自動(dòng)控制在地鐵自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

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摘要：隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，地鐵全自動(dòng)駕駛技術(shù)成為地鐵系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于地鐵全自動(dòng)駕駛技術(shù)，同時(shí)自動(dòng)控制技術(shù)的質(zhì)量性能決定了地鐵自動(dòng)駕駛控制中的精度，同時(shí)對(duì)地鐵全自動(dòng)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(duì)自動(dòng)控制及其基本原理以及其在地鐵全自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：地鐵全自動(dòng)駕駛；自動(dòng)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(shí)也引領(lǐng)著全自動(dòng)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(guó)家的城市軌道交通都實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)駕駛，包括國(guó)內(nèi)香港的迪士尼線、上海地鐵10號(hào)線以及北京地鐵機(jī)場(chǎng)線。地鐵全自動(dòng)駕駛是指在無(wú)人參與的情況下，列車(chē)能夠自主運(yùn)行。車(chē)輛在全自動(dòng)化駕駛過(guò)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(chē)的自動(dòng)控制系統(tǒng)是必不可少的。自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC，即AutomaticTrainControl）包括三個(gè)子系統(tǒng)：列車(chē)超速防護(hù)子系統(tǒng)(ATP:AutomaticTrainProtection)、列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)(ATO:AutomaticTrainOperation)、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS:AutomaticTrainSupervision)。ATO系統(tǒng)，即列車(chē)自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)“地對(duì)車(chē)控制”，模擬最佳司機(jī)駕駛，實(shí)現(xiàn)正常情況下高質(zhì)量的自動(dòng)駕駛，使列車(chē)高效率運(yùn)行，同時(shí)也提升列車(chē)運(yùn)行過(guò)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(dòng)或由人工控制進(jìn)路，進(jìn)行行車(chē)調(diào)度指揮，并向行車(chē)調(diào)度員和外部系統(tǒng)提供信息，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的監(jiān)督和控制，輔助行車(chē)調(diào)度人員對(duì)全線列車(chē)運(yùn)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(jì)算出列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中所允許的安全速度，進(jìn)而保證列車(chē)間隔，從而實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)。為了提高全自動(dòng)駕駛地鐵的整體性能，自動(dòng)控制技術(shù)是非常有必要的，而自動(dòng)控制的檢測(cè)性能對(duì)列車(chē)行駛的最優(yōu)性能也非常重要[1]。

1自動(dòng)控制及其基本原理

自動(dòng)控制，是利用控制裝置使被控對(duì)象在沒(méi)有人直接參與的情況下按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行和變化。全自動(dòng)無(wú)人地鐵駕駛即地鐵不依賴(lài)人員的控制條件下，能夠自主的行駛以及確定車(chē)輛各種信息，為了能夠準(zhǔn)確的完成全自動(dòng)駕駛，具有良好的自動(dòng)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量是非常有必要的?？刂葡到y(tǒng)分為開(kāi)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(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)是單向傳遞的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，同時(shí)成本較低，但被控量的精度只能取決于控制器及被控對(duì)象參數(shù)的穩(wěn)定性，無(wú)法進(jìn)行自修正。閉環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)可以自動(dòng)糾正干擾或內(nèi)部特性參數(shù)變化引起的變動(dòng)，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(dòng)駕駛控制系統(tǒng)中，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制特性，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)狀態(tài)，由中央控制單元自動(dòng)辨識(shí)、分析測(cè)量參數(shù)，再通過(guò)預(yù)先設(shè)定狀態(tài)去判斷并自動(dòng)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(dòng)控制在全自動(dòng)駕駛地鐵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1車(chē)速自動(dòng)駕駛控制

