列車控制系統(tǒng)分析及研究

摘 要：列車控制系統(tǒng)作為軌道交通車輛的控制中樞，影響著列車乃至線路的正常運(yùn)行關(guān)乎著乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，為更好地提高系統(tǒng)安全性、控制精度和節(jié)約能耗，本文闡述了列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分、各部分工作原理以及列車控制性能指標(biāo)，在分析的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為工程應(yīng)用和相關(guān)工作者提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：列車控制系統(tǒng) 安全性 控制精度 節(jié)約能耗 優(yōu)化策略

1 緒論

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長和科技的進(jìn)步，國家的交通事業(yè)得到了巨大的發(fā)展，尤其是以高速鐵路和城市軌道交通為代表的鐵路網(wǎng)絡(luò)，其憑借著舒適性、便捷性、高效性和安全性等特點(diǎn)逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x，而這背后都離不開軌道交通的核心關(guān)鍵設(shè)備列車控制系統(tǒng)的保駕護(hù)航。列車控制系統(tǒng)作為軌道車輛的“大腦”不斷為提高線路運(yùn)載能力、保障行車安全和降低運(yùn)行能耗而賦能，也成為眾多鐵路相關(guān)從業(yè)者關(guān)注和研究的焦點(diǎn)，肩負(fù)著軌道交通走向更加自動(dòng)化和智慧化的使命。

2 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)中必不可少的一部分，它作為信號(hào)系統(tǒng)最重要的組成部分其性能直接關(guān)乎著列車運(yùn)行的安全以及整個(gè)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)。其主要由列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO），列車自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS），列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protectio，ATP）組成，共同協(xié)同完成對(duì)列車運(yùn)行速度、位移、方向以及列車運(yùn)行間隔的監(jiān)督、控制和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)列車的安全運(yùn)行，提高線路的運(yùn)輸效率，減輕人員操作強(qiáng)度，發(fā)揮鐵路運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)。其每個(gè)子系統(tǒng)都獨(dú)立于其他兩個(gè)子系統(tǒng)完成有關(guān)功能。

2.1 組成部分

2.1.1 ATP系統(tǒng)的組成和功能

ATP子系統(tǒng)主要由車載設(shè)備、軌旁設(shè)備和車載與軌旁之間互通信息的傳輸通道組成。其中車載系統(tǒng)主要由ATP車載單元、測(cè)速裝置和接收發(fā)裝置構(gòu)成，其主體邏輯計(jì)算機(jī)一般采用2乘2取2、3取2的安全冗余結(jié)構(gòu)或具備安全算法體系的雙機(jī)熱備系統(tǒng)。軌旁設(shè)備主要由軌道空閑檢測(cè)裝置等ATP軌旁單元和其相關(guān)的接受發(fā)裝置構(gòu)成。

車載設(shè)備主要控制列車，軌旁設(shè)備主要提供基層的安全信息。其主要實(shí)現(xiàn)如下功能。速度監(jiān)督和超速防護(hù)：ATP車載設(shè)備通過軌旁設(shè)備傳輸列車目標(biāo)速度、最大允許線路速度和線路坡度等數(shù)據(jù)計(jì)算列車列車允許速度，并將列車運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)通過駕駛室的人機(jī)交互界面顯示給司機(jī)。測(cè)速與測(cè)距：列車速度和距離的測(cè)量是車載設(shè)備的關(guān)鍵作用。測(cè)速主要有系統(tǒng)測(cè)量和車載設(shè)備自測(cè)兩種方式，通常需要兩路測(cè)速來保證測(cè)速系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測(cè)距對(duì)于列車安全至關(guān)重要，主要通過ATP車載設(shè)備連續(xù)測(cè)量列車行駛的距離，隨時(shí)查找列車的位置。車門與站臺(tái)安全門的控制：通常當(dāng)列車沒有停穩(wěn)在站臺(tái)或車輛段轉(zhuǎn)換軌上時(shí)，ATP系統(tǒng)不允許車門開啟。當(dāng)列車在車站的預(yù)定停車區(qū)域內(nèi)停穩(wěn)且停車點(diǎn)的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，ATP系統(tǒng)才會(huì)允許車門操作。列車檢測(cè)：通過軌道電路和計(jì)軸器等ATP軌旁設(shè)備作為列車檢測(cè)設(shè)備，通過發(fā)送不同的信息檢測(cè)區(qū)段是否有車占用。停車點(diǎn)防護(hù)：停車點(diǎn)的監(jiān)督以保證列車停在停車點(diǎn)（不超過停車點(diǎn)）為目的。按照列車至停車點(diǎn)的距離，列車的速度限制連續(xù)地改變，并通過一條最終為零的制動(dòng)曲線實(shí)施。

