（交通信息工程及控制专业论文）列车自动驾驶算法研究及仿真实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 列车运行控制系统作为高速铁路建设的一项关键技术，对铁路事业的进一 步发展有着举足轻重的作用。目前的列车运行控制系统主要用于保证列车行车 间隔，实现超速防护，以保障列车运行安全。但是，随着列车提速，节能减排 以及列车精确定点停车等问题的日益突出，目前已有的列车运行控制系统己不 能完全满足需求。因此，新的列车运行控制系统需要不仅能保障运行安全，还 要能更加智能化地控制列车。在此背景下，各界学者纷纷开始研究列车自动驾 驶技术来代替已有的人工驾驶方式，以改善驾驶策略并提高列车在节能性、舒 适性、停车精准性等方面的性能。本文结合铁路干线的特点，借鉴列车自动驾 驶技术在城市轨道交通上的应用，提出自动驾驶算法在高速铁路干线上的应用， 并且针对该算法进行了仿真研究。 在该论文的主要研究内容中，首先分析了列车自动驾驶技术的现状。然后， 针对高速铁路干线的特点，对列车自动驾驶技术进行功能需求分析，并根据需 求，分析在已有的列车运行控制系统中添加列车自动驾驶子系统的具体方案。 接下来，设计具体的列车自动驾驶算法。其内容包括定义算法中的性能指标， 总结列车驾驶策略；并通过模糊控制将驾驶策略转换为模糊控制规则，通过模 糊隶属函数为各性能指标建立模型；再通过层次分析法解决性能指标之间的冲 突问题：最后综合建立列车自动驾驶控制规则集，根据该规则，可以实时计算 出最佳控制力，给出最佳控制方案。之后，该研究中设计并实现了基于c t c s 3 级列车运行控制系统的列车自动驾驶仿真程序，其采用c r h l 、c r h 2 、c r h 3 、 c r h 5 型动车组基本数据，以及合宁线部分线路数据，通过面向对象程序语言进 行了仿真试验。通过仿真测试和分析，比较了人工驾驶模式和自动驾驶模式在 列车运行性能方面的差异，证明了该自动驾驶算法的正确性和优越性。 关键词：列车自动驾驶：性能指标；模糊控制；层次分析法；仿真系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t a sak e yt e c h n o l o g y , t h et r a i nc o n t r o ls y s t e mp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h er a i l w a y c o n s t r u c t i o n t h ee x s i t i n gt r a i nc o n t r o ls y s t e mi so n l yd e s i g n e dt oc o n t r o lt h e s p e e d i n gt r a i n sa n de n s u r e t h es a f e t y 。h o w e v e r ，t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h - s p e e d r a i l w a yi sa d v a n c i n ga ta na m a z i n gp a c ea n dt h e r ei sg r o w i n gp r e s s u r eo ne n e r g y s a v i n ga n ds t o pa c c u r a c y t h ee x s i t i n gc o n t r o ls y s t e mw i l ln o tm e e tt h ed e m a n d so f t h er a i l w a y d e v e l o p m e n t t h u s ，t h en e wo p t i m a lt r a i nc o n t r o ls y s t e ms h o u l dn o to n l y e n s u r et h es a f e t y , b u ta l s oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yi n t e l l i g e n t l y i nt h i ss i t u a t i o n ，t h e r e a r eag r e a td e a lo fr e s e a r c ha b o u tt h ea u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ( a t o ) ，w h i c hc a n r e p la c eh u m a n o p e r a t o r s a n d i m p r o v e t h e d r i v i n gs t r a t e g y ,e n e r g y c o n s e r v a t i o n ，c o m f o r tl e v e l ，t h eg a po fs t o pa c c u r a c ya n do t h e ra s p e c t s i nt h i s r e s e a r c h ，i tl e a r n e dt h ea t os