地鐵列車自動駕駛系統分析與設計
對于城市軌道交通系統高效率高密度的要求來說,列車自動控制系統(ATC) 是必不可少的. ATC 系統包括:列車超速防護子系統(ATP :Automatic Train Protection) 、列車自動駕駛子系統(ATO :Automatic Train Operation) 、列車自動監控子系統(ATS :Automatic Train Supervision) .
ATS 子系統可以實現對列車運行的監督和控制,輔助行車調度人員對全線列車運行進行管理. ATP 子系統則根據地面傳遞的信息計算出列車運行的允許安全速度,保證列車間隔,實現超速防護. ATO 子系統根據ATS 提供的信息,在ATP 正常工作的基礎上,實現最優駕駛,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,并在城市軌道交通系統中廣泛應用. 我國在此項技術上研究較少,20 世紀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了國外的設備,近年來,為緩解市內交通緊張、減少空氣污染發揮巨大作用. 地鐵的發展建設受到國家及各大中
城市的普遍重視,許多城市的地鐵正在設計建設,為降低地鐵投資,迫切需要國內研究具有自主產權的適于城市軌道交通的列車自動駕駛設備.
1 ATO 系統分析
1. 1 ATO 工作原理[1 ,2 ] ATO 子系統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,它的功能是要依靠ATC 各子系統協調工作共同完成的,缺少ATP 與ATS 子系統,ATO 將無法正常工作.
從運行中所起作用來說,ATO 主要實現駕駛列車的功能,能進行車速的正常調整,給旅客傳送信息, 進行車門的開關作業,但這只是執行操作命令,不能確保安全,這就需要ATP 來進行防護. ATP 起監督功圖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 系統是列車運行時必不可少的安全保障,ATO 系統則是提高城市軌道交通列車運行水平(準點、平穩、節能) 的技術措施. 在任何時候,只要ATP 系統正常的話,就應讓其執行防護工作,以確保行車安全. 從ATP 與ATO 兩子系統的三條制動曲線,也可明顯地看出:ATP 主要負責“超速防護”,起保障安全的作用,ATO 主要負責正常情況下的列車高質量地運行. 其中,曲線1 表示列車的緊急制動曲線,由ATP 系統計算及監督. 曲線2 表示由ATP 系統計算,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. 當列車速度達到曲線2 ,應給出告警. 曲線3 是由ATO 系統動態計算的制動曲線,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,以使列車按照設計好的時刻表準確有序地運行,并監視列車運行狀態實現智能調度. ATS 設在地鐵線路中較大的車站,控制中心與各站連鎖設備間的聯系由遙控系統來完成. ATO 從ATS 處得到列車運行任務命令,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 ,并顯示相關信息,且不斷地監視ATO 的工作. ATO 獲得有用信息后,并根據實際運行速度和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. 定點停車采用站內交叉環線實現. 到站后ATO 通過列車位置識別系統(PTI) 的天線向地面發送列車信息,并傳到ATS ,以便識別列車的位置. ATS 根據此列車信息確定列車的新任務后再次通過軌道電路傳送給ATO. 在區間運行時,每進入新的軌道區段, ATO 便接收新的地面信息,以便進行速度調整. 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 車載設備功能模塊ATO 功能模塊圖如圖3 ,其車載設備能完成的功能有:
(1) 從駕駛室中接收司機輸入信息. 列車到站定點停穩后,司機輸入司機號、列車號、目標站號并傳給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ATP 處理過的DAT-ATO 信息和一些實時檢測到的過程數據. DAT-ATO 包括車門控制(右門、左門、左右門) 、到達下一站的運行時間、車站號、車次號、目標站號、軌道電路號. 過程數據包括列車走過的距離、列車速度和區間調整的信息.
(3) 給出操縱變量. 經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,進行速度控制.
(4) 車門控制. 在車站停車后,經ATP 檢查開門條件后,ATO 給出開門信息(左門、右門、左右門) .
(5) 向地面發送信息. 列車停穩的同時,ATO 還向車載PTI 傳送PTI 數據,以便與地面進行通信.
(6)ATO 能提供乘客信息. ATO 在到站前和出發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傳給顯示器,傳送的數據為:控制器的狀態(運行、制
動、惰行) 、實時速度和控制器數據、特殊功能和車門控制信息,這些電信號都用循環方式傳送出去.
(8) 對運行過程,ATO 能進行必要的紀錄存檔.
(9)ATO 留有診斷接口. ATO功能模塊圖
2 ATO 系統設計
2. 1 ATO 車載設備的結構設計ATO 車載設備是ATO 系統的核心部分,是設計的難點. ATO 車載設備接口如圖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、按鈕或顯示燈. ATO車載設備接口
2. 2 ATO 控制算法
ATO 系統最主要的任務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) ,因此需要計算標準速度曲線.
以下將介紹標準速度曲線的計算和速度控制方式.
(1) 標準曲線的計算 標準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段的入口速度,停車制動采用設計好的停車制動曲線. 這些信息都產生各自的速度曲線,如圖5 ,于是便合成了每一個軌道電路區段的標準速度曲線: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,實現運行的準時性,并節省能源.
(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,通過實時速度與標準速度的差值e 來進行計算. 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; K 為比例系數; T 為采樣周期; T I 為積分時間; TD 為微分時間.
3 結束語大城市交通問題嚴峻,有必要應用高效率的列車自動駕駛技術. 北京地鐵一號線引進了英國Westing2 house 公司的ATO 系統,上海地鐵一號線引進了美國GRS 公司的ATO 系統,廣州地鐵一號線引進了德國Siemens 公司ATO 系統,其中以廣州地鐵的ATO 系統運行效果最佳. 這三套ATO 系統的工作原理有一定的區別,設備之間并不兼容. 經過對這三套系統的分析,我們決定研制與廣州地鐵ATO 系統地面設備相兼容的車載設備. 本文對ATO 系統進行了分析,并對ATO 系統車載設備硬件進行設計,同時給出了控制列車的算法.
此文曾發表于：《北方交通大學報》2002年3期
原作者：黃良驥 唐濤