2.1.2 ATS系統(tǒng)的組成和功能

ATS主要由控制中心ATS設(shè)備，車載ATS設(shè)備，車站ATS 設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)視和跟蹤功能，列車自動(dòng)排列進(jìn)路功能，列車追蹤間隔調(diào)整功能，列車運(yùn)行模擬仿真功能，列車運(yùn)行重放功能，事件記錄、生成和報(bào)表打印功能，報(bào)警功能和接口功能。主要可以分為監(jiān)督和控制兩部分。

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)督功能則是將列車運(yùn)營的狀態(tài)和信息，通過控制中心或各車站的調(diào)度終端，實(shí)時(shí)顯示出來，控制中心或各車站的調(diào)度員可以通過這些調(diào)度終端屏幕，實(shí)時(shí)了解和掌握列車的實(shí)際運(yùn)行情況，以便及時(shí)對(duì)行車作業(yè)進(jìn)行分析和調(diào)整，保證全線運(yùn)營安全高效有序進(jìn)行。

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能，是由列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)向列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，發(fā)出指令辦理列車進(jìn)路，指揮控制列車按照列車運(yùn)行圖運(yùn)行。列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可以繪制列車實(shí)跡運(yùn)行圖，并動(dòng)態(tài)地對(duì)偏離運(yùn)行圖的列車進(jìn)行調(diào)整。

2.1.3 ATO系統(tǒng)的組成和功能

鐵路ATO系統(tǒng)主要是在列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載增加ATO單元、通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）電臺(tái)及相關(guān)配套設(shè)備，地面在車站終端設(shè)備改造系統(tǒng)（Terminal Station Retrofit System，TSRS）等設(shè)備上增加功能，車站股道增加精確定位應(yīng)答器。

ATO系統(tǒng)按照控制理論思想可歸納為雙層閉環(huán)控制系統(tǒng)，上層為策略層系統(tǒng)根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃，當(dāng)前運(yùn)行速度，以及接受來自ATP系統(tǒng)的線路限速和目標(biāo)速度等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算列車達(dá)到目標(biāo)限速值所需要的牽引力或者制動(dòng)力的大小，通過列車接口電路傳導(dǎo)至列車的控制層，其控制牽引系統(tǒng)或者制動(dòng)系統(tǒng)完成對(duì)列車的加速或者減速作業(yè)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛控制。地面設(shè)置專用精確定位應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)精確定位，地面設(shè)備通過GPRS通信實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運(yùn)行計(jì)劃處理。與ATP系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供安全保障相比，ATO系統(tǒng)可對(duì)列車的運(yùn)行進(jìn)行平穩(wěn)控制，能夠保證列車運(yùn)行的高效和舒適性，是提高列車運(yùn)行水平的重要技術(shù)支撐。

該系統(tǒng)主要功能包括：車站自動(dòng)發(fā)車——即使用牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和加速列車的過程；區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行——即根據(jù)牽引或者制動(dòng)力跟蹤目標(biāo)速度的區(qū)間速度調(diào)節(jié)和運(yùn)行的過程；車站自動(dòng)停車——制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)ATO生成的制動(dòng)曲線施加一定的制動(dòng)力來確保定點(diǎn)停車的控制過程；車門自動(dòng)開門〈防護(hù)〉車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制——即系統(tǒng)控制車門和站臺(tái)門的開閉操作。列車進(jìn)站停車后，信號(hào)車載ATP發(fā)出允許開門命令，并發(fā)送報(bào)文給ATO系統(tǒng)后將開啟列車車門，報(bào)文經(jīng)過通信通道傳遞后觸發(fā)站臺(tái)防護(hù)門的開啟。人工操作或預(yù)設(shè)停站時(shí)間到時(shí)將觸發(fā)車門的關(guān)閉動(dòng)作。