y s t e mf r o mt h eu r b a nm a s st r a n s p o r t a t i o n ，t h e ni t w o r k e do u tan e wa t o a l g o r i t h mt ot r a i nm a i n l i n e sa n dm a d eas i m u l a t i o ns y s t e mt o v e r i f yi t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l yi tr e s e a r c h e dt h eb a c k g r o u n do f a t o n e x t ，a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r eo ft r a i nm a i n l i n e s ；i ta n a l y z e dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，a n dm a d ea p r o p o s a lt oa d dt h ea t os u b s y s t e mi n t ot h ee x s i t i n gt r a i nc o n t r o ls y s t e m a f t e rt h a t ， i tw o r k e do u tt h ea t oa l g o r i t h m ，w h i c hi n c l u d e st h ei d e n t i f i c a t i o no fp e r f o r m a n c e i n d i c e s ，t h es u m m a r i z a t i o no fd r i v i n gs t r a t e g i e s ，t h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o l r u l e s ，t h ef u z z ys e to fp e r f o r m a n c ei n d i c e s ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fa n a l y t i ch i e r a c h y p r o c e s st os o l v et h ec o n f l i c t sa m o n gt h ep e r f o r m a n c ei n d i c e s t h e n ，i tm a d eas e to f a t oc o n t r o lr u l e s 。w i t ht h er u l e s ，i tc o u l dm a k et h ed e c i s i o no ft h eb e s tc o n t r o l c o m m a n d t h en e x t s t e p i st o d e s i g n t h ea t os i m u l a t i o n s y s t e m i nt h e o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ；w h i c hi sb a s e do nt h ec h i n e s et r a i nc o n t r o l s y s t e ml e v e l3a n dt h ed a t ao fc r h s e r i e st r a i n sa n dt h ed a t ao fh e f e i - n a n j i n gh i g h s p e e dl i n e a tl a s t ，i tc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nf u n c t i o no fm a n u a ld r i v i n ga n d a u t o m a t i cd r i v i n g ，a n dt h e ni tv e r i f i e dt h a tt h ea t oa l g o r i t h mi sm o r ee f f i c i e n ti n i m p r o v i n gt h ed r i v i n gi n d i c e s k e y w o r d s ：a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ；p e r f o r m a n c ei n d i c e s ；f u z z yc o n t r o l ； a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ；s i m u l a t i o ns y s t e m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密么使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：纯晚硝晷指导老师签名： 日期：o o l o 护i o 日 、 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 一提出列车自动驾驶技术在高速铁路干线上的应用，并从列车运行控制 系统结构上，给出了相应的方案。 