自動控制在地鐵自動駕駛中的應(yīng)用

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摘要：隨著時代的不斷發(fā)展，地鐵全自動駕駛技術(shù)成為地鐵系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢，對于地鐵全自動駕駛技術(shù)，同時自動控制技術(shù)的質(zhì)量性能決定了地鐵自動駕駛控制中的精度，同時對地鐵全自動駕駛技術(shù)的安全性、高效性及舒適性都有非常重要的意義。本文對自動控制及其基本原理以及其在地鐵全自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用來進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：地鐵全自動駕駛；自動控制技術(shù)；控制精度

0前言

隨著科技的不斷進(jìn)步，軌道交通技術(shù)也在快速發(fā)展，同時也引領(lǐng)著全自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)越趨成熟。目前，許多發(fā)達(dá)國家的城市軌道交通都實現(xiàn)了全自動駕駛，包括國內(nèi)香港的迪士尼線、上海地鐵10號線以及北京地鐵機場線。地鐵全自動駕駛是指在無人參與的情況下，列車能夠自主運行。車輛在全自動化駕駛過程中，需要系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高密度的要求，因此列車的自動控制系統(tǒng)是必不可少的。自動控制系統(tǒng)（ATC，即AutomaticTrainControl）包括三個子系統(tǒng)：列車超速防護(hù)子系統(tǒng)(ATP:AutomaticTrainProtection)、列車自動駕駛子系統(tǒng)(ATO:AutomaticTrainOperation)、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS:AutomaticTrainSupervision)。ATO系統(tǒng)，即列車自動駕駛子系統(tǒng)，主要實現(xiàn)“地對車控制”，模擬最佳司機駕駛，實現(xiàn)正常情況下高質(zhì)量的自動駕駛，使列車高效率運行，同時也提升列車運行過程中的舒適度，節(jié)省能源。ATS子系統(tǒng)是ATC的核心功能，可自動或由人工控制進(jìn)路，進(jìn)行行車調(diào)度指揮，并向行車調(diào)度員和外部系統(tǒng)提供信息，其可以實現(xiàn)對列車運行的監(jiān)督和控制，輔助行車調(diào)度人員對全線列車運行進(jìn)行管理。ATP子系統(tǒng)則是根據(jù)地面?zhèn)鬟f的信息計算出列車在運行過程中所允許的安全速度，進(jìn)而保證列車間隔，從而實現(xiàn)超速防護(hù)。為了提高全自動駕駛地鐵的整體性能，自動控制技術(shù)是非常有必要的，而自動控制的檢測性能對列車行駛的最優(yōu)性能也非常重要[1]。

1自動控制及其基本原理

自動控制，是利用控制裝置使被控對象在沒有人直接參與的情況下按照預(yù)定的規(guī)律運行和變化。全自動無人地鐵駕駛即地鐵不依賴人員的控制條件下，能夠自主的行駛以及確定車輛各種信息，為了能夠準(zhǔn)確的完成全自動駕駛，具有良好的自動控制系統(tǒng)控制質(zhì)量是非常有必要的。控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)以及復(fù)合控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)是單向傳遞的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，同時成本較低，但被控量的精度只能取決于控制器及被控對象參數(shù)的穩(wěn)定性，無法進(jìn)行自修正。閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)可以自動糾正干擾或內(nèi)部特性參數(shù)變化引起的變動，系統(tǒng)的控制精度較高，但是負(fù)反饋需要引入合適的參數(shù)匹配[2]。地鐵全自動駕駛控制系統(tǒng)中，利用自動控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制特性，通過監(jiān)控系統(tǒng)自動測量系統(tǒng)狀態(tài)，由中央控制單元自動辨識、分析測量參數(shù)，再通過預(yù)先設(shè)定狀態(tài)去判斷并自動改變控制器結(jié)構(gòu)與參數(shù)，使其適應(yīng)環(huán)境變化，并始終維持最優(yōu)的性能指標(biāo)。

