地鐵列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)高效率高密度的要求來(lái)說(shuō),列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC) 是必不可少的. ATC 系統(tǒng)包括:列車(chē)超速防護(hù)子系統(tǒng)(ATP :Automatic Train Protection) 、列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)(ATO :Automatic Train Operation) 、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS :Automatic Train Supervision) .
ATS 子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的監(jiān)督和控制,輔助行車(chē)調(diào)度人員對(duì)全線(xiàn)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行管理. ATP 子系統(tǒng)則根據(jù)地面?zhèn)鬟f的信息計(jì)算出列車(chē)運(yùn)行的允許安全速度,保證列車(chē)間隔,實(shí)現(xiàn)超速防護(hù). ATO 子系統(tǒng)根據(jù)ATS 提供的信息,在A(yíng)TP 正常工作的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)駕駛,提高舒適度、降低能耗、減少磨損. 國(guó)外已研制了適用于高密度城市軌道交通的列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng),并在城市軌道交通系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用. 我國(guó)在此項(xiàng)技術(shù)上研究較少,20 世紀(jì)80 年代以來(lái),北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵均以巨額代價(jià)引進(jìn)了國(guó)外的設(shè)備,近年來(lái),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(guó)家及各大中
城市的普遍重視,許多城市的地鐵正在設(shè)計(jì)建設(shè),為降低地鐵投資,迫切需要國(guó)內(nèi)研究具有自主產(chǎn)權(quán)的適于城市軌道交通的列車(chē)自動(dòng)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(yùn)行時(shí)間與定點(diǎn)停車(chē),還能提高運(yùn)行效率,提高舒適度,減少能耗. 但作為ATC 的一個(gè)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(wú)法正常工作.
從運(yùn)行中所起作用來(lái)說(shuō),ATO 主要實(shí)現(xiàn)駕駛列車(chē)的功能,能進(jìn)行車(chē)速的正常調(diào)整,給旅客傳送信息, 進(jìn)行車(chē)門(mén)的開(kāi)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(lái)進(jìn)行防護(hù). ATP 起監(jiān)督功圖1 　三種制動(dòng)曲線(xiàn)能,對(duì)不符合安全的情況給予防護(hù),保證列車(chē)不超速,車(chē)門(mén)不誤動(dòng). 由此可見(jiàn)ATP 系統(tǒng)是列車(chē)運(yùn)行時(shí)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(chē)運(yùn)行水平(準(zhǔn)點(diǎn)、平穩(wěn)、節(jié)能) 的技術(shù)措施. 在任何時(shí)候,只要ATP 系統(tǒng)正常的話(huà),就應(yīng)讓其執(zhí)行防護(hù)工作,以確保行車(chē)安全. 從ATP 與ATO 兩子系統(tǒng)的三條制動(dòng)曲線(xiàn),也可明顯地看出:ATP 主要負(fù)責(zé)“超速防護(hù)”,起保障安全的作用,ATO 主要負(fù)責(zé)正常情況下的列車(chē)高質(zhì)量地運(yùn)行. 其中,曲線(xiàn)1 表示列車(chē)的緊急制動(dòng)曲線(xiàn),由ATP 系統(tǒng)計(jì)算及監(jiān)督. 曲線(xiàn)2 表示由ATP 系統(tǒng)計(jì)算,在駕駛室顯示出來(lái)的最大允許速度,它略低于緊急制動(dòng)曲線(xiàn). 當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到曲線(xiàn)2 ,應(yīng)給出告警. 曲線(xiàn)3 是由ATO 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算的制動(dòng)曲線(xiàn),也即正常運(yùn)行情況下的停車(chē)制動(dòng)曲線(xiàn). 由于地鐵列車(chē)的運(yùn)行密度越來(lái)越大,安全性要求越來(lái)越高,所以要求有ATS 系統(tǒng),以使列車(chē)按照設(shè)計(jì)好的時(shí)刻表準(zhǔn)確有序地運(yùn)行,并監(jiān)視列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度. ATS 設(shè)在地鐵線(xiàn)路中較大的車(chē)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(lái)完成. ATO 從ATS 處得到列車(chē)運(yùn)行任務(wù)命令,信息是與地面線(xiàn)路信息一起組成報(bào)文,通過(guò)軌道電路傳送,由車(chē)載ATP 統(tǒng)一接收. ATP 將處理過(guò)后的對(duì)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(shí)際運(yùn)行速度和ATP 的最大允許速度,計(jì)算運(yùn)行速度,得出控制量并執(zhí)行控制命令. 巡航/ 惰行模塊由獨(dú)立的控制器來(lái)輔助完成. 定點(diǎn)停車(chē)采用站內(nèi)交叉環(huán)線(xiàn)實(shí)現(xiàn). 到站后ATO 通過(guò)列車(chē)位置識(shí)別系統(tǒng)(PTI) 的天線(xiàn)向地面發(fā)送列車(chē)信息,并傳到ATS ,以便識(shí)別列車(chē)的位置. ATS 根據(jù)此列車(chē)信息確定列車(chē)的新任務(wù)后再次通過(guò)軌道電路傳送給ATO. 在區(qū)間運(yùn)行時(shí),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(yùn)行過(guò)程符合ATO 條件時(shí),允許靈活地切換到ATO 模式. 　ATO工作原理圖
1. 2 　ATO 車(chē)載設(shè)備功能模塊ATO 功能模塊圖如圖3 ,其車(chē)載設(shè)備能完成的功能有:
(1) 從駕駛室中接收司機(jī)輸入信息. 列車(chē)到站定點(diǎn)停穩(wěn)后,司機(jī)輸入司機(jī)號(hào)、列車(chē)號(hào)、目標(biāo)站號(hào)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(lái)的經(jīng)ATP 處理過(guò)的DAT-ATO 信息和一些實(shí)時(shí)檢測(cè)到的過(guò)程數(shù)據(jù). DAT-ATO 包括車(chē)門(mén)控制(右門(mén)、左門(mén)、左右門(mén)) 、到達(dá)下一站的運(yùn)行時(shí)間、車(chē)站號(hào)、車(chē)次號(hào)、目標(biāo)站號(hào)、軌道電路號(hào). 過(guò)程數(shù)據(jù)包括列車(chē)走過(guò)的距離、列車(chē)速度和區(qū)間調(diào)整的信息.
(3) 給出操縱變量. 經(jīng)ATO 計(jì)算出的操縱變量(牽引、制動(dòng)力值,運(yùn)行/ 制動(dòng)命令) 傳送到車(chē)輛接口,進(jìn)行速度控制.
(4) 車(chē)門(mén)控制. 在車(chē)站停車(chē)后,經(jīng)ATP 檢查開(kāi)門(mén)條件后,ATO 給出開(kāi)門(mén)信息(左門(mén)、右門(mén)、左右門(mén)) .
(5) 向地面發(fā)送信息. 列車(chē)停穩(wěn)的同時(shí),ATO 還向車(chē)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(yùn)行方向等信息.
(7)ATO 能顯示信息. ATO 運(yùn)行時(shí)要把運(yùn)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(yùn)行、制
動(dòng)、惰行) 、實(shí)時(shí)速度和控制器數(shù)據(jù)、特殊功能和車(chē)門(mén)控制信息,這些電信號(hào)都用循環(huán)方式傳送出去.
(8) 對(duì)運(yùn)行過(guò)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(jì)
2. 1 　ATO 車(chē)載設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)ATO 車(chē)載設(shè)備是ATO 系統(tǒng)的核心部分,是設(shè)計(jì)的難點(diǎn). ATO 車(chē)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(xiàn)能實(shí)現(xiàn)車(chē)地通信;L1 、L2 為與ATO 接口的顯示
燈;E1 到E10 為與ATP 接口的開(kāi)關(guān)、按鈕或顯示燈. ATO車(chē)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(jì)算施加于列車(chē)的牽引力或制動(dòng)力的大小,并實(shí)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)速度曲線(xiàn). 　　　　　　