二通过模糊控制和层次分析法，提出了比较合理的列车自动驾驶算法。 通过该算法，可以实时计算出最优控制力，给出最优驾驶方案。 三通过v c + + 6 0 及a c c e s s 数据库，应用列车自动驾驶算法，设计了相 应的仿真系统，并进行了功能性测试和分析。通过比较自动驾驶模式 和人工驾驶模式的驾驶效果，证明该自动驾驶算法的正确性和优越 性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：滗髓乙硝罟 日期：j o l 。6 i o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 目前，中国铁路建设处于规模最大、标准最高、发展最快的时期。随着社 会快速发展，要求铁路提供充足的运输能力，以满足巨大的运输需求。根据中 长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) ，至2 0 2 0 年，全国铁路营业里程规划目标为 1 2 万公里以上，其中客运专线为1 6 万公里以上。为满足快速增长的旅客运输 需求，国家开始建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横” 等客运专线以及经济发达和人口稠密地区城际客运系统。 列车运行控制系统( 以下简称为“列控系统”) 是高速铁路建设的关键技术， 是铁路信号技术与信息技术的相互融合。目前我国研制的c t c s 2 级列控系统已 经应用在2 0 0 - - 2 5 0 k m h 客运专线和1 6 0 k m h 提速线路上；c t c s 3 d ( e t c s l + c t c s 2 ) 系统应用在京津城际线路上；c t c s 3 级列控系统应用在 3 0 0 k m h - - 3 5 0 k m h 客运专线上。现有的列控系统的主要作用在于保障行车安全， 其利用地面提供的线路信息、前车( 目标) 距离和进路状态，列控车载设备通 过列车超速防护子系统( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ，a t p ) 自动生成列车超速防 护曲线，并实时与列车运行速度进行比较，超速后及时进行控制。但是，随着 铁路建设的逐步发展，已有的列控系统开始暴露出不足之处：第一，司机的驾 驶操作不受过多约束。现有的a t p 防护仅针对于超高车速的防护，对超低车速 没有任何控制，这就意味着只要列车车速低于最高允许速度，司机可以以任意 速度进行驾驶，其在保证列车准点、列车乘坐舒适性、停车精准性等方面没有 任何约束，其驾驶效果仅依赖于司机的驾驶经验和驾驶水平。第二，针对节能 与环境保护的问题，目前的列控系统基本没有列车节能的方案和措施。针对这 两点问题，可见随着高速铁路的发展，还需要更加智能化的列控系统，以优化 列车运行，提高运行效率，提高能源利用效率。 因此，在此背景下，众多学者开始研究列车自动驾驶子系统( a u t o m a t i ct r a i n o p e r a t i o n ，a t o ) ，该系统能代替司机驾驶列车，利用车载信息和地面信息实现 对列车牵引、制动、惰行和巡航的自动控制，列车可以自动加速到最佳行驶速 度，自动调整车速，自动停车到正确位置。但是，目前已研制成功的a t o 系统 主要应用在城市轨道交通，比如地铁、轻轨等，成为城市轨道列车自动运行控 制系统( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l ，a t c ) 中的一部分。a t o 在铁路干线上的应用还 处于探讨阶段，尚未有研发成熟的a t o 子系统应用在大铁列控系统上。大铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 干线和城市轨道相比，其运输方式和线路条件等多方面差异显著，应用在城市 轨道上的a t o 技术不能直接应用在大铁路上。 因此，研究列车a t o 算法并研发适用于高速铁路及客运专线的列车自动驾 驶子系统，对于提高列车的运行性能，具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 在a t o 算法的发展过程中，相继出现了四类控制算法【2 】： ( 1 ) 经典控制算法。这种方法的典型应用为p i d 控制。其以列车牵引制动特 性公式为基础，加装固定不变的牵引、惰行、巡航、制动控制模式来实现列车 运行的。p i d 控制是一种线形调节器，它将设定值与输出值的偏差按比例、积分 和微分进行控制。这种控制方法是一种按照事先设定好的距离一速度行车曲线进 行速度控制。这种方法的缺点是控制速度时档位切换次数过多，不利于平稳运 行，舒适性差且停车精准性差。 其典型应用例如1 9 6 8 年，英国伦敦的维多利亚地铁线采用p i d 控制方法， 成为第一条盈利性投入运营的线路。