2.2 列車運(yùn)行的性能指標(biāo)

列車自動(dòng)駕駛的控制策略研究目的是取代人工駕駛模式下往往依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的駕駛行為，在確保列車安全運(yùn)行的前途條件下，最大限度的提高和改善其運(yùn)行品質(zhì)。而列車運(yùn)行的性能指標(biāo)的提出既可以作為控制目標(biāo)引導(dǎo)控制系統(tǒng)不斷完善和改良達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求，又可以作為衡量控制器性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。其運(yùn)行品質(zhì)可以具體分為如下方面：

2.2.1 停車精度

停車精度為列車到站停車點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)停車點(diǎn)的距離誤差，目前站內(nèi)停車精度要求為小于±30cm。精確停車不僅可以保證旅客正常上下車，而且關(guān)乎列車車門的正常開啟。尤其對(duì)于安裝屏蔽門的站臺(tái)，能否精確停車關(guān)乎車門與站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制能否正常開關(guān)操作以及整個(gè)列車行車計(jì)劃能否正常進(jìn)行。

2.2.2 舒適性

舒適性是由列車運(yùn)行過程加速度的絕對(duì)值和變化率帶來的的沖擊決定的，絕對(duì)值和變化率的大小影響乘客的舒適性體驗(yàn)。線路狀況和車輛狀況作為先天條件影響舒適性，但ATO系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)合理控制算法作為應(yīng)對(duì)策略來高舒適性。比如ATO算法根據(jù)線路信息合理的規(guī)劃當(dāng)前速度和加速度值，盡量做到加減速平穩(wěn)，避免頻繁的工況切換。

2.2.3 準(zhǔn)時(shí)性

準(zhǔn)時(shí)性要求列車按照列車運(yùn)行時(shí)刻表的要求準(zhǔn)點(diǎn)或者在可允許誤差誤差范圍時(shí)間內(nèi)到站。列車運(yùn)行時(shí)刻表按照運(yùn)輸計(jì)劃進(jìn)行列車編排，規(guī)定各列車在每個(gè)車站的停站和發(fā)車時(shí)刻。早晚點(diǎn)都會(huì)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸計(jì)劃或者列車運(yùn)行安全造成影響，因此，ATO系統(tǒng)必須要有合理的控制策略通過運(yùn)行速度的調(diào)整來確保安全的前提下完成運(yùn)行計(jì)劃規(guī)定的時(shí)刻表。

2.2.4 節(jié)能性

節(jié)能性要求列車運(yùn)行應(yīng)在確保安全和準(zhǔn)時(shí)性的前提下，盡可能降低能耗，提升運(yùn)行的的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。列車運(yùn)行的能耗主要分為牽引能耗和車載設(shè)備能耗。節(jié)能性的優(yōu)化提升主要是通過ATO控制策略來降低運(yùn)行過程中的牽引能耗。因此，ATO控制策略應(yīng)合理規(guī)劃列車運(yùn)行工況盡可能減少制動(dòng)以及運(yùn)行的速度區(qū)間，將線路特性和列車慣性等因素綜合考慮進(jìn)來，從而達(dá)到節(jié)能低碳運(yùn)行。

3 改進(jìn)策略

3.1 軟件層面的改進(jìn)優(yōu)化

3.1.1 控制算法的選擇與改進(jìn)

通過分析，ATO的上層的策略層根據(jù)鐵路線路信息、列車運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)計(jì)算列車的推薦速度曲線，再通過列車控制層相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)等控制信號(hào)的輸出追蹤目標(biāo)速度曲線。因此，控制算法的選擇將關(guān)乎列車的控制精度和影響著列車的運(yùn)行能耗，智能高效的控制算法將提高列車的準(zhǔn)點(diǎn)性、舒適性以及停車精度和安全性。

