一種基于內(nèi)嵌建模計(jì)算的列車自動運(yùn)行等級實(shí)時調(diào)整算法

陳寧寧 鄭 偉 徐 偉

從高速鐵路到城際鐵路，從市域快軌到地鐵輕軌，再到現(xiàn)代有軌電車，多樣化、層次化、智能化的軌道交通技術(shù)正在日益改變著城市的面貌和我們的生活。作為軌道交通智能化程度的集中體現(xiàn)，列車自動駕駛技術(shù) （ATO）可以降低司機(jī)的勞動強(qiáng)度，提高列車運(yùn)行的舒適性，減小列車運(yùn)行的能源消耗。在當(dāng)前的軌道交通建設(shè)中，列車自動駕駛子系統(tǒng)已經(jīng)普遍配置，但各廠家的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式、控制策略、應(yīng)用效果不盡相同，并且核心技術(shù)主要被國外廠家所壟斷。

軌道交通ATO的到站時間控制精度和效率取決于2方面：一是地面設(shè)備，如ATS（列車自動監(jiān)督系統(tǒng)）或CTC（分散自律式調(diào)度集中系統(tǒng)）控制系統(tǒng)的車輛調(diào)度能力；二是車載ATO根據(jù)調(diào)度指令的實(shí)際執(zhí)行能力。運(yùn)行等級調(diào)整算法作為車載ATO實(shí)現(xiàn)地面調(diào)度指令的重要手段，其重要性不言而喻。運(yùn)行等級調(diào)整算法的關(guān)鍵在于計(jì)算的準(zhǔn)確性及實(shí)時性，其目標(biāo)是列車按調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)到站時間誤差為秒級。

1 設(shè)計(jì)原理

ATO作為VOBC的一個重要組成部分，主要完成列車在有人輔助或無人狀況下的列車自動駕駛功能。在ATP系統(tǒng)的監(jiān)督下，ATO系統(tǒng)可以依據(jù)ATS的運(yùn)行調(diào)整命令和參數(shù)調(diào)整列車運(yùn)行，保證列車高效及準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。

車載ATO在A站臺接收到來自ATS的運(yùn)行等級調(diào)整命令后，利用運(yùn)行等級調(diào)整算法，計(jì)算ATO實(shí)際運(yùn)行曲線。圖1為對應(yīng)不同控制等級的ATO－1和 ATO－2運(yùn)行曲線，ATO－1的運(yùn)行時間要小于ATO－2的運(yùn)行時間。

圖1 站間運(yùn)行圖

目前，ATO運(yùn)行等級調(diào)整算法主要有2種實(shí)現(xiàn)方式。

1．離線計(jì)算法。根據(jù)實(shí)際線路的所有站間線路限速、坡度等數(shù)據(jù)，離線計(jì)算出不同運(yùn)行等級的運(yùn)行曲線及其運(yùn)行時間。將所有站間運(yùn)行曲線及運(yùn)行時間存儲入車載數(shù)據(jù)庫，ATO系統(tǒng)在發(fā)車前，根據(jù)軌旁ATS的時間調(diào)節(jié)指令，選擇不同的運(yùn)行等級。這種方法調(diào)節(jié)精度與離線計(jì)算時運(yùn)行等級的數(shù)量有關(guān)，數(shù)量越多，調(diào)整的目標(biāo)時間越精確。其缺點(diǎn)是計(jì)算的工作量很大；只有站間的運(yùn)行時間，沒有區(qū)間內(nèi)某一點(diǎn)到終點(diǎn)的時間，因此不能實(shí)現(xiàn)車輛區(qū)間內(nèi)在線實(shí)時調(diào)整；區(qū)間內(nèi)有臨時限速時，不能實(shí)現(xiàn)站間運(yùn)行時間的精確調(diào)整。

2．在線實(shí)時計(jì)算法。ATO站間運(yùn)行過程中，實(shí)時計(jì)算運(yùn)行等級。利用當(dāng)前車輛位置及速度，根據(jù)通用的加減速線性物理公式，計(jì)算站間的運(yùn)行時間。此方法可以在有臨時限速時重新計(jì)算，從而克服了離線計(jì)算法的缺點(diǎn)，但計(jì)算時間與實(shí)際列車運(yùn)行時間存在較大誤差，調(diào)整精度不是太高。

由于離線計(jì)算法不能滿足在線實(shí)時調(diào)整的需求，因此基于在線實(shí)時計(jì)算法，并提高其調(diào)整精度、增加算法在不同線路間的可移植性是設(shè)計(jì)目標(biāo)?？梢圆扇∪缦麓胧?。

1．獲取當(dāng)前時刻ATO詳細(xì)控車狀態(tài)，包括當(dāng)前速度、當(dāng)前牽引制動狀態(tài)、當(dāng)前控制電流數(shù)值、當(dāng)前坡度及距離信息等，將當(dāng)前時刻作為等級調(diào)整計(jì)算的初始狀態(tài)。

2．建立列車模型，包括車輛牽引力速度曲線、牽引切除時間、制動切除時間等各種列車性能參數(shù)。列車模型接收ATO的控制輸入，計(jì)算并改變列車模型的當(dāng)前狀態(tài)。

3．使用ATO真實(shí)的列車速度控制算法，根據(jù)當(dāng)前控車狀態(tài)及列車參數(shù)，計(jì)算得到控制指令，然后輸出給列車模型，之后再從列車模型取得列車反應(yīng)狀態(tài)，形成閉環(huán)控制。

