列車自動駕駛（ATO）季節(jié)性調(diào)節(jié)方案探討

張 帆

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

1 問題來源

目前一般地鐵線路列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）采用固定的控車策略。隨著列車制動系統(tǒng)性能的變化，自動駕駛停車精度會有一定范圍的浮動，對于有些地鐵線路，停車精度會隨著季節(jié)變化而出現(xiàn)周期性變化，比如夏季多出現(xiàn)過標、冬季多出現(xiàn)欠標。此時列車會超出地鐵站臺的停車窗口，列車自動駕駛的停車位置會超出站臺門的范圍，導(dǎo)致無法打開列車車門與站臺門。

究其原因，是列車響應(yīng)的制動性能（以測出的加速度表示）出現(xiàn)了偏差。如圖1 所示，可以看出在夏季，列車的制動性能可能會隨著氣溫的升高，在曲線后段（多為氣制動介入后、電制動-氣制動轉(zhuǎn)換過程中）列車實際的減速度會變小、偏離ATO模型中的期望加速度a0（圖1 中虛線）。在冬季，由于氣溫變低，列車的制動性能可能存在一定程度的增大，在曲線后段（氣制動介入后、電制動-氣制動轉(zhuǎn)換過程中）列車實際的減速度會變大、偏離ATO 模型中的期望加速度a0（圖1 中虛線）。

圖1 夏季、冬季列車停車加速度跟隨曲線示意Fig.1 Schematic diagram of train stop acceleration following curve in summer and winter

2 解決方案探討

依據(jù)ATO 控車原理，針對此問題筆者認為可采用下面方法執(zhí)行。

由于ATO 停車精度季節(jié)性變化的根本原因為列車氣制動性能的不穩(wěn)定性和周期性變化，車輛方可以將制動性能優(yōu)化，提高穩(wěn)定性，ATO 停車精度會有較好表現(xiàn)。

一旦車輛無法繼續(xù)優(yōu)化制動性能，需要ATO 做補償性優(yōu)化。此優(yōu)化基于ATO 自動判斷，進而改變ATO 對列車制動系統(tǒng)的控制策略，最終實現(xiàn)ATO 在站臺精確停車。優(yōu)化流程主要分為兩個步驟：

對切換ATO 控制策略時機的判斷；

確定控制策略中包含的內(nèi)容（策略組）。

2.1 切換ATO控制策略的時機

ATO 停車精度的變化可以有多種表現(xiàn)形式。如不同運營時段、不同季節(jié)，甚至帶有一定隨機性的變化?？蓪⒏鞣N外部因素當(dāng)作觸發(fā)條件，匹配出不同的ATO 策略。筆者遇到較多因季節(jié)變化而造成的ATO 停車精度變化，所以暫以此為主因素輸入進行ATO 相應(yīng)的優(yōu)化方法的闡述。

如圖2 所示，先以地鐵列車制動性能變化最明顯、表現(xiàn)最為極端的夏季與冬季制定基礎(chǔ)性的策略組分區(qū)，選取一個合適的時間點在兩種策略組之間制定切換時機，即切分點1。

圖2 按夏季、冬季、過渡策略切分示意Fig.2 Schematic diagram of segmentation by summer, winter and transition strategies

由于夏季與冬季的ATO 調(diào)節(jié)策略可能存在較大的差距，如果以單一固定點切換點作切分，在切分點前后停車精度會有一個較大幅度的整體偏移。為避免過于機械僵化的切換，可在夏季與冬季策略之前添加若干個不同的切分點，如圖2 所示，這樣就可以按照實際需要增加策略組切換的平滑度，使ATO 自動補償調(diào)節(jié)向無感化靠攏。

2.2 切換ATO控制策略的時機

針對策略中具體調(diào)節(jié)內(nèi)容項的選擇，從ATO控車邏輯與實際應(yīng)用出發(fā)，選取以下3 種主因素。

1）ATO 模型中的預(yù)期減速度

如表1 所示，列車氣制動一般以制動缸壓力為衡量標準，故每次對ATO 系統(tǒng)發(fā)出的制動指令信號響應(yīng)的偏離值是以壓力絕對數(shù)值大小為標準，如±20 kPa。而ATO 停車精度的效果實際是與偏差的百分比相關(guān)。所以相同的制動性能偏差對不同大小的基礎(chǔ)制動缸壓力而言，造成的制動百分比效果是不同的，如圖3 所示。

表1 車輛制動系統(tǒng)對不同級位響應(yīng)減速度偏差Tab.1 Deceleration deviation of train braking response to different levels

圖3 停車減速度-響應(yīng)偏差關(guān)聯(lián)示意Fig.3 Schematic diagram of train stop deceleration-response deviation correlation