以及19 6 9 年，美国费城的林登沃尔德线 ( l i n d e n w o l dh i g hs p e e dl i n e ) 也采用了p i d 控制方法。 ( 2 ) 参数自适应控制算法。这种方法采取自适应的参数调整策略来减小这些 参数变化对算法的影响。其核心算法与经典控制算法相同。从某种意义上讲， 它是第一种方法的改进。 其典型应用例如法国马特拉公司( m a t r at r a n s p o r t ，已被德国西门子购并) 研发的v a l 、m a g g a l y 、m e t e o r 等全自动运输系统，将改进的p i d 算法应 用在巴黎、里尔、图卢兹、里昂、芝加哥、台北木栅线等地铁线中。 ( 3 ) 智能控制算法。这种方法能有效地获取、传递、处理、再生和利用信息， 从而在任意给定的环境下能成功地达到预定目的。其核心是一种思维活动，是 一种无需( 或仅需尽可能少的) 人的干预就能够独立地驱动智能机器实现其目 标的自动控制。其主要包括模糊控制、遗传算法、专家系统和神经网络控制等 等。 1 9 8 7 年，日本日立公司采用预测模糊控制方法，开创了列车自动驾驶模糊 控制的先例，该系统在日本仙台地铁投入运行。2 0 0 8 年，西南交通大学将最大 值原理和模糊控制应用到地铁的运行控制中，设计了一种高性能的控制算法， 其首先在不考虑舒适性的情况下，实现了以节能为目标的模式曲线生成算法； 然后讨论了舒适性约束对控制算法的影响；最后通过模糊控制实现舒适性的要 求。该算法已经应用在地铁列车运行仿真中【3 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 19 9 7 年，新加坡学者c s c h a n g 开始把遗传算法用于列车自动驾驶仿真中， 根据各种情况，把出发前便产生惰行的最合适点，以实现能耗最低【4 】。 2 0 0 0 年，兰州铁道学院针对列车专家控制系统的知识不确定特点，提出了 一种采用框架式专家系统知识表示方法与模糊p e t r i 网推理相结合的知识表示及 获取方法。该方法对列车运行系统具有较强的表示及处理能力【5 】。 19 9 5 年，中科院自动化所把一种新型的联想记忆神经网络应用于列车的自 动停车，为了提高控制系统对于过程模型参数变化的鲁棒性和制动停车精度， 该技术以滚动优化的方式实现了基于联想记忆神经网络的长程预测控制【2 】。 除此以外，还有基于事件的控制技术的应用。例如，2 0 0 8 年，山东大学控 制科学与工程学院将该技术应用到地铁列车的控制中，其以最小运行时间为最 终目标，求出列车速度、加速度关于列车运行距离的函数表达式，从而可以根 据列车走行距离来实时调整和规划地铁的运行规律【6 】。 综上所述，智能控制算法在驾驶效果上有很大的改进，但是上述算法各有 其缺点。例如模糊控制中语言变量的划分和隶属函数的形状很大程度上取决与 专家经验，很难在线调整：专家系统的知识获取主要依靠人工移植，只能在相 当窄的专业知识领域内求解专门性的问题，推理能力较弱；神经网络系统不能 解释自己的推理过程，网络收敛速度有待提高，并且有可能陷入局部最优【2 】；基 于事件的控制技术要受到学习样本的影响【6 】。因此考虑到各算法之间可以取长补 短，于是开始有学者提出如下第四种控制算法，将各智能算法集合成一体。 ( 4 ) 集成智能控制算法。由于上述各智能控制算法有不同的特点，而且有 各种算法优势互补的可能。因此，可以根据不同情况，结合各种智能控制算法， 构成集成智能控制算法，这应是a t o 算法的一个发展方向。 其具体应用例如1 9 9 5 年，日本把两级独立的模糊神经网络控制系统“t w o d e g r e eo ff r e e d o mf u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ”应用在a t o 系统中，该 方法可以优化模糊控制规则，并且可以在线调整规则【2 】。1 9 9 9 年，新加坡学者 c s c h a n g 提出采用d e ( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ) 算法，并用它调整模糊隶属函数以 优化列车控制【7 】。l9 9 6 年，中国铁道科学研究院提出采用新型模糊预测控制 ( n f p c ) 算法的新型a t o 方案并进行仿真研究，其仿真结果初步表明了n f p c 算法的有效性。n f p c 实质上是模糊决策和预测控制方法的有机结合，其中采用 模糊逻辑来实现被控过程对象的逆动态特性，并在控制算法设计中引入了预测 思想【8 l 。同一年，中国铁道科学研究院基于模糊控制方法提出了一种新的列车自 动驾驶控制算法直接模糊神经控制。其建立列车运行五个子过程的近似工程 数学模型，对所提的模糊神经控制其的结构、训练样本编码方法、学习算法和 推理准则作了详细的描述，并且对列车在一段特定的线路上作了仿真研究，表 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 明了该方法的有效性9 1 。2 0 0 9 年，中国铁路通信信号集团公司研发的“城市轨 道交通列车自动驾驶系统( a t o ) ”项目在长春通过了专家组的技术审查。其采用 模糊控制、档位平滑滤波、自适应环线识别、分阶段逐步逼近式停车控制等技 术，具备实际工程运用的条件【10 1 。 