2 功能實(shí)現(xiàn)

在ATO系統(tǒng)既有控車功能的基礎(chǔ)上，通過增加列車模擬功能、運(yùn)行等級調(diào)整算法計(jì)算及迭代功能等，實(shí)現(xiàn)調(diào)整精度及可移植性的優(yōu)化。設(shè)計(jì)了如圖2所示的軟件結(jié)構(gòu)。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

ATO系統(tǒng)多進(jìn)程設(shè)計(jì)，與運(yùn)行等級調(diào)整相關(guān)的主要有2個進(jìn)程。

2．1 ATO控車進(jìn)程

ATO控車進(jìn)程主要實(shí)現(xiàn)實(shí)際列車的速度控制，是一個閉環(huán)反饋的過程。

1．速度采集：ATO系統(tǒng)與真實(shí)車輛有速度脈沖接口，通過自主計(jì)算脈沖數(shù)目，實(shí)時計(jì)算當(dāng)前速度。

2．速度控制算法：ATO根據(jù)上一周期的控制預(yù)期與本周期的實(shí)際速度，以及當(dāng)前的控制策略，修正當(dāng)前的控制速度曲線，得到下一周期的控制預(yù)期。這是一個閉環(huán)反饋的過程。

3．對外輸出：ATO根據(jù)當(dāng)前所在進(jìn)程及控制狀態(tài)，區(qū)分真實(shí)車輛與模擬車輛，同時輸出牽引或制動命令。

4．讀寫通道：ATO控車進(jìn)程與運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程之間，通過讀寫通道傳遞數(shù)據(jù)。ATO控車進(jìn)程寫入當(dāng)前詳細(xì)的控制狀態(tài)，接收運(yùn)行等級調(diào)整命令。

2．2 運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程

運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程主要利用當(dāng)前的控制狀態(tài)、ATO控車進(jìn)程使用的速度控制算法，完善的列車動力學(xué)模型，實(shí)際的土建限速、土建坡度、臨時限速等運(yùn)營參數(shù)，通過迭代計(jì)算列車當(dāng)前位置到終點(diǎn)的運(yùn)行時間。通過與來源于地面調(diào)整系統(tǒng)的預(yù)期運(yùn)行時間比較，得到最優(yōu)的運(yùn)行等級參數(shù)。該計(jì)算進(jìn)程可以通過時間觸發(fā)或者通過任務(wù)觸發(fā)，做到了區(qū)間任一位置的實(shí)時計(jì)算。

1．讀寫通道：運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程接收當(dāng)前的控制狀態(tài)，發(fā)送運(yùn)行等級調(diào)整命令。

2．初始化工作狀態(tài)：運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程要初始化速度控制算法所需要的所有控制參數(shù)，這些都來源于讀寫通道。參數(shù)包括限速、當(dāng)前位置、當(dāng)前速度、授權(quán)距離等。初始化過程就是要將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)行等級調(diào)整計(jì)算所需要的內(nèi)部變量，同時完成對列車模型的初始化工作。

3．速度采集、速度控制算法、對外輸出：速度采集、速度控制算法、對外輸出與ATO控車進(jìn)程中使用的算法相同。算法相同得到的運(yùn)行等級的可信度才高。

4．列車模型：根據(jù)真實(shí)列車與ATO系統(tǒng)的接口信息流，設(shè)計(jì)運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程與列車模型的接口信息流。根據(jù)真實(shí)列車的牽引制動模型及其他性能參數(shù)設(shè)計(jì)列車模型。該軟件的流程圖如圖3所示。

運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程，首先讀取ATO控車進(jìn)程寫入的數(shù)據(jù)通道狀態(tài)數(shù)據(jù)，初始化列車模型的初始狀態(tài)，之后進(jìn)入迭代過程；持續(xù)獲取來自于列車模型的速度信息，根據(jù)速度控制算法計(jì)算對列車模型的輸出；列車模型根據(jù)輸入計(jì)算狀態(tài)更新。當(dāng)?shù)^程結(jié)束條件滿足，退出迭代過程，并將計(jì)算得到的運(yùn)行控制等級寫入數(shù)據(jù)通道。ATO控車進(jìn)程獲取當(dāng)前運(yùn)行控制等級，并控制實(shí)際車輛運(yùn)行。

ATO控車進(jìn)程與運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程構(gòu)成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。

圖3 運(yùn)行等級調(diào)整進(jìn)程流程圖

3 結(jié)束語

將真實(shí)的速度控制算法、當(dāng)前列車運(yùn)行狀態(tài)、模擬列車模型引入到運(yùn)行等級調(diào)整算法中，再將運(yùn)行等級調(diào)整算法的結(jié)果反饋到真實(shí)的車輛控制中。經(jīng)過這種閉環(huán)反饋，可以記錄相關(guān)參數(shù)用于列車模型的優(yōu)化，最終結(jié)果是ATO系統(tǒng)的運(yùn)行等級調(diào)整精度得到提高。

利用該設(shè)計(jì)方法只需要修改列車模型就可以滿足不同的線路及車輛對ATO運(yùn)行等級調(diào)整的需求。該算法已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際地鐵及城際鐵路的車載ATO系統(tǒng)中，取得了較好的運(yùn)行調(diào)整效果。

［1］ ［美］John G．Proakis著張力軍等譯，數(shù)字通信［M］．第3版 ．北京：電子工業(yè)出版社，2001．4．