地鐵列車自動駕駛系統(tǒng)分析與設(shè)計

對于城市軌道交通系統(tǒng)高效率高密度的要求來說,列車自動控制系統(tǒng)(ATC) 是必不可少的. ATC 系統(tǒng)包括:列車超速防護子系統(tǒng)(ATP :Automatic Train Protection) 、列車自動駕駛子系統(tǒng)(ATO :Automatic Train Operation) 、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS :Automatic Train Supervision) .
ATS 子系統(tǒng)可以實現(xiàn)對列車運行的監(jiān)督和控制,輔助行車調(diào)度人員對全線列車運行進(jìn)行管理. ATP 子系統(tǒng)則根據(jù)地面?zhèn)鬟f的信息計算出列車運行的允許安全速度,保證列車間隔,實現(xiàn)超速防護. ATO 子系統(tǒng)根據(jù)ATS 提供的信息,在ATP 正常工作的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)最優(yōu)駕駛,提高舒適度、降低能耗、減少磨損. 國外已研制了適用于高密度城市軌道交通的列車自動駕駛系統(tǒng),并在城市軌道交通系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用. 我國在此項技術(shù)上研究較少,20 世紀(jì)80 年代以來,北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵均以巨額代價引進(jìn)了國外的設(shè)備,近年來,為緩解市內(nèi)交通緊張、減少空氣污染發(fā)揮巨大作用. 地鐵的發(fā)展建設(shè)受到國家及各大中
城市的普遍重視,許多城市的地鐵正在設(shè)計建設(shè),為降低地鐵投資,迫切需要國內(nèi)研究具有自主產(chǎn)權(quán)的適于城市軌道交通的列車自動駕駛設(shè)備.
1 　ATO 系統(tǒng)分析
1. 1 　ATO 工作原理[1 ,2 ] ATO 子系統(tǒng)能保證運行時間與定點停車,還能提高運行效率,提高舒適度,減少能耗. 但作為ATC 的一個子系統(tǒng),它的功能是要依靠ATC 各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作共同完成的,缺少ATP 與ATS 子系統(tǒng),ATO 將無法正常工作.
從運行中所起作用來說,ATO 主要實現(xiàn)駕駛列車的功能,能進(jìn)行車速的正常調(diào)整,給旅客傳送信息, 進(jìn)行車門的開關(guān)作業(yè),但這只是執(zhí)行操作命令,不能確保安全,這就需要ATP 來進(jìn)行防護. ATP 起監(jiān)督功圖1 　三種制動曲線能,對不符合安全的情況給予防護,保證列車不超速,車門不誤動. 由此可見ATP 系統(tǒng)是列車運行時必不可少的安全保障,ATO 系統(tǒng)則是提高城市軌道交通列車運行水平(準(zhǔn)點、平穩(wěn)、節(jié)能) 的技術(shù)措施. 在任何時候,只要ATP 系統(tǒng)正常的話,就應(yīng)讓其執(zhí)行防護工作,以確保行車安全. 從ATP 與ATO 兩子系統(tǒng)的三條制動曲線,也可明顯地看出:ATP 主要負(fù)責(zé)“超速防護”,起保障安全的作用,ATO 主要負(fù)責(zé)正常情況下的列車高質(zhì)量地運行. 其中,曲線1 表示列車的緊急制動曲線,由ATP 系統(tǒng)計算及監(jiān)督. 曲線2 表示由ATP 系統(tǒng)計算,在駕駛室顯示出來的最大允許速度,它略低于緊急制動曲線. 當(dāng)列車速度達(dá)到曲線2 ,應(yīng)給出告警. 曲線3 是由ATO 系統(tǒng)動態(tài)計算的制動曲線,也即正常運行情況下的停車制動曲線. 由于地鐵列車的運行密度越來越大,安全性要求越來越高,所以要求有ATS 系統(tǒng),以使列車按照設(shè)計好的時刻表準(zhǔn)確有序地運行,并監(jiān)視列車運行狀態(tài)實現(xiàn)智能調(diào)度. ATS 設(shè)在地鐵線路中較大的車站,控制中心與各站連鎖設(shè)備間的聯(lián)系由遙控系統(tǒng)來完成. ATO 從ATS 處得到列車運行任務(wù)命令,信息是與地面線路信息一起組成報文,通過軌道電路傳送,由車載ATP 統(tǒng)一接收. ATP 將處理過后的對ATO 有用的信息傳給ATO ,并顯示相關(guān)信息,且不斷地監(jiān)視ATO 的工作. ATO 獲得有用信息后,并根據(jù)實際運行速度和ATP 的最大允許速度,計算運行速度,得出控制量并執(zhí)行控制命令. 巡航/ 惰行模塊由獨立的控制器來輔助完成. 定點停車采用站內(nèi)交叉環(huán)線實現(xiàn). 到站后ATO 通過列車位置識別系統(tǒng)(PTI) 的天線向地面發(fā)送列車信息,并傳到ATS ,以便識別列車的位置. ATS 根據(jù)此列車信息確定列車的新任務(wù)后再次通過軌道電路傳送給ATO. 在區(qū)間運行時,每進(jìn)入新的軌道區(qū)段, ATO 便接收新的地面信息,以便進(jìn)行速度調(diào)整. 在運行過程符合ATO 條件時,允許靈活地切換到ATO 模式. 　ATO工作原理圖
1. 2 　ATO 車載設(shè)備功能模塊ATO 功能模塊圖如圖3 ,其車載設(shè)備能完成的功能有:
(1) 從駕駛室中接收司機輸入信息. 列車到站定點停穩(wěn)后,司機輸入司機號、列車號、目標(biāo)站號并傳給ATO ,以便與地面通信.
(2) 從ATP 處獲得信息. 這信息包括軌道電路傳來的經(jīng)ATP 處理過的DAT-ATO 信息和一些實時檢測到的過程數(shù)據(jù). DAT-ATO 包括車門控制(右門、左門、左右門) 、到達(dá)下一站的運行時間、車站號、車次號、目標(biāo)站號、軌道電路號. 過程數(shù)據(jù)包括列車走過的距離、列車速度和區(qū)間調(diào)整的信息.
(3) 給出操縱變量. 經(jīng)ATO 計算出的操縱變量(牽引、制動力值,運行/ 制動命令) 傳送到車輛接口,進(jìn)行速度控制.
(4) 車門控制. 在車站停車后,經(jīng)ATP 檢查開門條件后,ATO 給出開門信息(左門、右門、左右門) .
(5) 向地面發(fā)送信息. 列車停穩(wěn)的同時,ATO 還向車載PTI 傳送PTI 數(shù)據(jù),以便與地面進(jìn)行通信.
(6)ATO 能提供乘客信息. ATO 在到站前和出發(fā)前均可給出乘客信息,包括目的地、運行方向等信息.
(7)ATO 能顯示信息. ATO 運行時要把運行狀態(tài)傳給顯示器,傳送的數(shù)據(jù)為:控制器的狀態(tài)(運行、制
動、惰行) 、實時速度和控制器數(shù)據(jù)、特殊功能和車門控制信息,這些電信號都用循環(huán)方式傳送出去.
(8) 對運行過程,ATO 能進(jìn)行必要的紀(jì)錄存檔.
(9)ATO 留有診斷接口. 　ATO功能模塊圖
2 　ATO 系統(tǒng)設(shè)計
2. 1 　ATO 車載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計ATO 車載設(shè)備是ATO 系統(tǒng)的核心部分,是設(shè)計的難點. ATO 車載設(shè)備接口如圖4 ,其中CCU 為中央
控制單元,控制著ATO、ATP、顯示器間的通信; PTI 天線能實現(xiàn)車地通信;L1 、L2 為與ATO 接口的顯示
燈;E1 到E10 為與ATP 接口的開關(guān)、按鈕或顯示燈. ATO車載設(shè)備接口
2. 2 　ATO 控制算法
ATO 系統(tǒng)最主要的任務(wù)是計算施加于列車的牽引力或制動力的大小,并實施控制. 由于我們采用的是比例積分微分控制(PID) ,因此需要計算標(biāo)準(zhǔn)速度曲線. 　　　　　　