上述这些a t o 算法主要应用在城市轨道交通，目前还没有a t o 技术应用在 大铁路干线。 1 3 论文研究目标及主要研究内容 1 3 1 研究目标 针对高速铁路干线，综合考虑舒适、节能、精准停车等指标，提出了一种 列车自动驾驶算法，并设计了一个仿真软件。该软件用以验证该列车自动驾驶 算法的正确性。 1 3 2 主要研究内容 第一章绪论。首先介绍了当前a t o 技术的研究背景及意义，概述了a t o 技术的主要分类以及国内外的主要应用案例。 第二章介绍a t o 自动驾驶技术的原理及其功能，比较a t o 技术应用在城 市轨道交通与大铁路干线上的区别，提出a t o 应用在大铁路列控系统的方案， 设计a t o 子系统的内部结构。 第三章介绍a t o 算法。算法的主要内容包括性能指标的定义、驾驶策略的 分析、模糊控制的介绍及应用、性能指标隶属函数的建立、层次分析法的应用， a t o 控制规则集的建立。 第四章介绍a t o 仿真子系统的总体设计及实现。包括对其结构和功能的设 计及实现。 第五章对a t o 仿真子系统进行测试和分析。比较了人工驾驶模式和自动驾 驶模式，以验证该a t o 算法的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章列车自动驾驶系统的介绍与分析 本章主要介绍基于城市轨道交通系统的a t o 技术，然后分析该技术应用在 城市轨道与高速铁路干线上的区别，并分析a t o 技术应用在高速铁路干线上的 需求。根据需求，分析在已有的列控系统上增加a t o 子系统的具体方案。最后 分析a t o 子系统的内部结构。 2 1 列车自动驾驶技术简介 a t o 是城轨列车自动运行控制系统a t c 的一个子系统。a t c 的主要作用是 确保行车安全，提高效率，调节列车运行间隔。a t c 系统主要包括三个子系统： 列车自动监控系统( a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ，a t s ) ，列车超速防护子系统 ( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ，a t p ) ，列车自动驾驶子系统a t o 。 其中，a t s 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。a t p 子系统可以根据地面信息计算出列车运行的允 许安全速度，保证行车间隔，实现超速防护。a t o 子系统能替代司机智能化地 驾驶列车。其利用车载信息和地面信息实现对列车牵引、制动、惰行等控制， 使列车自动加速到最佳行驶速度，自动调整车速，自动停车到正确位置。a t o 可以使列车经常处于最佳运行状态，提高列车运行水平。a t o 的功能需要依靠 a t c 各个子系统协调工作完成【2 】。 如图2 1 所示的四条速度距离曲线中，曲线l 表示列车的紧急制动曲线。当 列车速度超过曲线1 时，列车触发紧急制动，直至列车停车前该操作不能进行 缓解。这是一种非正常运行状态，应该尽量避免。曲线2 表示列车的最大常用 制动曲线，当列车速度超过曲线2 时，列车触发最大常用制动，直到列车速度 降至一定速度时，该制动可以进行缓解。曲线3 表示列车最大允许速度曲线， 当列车速度超过曲线3 时，列车发出超速警示信息。这三条曲线均由a t p 实时 计算并进行监督。曲线4 表示a t o 系统给出的最优运行曲线，该曲线表示最优 驾驶方案下的列车速度距离曲线。 i 蟹煮制动曲线 停车点 图2 1a t p 与a t o 系统速度曲线图 曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从这几条停车制动曲线可以明显地看出：a t p 系统主要负责“超速防护”， 起保证安全的作用；a t o 系统主要负责正常情况下列车高质量的运行。只有在 a t p 的基础上才能实现a t o ，这样列车安全才有保证。a t p 是a t o 的基础，a t o 是a t p 的发展和技术延伸【1 1 1 。 目前城市轨道交通控制系统主要基于三种模式：一种是基于无线通信c b t c 的系统，一种是基于交叉环线的系统，另一种是基于传统轨道电路的系统。但 是总体说来，城市轨道交通系统a t o 的控制原理如图2 - 2 所示： 击击击麦高r f ；垂耄蚕 i iili i il je i j 车t 0 上 m 蕃譬善鲁 定位信息寺一 j 地面 厂 ! !i - l 远程终端单元 j 图2 2 城市轨道交通a t o 系统工作原理图 a t o 系统执行的自动驾驶过程是一个闭环反馈控制过程。a t p 接收测速测距单 元发送的速度信息和位置信息、a t s 发送的运行任务信息，以及定位系统发送 的定位信息等。a t p 将处理过后的信息传送给a t o ，包括a t p 超速防护信息、 定位信息、及列车速度位置信息等。a t o 根据这些有用信息，给出最佳控制力， 自动控制列车牵引、制动、惰行及滑行，从而实现列车自动驾驶。同时a t o 通 过列车自动识别系统( p o s i t i v et r a i ni d e n t i f i c a t i o n ，p t i ) 的天线向地面发送列 车信息，并传送到a t s ，以便识别列车的位置。a t s 再根据此列车信息确定列 车的新任务命令。