城市轨道列车自动运行的仿真研究

陶细华

【摘要】 根据列车运行启动过程，中间调整和定点停车阶段，在满足安全性、舒适性、准时性和停车精度的基础上，结合实际线路路况条件，设计了ATO控制算法，针对列车运行各阶段建立由最快加速、巡航和专家打分法及预测算法组成的数学模型，并对ATO系统仿真，结果表明效果理想。

【关键词】 轨道列车 自动运行 控制算法 仿真

一、 引言

城市轨道列车蓬勃发展，列车自动运行顺应时代发展，成为轨道交通发展趋势。ATO是核心子系统，在列车自动防护系统（ATP）的监督下，实现自动运行目标，达到高效性、准时性、舒适性、节能性和精准停车等目的。本文研究的重点就是综合考虑各指标，设计自动运行算法，建立仿真系统，探寻最优操纵方案，模拟生成运行曲线。

二、体系结构

通过应答器和轨道电路上传线路参数，利用移动授权信息到车载设备，利用车载设备生成ATP 防护曲线，完成列车启动、牵引、巡航和制动控制，实现安全运行。

三、控制算法

自动运行过程归纳为三大部分：启动阶段、运行阶段和停车阶段，寻找合理的优化操纵方案，给出最优控制策略来控制列车自动运行。

3.1 启动阶段

启动阶段对列车采用最短运行时间，以其最大的牵引力运行使列车在最短的时间内启动。计算得出相应的加速度，从而进一步进行列车运行控制。

该过程还需要与反馈的加速度信息进行比较，按照我国TB/T2370-1993《铁路旅客纵向动力学试验方法与评定指标》中规定的旅客纵向加（减）速度的评定指标系数，即保证其平均加（减）速度的绝对值不超过0.082g（a<0.783m/s2），保证舒适度这一性能指标要求。

3.2 区间运行阶段

为了研究各个线路的限速情况，设定一个临时限速区，有三种工况：从高限速区进入低限速区、常数速度监视区和从低限速区进入高限速区。

从高限速区进入低限速区：为了保证行车的安全性，防止列车超速运行，要求列车提前减速，等价为制动工况，以临时限速为目标速度。

进入常数速度监视区：自动寻找合适的牵引力使其与阻力近乎相等，从而实现列车的巡航阶段过程；要求列车可以贴线巡航，使其拥有极佳的舒适性、节能性和高效性。

从低限速区进入高限速区：采用最短运行时间策略，该阶段的加速过程与启动阶段类似，要求列车以最大牵引力运行。

3.3 停车阶段

为了确保列车能够在ATO控制下稳定地精确停车（误差在±25cm范围内），算法在停车阶段对制動起模点、停车过程中制动档位选择和其变化频率，计算并设计合理的操纵策略，确保停车稳定性、安全性和精准性指标。

（1）停车制动起模点确定

a.确定最大常用制动曲线的起模点stop；

b.根据最大常用起模点位置，前推不同距离，确定列车停车阶段的制动起模点，如 stop-400m、stop-500m；

c.取不同起模点，记录影响运行的性能指标，记录列车运行后对应的停车误差、运行时间、档位变化频率和是否触发最大常用制动等信息。

d.权重分配，对于停车准度分配 60% 的权重，其余几项性能指标分别分配 13.3% 的权重，反比打分。

e.根据打分结果，取综合得分最高的制动起模点，列车在该处开始制动会取得最好的停车效果。

（2）停车制动档位选择

停车阶段是通过制动力减速，使其在目标停车点实现预期的停车效果，实际制动力表现在制动档位的变化，当列车选择不同的制动档位停车，列车的停车点位置则会相同。

读取当前位置S0 和速度Vn； 系统根据上传目标停车点，计算所得的制动距离△s，计算出各制动档位即不同的减速度对应的停车误差 stop-（S0+ △s）；根据不同停车误差，该系统比较其大小，取其中使得停车误差最小的档位来实施制动，最后达到精确停车目标。

（3）列车制动档位变化的频率

制动档位变化的频率越高，则列车停车精度相应的越高，但制动档位频率的变化涉及到乘客的舒适性，故需要综合考虑停车准度和舒适性两项性能指标，通过仿真实验得到大量数据，再应用专家打分法来分析确定制动变化的频率，该方法类似于对制动起模点的确定。

四、仿真验证

用合宁线做仿真实验，距离21.087km，采用 CTCS2 级，动车型号是 CRH1 型，定员载荷质量470t，长度212m。

仿真系统由三部分构成：

地面数据上传生成列车模拟运行界面和ATP防护曲线。

按照CTCS2级列控车载系统标准运行，在ATP的防护下，实现安全运行，以达到节能目标。

根据ATO算法控制列车自动运行，列车牵引制动等级变化曲线是对列车自动运行操纵过程的记录，其平稳的变化过程证明了列车在运行中具有良好的舒适性；同时列车运行后记录的各数据表明列车在21.087km的线路上运行耗时为8min24s，停车精度达到0.01m，且没有触发最大常用制动或紧急制动的情况，仿真结果表明列车在ATO算法控制下，完成了较高质量自动运行的过程。

通过记录列车运行信息设置曲线回放功能，查看列车运行记录，为日后改进行车技术和确定事故责任提供保障。

五、结束语

研究列车自动运行，设计列车启动、区间调速及定点停车的算法，确定了较优的操纵方案，考虑了舒适性、停车准度、准时性等性能指标。最后通过仿真设计，证明设计的ATO系统，在ATP监控下按照操纵策略行车，达到了较好运行效果。

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