一种基于内嵌建模计算的列车自动运行等级实时调整算法

陈宁宁 郑 伟 徐 伟

从高速铁路到城际铁路，从市域快轨到地铁轻轨，再到现代有轨电车，多样化、层次化、智能化的轨道交通技术正在日益改变着城市的面貌和我们的生活。作为轨道交通智能化程度的集中体现，列车自动驾驶技术 （ATO）可以降低司机的劳动强度，提高列车运行的舒适性，减小列车运行的能源消耗。在当前的轨道交通建设中，列车自动驾驶子系统已经普遍配置，但各厂家的技术实现方式、控制策略、应用效果不尽相同，并且核心技术主要被国外厂家所垄断。

轨道交通ATO的到站时间控制精度和效率取决于2方面：一是地面设备，如ATS（列车自动监督系统）或CTC（分散自律式调度集中系统）控制系统的车辆调度能力；二是车载ATO根据调度指令的实际执行能力。运行等级调整算法作为车载ATO实现地面调度指令的重要手段，其重要性不言而喻。运行等级调整算法的关键在于计算的准确性及实时性，其目标是列车按调度指令，实现到站时间误差为秒级。

1 设计原理

ATO作为VOBC的一个重要组成部分，主要完成列车在有人辅助或无人状况下的列车自动驾驶功能。在ATP系统的监督下，ATO系统可以依据ATS的运行调整命令和参数调整列车运行，保证列车高效及准点运行。

车载ATO在A站台接收到来自ATS的运行等级调整命令后，利用运行等级调整算法，计算ATO实际运行曲线。图1为对应不同控制等级的ATO－1和 ATO－2运行曲线，ATO－1的运行时间要小于ATO－2的运行时间。

图1 站间运行图

目前，ATO运行等级调整算法主要有2种实现方式。

1．离线计算法。根据实际线路的所有站间线路限速、坡度等数据，离线计算出不同运行等级的运行曲线及其运行时间。将所有站间运行曲线及运行时间存储入车载数据库，ATO系统在发车前，根据轨旁ATS的时间调节指令，选择不同的运行等级。这种方法调节精度与离线计算时运行等级的数量有关，数量越多，调整的目标时间越精确。其缺点是计算的工作量很大；只有站间的运行时间，没有区间内某一点到终点的时间，因此不能实现车辆区间内在线实时调整；区间内有临时限速时，不能实现站间运行时间的精确调整。

2．在线实时计算法。ATO站间运行过程中，实时计算运行等级。利用当前车辆位置及速度，根据通用的加减速线性物理公式，计算站间的运行时间。此方法可以在有临时限速时重新计算，从而克服了离线计算法的缺点，但计算时间与实际列车运行时间存在较大误差，调整精度不是太高。

由于离线计算法不能满足在线实时调整的需求，因此基于在线实时计算法，并提高其调整精度、增加算法在不同线路间的可移植性是设计目标。可以采取如下措施。

1．获取当前时刻ATO详细控车状态，包括当前速度、当前牵引制动状态、当前控制电流数值、当前坡度及距离信息等，将当前时刻作为等级调整计算的初始状态。

2．建立列车模型，包括车辆牵引力速度曲线、牵引切除时间、制动切除时间等各种列车性能参数。列车模型接收ATO的控制输入，计算并改变列车模型的当前状态。

3．使用ATO真实的列车速度控制算法，根据当前控车状态及列车参数，计算得到控制指令，然后输出给列车模型，之后再从列车模型取得列车反应状态，形成闭环控制。

2 功能实现

在ATO系统既有控车功能的基础上，通过增加列车模拟功能、运行等级调整算法计算及迭代功能等，实现调整精度及可移植性的优化。设计了如图2所示的软件结构。

图2 软件结构图

ATO系统多进程设计，与运行等级调整相关的主要有2个进程。

2．1 ATO控车进程

ATO控车进程主要实现实际列车的速度控制，是一个闭环反馈的过程。

1．速度采集：ATO系统与真实车辆有速度脉冲接口，通过自主计算脉冲数目，实时计算当前速度。

2．速度控制算法：ATO根据上一周期的控制预期与本周期的实际速度，以及当前的控制策略，修正当前的控制速度曲线，得到下一周期的控制预期。这是一个闭环反馈的过程。

3．对外输出：ATO根据当前所在进程及控制状态，区分真实车辆与模拟车辆，同时输出牵引或制动命令。

4．读写通道：ATO控车进程与运行等级调整进程之间，通过读写通道传递数据。ATO控车进程写入当前详细的控制状态，接收运行等级调整命令。

2．2 运行等级调整进程

运行等级调整进程主要利用当前的控制状态、ATO控车进程使用的速度控制算法，完善的列车动力学模型，实际的土建限速、土建坡度、临时限速等运营参数，通过迭代计算列车当前位置到终点的运行时间。通过与来源于地面调整系统的预期运行时间比较，得到最优的运行等级参数。该计算进程可以通过时间触发或者通过任务触发，做到了区间任一位置的实时计算。

1．读写通道：运行等级调整进程接收当前的控制状态，发送运行等级调整命令。

2．初始化工作状态：运行等级调整进程要初始化速度控制算法所需要的所有控制参数，这些都来源于读写通道。参数包括限速、当前位置、当前速度、授权距离等。初始化过程就是要将这些参数转化为运行等级调整计算所需要的内部变量，同时完成对列车模型的初始化工作。

3．速度采集、速度控制算法、对外输出：速度采集、速度控制算法、对外输出与ATO控车进程中使用的算法相同。算法相同得到的运行等级的可信度才高。

4．列车模型：根据真实列车与ATO系统的接口信息流，设计运行等级调整进程与列车模型的接口信息流。根据真实列车的牵引制动模型及其他性能参数设计列车模型。该软件的流程图如图3所示。

运行等级调整进程，首先读取ATO控车进程写入的数据通道状态数据，初始化列车模型的初始状态，之后进入迭代过程；持续获取来自于列车模型的速度信息，根据速度控制算法计算对列车模型的输出；列车模型根据输入计算状态更新。当迭代过程结束条件满足，退出迭代过程，并将计算得到的运行控制等级写入数据通道。ATO控车进程获取当前运行控制等级，并控制实际车辆运行。

ATO控车进程与运行等级调整进程构成一个闭环反馈系统。

图3 运行等级调整进程流程图

3 结束语

将真实的速度控制算法、当前列车运行状态、模拟列车模型引入到运行等级调整算法中，再将运行等级调整算法的结果反馈到真实的车辆控制中。经过这种闭环反馈，可以记录相关参数用于列车模型的优化，最终结果是ATO系统的运行等级调整精度得到提高。

利用该设计方法只需要修改列车模型就可以满足不同的线路及车辆对ATO运行等级调整的需求。该算法已经应用到实际地铁及城际铁路的车载ATO系统中，取得了较好的运行调整效果。

［1］ ［美］John G．Proakis著张力军等译，数字通信［M］．第3版 ．北京：电子工业出版社，2001．4．