而关于列车定点停车的技术，目前主要有两种方法：一种是 采用对齐天线，另一种就是采用定位应答器的方法，两种方法均用来校正列车 位置。 在地铁系统中，a t o 系统的功能分为基本控制功能和服务功能。基本控制 功能是自动驾驶、自动折返、车门打开。这三个控制功能相互之间独立地运行。 服务功能包括：列车位置、允许速度、惰行巡航、p t l 支持功能等【l 。 自动驾驶功能包括自动调整列车运行速度、停车点的目标制动、从车站 自动发车、区间内临时停车、自动考虑临时限速等。 自动折返是一种特殊情况下的驾驶情况，这种驾驶模式下无需司机控 制，而且列车上的全部控制台将被锁闭。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 自动车门打开是指由a t p 系统监督开门条件，当a t p 系统给出开门命 令时，可以按事前的设定由a t o 系统自动地打开车门，也可由司机手 动打开正确一侧的车门。车门的关闭只能由司机完成。 列车位置功能是指a t o 从a t p 功能中接收到当前列车的位置和速度等 详细信息，并且根据上一次计算后所运行的距离来调整列车的实际位 置。此调整也考虑到在a t p 功能计算列车位置时传送和接收的延迟时 间，以及打滑和滑行。 允许速度功能是指为a t o 速度控制器提供列车在轨道任意点的对应速 度值。这个速度没有被优化，只是低于当期速度限制和制动曲线给的限 制。在地铁中，允许速度功能主要是为了能源优化。 惰行巡航功能是指按照时刻表自动实现列车区间运行的惰行控制，节省 能源。 p t i 功能是指从多种渠道收集列车数据，在特定的位置将这些数据传送 a t s ，向a t s 报告列车的识别信息、目的号码和乘务组号，以及列车位 置数据，以优化列车运行。 另外，在地铁系统中，当列车满足a t o 条件时，列车将转为列车自动驾驶 模式。其a t o 模式条件主要有五项：第一，a t p 处于监督人工驾驶模式 ( s u p e r v i s i o nm o d e ，s m ) ；第二，列车已过了车站停车时间；第三，联锁已经排 了进路；第四，车门已关闭；第五，驾驶手柄处于零位。若其中任意一项前提 条件不能满足，启动a t o 模式将失效，a t p 会自动关闭a t o 至牵引及制动的控 制信号。 2 2 大铁路干线a t o 的需求分析 前面提到城轨中的a t o 技术，不能直接应用到大铁路干线上( 主要指高速 铁路干线) 。主要原因如下： 运行速度不同。在高速铁路和客运专线上，列车运行速度大于2 0 0 k m h ， 而地铁运行时速一般不超过1 0 0 k m h 。因此a t o 系统的速度控制算法将 有所区别。 设备环境不同。大铁路干线与地铁中的硬件设备有所不同。 运营环境不同。大铁路干线情况更加复杂，存在不同车型、不同控制等 级等情况。而地铁情况相对单一稳定。 列控系统不同。例如，已有的大铁路列控系统中均没有a t o 子系统。 并且，大铁路的列控系统中的调度集中系统( c e n t r a l i z e dt r a i nc o n t r o l ， c t c ) 与地铁中的a t s 系统相比，功能不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 h i 鼍曼曼鼍曼曼! 曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼皇曼皇曼曼量罾曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼量曼曼曼曼曼! 曼璺 鉴于大铁路干线的特殊性，本文所提出的用于大铁路干线的a t o 子系统主 要功能为： 速度自动控制。a t o 子系统在a t p 子系统的安全保护下，根据运行计 划，能够完成对列车的牵引、巡航、惰行和制动的自动控制，实现列车 的自动驾驶，并同时满足乘坐舒适性、节能性、准时性等指标。 定点停车。a t o 子系统在在自动驾驶模式下，根据地面定位信息，可以 实现精准停车，停车精度小于等于士o 3 m 。 目前在大铁干线的a t o 系统中，暂时不考虑自动折返和车门控制功能。 2 3 具有a t o 子系统的列控系统结构及其原理 本设计主要考虑基于c t c s 3 级的列控系统，并且在已有的c t c s 3 级运行条 件下，另外添加部分功能模块，满足a t o 驾驶模式。 在c t c s 3 级条件下，无线闭塞中心( r a d i ob l o c kc e n t e r ，r b c ) 设备集中设 置。r b c 与车载进行实时双向通信，车载设备通过r b c 获得行车许可( m o v e m e n t a u t h o r i t y , m a ) 等信息，r b c 通过车载设备获得列车速度位置等信息。 而在c t c s 2 级条件下，车载与应答器之间难以做到实时通信。并且，无源 应答器只能给车载发送固定的线路信息等，只有当车载经过有源应答器时，才 能接受可变信息，例如临时限速信息等。 因此，相对于c t c s 2 级，c t c s 3 级将更适合a t o 系统的开发。 c t c s 一3 级系统结构如图2 3 所示，车载设备包括以下单元模块：安全计算 机、轨道电路信息接收单元、应答器传输模块及应答器天线、无线传输模块、 人机界面、列车接口单元、测速测距单元、司机记录器【i 2 i 。 