城市軌道交通ATO系統(tǒng)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)

張 強(qiáng) 陳德旺 于振宇

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100044)

1 研究背景

目前，行車密度、行車速度等是國(guó)內(nèi)城市軌道交通發(fā)展中所面臨的問(wèn)題，而列車控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低是產(chǎn)生這些問(wèn)題原因之一。對(duì)于非自動(dòng)化的列車，存在列車平均速度低、安全性差、停車不準(zhǔn)等缺點(diǎn)。在人工駕駛的情況下，決定列車運(yùn)行狀況的最重要因素就是司機(jī)的駕駛技術(shù)。然而，司機(jī)駕駛技術(shù)的掌握主要是依靠長(zhǎng)期實(shí)踐、不斷積累經(jīng)驗(yàn)，這樣培訓(xùn)出來(lái)的司機(jī)往往只習(xí)慣于在一條線路上駕駛，換到另一條陌生線路上就不一定能夠勝任。另外，人工駕駛也加重了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，在駕駛效率和舒適性上不一定能夠達(dá)到最優(yōu)的控制效果。

通過(guò)列車自動(dòng)駕駛(automatic train operation，ATO)，可以在保證列車安全的前提下，提高或改善列車旅行平均速度、停車準(zhǔn)確性和旅客舒適度等多項(xiàng)指標(biāo);可根據(jù)線路數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)進(jìn)行修正，只需要將新數(shù)據(jù)輸入自動(dòng)駕駛系統(tǒng)就可以在新線路上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，不存在司機(jī)要對(duì)新線路長(zhǎng)期實(shí)踐才能達(dá)到較好控制效果的問(wèn)題。列車自動(dòng)駕駛還可以大幅減少司機(jī)的工作量，改善司機(jī)的工作條件。綜上所述，列車自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為軌道交通發(fā)展的重要目標(biāo)之一。

由于具有以上明顯的優(yōu)勢(shì)，近期開(kāi)通的城市軌道交通線路(如北京亦莊線、昌平線、4號(hào)線等)均配備了ATO系統(tǒng)。不同廠家ATO系統(tǒng)的功能、硬件、軟件、控制算法都不盡相同，如何評(píng)價(jià)一個(gè)ATO系統(tǒng)的優(yōu)劣非常重要。

確定了評(píng)價(jià)原則，不僅能夠向用戶提供一個(gè)驗(yàn)收或選擇ATO系統(tǒng)的準(zhǔn)則，同時(shí)對(duì)ATO系統(tǒng)的發(fā)展方向、設(shè)計(jì)原則都有非常重要的引領(lǐng)作用。

2 ATO評(píng)價(jià)要素分析

ATO在控車過(guò)程中，主要承擔(dān)了兩方面的職責(zé):自動(dòng)駕駛列車運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)需要的相應(yīng)控制功能，如開(kāi)關(guān)門、報(bào)站提示等。對(duì)于后者，功能由用戶需求決定，實(shí)現(xiàn)和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)很清楚，非常容易評(píng)價(jià)。本研究主要針對(duì)ATO自動(dòng)駕駛列車過(guò)程中的相關(guān)要素進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 不超過(guò)緊急制動(dòng)觸發(fā)速度

運(yùn)行在列車超速防護(hù)(automatic train supervision，ATP)的緊急制動(dòng)防護(hù)曲線之下(見(jiàn)圖1)，保證在運(yùn)行過(guò)程中不能超速，且不能由于ATO的原因觸發(fā)緊急制動(dòng)。

圖1 ATO運(yùn)行在緊急制動(dòng)觸發(fā)速度之下

ATO在控制列車運(yùn)行過(guò)程中，ATP系統(tǒng)也在計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)速度來(lái)保證行車過(guò)程的安全性，由于前車、線路限速、坡度、彎道等因素的影響，緊急制動(dòng)觸發(fā)速度也在不斷地被計(jì)算。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，ATO必須保證控制車輛的速度低于緊急制動(dòng)觸發(fā)的速度，以達(dá)到不觸發(fā)緊急制動(dòng)、維持ATO模式運(yùn)行的目的。由于車輛的響應(yīng)有一定的延時(shí)，所以ATO必須采用一定的預(yù)判來(lái)提前做出響應(yīng)。不超過(guò)緊急制動(dòng)觸發(fā)速度的評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中，v為運(yùn)行速度，vA為緊急制動(dòng)觸發(fā)速度。

在ATO全程運(yùn)行過(guò)程中，該指標(biāo)不能大于0，否則ATO將由于緊急制動(dòng)而被切除。

2.2 精確停車

由于現(xiàn)在的車站都配置了屏蔽門系統(tǒng)，要求ATO必須實(shí)現(xiàn)精確停車作業(yè)，不能影響乘降作業(yè)的效率，即車門要能夠完整地對(duì)乘客開(kāi)放(見(jiàn)圖2)。

