地铁列车自动驾驶系统分析与设计
对于城市轨道交通系统高效率高密度的要求来说,列车自动控制系统(ATC) 是必不可少的. ATC 系统包括:列车超速防护子系统(ATP :Automatic Train Protection) 、列车自动驾驶子系统(ATO :Automatic Train Operation) 、列车自动监控子系统(ATS :Automatic Train Supervision) .
ATS 子系统可以实现对列车运行的监督和控制,辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理. ATP 子系统则根据地面传递的信息计算出列车运行的允许安全速度,保证列车间隔,实现超速防护. ATO 子系统根据ATS 提供的信息,在ATP 正常工作的基础上,实现最优驾驶,提高舒适度、降低能耗、减少磨损. 国外已研制了适用于高密度城市轨道交通的列车自动驾驶系统,并在城市轨道交通系统中广泛应用. 我国在此项技术上研究较少,20 世纪80 年代以来,北京地铁、上海地铁、广州地铁均以巨额代价引进了国外的设备,近年来,为缓解市内交通紧张、减少空气污染发挥巨大作用. 地铁的发展建设受到国家及各大中
城市的普遍重视,许多城市的地铁正在设计建设,为降低地铁投资,迫切需要国内研究具有自主产权的适于城市轨道交通的列车自动驾驶设备.
1 ATO 系统分析
1. 1 ATO 工作原理[1 ,2 ] ATO 子系统能保证运行时间与定点停车,还能提高运行效率,提高舒适度,减少能耗. 但作为ATC 的一个子系统,它的功能是要依靠ATC 各子系统协调工作共同完成的,缺少ATP 与ATS 子系统,ATO 将无法正常工作.
从运行中所起作用来说,ATO 主要实现驾驶列车的功能,能进行车速的正常调整,给旅客传送信息, 进行车门的开关作业,但这只是执行操作命令,不能确保安全,这就需要ATP 来进行防护. ATP 起监督功图1 三种制动曲线能,对不符合安全的情况给予防护,保证列车不超速,车门不误动. 由此可见ATP 系统是列车运行时必不可少的安全保障,ATO 系统则是提高城市轨道交通列车运行水平(准点、平稳、节能) 的技术措施. 在任何时候,只要ATP 系统正常的话,就应让其执行防护工作,以确保行车安全. 从ATP 与ATO 两子系统的三条制动曲线,也可明显地看出:ATP 主要负责“超速防护”,起保障安全的作用,ATO 主要负责正常情况下的列车高质量地运行. 其中,曲线1 表示列车的紧急制动曲线,由ATP 系统计算及监督. 曲线2 表示由ATP 系统计算,在驾驶室显示出来的最大允许速度,它略低于紧急制动曲线. 当列车速度达到曲线2 ,应给出告警. 曲线3 是由ATO 系统动态计算的制动曲线,也即正常运行情况下的停车制动曲线. 由于地铁列车的运行密度越来越大,安全性要求越来越高,所以要求有ATS 系统,以使列车按照设计好的时刻表准确有序地运行,并监视列车运行状态实现智能调度. ATS 设在地铁线路中较大的车站,控制中心与各站连锁设备间的联系由遥控系统来完成. ATO 从ATS 处得到列车运行任务命令,信息是与地面线路信息一起组成报文,通过轨道电路传送,由车载ATP 统一接收. ATP 将处理过后的对ATO 有用的信息传给ATO ,并显示相关信息,且不断地监视ATO 的工作. ATO 获得有用信息后,并根据实际运行速度和ATP 的最大允许速度,计算运行速度,得出控制量并执行控制命令. 巡航/ 惰行模块由独立的控制器来辅助完成. 定点停车采用站内交叉环线实现. 到站后ATO 通过列车位置识别系统(PTI) 的天线向地面发送列车信息,并传到ATS ,以便识别列车的位置. ATS 根据此列车信息确定列车的新任务后再次通过轨道电路传送给ATO. 在区间运行时,每进入新的轨道区段, ATO 便接收新的地面信息,以便进行速度调整. 在运行过程符合ATO 条件时,允许灵活地切换到ATO 模式. ATO工作原理图
1. 2 ATO 车载设备功能模块ATO 功能模块图如图3 ,其车载设备能完成的功能有:
(1) 从驾驶室中接收司机输入信息. 列车到站定点停稳后,司机输入司机号、列车号、目标站号并传给ATO ,以便与地面通信.