图2 3c t c s 3 级列控系统构成及接口示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 而地面设备主要有列控中心、无线闭塞中心、联锁、调度集中、临时限速 服务器等。当c t c s 3 级条件不满足时，应答器及轨道电路主要用于支持列车在 c t c s 2 级下的运行。 原有的c t c s 3 级结构只支持人工驾驶模式，司机通过人机界面观察计算的 a t p 曲线，凭经验进行驾驶，安全计算机根据司机的操作，发送相应命令到列 车接口单元，并监控列车运行速度。 因此，若要加入自动驾驶模式，需要对原有的c t c s 3 级系统结构进行调整， 首先，应考虑车载设备中如何加入a t o 子系统。 a t p 是a t o 的基础。a t o 需要a t p 提供基础数据，而在自动驾驶模式下， 列车的控制命令来自a t o ，控制原理如图2 4 所示： 图2 4 满足a t o 条件的闭环控制原理图 其中，r b c 传给a t p 报文信息，列车测速测距单元传给a t p 列车速度和位置信 息。a t p 将这些信息整合后，传递给a t o 。a t o 经过具体计算，向列车牵引、 制动、惰行巡航模块发送控制命令。同时，a t o 将列车信息，通过无线传输模 块返回传递给r b c 。 另外，地面设备中还应增加相应的设备，以支持车载a t o 子系统的工作。 在该研究中，考虑加入地面定位应答器，为车载a t o 子系统提供定位信息。定 位应答器与车载a t o 之间的关系如图2 5 所示： i 制蝴h 彪潞戒h 避渊鞴徽h a t pha i d 【一【j 【一【一1 一 图2 5a t o 接收定位信息原理图 其中，定位应答器通过应答器天线，将定位信息传递给应答器传输模块，应答 器传输模块再将信息传递给a t p ，a t p 将定位信息和其它信息一起整合后，发 送给a t o ，a t o 将整合信息进行拆包，提取定位信息。 定位应答器的具体布置规则，应根据车载a t o 控制的需求而定。该应答器 主要用于为a t o 提供定位信息，a t o 根据该信息可校正列车位置。特别在停车 控制过程中，可以辅助列车精准停车。 由此可见，车载a t o 子系统与安全计算机( 相当于a t p ) 、无线传输模块以 及列车接口单元之间都存在数据交互。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 因此，该论文中提出的新结构图如图2 - 6 所示。新结构图的主要变化如下： 车载设备中增加了列车自动驾驶子系统( 即a t o 子系统) 模块。 地面设备中增加了定位应答器模块。 图2 - 6 具有列车自动驾驶功能的c t c s 3 级列控系统构成及接口示意图 在该c t c s 3 级系统中，车载设备主要通过两种传输方式接收地面信息。一个是 通过g s m r 网络，实时接收从r b c 传递的报文；第二个是通过应答器传输模 块接收定位应答器传递的校正列车位置。这些信息通过安全计算机( 主要指a t p 控制) 进行处理，同时安全计算机还接收从测速测距单元传递的列车实际速度 和位置信息。 安全计算机将其中有用的信息传递给a t o 子系统，a t o 根据这些信息，实 时给出列车最佳控制命令，并将这些控制命令传递给列车接口单元，以实现列 车的自动驾驶。同时，a t o 也通过无线传输模块和g s m r 网络向地面发送列车 信息，传递给r b c ，以便识别列车的位置信息等，该功能类似于城轨a t o 系统 中的p t i 功能。r b c 根据此列车信息确定列车的新任务后，再次通过g s m r 网 络传递给车载。 2 4a t o 子系统结构及其原理 a t o 子系统其内部结构如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 a t o a t o 条 件 判 断 模 块 f 控制模块 预测控制器 自动驾驶l 控制规则i 工 自动驾驶f 控制器fi u 无线 传输 模块 列车 接口 单元 下 i 也c 2 4 1 输入输出模块 图2 7 a t o 子系统结构 在该子系统中，输入主要指通过a t p ，将各种信息进行整合后传递给a t o ， 该信息主要包括列车超速防护曲线、列车限制速度、部分线路信息、定位信息 等等。 输出主要有两部分。一部分是将控车命令发送给列车接口单元，接口单元 根据该命令，控制列车牵引、制动、巡航及惰行，然后列车接口单元再给a t o 进行反馈。另一部分是无线传输模块，a t o 要将列车信息，通过无线传递的方 式，返回给r b c ，r b c 根据车载的实际情况，确定新的任务信息( 比如新的 m a 信息等) ，再发送给车载。 2 4 2a t o 条件判断模块 由a t o 条件判断模块的任务是判断当前情况是否满足a t o 自动驾驶模式。 a t o 自动驾驶模式在以下情况会被激活： a t p 处于f s ( f u l ls u p e r v i s i o n ，完全监控) 模式 已过了车站停车时间 联锁排列了进路 车门关闭 司机驾驶手柄位处于零位 按压自动驾驶开关 司机通过按压自动驾驶按钮开始a t o 模式。