列车控制系统分析及研究

摘 要：列车控制系统作为轨道交通车辆的控制中枢，影响着列车乃至线路的正常运行关乎着乘客的生命财产安全，为更好地提高系统安全性、控制精度和节约能耗，本文阐述了列车控制系统的关键组成部分、各部分工作原理以及列车控制性能指标，在分析的基础上提出了相应的优化策略，以期为工程应用和相关工作者提供有益的参考。

关键词：列车控制系统 安全性 控制精度 节约能耗 优化策略

1 绪论

近年来，随着社会经济的增长和科技的进步，国家的交通事业得到了巨大的发展，尤其是以高速铁路和城市轨道交通为代表的铁路网络，其凭借着舒适性、便捷性、高效性和安全性等特点逐渐成为人们日常出行的首选，而这背后都离不开轨道交通的核心关键设备列车控制系统的保驾护航。列车控制系统作为轨道车辆的“大脑”不断为提高线路运载能力、保障行车安全和降低运行能耗而赋能，也成为众多铁路相关从业者关注和研究的焦点，肩负着轨道交通走向更加自动化和智慧化的使命。

2 列车运行控制系统

列车运行控制系统是轨道交通信号中必不可少的一部分，它作为信号系统最重要的组成部分其性能直接关乎着列车运行的安全以及整个铁路运输的正常运转。其主要由列车自动驾驶系统（Automatic Train Operation，ATO），列车自动监视系统（Automatic Train Supervision，ATS），列车自动防护系统（Automatic Train Protectio，ATP）组成，共同协同完成对列车运行速度、位移、方向以及列车运行间隔的监督、控制和保护，实现列车的安全运行，提高线路的运输效率，减轻人员操作强度，发挥铁路运输优势。其每个子系统都独立于其他两个子系统完成有关功能。

2.1 组成部分

2.1.1 ATP系统的组成和功能

ATP子系统主要由车载设备、轨旁设备和车载与轨旁之间互通信息的传输通道组成。其中车载系统主要由ATP车载单元、测速装置和接收发装置构成，其主体逻辑计算机一般采用2乘2取2、3取2的安全冗余结构或具备安全算法体系的双机热备系统。轨旁设备主要由轨道空闲检测装置等ATP轨旁单元和其相关的接受发装置构成。

车载设备主要控制列车，轨旁设备主要提供基层的安全信息。其主要实现如下功能。速度监督和超速防护：ATP车载设备通过轨旁设备传输列车目标速度、最大允许线路速度和线路坡度等数据计算列车列车允许速度，并将列车运行所需的数据通过驾驶室的人机交互界面显示给司机。测速与测距：列车速度和距离的测量是车载设备的关键作用。测速主要有系统测量和车载设备自测两种方式，通常需要两路测速来保证测速系统的准确性。测距对于列车安全至关重要，主要通过ATP车载设备连续测量列车行驶的距离，随时查找列车的位置。车门与站台安全门的控制：通常当列车没有停稳在站台或车辆段转换轨上时，ATP系统不允许车门开启。当列车在车站的预定停车区域内停稳且停车点的误差在允许范围内时，ATP系统才会允许车门操作。列车检测：通过轨道电路和计轴器等ATP轨旁设备作为列车检测设备，通过发送不同的信息检测区段是否有车占用。停车点防护：停车点的监督以保证列车停在停车点（不超过停车点）为目的。按照列车至停车点的距离，列车的速度限制连续地改变，并通过一条最终为零的制动曲线实施。

2.1.2 ATS系统的组成和功能

ATS主要由控制中心ATS设备，车载ATS设备，车站ATS 设备组成。实现列车监视和跟踪功能，列车自动排列进路功能，列车追踪间隔调整功能，列车运行模拟仿真功能，列车运行重放功能，事件记录、生成和报表打印功能，报警功能和接口功能。主要可以分为监督和控制两部分。

列车自动监控系统的监督功能则是将列车运营的状态和信息，通过控制中心或各车站的调度终端，实时显示出来，控制中心或各车站的调度员可以通过这些调度终端屏幕，实时了解和掌握列车的实际运行情况，以便及时对行车作业进行分析和调整，保证全线运营安全高效有序进行。

列车自动监控系统的控制功能，是由列车自动监控系统向列车自动防护系统和列车自动驾驶系统，发出指令办理列车进路，指挥控制列车按照列车运行图运行。列车自动监控系统可以绘制列车实迹运行图，并动态地对偏离运行图的列车进行调整。

2.1.3 ATO系统的组成和功能

铁路ATO系统主要是在列控系统的基础上，车载增加ATO单元、通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）电台及相关配套设备，地面在车站终端设备改造系统（Terminal Station Retrofit System，TSRS）等设备上增加功能，车站股道增加精确定位应答器。