(2) 从ATP 处获得信息. 这信息包括轨道电路传来的经ATP 处理过的DAT-ATO 信息和一些实时检测到的过程数据. DAT-ATO 包括车门控制(右门、左门、左右门) 、到达下一站的运行时间、车站号、车次号、目标站号、轨道电路号. 过程数据包括列车走过的距离、列车速度和区间调整的信息.
(3) 给出操纵变量. 经ATO 计算出的操纵变量(牵引、制动力值,运行/ 制动命令) 传送到车辆接口,进行速度控制.
(4) 车门控制. 在车站停车后,经ATP 检查开门条件后,ATO 给出开门信息(左门、右门、左右门) .
(5) 向地面发送信息. 列车停稳的同时,ATO 还向车载PTI 传送PTI 数据,以便与地面进行通信.
(6)ATO 能提供乘客信息. ATO 在到站前和出发前均可给出乘客信息,包括目的地、运行方向等信息.
(7)ATO 能显示信息. ATO 运行时要把运行状态传给显示器,传送的数据为:控制器的状态(运行、制
动、惰行) 、实时速度和控制器数据、特殊功能和车门控制信息,这些电信号都用循环方式传送出去.
(8) 对运行过程,ATO 能进行必要的纪录存档.
(9)ATO 留有诊断接口. ATO功能模块图
2 ATO 系统设计
2. 1 ATO 车载设备的结构设计ATO 车载设备是ATO 系统的核心部分,是设计的难点. ATO 车载设备接口如图4 ,其中CCU 为中央
控制单元,控制着ATO、ATP、显示器间的通信; PTI 天线能实现车地通信;L1 、L2 为与ATO 接口的显示
灯;E1 到E10 为与ATP 接口的开关、按钮或显示灯. ATO车载设备接口
2. 2 ATO 控制算法
ATO 系统最主要的任务是计算施加于列车的牵引力或制动力的大小,并实施控制. 由于我们采用的是比例积分微分控制(PID) ,因此需要计算标准速度曲线.
以下将介绍标准速度曲线的计算和速度控制方式.
(1) 标准曲线的计算 标准曲线通过实时计算获得. 通过给定的运行时间,可判断采用的运行速度等级,其中不同的速度等级对应于不同的运行速度vi 与运行时间( i 表示等级) . 站间每一轨道电路都有固定限速和限速的起点、终点及下一轨道电路区段的入口速度,停车制动采用设计好的停车制动曲线. 这些信息都产生各自的速度曲线,如图5 ,于是便合成了每一个轨道电路区段的标准速度曲线:min ( vi ,限速曲线,入口曲线,停车曲线) 对整个站间运行来说,时间上一般都稍微有富余. 我们可通过停车前增加惰行来消耗一些时间,实现运行的准时性,并节省能源.
(a) vi 曲线(b) 限速曲线(c) 入口曲线(d) 停车曲线
各种信息产生的速度曲线
(2) 速度控制 速度控制主要是牵引制动力计算的问题. 采用PID 控制方法,通过实时速度与标准速度的差值e 来进行计算. 控制量为ui = K ei + T T I ∑i j = 0 ej + TD T ( ei - ei - 1) + u0 ,
式中, i 为采样序号; ei 和ej 分别为第i 次和第j 次采样时刻输入的偏差值, j 的取值范围为[0 , i ] ; ui 为第
i 次采样时刻输出量; u0 是控制量的基准; K 为比例系数; T 为采样周期; T I 为积分时间; TD 为微分时间.
3 结束语大城市交通问题严峻,有必要应用高效率的列车自动驾驶技术. 北京地铁一号线引进了英国Westing2 house 公司的ATO 系统,上海地铁一号线引进了美国GRS 公司的ATO 系统,广州地铁一号线引进了德国Siemens 公司ATO 系统,其中以广州地铁的ATO 系统运行效果最佳. 这三套ATO 系统的工作原理有一定的区别,设备之间并不兼容. 经过对这三套系统的分析,我们决定研制与广州地铁ATO 系统地面设备相兼容的车载设备. 本文对ATO 系统进行了分析,并对ATO 系统车载设备硬件进行设计,同时给出了控制列车的算法.
此文曾发表于：《北方交通大学报》2002年3期
原作者：黄良骥 唐涛