根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，當(dāng)上述偏差在10% 以內(nèi)時，ATO 使用預(yù)先設(shè)置的停車減速度并稍加修正命令級位，就有很高概率將列車控制在理想的停車范圍內(nèi)（如ATO 實際停車位置在停車窗30 cm 以內(nèi)）；

當(dāng)上述偏差在10%～20%時，ATO 對停車精度有一定的調(diào)節(jié)能力，可利用在ATO 停車策略中精調(diào)過的滑?？刂?、比例積分控制對列車的加速度進行閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)計算，并輸出給車輛相應(yīng)的制動指令與級位，進而可以較為穩(wěn)妥地將列車停進最大停車窗（如標準停車窗±50 cm 以內(nèi)）。

當(dāng)上述偏差大于20%時，預(yù)先設(shè)置的單一ATO 控制策略對列車車速、減速度的控制力下降，易出現(xiàn)在站臺停車過、欠標的情況。

因此，在條件允許的前提下，可以適當(dāng)將ATO停車模型中的減速度調(diào)高，給車輛響應(yīng)偏差留更大的寬容度。

2）制動級位與制動效果（如列車減速度）映射關(guān)系

這個映射關(guān)系會發(fā)生改變，特別是列車氣制動啟用時。如圖4 所示，ATO 發(fā)出恒定的減速度申請（恒定制動級位），列車實際響應(yīng)的減速度在低速電制動-空氣制動轉(zhuǎn)換過程中，會出現(xiàn)更大的偏移。列車響應(yīng)減速度曲線在夏季會向變小的方向偏移，在冬季會向變大的方向偏移。

圖4 加速度-制動級位映射示意1Fig.4 Acceleration-brake level mapping (1)

圖5 加速度-制動級位映射示意2Fig.5 Acceleration-brake level mapping (2)

因此在車輛制動性能周期性變化范圍過大時，只用一條停車減速度-制動級位理想曲線不能完全調(diào)和夏季與冬季的需求，結(jié)果是ATO 停車精度也出現(xiàn)偏移。

為了消除偏移造成的影響，可以調(diào)整級位與制動減速度的映射關(guān)系。

同樣以夏季、冬季為例，可選用如5 圖所示中兩種不同的停車度速度-制動級位對應(yīng)關(guān)系。在夏季曲線中，相比ATO 模型計算出的理論曲線，為了獲得同等的減速度，ATO 系統(tǒng)將給車輛TCMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相對更大的級位，對列車施加相對更大的制動力，減少因制動力衰減而造成停車過標的情況；冬季曲線則相反，相比ATO 模型計算出的理論曲線，獲取同樣的減速度對應(yīng)更小的級位，即ATO系統(tǒng)給車輛TCMS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相對更小的級位，使列車施加相對更小的制動力，抵消制動力過大的效果影響，減少停車欠標的情況。

此種方法可在夏季時進行制動力的正向補償，改善制動力的衰減狀況；在冬季時進行級位的負向補償，改善制動力的過度施加狀況。

3）ATO 模型中停車位置的微調(diào)

對于已經(jīng)執(zhí)行了較好停車策略優(yōu)化的控車策略，ATO 停車效果上已趨近于某一精度，而此精度與停車“零點”未完全重合，如圖6 所示。

圖6 實際停車精度與ATO模型精度偏差示意Fig.6 Schematic diagram of deviation between actual stop accuracy and ATO model accuracy

由于距離停車“零點”十分接近，已不宜再對停車策略作大幅度調(diào)整。此時可以采用將模型中虛擬停車位置向真實停車位置“貼合”，如圖7 所示，將夏季ATO 模型停車曲線向坐標正方向調(diào)節(jié)；將冬季ATO 模型停車曲線向坐標負方向調(diào)節(jié)，以接近停車“零點”。

圖7 冬、夏季向兩個方向微調(diào)的示意Fig.7 Schematic diagram of fine adjustment in two directions in winter and summer

3 結(jié)束語

本文結(jié)合某些地鐵線路中ATO 停車精度季節(jié)性變化的實際情況，闡述了一種用于補償?shù)罔F列車制動系統(tǒng)響應(yīng)偏差的方法?？傮w來說此種方法有著兩個著重點。

第一點為適用場景：此種方法主要適用具有一定規(guī)律的ATO 停車精度變化的場景，較為常見的場景為季節(jié)性變化；同樣也可作其他場景的適配，適合更多其他可細分的條件、邏輯，或以強制性的外部輸入為條件來作為觸發(fā)條件。

第二點為策略組所包含子策略的選擇：本文主要探討了3 種在實踐中較為常見的調(diào)節(jié)方向，而且這3 個子策略所包含組合在調(diào)節(jié)的次序上有一定的層次與互補性，也具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴?/p>