ATO系统按照控制理论思想可归纳为双层闭环控制系统，上层为策略层系统根据列车运行计划，当前运行速度，以及接受来自ATP系统的线路限速和目标速度等信息，实时计算列车达到目标限速值所需要的牵引力或者制动力的大小，通过列车接口电路传导至列车的控制层，其控制牵引系统或者制动系统完成对列车的加速或者减速作业。实现自动驾驶控制。地面设置专用精确定位应答器实现精确定位，地面设备通过GPRS通信实现站台门控制、站间数据发送和列车运行计划处理。与ATP系统为列车运行提供安全保障相比，ATO系统可对列车的运行进行平稳控制，能够保证列车运行的高效和舒适性，是提高列车运行水平的重要技术支撑。

该系统主要功能包括：车站自动发车——即使用牵引系统实现启动和加速列车的过程；区间自动运行——即根据牵引或者制动力跟踪目标速度的区间速度调节和运行的过程；车站自动停车——制动系统根据ATO生成的制动曲线施加一定的制动力来确保定点停车的控制过程；车门自动开门〈防护〉车门/站台门联动控制——即系统控制车门和站台门的开闭操作。列车进站停车后，信号车载ATP发出允许开门命令，并发送报文给ATO系统后将开启列车车门，报文经过通信通道传递后触发站台防护门的开启。人工操作或预设停站时间到时将触发车门的关闭动作。

2.2 列车运行的性能指标

列车自动驾驶的控制策略研究目的是取代人工驾驶模式下往往依靠经验进行的驾驶行为，在确保列车安全运行的前途条件下，最大限度的提高和改善其运行品质。而列车运行的性能指标的提出既可以作为控制目标引导控制系统不断完善和改良达到相应指标要求，又可以作为衡量控制器性能优劣的评价准则。其运行品质可以具体分为如下方面：

2.2.1 停车精度

停车精度为列车到站停车点与标准停车点的距离误差，目前站内停车精度要求为小于±30cm。精确停车不仅可以保证旅客正常上下车，而且关乎列车车门的正常开启。尤其对于安装屏蔽门的站台，能否精确停车关乎车门与站台门的联动控制能否正常开关操作以及整个列车行车计划能否正常进行。

2.2.2 舒适性

舒适性是由列车运行过程加速度的绝对值和变化率带来的的冲击决定的，绝对值和变化率的大小影响乘客的舒适性体验。线路状况和车辆状况作为先天条件影响舒适性，但ATO系统可以设计合理控制算法作为应对策略来高舒适性。比如ATO算法根据线路信息合理的规划当前速度和加速度值，尽量做到加减速平稳，避免频繁的工况切换。

2.2.3 准时性

准时性要求列车按照列车运行时刻表的要求准点或者在可允许误差误差范围时间内到站。列车运行时刻表按照运输计划进行列车编排，规定各列车在每个车站的停站和发车时刻。早晚点都会对整个运输计划或者列车运行安全造成影响，因此，ATO系统必须要有合理的控制策略通过运行速度的调整来确保安全的前提下完成运行计划规定的时刻表。

2.2.4 节能性

节能性要求列车运行应在确保安全和准时性的前提下，尽可能降低能耗，提升运行的的经济性和环保性。列车运行的能耗主要分为牵引能耗和车载设备能耗。节能性的优化提升主要是通过ATO控制策略来降低运行过程中的牵引能耗。因此，ATO控制策略应合理规划列车运行工况尽可能减少制动以及运行的速度区间，将线路特性和列车惯性等因素综合考虑进来，从而达到节能低碳运行。

3 改进策略

3.1 软件层面的改进优化

3.1.1 控制算法的选择与改进

通过分析，ATO的上层的策略层根据铁路线路信息、列车运行状态等实时计算列车的推荐速度曲线，再通过列车控制层相应的控制算法实现牵引和制动等控制信号的输出追踪目标速度曲线。因此，控制算法的选择将关乎列车的控制精度和影响着列车的运行能耗，智能高效的控制算法将提高列车的准点性、舒适性以及停车精度和安全性。

传统的控制算法主要是利用比例（P）、积分（I）和微分（D）的线性组合通过构成闭环反馈的结构将输出结果与输入目标作差后再产生消除此误差的控制策略，其以结构简单，稳定性高，工作可靠的方式最初广泛应用于列车控制运行中，但随着铁路的发展，列车的非线性，多变量等特点越来越突出对控制算法的控制性能提出了更高要求，传统的控制算法很难满足实际的需求，因此，越来越多的研究将目光投向了现代控制算法和智能控制算法等复杂控制算法的结合。

