何浩洋 王 昊，2

（1.南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，211106，南京；2.國(guó)?？萍脊煞萦邢薰?，211106，南京∥第一作者，工程師）

在中國(guó)ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行）主要功能是代替司機(jī)控制列車運(yùn)行。其根據(jù)線路限速、目標(biāo)停車點(diǎn)、線路狀況等生成列車速度曲線，并結(jié)合列車模型，計(jì)算需施加的牽引或制動(dòng)力大小，通過(guò)電流環(huán)輸出至車輛；車輛采集此信息后施加相應(yīng)的牽引或制動(dòng)力。列車進(jìn)站停車采用一次制動(dòng)方式，即停車過(guò)程中進(jìn)入制動(dòng)后不再退出制動(dòng)直至列車精確停止在運(yùn)營(yíng)停車點(diǎn)。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，目前對(duì)乘客舒適度要求越來(lái)越高，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)編制的《城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)用戶需求書(shū)》《城市軌道交通CBTC 信號(hào)系統(tǒng)-ATO 子系統(tǒng)規(guī)范》中指出，在保證列車舒適度的要求，即列車縱向沖擊率≤0.75 m/s3的前提下，列車在車站站臺(tái)的停車精度為±0.3 m時(shí)，應(yīng)保證列車停在該停車精度范圍內(nèi)的概率為99.99%；停車精度為±0.5 m 時(shí)，應(yīng)保證列車停車在該停車精度范圍內(nèi)的概率為99.999 8%。此外，為保證乘客舒適度，應(yīng)盡量減少牽引和制動(dòng)之間的切換。

目前，車載ATO 系統(tǒng)模型主要考慮列車傳輸延時(shí)和慣性性能，未考慮列車電空參數(shù)不一致和舒適度等相關(guān)需求，因此需建立合適的列車控制模型，實(shí)時(shí)計(jì)算列車性能參數(shù)，以便于計(jì)算更適合于列車駕駛的推薦速度和制動(dòng)曲線。

1 制動(dòng)系統(tǒng)模型分析

ATO 控制列車運(yùn)行時(shí)，主要控車過(guò)程如圖1 所示。

圖1 ATO 控車過(guò)程

ATO 根據(jù)速度曲線、停車點(diǎn)信息等計(jì)算期望加速度，同時(shí)考慮列車運(yùn)行時(shí)舒適性，主要采用沖擊控制和列車牽引制動(dòng)切換死區(qū)限制等方式，通過(guò)電流環(huán)輸出至車輛。車輛采集ATO 輸出的電流環(huán)值大小，并發(fā)送至牽引、電制動(dòng)、空氣制動(dòng)各系統(tǒng)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的需施加的力。產(chǎn)生的力減去線路或空氣產(chǎn)生的阻力，即為車輛能響應(yīng)的力。此力作用在運(yùn)動(dòng)中的車輛產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的加速度，積分后即可得到真實(shí)的速度。

ATO 實(shí)現(xiàn)精確控車的關(guān)鍵因素為控制對(duì)象模型參數(shù)的精確性。在計(jì)算列車駕駛推薦速度和制動(dòng)曲線時(shí)，需根據(jù)配置的列車性能參數(shù)來(lái)計(jì)算。這些列車性能參數(shù)包括牽引加速度、制動(dòng)能力、牽引切除延時(shí)等。列車牽引系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定，且不影響精確停車，故可根據(jù)車輛參數(shù)進(jìn)行建模。

列車制動(dòng)系統(tǒng)由電制動(dòng)和空氣制動(dòng)組成。列車采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)時(shí)的響應(yīng)不一致。列車低速控制對(duì)精確停車影響較大，因此需要考慮電制動(dòng)減速度、空氣制動(dòng)減速度、空氣制動(dòng)施加延時(shí)。另一方面，列車在低速時(shí)會(huì)進(jìn)行電空轉(zhuǎn)換，當(dāng)列車制動(dòng)到一定速度時(shí)，會(huì)由電制動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為空氣制動(dòng)。

不同的列車在制動(dòng)性能上也會(huì)有差異，同一列車在駕駛過(guò)程中，由于車輪、制動(dòng)閘瓦的磨損及其他原因，會(huì)導(dǎo)致列車實(shí)際的性能參數(shù)與之前配置的值有所不同。如果列車實(shí)際性能比配置參數(shù)差，可能會(huì)導(dǎo)致列車沖標(biāo)或欠標(biāo)；如果列車實(shí)際性能比配置參數(shù)高，則降低了列車實(shí)際運(yùn)行效率。