圖2 屏蔽門打開(kāi)寬度與車門打開(kāi)寬度

可以看出，為了不影響乘客正常的上下車，停車誤差至少要滿足屏蔽門打開(kāi)寬度與車門打開(kāi)寬度的差值1/2的要求，一般在30 cm范圍內(nèi)。ATO的停車過(guò)程，應(yīng)該是一個(gè)穩(wěn)定地跟蹤一條恒定制動(dòng)率的制動(dòng)曲線的過(guò)程(見(jiàn)圖3)。

圖3 ATO精確停車過(guò)程

2.3 運(yùn)行舒適度

在自動(dòng)駕駛過(guò)程中，必須保證乘客的舒適度，對(duì)于站立或坐著的乘客都應(yīng)該保證他們?cè)诹熊嚨倪\(yùn)行過(guò)程中無(wú)不適感。在列車加速、制動(dòng)和站間巡航的過(guò)程中，均應(yīng)該保證列車的平穩(wěn)運(yùn)行。

分析表明，加速度的變化會(huì)導(dǎo)致舒適度變差。通過(guò)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的速度進(jìn)行兩次微分，得到列車的加速度變化率，即沖擊率。沖擊率越大，則舒適度越差。

對(duì)沖擊率峰值的評(píng)價(jià)為

對(duì)運(yùn)行過(guò)程中平均沖擊率的評(píng)價(jià)為

式中，v為運(yùn)行速度，S為運(yùn)行距離。

沖擊率的峰值和平均沖擊率要求越小越好。

2.4 運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率

目前，城市軌道交通的運(yùn)行密度大、運(yùn)力高，對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程的準(zhǔn)點(diǎn)率要求非常高。對(duì)于ATO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有按照列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision，ATS)的指揮，保證準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

對(duì)于準(zhǔn)點(diǎn)的要求，是列車從起點(diǎn)列車啟動(dòng)到終點(diǎn)列車停車的這段運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間的差應(yīng)該小于一個(gè)允許的誤差范圍，不能晚點(diǎn)也不能早點(diǎn)。在本研究中，準(zhǔn)點(diǎn)是指站間運(yùn)行時(shí)間，不考慮停站時(shí)間。

運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率的評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中，Tp為計(jì)劃站間運(yùn)行時(shí)間，T為實(shí)際站間運(yùn)行時(shí)間。站間運(yùn)行時(shí)間的誤差越小越好。

2.5 節(jié)能

在列車載客的運(yùn)行過(guò)程中，牽引、制動(dòng)、照明、空調(diào)等因素都會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生影響。由于ATO對(duì)列車的控制主要在牽引、制動(dòng)方面，所以本研究的對(duì)象為ATO在駕駛過(guò)程中對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能評(píng)價(jià)。ATO駕駛應(yīng)該根據(jù)不同運(yùn)行效率的要求，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前條件下的最優(yōu)節(jié)能運(yùn)行。

能耗的適應(yīng)度值函數(shù)可以簡(jiǎn)化為列車牽引力F乘以速度v對(duì)時(shí)間的積分，即

將上式轉(zhuǎn)換為用于計(jì)算的加速度和速度，即

在列車運(yùn)行過(guò)程中，車輛載重隨著乘客的增減在不斷發(fā)生變化，為了對(duì)不同載重列車能耗進(jìn)行比較，需要將二者放在同一個(gè)水平線上，即去除質(zhì)量的影響，有

式中，a為加速度，v為速度，S為運(yùn)行距離。能耗參數(shù)越小越好。

2.6 牽引、制動(dòng)切換頻繁度

在ATO控車過(guò)程中，需要不斷地切換牽引、制動(dòng)和惰行，保證列車準(zhǔn)確、舒適地運(yùn)行到目的地。從舒適度的角度，降低牽引制動(dòng)切換的頻率有利于舒適度的提高，并且有利于延長(zhǎng)設(shè)備壽命;而ATO過(guò)快的牽引制動(dòng)切換可能會(huì)導(dǎo)致車輛對(duì)指令的誤判斷，如圖4中左側(cè)較短的制動(dòng)脈沖會(huì)導(dǎo)致車輛對(duì)制動(dòng)指令的誤判斷。

圖4 短制動(dòng)脈沖導(dǎo)致車輛的誤判斷

對(duì)運(yùn)行過(guò)程切換次數(shù)的評(píng)價(jià)函數(shù)為

式中，n為全程的切換次數(shù)，S為運(yùn)行距離。

式中，Tc為運(yùn)行過(guò)程中牽引、制動(dòng)、惰行狀態(tài)的維持時(shí)間。

在運(yùn)行過(guò)程中，切換次數(shù)越少越好，維持時(shí)間要求不能小于車輛判斷的門限值。最終可通過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，評(píng)價(jià)ATO的控制效果。

3 ATO評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)試方法

為了分析ATO控車性能指標(biāo)，在ATO的控車過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)對(duì)列車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，存儲(chǔ)在記錄系統(tǒng)中，并在列車下線后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，以供研究人員進(jìn)一步分析ATO控車效果。