在列車(chē)行駛過(guò)程中，綜合列車(chē)的運(yùn)行計(jì)劃、列車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)運(yùn)行線路以及運(yùn)行的目標(biāo)速度等信息，通過(guò)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)車(chē)載設(shè)備實(shí)時(shí)計(jì)算出列車(chē)要達(dá)到目標(biāo)車(chē)速時(shí)，所需要的牽引力或制動(dòng)力的大小，然后通過(guò)總控制單元，根據(jù)列車(chē)的需求對(duì)列車(chē)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(chē)的加速和減速作業(yè).車(chē)載ATO模塊是列車(chē)自動(dòng)駕駛的核心組成，其包括硬件和軟件。車(chē)載ATO模塊從ATP模塊接收到列車(chē)的運(yùn)行速度、線路允許速度、限速和目標(biāo)速度，以及列車(chē)所處位置等信息。車(chē)載ATO模塊綜合這些數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出列車(chē)當(dāng)前所需的牽引力或制動(dòng)力，然后通過(guò)控制指令向列車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出請(qǐng)求指令。利用列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)列車(chē)進(jìn)行精確的控制，使列車(chē)駕駛最大程度處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中合理的速度需求，可以使列車(chē)運(yùn)行效率顯著提升，同時(shí)也可以減小列車(chē)的能源消耗。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)所施加牽引力及制動(dòng)力的大小，列車(chē)的運(yùn)行速度被控制在一定的速度范圍內(nèi)。根據(jù)列車(chē)自動(dòng)駕駛過(guò)程中的速度、距離曲線，在自動(dòng)駕駛控制時(shí)，列車(chē)速度在一個(gè)較小的速度區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，采用惰行狀態(tài)可以提高列車(chē)運(yùn)行效率，較小能源消耗，同時(shí)也可以增加乘客的舒適度，通過(guò)選擇最佳的惰行點(diǎn)防止列車(chē)在制動(dòng)和牽引狀態(tài)之間頻繁切換[3]。

2.2車(chē)站精準(zhǔn)停車(chē)控制分析

列車(chē)全自動(dòng)駕駛過(guò)程中，車(chē)站精準(zhǔn)停車(chē)對(duì)提高列車(chē)的運(yùn)營(yíng)效率，同時(shí)提高性行車(chē)安全具有重要意義。列車(chē)實(shí)現(xiàn)車(chē)站精準(zhǔn)停車(chē)，需要有機(jī)結(jié)合列車(chē)的車(chē)載系統(tǒng)、牽引和制動(dòng)系統(tǒng)，使其能夠相互配合。列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)采集列車(chē)行駛速度，同時(shí)將行駛速度傳遞給自動(dòng)駕駛車(chē)載模塊，通過(guò)車(chē)載模塊對(duì)列車(chē)速度及位置的分析，對(duì)列車(chē)發(fā)出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)的精確停車(chē)。列車(chē)在車(chē)站精確停車(chē)，便于在站臺(tái)設(shè)置安全門(mén)等防護(hù)裝置，從而為乘客提供安全的候車(chē)、乘車(chē)環(huán)境。

2.3自動(dòng)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(huì)產(chǎn)生信號(hào)波動(dòng)?？刂菩阅艿膬?yōu)劣可以從控制系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)的比較中體現(xiàn)，一般從穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個(gè)方面來(lái)衡量。控制系統(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(duì)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(gè)控制指標(biāo)可以通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)中元件的選擇以及參數(shù)的合理設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，三個(gè)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(wú)人自動(dòng)地鐵駕駛過(guò)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(yùn)行效率以及運(yùn)行過(guò)程中舒適性及安全性。因此，自動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)對(duì)地鐵全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)有著重要意義。

3結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，地鐵無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展將越來(lái)越成熟，而自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)其發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)的不同參數(shù)和元件的選擇，地鐵全自動(dòng)駕駛技術(shù)可以更精準(zhǔn)、安全、高效的運(yùn)營(yíng)，同時(shí)還可以提供更舒適的乘車(chē)環(huán)境。在未來(lái)，地鐵駕駛的發(fā)展方向必定朝著智能化發(fā)展，同時(shí)，滿足乘客的方便快捷乘車(chē)的需求。提高全自動(dòng)列車(chē)駕駛系統(tǒng)中自動(dòng)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(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1984.

[3]肖衍,蘇立勇.軌道交通全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)集成技術(shù)研究[J].中國(guó)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