有相當的通用性。