車載ATO系統(tǒng)在司機(jī)確認(rèn)(方向手柄向前、牽引制動(dòng)手柄在零位、按下ATO啟動(dòng)按鈕)后，啟動(dòng)列車從起點(diǎn)運(yùn)行至終點(diǎn)。在運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)當(dāng)前時(shí)間、列車位置、速度、緊急制動(dòng)觸發(fā)速度、ATO目標(biāo)速度、輸出的牽引/制動(dòng)指令進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并發(fā)送給記錄系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)每周期將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入記錄文件。在運(yùn)營(yíng)結(jié)束后，將記錄數(shù)據(jù)拷出，利用分析軟件對(duì)其進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的指標(biāo)。

4 ATO運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

以ATO控車過(guò)程中的一個(gè)站間數(shù)據(jù)為例，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，站間運(yùn)行曲線如圖5所示。

圖5 運(yùn)行過(guò)程中的3條曲線

從起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)行距離為1.544 km。

1)不超過(guò)緊急制動(dòng)觸發(fā)速度。從圖5的曲線上可以看出，全程沒(méi)有發(fā)生實(shí)際速度高于緊急制動(dòng)觸發(fā)速度的情況，Ko=0。

2)精確停車。ATO系統(tǒng)記錄的停車精度數(shù)據(jù)為－16 cm，即越過(guò)停車點(diǎn)16 cm，Ks=16 cm。

3)運(yùn)行舒適度。通過(guò)對(duì)采集的速度進(jìn)行處理，得到?jīng)_擊率的曲線，見(jiàn)圖6。

圖6 沖擊率與速度曲線

通過(guò)分析可以得出Kj，max=575 cm/s2，對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中平均沖擊率的評(píng)價(jià)為Kj，ave=21 904 cm/s3km－1。需要注意的是，本統(tǒng)計(jì)中對(duì)沖擊率的計(jì)算采用相鄰數(shù)據(jù)微分的形式，未能對(duì)一些數(shù)據(jù)中的噪聲進(jìn)行處理，可作為比較ATO舒適度趨勢(shì)的依據(jù)。要分析出實(shí)際的沖擊率，還需要加速度計(jì)算和數(shù)據(jù)濾波處理等進(jìn)一步的工作。

4)運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，共運(yùn)行了113.6 s，而ATO的計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間為110 s。通過(guò)計(jì)算可以看出，Kt=3.27%。

5)節(jié)能。本文中的分析是基于一個(gè)站間的運(yùn)行能耗情況，該站間內(nèi)的能耗參數(shù)(考慮質(zhì)量為固定值1)為Ke=303 047/km。

6)牽引、制動(dòng)切換頻繁度。從數(shù)據(jù)記錄中可以看出，全程中ATO的開(kāi)關(guān)量切換發(fā)生了2次(最后一次是保持制動(dòng)和制動(dòng)同時(shí)輸出，可算作制動(dòng)輸出)，模擬量在0處的切換發(fā)生了7次，綜合可計(jì)為7次的牽引、惰行、制動(dòng)間切換(見(jiàn)圖7)。

圖7 牽引、制動(dòng)切換頻繁度

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，形 成 結(jié) 論 為:Kc，t=7，Ka，feq=0.8 s。匯總各項(xiàng)數(shù)據(jù)，最終形成如表1所示的統(tǒng)計(jì)表。

通過(guò)對(duì)不同ATO系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行比較，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)ATO系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表1 ATO控車性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

從目前軌道交通發(fā)展過(guò)程中對(duì)ATO系統(tǒng)需要一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的需求出發(fā)，結(jié)合ATO的功能、性能需求，提出了相應(yīng)的ATO指標(biāo)，并且提出了ATO控制指標(biāo)的量化計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，表明ATO控制效果的評(píng)價(jià)方法切實(shí)可行，分析結(jié)果可以作為對(duì)ATO系統(tǒng)指標(biāo)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，也可作為比較不同ATO系統(tǒng)的參考依據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，下一步的工作將考慮如何將ATO的若干控制參數(shù)整合成一個(gè)最終的結(jié)果，即充分考慮各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，且權(quán)重可根據(jù)不同的線路、不同的用戶進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整?？傊ㄟ^(guò)不斷的研究與試驗(yàn)，優(yōu)化對(duì)ATO系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以促進(jìn)ATO系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，最終實(shí)現(xiàn)城市軌道交通自動(dòng)駕駛系統(tǒng)更加高質(zhì)、高效的運(yùn)行。

［1］宗明，郜春海，何燕.基于CBTC控制的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)［J］.都市快軌交通，2006，19(3):35-36.

［2］唐濤，黃良驥.列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制算法綜述［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2003，25(2):98-102.

［3］Chang C S，Sim S S.Optimising train movements through coast control using genetic algorithms［J］.Electric Power Application，IEE Proc.，1997，144(1):65-73.

［4］石紅國(guó)，彭其淵.列車運(yùn)行過(guò)程仿真及優(yōu)化研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2006:9-27.

［5］楊光，唐禎敏.基于MATLAB的磁浮列車自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)的仿真［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用.2007(6):49-51.

［6］郜春海，唐濤，張建明.高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999(5):1-2.