假如其中一项前提条件不能满 足，启动就会无效( 封闭启动键) 。a t p 关闭a t o 至牵引、制动的控制信号。由 自动驾驶启动按钮激活a t o 模式以后，列车开始自动加速。若司机取消自动驾 镂工脚鬯雠厂 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 驶模式，则切入人工驾驶模式。 2 4 3 列车自动驾驶控制模块 列车自动驾驶控制模块主要包括预测控制器、自动驾驶控制器及自动驾驶 控制规则。预测控制器主要是预测不同的控车命令对列车状态的影响。自动驾 驶控制器根据控制规则及列车的预测状态，进行逻辑判断，给出最佳控制命令。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 曼皇曼曼曼量舅曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼i i l 一； i i i曼i曼 第3 章列车自动驾驶系统算法设计 a t o 的主要功能是自动调整车速，并能在车站内定点停车，在这个过程中 需要满足准时性、舒适性、节能性、停车精准性等多项指标。该算法研究的主 要思路及步骤如下： 第一步，定义自动驾驶过程中需要满足的各项性能指标，即该a t o 算 法的目标。 第二步，分析驾驶策略，这是列车自动驾驶的依据。 第三步，采用模糊控制。其作用有两点：第一，通过模糊数学和模糊推 理，将驾驶策略转换为模糊控制规则。第二，通过模糊隶属函数，为各 性能指标建立模型。 第四步，应用层次分析法，解决各性能指标之间的冲突问题。 o 第五步，综合上述方法，生成a t o 控制规则集，根据该规则，可以实 时计算出最佳控制力。 3 1a t o 性能指标 a t o 算法可以提高列车运行的水平，其性能指标主要有以下几项： 1 ) 追溯性。追溯性是指列车实际运行速度与最大允许速度的贴近程度。满 足追溯性时，可以消除过低速度和超速情况，提高列车的通过能力和运 行效率，还可以保证行车安全。 2 ) 舒适性。为了提高列车乘坐的舒适性，单位时间内列车加减速的绝对值 不能过大。一般来说，加速度取值标准为0 6 0 8 m s 2 ，减速度取值标准 为0 4 0 5 m s 2 ，单位时间的加减速度变化率不能超过1 5 m s 3 1 3 】。 3 ) 节能性。列车的能耗主要与牵引、制动、滑行及惰行策略相关。由于运 行图给定的列车运行时间总是大于最少运行时间，因此存在各种操作序 列，其相应的列车能耗也不同。可以减少不必要的过度牵引，并且在满 足运行时分的前提下尽可能提高惰行比例，减少列车行驶过程中的制动 时间。 4 ) 停车精度。当车站配有屏蔽门时，停车的精度会直接影响车门和车站屏 蔽门的相对位置。停车精度差时，会影响屏蔽门的正常开启，乘客无法 正常上下车。 5 ) 准时性。在铁路系统中，列车都是按照一定的时刻表运行的。每一辆列 车都有其运行时分，若误点运行，将会打乱整个系统的运行作业。这就 要求a t o 能自动快速地调整运行作业。列车运行时间一般是根据车型、 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 线路条件等因素来计算的，该时间一般小于列车在极限运行速度下的运 行时间。 3 2 驾驶策略分析 基本驾驶策略为： 考虑舒适性：为了提高舒适性，列车加减速度的绝对值不能过大，加减 速度的变化率不能过高，列车控制档位改变的频率不能过高。 考虑节能性：合理地选择惰行控制可以使列车能耗有效降低【l4 1 。 考虑停车精准性：在停车阶段，根据列车与目标点之间的距离变化，选 择合适的制动等级，使列车精准停车。 考虑准时性和追溯性：列车运行速度尽量接近最大允许速度曲线运行。 具体分析列车运行过程中的驾驶策略，可以将列车驾驶过程分阶段进行分 析，如图3 1 所示： 曲线 图3 一l 列车运行阶段 列车运行过程可以分为列车速度控制t s c ( t r a i ns p e e dc o n t r 0 1 ) 和列车停 车控制t a s c ( t r a i na u t o m a t i cs t o pc o n t r 0 1 ) 两部分。其中t s c l 标志位表示列 车前方出现低限速区域，t s c 2 标志位表示列车前方出现高限速区域。t a s c 标 志位表示列车已经进入停车控制区域，该标志位与列车停车阶段的a t p 曲线速 度监控区域的起模点相对应。t s c 阶段还可分为启动阶段与区间调速阶段，其 分界点为线路数据中第一个t s c l 标值位或第一个t s c 2 标值位。t a s c 阶段也 可称为停车阶段。 3 2 1 列车启动过程 列车启动过程，主要采用最快牵引策略，如图3 2 所示。列车一启动将列车 控制档位逐渐由“p l ”增加至最大牵引档位“p 7 ”，直到列车速度接近最大允许 速度时，为防止最大牵引档位可能会引起超速制动的情况，应减小牵引等级， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 选择某一合适牵引档位“p x 。当列车速度处于最大允许速度误差范围时，控制 档位切换为巡航档位“p 0 ”，进行匀速运行。其中，在增加至最高牵引档位的过 程中，各档位保持的时间与列车粘着力的大小相关，应保证列车的牵引力小于 粘着力，以避免空转情况。 叫i 图3 2