沖擊控制主要對(duì)列車加速度變化率進(jìn)行限制，使其不超過(guò)相應(yīng)的范圍。死區(qū)限制則主要是由于列車牽引和制動(dòng)響應(yīng)參數(shù)存在不一致，頻繁的牽引制動(dòng)切換可能會(huì)引起列車響應(yīng)不及時(shí)，同時(shí)，給乘客帶來(lái)較差的舒適度。因此，在需要進(jìn)行牽引制動(dòng)切換時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的限制。

圖2 列車控制模型

2 制動(dòng)系統(tǒng)模型建立

根據(jù)上述分析，可建立列車控制模型，并根據(jù)此模型進(jìn)行相應(yīng)的列車控制。

圖2 為本文建立的列車模型：ATO 根據(jù)列車位置、速度、實(shí)際加速度、線路等信息計(jì)算列車期望加速度，并對(duì)期望輸出加速度進(jìn)行死區(qū)和沖擊率限制，得到輸出至車輛的加速度；車輛考慮傳輸延時(shí)，根據(jù)車重等信息轉(zhuǎn)換為需施加的力，考慮列車特性即可得到當(dāng)前實(shí)際產(chǎn)生的力；綜合線路阻力等因素，即可得到列車輸出的預(yù)期速度。

死區(qū)限制則主要是在進(jìn)行牽引制動(dòng)切換時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的限制。具體的限制如式（1）所示。

式中：

Ad（t）——t 時(shí)刻期望輸出的加速度；

min Ap——最小可輸出牽引加速度；

min Ab——最小可輸出制動(dòng)減速度；

Ad，0——死區(qū)限制加速度。

列車在牽引狀態(tài)下若需施加較小的制動(dòng)力，此時(shí)不進(jìn)行制動(dòng)切換，繼續(xù)輸出最小的牽引；反之，若制動(dòng)狀態(tài)下需施加較小的牽引，也不進(jìn)行制動(dòng)切換，繼續(xù)輸出最小的制動(dòng)力；其他情況下則進(jìn)行牽引制動(dòng)切換。

沖擊控制主要對(duì)列車加速度變化率進(jìn)行限制，保證加速度不會(huì)發(fā)生突變，以免造成較大的沖擊。

式中：

J——實(shí)時(shí)沖擊率；

A——加速度；

Jl——限制沖擊率。

車輛控制系統(tǒng)采集到ATO 輸出的電流環(huán)后，根據(jù)需求發(fā)送至控制系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)采集到外部請(qǐng)求后，將電流環(huán)值轉(zhuǎn)為相應(yīng)需施加至車輛的制動(dòng)力。電制動(dòng)系統(tǒng)和空氣制動(dòng)特性不一致，相同的力產(chǎn)生的制動(dòng)效果不同，ATO 端可檢測(cè)到施加相同力產(chǎn)生的加速度不同。

式中：

F（t）——t 時(shí)刻的制動(dòng)力；

a（t）——當(dāng)前采樣的請(qǐng)求加速度系數(shù)；

bc——系統(tǒng)最大制動(dòng)力；

bc，e——最大電制動(dòng)力；

bc，b——最大空氣制動(dòng)力；

λ——當(dāng)前速度下電制動(dòng)力退出系數(shù)；

v——當(dāng)前車速；

ve——電制動(dòng)開(kāi)始退出時(shí)的車速；

vb——空氣制動(dòng)完全施加時(shí)的車速。

列車制動(dòng)系統(tǒng)可作為一階慣性系統(tǒng)，與列車特性相關(guān)，采集模塊發(fā)送至電制動(dòng)和空氣制動(dòng)設(shè)備時(shí)存在不同的延時(shí)。根據(jù)電制動(dòng)和空氣制動(dòng)特性設(shè)置不同的慣性參數(shù)，來(lái)計(jì)算車輛的響應(yīng)力。

列車運(yùn)行過(guò)程中存在外部阻力Fr，主要為空氣阻力FA、坡道阻力Fg和曲線阻力FR。即：

FA與v 相關(guān)，F(xiàn)A=av2+bv+c，其中a、b、c 為常數(shù)。

為保證ATO 控制系統(tǒng)的可用性和魯棒性，需要對(duì)不同的車輛進(jìn)行在線辨識(shí)。應(yīng)對(duì)空氣制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行在線識(shí)別，列車運(yùn)行一段時(shí)間后空氣制動(dòng)閘瓦發(fā)生變化，制動(dòng)無(wú)法達(dá)到期望施加的大小，故需對(duì)空氣制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修改；應(yīng)對(duì)停車精度和特定速度空氣制動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若分布區(qū)間發(fā)生變化，則認(rèn)為制動(dòng)系統(tǒng)存在誤差，應(yīng)修正空氣制動(dòng)參數(shù)。