2自動控制在全自動駕駛地鐵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1車速自動駕駛控制

在列車行駛過程中，綜合列車的運行計劃、列車的實時運行速度、實時運行線路以及運行的目標(biāo)速度等信息，通過自動駕駛系統(tǒng)車載設(shè)備實時計算出列車要達(dá)到目標(biāo)車速時，所需要的牽引力或制動力的大小，然后通過總控制單元，根據(jù)列車的需求對列車牽引系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的執(zhí)行器發(fā)出指令，進(jìn)而完成列車的加速和減速作業(yè).車載ATO模塊是列車自動駕駛的核心組成，其包括硬件和軟件。車載ATO模塊從ATP模塊接收到列車的運行速度、線路允許速度、限速和目標(biāo)速度，以及列車所處位置等信息。車載ATO模塊綜合這些數(shù)據(jù)信息，實時計算出列車當(dāng)前所需的牽引力或制動力，然后通過控制指令向列車執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出請求指令。利用列車自動駕駛系統(tǒng)對列車進(jìn)行精確的控制，使列車駕駛最大程度處于最佳的運行狀態(tài)。列車在運行過程中合理的速度需求，可以使列車運行效率顯著提升，同時也可以減小列車的能源消耗。在列車運行過程中，根據(jù)所施加牽引力及制動力的大小，列車的運行速度被控制在一定的速度范圍內(nèi)。根據(jù)列車自動駕駛過程中的速度、距離曲線，在自動駕駛控制時，列車速度在一個較小的速度區(qū)間內(nèi)波動，采用惰行狀態(tài)可以提高列車運行效率，較小能源消耗，同時也可以增加乘客的舒適度，通過選擇最佳的惰行點防止列車在制動和牽引狀態(tài)之間頻繁切換[3]。

2.2車站精準(zhǔn)停車控制分析

列車全自動駕駛過程中，車站精準(zhǔn)停車對提高列車的運營效率，同時提高性行車安全具有重要意義。列車實現(xiàn)車站精準(zhǔn)停車，需要有機結(jié)合列車的車載系統(tǒng)、牽引和制動系統(tǒng)，使其能夠相互配合。列車監(jiān)控系統(tǒng)采集列車行駛速度，同時將行駛速度傳遞給自動駕駛車載模塊，通過車載模塊對列車速度及位置的分析，對列車發(fā)出控制指令，從而實現(xiàn)列車的精確停車。列車在車站精確停車，便于在站臺設(shè)置安全門等防護(hù)裝置，從而為乘客提供安全的候車、乘車環(huán)境。

2.3自動控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)

控制系統(tǒng)受到干擾后，被控量會產(chǎn)生信號波動?？刂菩阅艿膬?yōu)劣可以從控制系統(tǒng)輸入與輸出信號的比較中體現(xiàn)，一般從穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個方面來衡量?？刂葡到y(tǒng)中穩(wěn)定性使系統(tǒng)能夠正常工作，快速性決定被控量對控制量反應(yīng)的快慢程度，準(zhǔn)確性體現(xiàn)了系統(tǒng)被控量所能達(dá)到的控制精度?？刂葡到y(tǒng)的這三個控制指標(biāo)可以通過對控制系統(tǒng)中元件的選擇以及參數(shù)的合理設(shè)置來實現(xiàn)，同時，三個性能指標(biāo)是互相制約的。因此，在控制系統(tǒng)中，尤其是在無人自動地鐵駕駛過程中，利用不同的系統(tǒng)達(dá)到不同的控制性能，可以有利于提升地鐵的運行效率以及運行過程中舒適性及安全性。因此，自動控制系統(tǒng)參數(shù)對地鐵全自動無人駕駛系統(tǒng)的運營有著重要意義。

3結(jié)語

隨著時代的不斷發(fā)展，地鐵無人駕駛技術(shù)的發(fā)展將越來越成熟，而自動控制技術(shù)對其發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。通過自動控制系統(tǒng)的不同參數(shù)和元件的選擇，地鐵全自動駕駛技術(shù)可以更精準(zhǔn)、安全、高效的運營，同時還可以提供更舒適的乘車環(huán)境。在未來，地鐵駕駛的發(fā)展方向必定朝著智能化發(fā)展，同時，滿足乘客的方便快捷乘車的需求。提高全自動列車駕駛系統(tǒng)中自動控制技術(shù)控制性能的最優(yōu)化，依然是我們需要努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃良驥,唐濤.地鐵列車自動駕駛系統(tǒng)分析與設(shè)計[J].北方交通大學(xué)學(xué)報,2002.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,1984.

[3]肖衍,蘇立勇.軌道交通全自動駕駛系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].中國鐵路,2015(05):39-42.

作者：張琪琪  程曉旭 高文秀 李淼 張路 曹軒銘 單位：北京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院