现代控制算法在经典控制算法的基础上将系统视作白盒，引进状态变量，通过将系统输入输出与状态变量建立联系构建状态方程增加控制的精度，而智能控制算法多以深度学习算法为主，即利用海量的数据通过构建神经网络不断的仿生学习，此算法不依赖受控模型，以其自适应强、决策快、智能化高等特点现阶段开始广泛应用于各种控制领域。

鉴于此，本文针对列车自动驾驶系统（ATO）的控制层，提出以下两种优化的智能控制算法。算法一即利用韩京晶教授提出的自抗扰控制理论，自抗扰控制器主要由跟踪微分器，非线性反馈控制律和状态观测器构成用替代传统的PID控制器，利用跟踪微分器的滤波作用来得到列车精确的速度位移跟踪信号，其次利用非线性反馈控制律对目标信号进行拆解变换从而形成更精准的控制信号，最后通过状态观测器对输出控制信号进行观测，用以反馈给控制律进行改变调整输出信号，从而实现对预定速度和位移的跟踪。其二是借助强化学习算法，将列车目标速度和位移作为状态空间，以列车的牵引力和制动力建立动作空间用以满足强化学习中的马尔科夫决策模型，其次建立列车的运行指标奖励函数用以引导强化学习的方向，不断提高控制精度和运行性能指标等运行品质。

3.1.2 目标运行曲线的优化和改进

列车目标曲线的优化主要取决于列车的运行工况。目前，列车的运行工况主要有牵引、惰性和制动三种工况，目标速度曲线的生成是这三种不同工况的混合组成。最常见的目标曲线生成策略有最小时分策略、最节能操纵策略和混合操纵策略，最小时分策略指在运行区间，在保证安全的前提下尽可能的缩短运行时间，但这会牺牲乘客的乘坐舒适度并增加相应的控制能耗；最节能操纵策略主要是利用线路上的坡度等地理信息结合当前的速度，最大可能利用列车的惯性来实现列车的最节能化运行，但这会降低线路的运行能力；混合策略就是兼顾多目标的一种控制策略，其最大的改进就是在工况转换点处合理选择时机进行工况切换，从而满足多目标运行的需求。因此，针对当前铁路运行的现状，混合控制策略是一种较为智能化的目标曲线生成方法，但为了让其适应日益复杂的运输情况和线路状态，需要对其控制细节进行优化。一是通过建立运行指标权重函数对舒适度、节能性、准点性和停车精度赋予相应的权重比例，依据早晚高峰情况、不同线路人流情况和节假日情况进行有针对性调整各个指标的权重系数从而生成更加高效的目标速度曲线，二是利用粒子群算法和遗传算法等寻优算法结合司机驾驶经验和线路限速要求对工况转换点进行局部速度寻优，生成匹配权重函数的最优转换点速度，进而生成目标速度曲线。

3.2 硬件层面的改进优化

3.2.1 硬件设备的维护与优化

算法改进可以提高设备的智慧化和自动化程度，但是这离不开硬件层面车载和地面设备的支持，“7.23”甬温线重大交通事故就是由列控设备可靠性不高导致环境耐受性低导致的重大行车事故，因此为了提高行车安全性和保障列控系统正常运行，一是必须完善维护保养制度，对重点区域特殊环境下的区间设备进行及时重点检修，严格管理设备故障登记与核销。确保相关线路接口的正常。二是在通信传输设备方面，保证铁路专用线的带宽和信号稳定度，在必要区域增加信号干扰器，并选取更加可靠的传输总线等设备、采取冗余设备保障信息的接收和发送。

3.2.2 人员素质的提高

列车控制系统性能的发挥还离不开铁路电务、工务人员的管理、运行和操作，2024年西安地铁10号线在联调联试中发生追尾碰撞事故，调查结果表明这是一起典型的人为事故原因是由于操作人员没有开启列车防护系统和严格履行相应的操作手册而造成的，因此，相关从业者的专业水平和素质至关重要，这不仅关乎设备的正常使用，更关乎铁路运行的安全。针对此，必须加强从业者的培训学习，设立严格的考试和考核制度，做到持证上岗，切实提高人员的专业性，并且建立严格的追责制度，责任落实到人，用制度和法律约束从业者行为，坚决扛起为铁路运行的安全底线，保证发挥列车控制系统的功能作用。

4 结语

列车控制系统作为保障列车行车安全，提高铁路运输效率和经济性的重要设备，正承载着更多的期望和发挥着越来越重要的作用。研究表明，列车控制系统的优化和改进是一项系统工程，需要研发、运行、维护等多方人员的齐心协力，更需要从设施设备到软件算法的全方位提升。本文在分析列车控制系统的基础上结合工程和技术应用现状，从软件层面和硬件层面对提高列车控制系统提出了切实可行的优化策略。期望未来，在科技和人才的双重助推下，轨道交通将给人们带来更安全、绿色，便捷的出行体验，更好的助力交通强国的建设。

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