傳統(tǒng)的控制算法主要是利用比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合通過構(gòu)成閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)將輸出結(jié)果與輸入目標(biāo)作差后再產(chǎn)生消除此誤差的控制策略，其以結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，工作可靠的方式最初廣泛應(yīng)用于列車控制運(yùn)行中，但隨著鐵路的發(fā)展，列車的非線性，多變量等特點(diǎn)越來越突出對(duì)控制算法的控制性能提出了更高要求，傳統(tǒng)的控制算法很難滿足實(shí)際的需求，因此，越來越多的研究將目光投向了現(xiàn)代控制算法和智能控制算法等復(fù)雜控制算法的結(jié)合。

現(xiàn)代控制算法在經(jīng)典控制算法的基礎(chǔ)上將系統(tǒng)視作白盒，引進(jìn)狀態(tài)變量，通過將系統(tǒng)輸入輸出與狀態(tài)變量建立聯(lián)系構(gòu)建狀態(tài)方程增加控制的精度，而智能控制算法多以深度學(xué)習(xí)算法為主，即利用海量的數(shù)據(jù)通過構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷的仿生學(xué)習(xí)，此算法不依賴受控模型，以其自適應(yīng)強(qiáng)、決策快、智能化高等特點(diǎn)現(xiàn)階段開始廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

鑒于此，本文針對(duì)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）的控制層，提出以下兩種優(yōu)化的智能控制算法。算法一即利用韓京晶教授提出的自抗擾控制理論，自抗擾控制器主要由跟蹤微分器，非線性反饋控制律和狀態(tài)觀測(cè)器構(gòu)成用替代傳統(tǒng)的PID控制器，利用跟蹤微分器的濾波作用來得到列車精確的速度位移跟蹤信號(hào)，其次利用非線性反饋控制律對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行拆解變換從而形成更精準(zhǔn)的控制信號(hào)，最后通過狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)輸出控制信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，用以反饋給控制律進(jìn)行改變調(diào)整輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定速度和位移的跟蹤。其二是借助強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，將列車目標(biāo)速度和位移作為狀態(tài)空間，以列車的牽引力和制動(dòng)力建立動(dòng)作空間用以滿足強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的馬爾科夫決策模型，其次建立列車的運(yùn)行指標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)用以引導(dǎo)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方向，不斷提高控制精度和運(yùn)行性能指標(biāo)等運(yùn)行品質(zhì)。

3.1.2 目標(biāo)運(yùn)行曲線的優(yōu)化和改進(jìn)

列車目標(biāo)曲線的優(yōu)化主要取決于列車的運(yùn)行工況。目前，列車的運(yùn)行工況主要有牽引、惰性和制動(dòng)三種工況，目標(biāo)速度曲線的生成是這三種不同工況的混合組成。最常見的目標(biāo)曲線生成策略有最小時(shí)分策略、最節(jié)能操縱策略和混合操縱策略，最小時(shí)分策略指在運(yùn)行區(qū)間，在保證安全的前提下盡可能的縮短運(yùn)行時(shí)間，但這會(huì)犧牲乘客的乘坐舒適度并增加相應(yīng)的控制能耗；最節(jié)能操縱策略主要是利用線路上的坡度等地理信息結(jié)合當(dāng)前的速度，最大可能利用列車的慣性來實(shí)現(xiàn)列車的最節(jié)能化運(yùn)行，但這會(huì)降低線路的運(yùn)行能力；混合策略就是兼顧多目標(biāo)的一種控制策略，其最大的改進(jìn)就是在工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)處合理選擇時(shí)機(jī)進(jìn)行工況切換，從而滿足多目標(biāo)運(yùn)行的需求。因此，針對(duì)當(dāng)前鐵路運(yùn)行的現(xiàn)狀，混合控制策略是一種較為智能化的目標(biāo)曲線生成方法，但為了讓其適應(yīng)日益復(fù)雜的運(yùn)輸情況和線路狀態(tài)，需要對(duì)其控制細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。一是通過建立運(yùn)行指標(biāo)權(quán)重函數(shù)對(duì)舒適度、節(jié)能性、準(zhǔn)點(diǎn)性和停車精度賦予相應(yīng)的權(quán)重比例，依據(jù)早晚高峰情況、不同線路人流情況和節(jié)假日情況進(jìn)行有針對(duì)性調(diào)整各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)從而生成更加高效的目標(biāo)速度曲線，二是利用粒子群算法和遺傳算法等尋優(yōu)算法結(jié)合司機(jī)駕駛經(jīng)驗(yàn)和線路限速要求對(duì)工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行局部速度尋優(yōu)，生成匹配權(quán)重函數(shù)的最優(yōu)轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度，進(jìn)而生成目標(biāo)速度曲線。