式中：

f（v，t）——列車在一定時(shí)間內(nèi)根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果而計(jì)算的空氣制動(dòng)變化率。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

對(duì)上述模型，在某線路ATO 列車上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。列車各參數(shù)，如ATO 輸出到車輛的采集時(shí)間、列車電制動(dòng)和空氣制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、電制動(dòng)力等，均按既有車輛設(shè)置，并設(shè)置死區(qū)切換、沖擊變化閾值。依據(jù)上述模型和設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行控車，以驗(yàn)證模型的正確性。

3.1 舒適性控制

在線路上進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，分別是添加死區(qū)限制模型和不添加模型。死區(qū)限制主要考慮線路巡航處坡道，可保證列車在巡航階段盡量不進(jìn)行牽引制動(dòng)工況的切換。由圖3 a）中可見(jiàn)，進(jìn)行過(guò)多次牽引制動(dòng)的切換，乘客乘坐體驗(yàn)較差；由圖3 b）可見(jiàn)，列車只進(jìn)行了1 次牽引制動(dòng)的切換，過(guò)渡平穩(wěn)，能較好地提高舒適性，且死區(qū)限制模型的添加，并未影響列車的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和停車精度。

此外，通過(guò)對(duì)加速度差進(jìn)行分析可知，能滿足沖擊限制，沖擊率小于0.5 m/s3，且現(xiàn)場(chǎng)乘坐體驗(yàn)較好。

圖3 ATO 列車死區(qū)限制

3.2 電制動(dòng)和空氣制動(dòng)能力

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)兩列車進(jìn)行了試驗(yàn)，其中一列車在正線運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，另一列車相對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間較短，但均在正線相同區(qū)間運(yùn)行。由圖4 可見(jiàn)，在施加相同的制動(dòng)力時(shí)，列車的響應(yīng)加速度明顯不一致。兩列車均施加1.1 m/s2的制動(dòng)率時(shí)，電制動(dòng)下基本能實(shí)現(xiàn)1.1 m/s2的制動(dòng)率，而空氣制動(dòng)下兩列車存在不一致。

添加在線參數(shù)識(shí)別模型前，配置相同的參數(shù)，其中一列車會(huì)出現(xiàn)超停，即列車施加的制動(dòng)力未能達(dá)到期望值；添加在線參數(shù)識(shí)別模型后，通過(guò)記錄數(shù)據(jù)分析，兩列車的空氣制動(dòng)力參數(shù)計(jì)算不一致，但均能滿足停車精度。

3.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)上述建立的模型，列車ATO 可計(jì)算準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)速度，并施加合適的牽引制動(dòng)控制。ATO 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)列車參數(shù)自適應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)高精度停車，且運(yùn)行中抖動(dòng)較小，具備較好的舒適性。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的多列車在半年內(nèi)精確停車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖5 列出了列車在進(jìn)行參數(shù)自適應(yīng)后的精確停車速度與加速度的變化情況。

圖4 添加了在線參數(shù)識(shí)別模型后列車空氣制動(dòng)參數(shù)測(cè)量

圖5 添加在線參數(shù)識(shí)別模型后列車運(yùn)行曲線

通過(guò)對(duì)列車速度和加速度的變化分析，由圖5可看出，列車精確停車階段只進(jìn)行了1 次牽引制動(dòng)的轉(zhuǎn)換，列車運(yùn)行過(guò)程中沖擊率變化滿足要求，且沖擊率小于0.5 m/s3；通過(guò)死區(qū)切換限制，列車運(yùn)行過(guò)程中較少進(jìn)行牽引制動(dòng)切換，完全能滿足舒適度的要求。由于對(duì)制動(dòng)參數(shù)的在線識(shí)別，在空氣制動(dòng)率發(fā)生了一定的變化的前提下，列車在后續(xù)運(yùn)營(yíng)中仍基本可確保停在±0.25 m 范圍內(nèi)，保證了精確停車的精度。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通的發(fā)展，保證列車停準(zhǔn)和區(qū)間運(yùn)營(yíng)時(shí)間的基礎(chǔ)上，需要更多考慮乘客舒適度。ATO 控制列車運(yùn)行，通過(guò)完善ATO 列車控制模型可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控車。建立電空制動(dòng)參數(shù)分別設(shè)置、列車參數(shù)在線識(shí)別等模型，可實(shí)現(xiàn)更精確的控車。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同性能的列車進(jìn)行試驗(yàn)，可證明模型的可用性和自適應(yīng)性，在精確停車下可實(shí)現(xiàn)較好的舒適性。