以下將介紹標(biāo)準(zhǔn)速度曲線(xiàn)的計(jì)算和速度控制方式.
(1) 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的計(jì)算　標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算獲得. 通過(guò)給定的運(yùn)行時(shí)間,可判斷采用的運(yùn)行速度等級(jí),其中不同的速度等級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的運(yùn)行速度vi 與運(yùn)行時(shí)間( i 表示等級(jí)) . 站間每一軌道電路都有固定限速和限速的起點(diǎn)、終點(diǎn)及下一軌道電路區(qū)段的入口速度,停車(chē)制動(dòng)采用設(shè)計(jì)好的停車(chē)制動(dòng)曲線(xiàn). 這些信息都產(chǎn)生各自的速度曲線(xiàn),如圖5 ,于是便合成了每一個(gè)軌道電路區(qū)段的標(biāo)準(zhǔn)速度曲線(xiàn):min ( vi ,限速曲線(xiàn),入口曲線(xiàn),停車(chē)曲線(xiàn)) 對(duì)整個(gè)站間運(yùn)行來(lái)說(shuō),時(shí)間上一般都稍微有富余. 我們可通過(guò)停車(chē)前增加惰行來(lái)消耗一些時(shí)間,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的準(zhǔn)時(shí)性,并節(jié)省能源.
(a) vi 曲線(xiàn)(b) 限速曲線(xiàn)(c) 入口曲線(xiàn)(d) 停車(chē)曲線(xiàn)
　各種信息產(chǎn)生的速度曲線(xiàn)
(2) 速度控制　速度控制主要是牽引制動(dòng)力計(jì)算的問(wèn)題. 采用PID 控制方法,通過(guò)實(shí)時(shí)速度與標(biāo)準(zhǔn)速度的差值e 來(lái)進(jìn)行計(jì)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(hào); ei 和ej 分別為第i 次和第j 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值, j 的取值范圍為[0 , i ] ; ui 為第
i 次采樣時(shí)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(shí)間; TD 為微分時(shí)間.
3 　結(jié)束語(yǔ)大城市交通問(wèn)題嚴(yán)峻,有必要應(yīng)用高效率的列車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù). 北京地鐵一號(hào)線(xiàn)引進(jìn)了英國(guó)Westing2 house 公司的ATO 系統(tǒng),上海地鐵一號(hào)線(xiàn)引進(jìn)了美國(guó)GRS 公司的ATO 系統(tǒng),廣州地鐵一號(hào)線(xiàn)引進(jìn)了德國(guó)Siemens 公司ATO 系統(tǒng),其中以廣州地鐵的ATO 系統(tǒng)運(yùn)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(guò)對(duì)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(chē)載設(shè)備. 本文對(duì)ATO 系統(tǒng)進(jìn)行了分析,并對(duì)ATO 系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備硬件進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)給出了控制列車(chē)的算法.

此文曾發(fā)表于：《北方交通大學(xué)報(bào)》2002年3期

原作者：黃良驥 唐濤