3.2 硬件層面的改進(jìn)優(yōu)化

3.2.1 硬件設(shè)備的維護(hù)與優(yōu)化

算法改進(jìn)可以提高設(shè)備的智慧化和自動(dòng)化程度，但是這離不開硬件層面車載和地面設(shè)備的支持，“7.23”甬溫線重大交通事故就是由列控設(shè)備可靠性不高導(dǎo)致環(huán)境耐受性低導(dǎo)致的重大行車事故，因此為了提高行車安全性和保障列控系統(tǒng)正常運(yùn)行，一是必須完善維護(hù)保養(yǎng)制度，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域特殊環(huán)境下的區(qū)間設(shè)備進(jìn)行及時(shí)重點(diǎn)檢修，嚴(yán)格管理設(shè)備故障登記與核銷。確保相關(guān)線路接口的正常。二是在通信傳輸設(shè)備方面，保證鐵路專用線的帶寬和信號(hào)穩(wěn)定度，在必要區(qū)域增加信號(hào)干擾器，并選取更加可靠的傳輸總線等設(shè)備、采取冗余設(shè)備保障信息的接收和發(fā)送。

3.2.2 人員素質(zhì)的提高

列車控制系統(tǒng)性能的發(fā)揮還離不開鐵路電務(wù)、工務(wù)人員的管理、運(yùn)行和操作，2024年西安地鐵10號(hào)線在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)生追尾碰撞事故，調(diào)查結(jié)果表明這是一起典型的人為事故原因是由于操作人員沒有開啟列車防護(hù)系統(tǒng)和嚴(yán)格履行相應(yīng)的操作手冊(cè)而造成的，因此，相關(guān)從業(yè)者的專業(yè)水平和素質(zhì)至關(guān)重要，這不僅關(guān)乎設(shè)備的正常使用，更關(guān)乎鐵路運(yùn)行的安全。針對(duì)此，必須加強(qiáng)從業(yè)者的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，設(shè)立嚴(yán)格的考試和考核制度，做到持證上崗，切實(shí)提高人員的專業(yè)性，并且建立嚴(yán)格的追責(zé)制度，責(zé)任落實(shí)到人，用制度和法律約束從業(yè)者行為，堅(jiān)決扛起為鐵路運(yùn)行的安全底線，保證發(fā)揮列車控制系統(tǒng)的功能作用。

4 結(jié)語

列車控制系統(tǒng)作為保障列車行車安全，提高鐵路運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)性的重要設(shè)備，正承載著更多的期望和發(fā)揮著越來越重要的作用。研究表明，列車控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要研發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)等多方人員的齊心協(xié)力，更需要從設(shè)施設(shè)備到軟件算法的全方位提升。本文在分析列車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合工程和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，從軟件層面和硬件層面對(duì)提高列車控制系統(tǒng)提出了切實(shí)可行的優(yōu)化策略。期望未來，在科技和人才的雙重助推下，軌道交通將給人們帶來更安全、綠色，便捷的出行體驗(yàn)，更好的助力交通強(qiáng)國的建設(shè)。

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