以下將介紹標(biāo)準(zhǔn)速度曲線的計算和速度控制方式.
(1) 標(biāo)準(zhǔn)曲線的計算　標(biāo)準(zhǔn)曲線通過實時計算獲得. 通過給定的運行時間,可判斷采用的運行速度等級,其中不同的速度等級對應(yīng)于不同的運行速度vi 與運行時間( i 表示等級) . 站間每一軌道電路都有固定限速和限速的起點、終點及下一軌道電路區(qū)段的入口速度,停車制動采用設(shè)計好的停車制動曲線. 這些信息都產(chǎn)生各自的速度曲線,如圖5 ,于是便合成了每一個軌道電路區(qū)段的標(biāo)準(zhǔn)速度曲線:min ( vi ,限速曲線,入口曲線,停車曲線) 對整個站間運行來說,時間上一般都稍微有富余. 我們可通過停車前增加惰行來消耗一些時間,實現(xiàn)運行的準(zhǔn)時性,并節(jié)省能源.
(a) vi 曲線(b) 限速曲線(c) 入口曲線(d) 停車曲線
　各種信息產(chǎn)生的速度曲線
(2) 速度控制　速度控制主要是牽引制動力計算的問題. 采用PID 控制方法,通過實時速度與標(biāo)準(zhǔn)速度的差值e 來進(jìn)行計算. 控制量為ui = K ei + T T I ∑i j = 0 ej + TD T ( ei - ei - 1) + u0 ,
式中, i 為采樣序號; ei 和ej 分別為第i 次和第j 次采樣時刻輸入的偏差值, j 的取值范圍為[0 , i ] ; ui 為第
i 次采樣時刻輸出量; u0 是控制量的基準(zhǔn); K 為比例系數(shù); T 為采樣周期; T I 為積分時間; TD 為微分時間.
3 　結(jié)束語大城市交通問題嚴(yán)峻,有必要應(yīng)用高效率的列車自動駕駛技術(shù). 北京地鐵一號線引進(jìn)了英國Westing2 house 公司的ATO 系統(tǒng),上海地鐵一號線引進(jìn)了美國GRS 公司的ATO 系統(tǒng),廣州地鐵一號線引進(jìn)了德國Siemens 公司ATO 系統(tǒng),其中以廣州地鐵的ATO 系統(tǒng)運行效果最佳. 這三套ATO 系統(tǒng)的工作原理有一定的區(qū)別,設(shè)備之間并不兼容. 經(jīng)過對這三套系統(tǒng)的分析,我們決定研制與廣州地鐵ATO 系統(tǒng)地面設(shè)備相兼容的車載設(shè)備. 本文對ATO 系統(tǒng)進(jìn)行了分析,并對ATO 系統(tǒng)車載設(shè)備硬件進(jìn)行設(shè)計,同時給出了控制列車的算法.

此文曾發(fā)表于：《北方交通大學(xué)報》2002年3期

原作者：黃良驥 唐濤