列车自动驾驶算法研究及仿真实现

列车自动驾驶算法研究及仿真实现
摘要：列车自动驾驶算法和仿真实现有助于提高列车运行的准时性、节能性、停车精确度、舒适性以及高效性。

通过协调列车自动化各子系统的应用，提出仿
真算法设计与实现，保障列车自动驾驶系统稳定运行，保障列车运行安全性与可
靠性，促进我国轨道交通事业的长远发展。

关键词：轨道列车；自动驾驶；算法；仿真实现
0引言
随着我国轨道交通事业的不断发展，列车密度和速度也逐步提升，以往的人
工驾驶模式逐渐被自动化系统取代，列车自动驾驶作为系动画系统的重要组成部分，其中引入了先进的模拟计算和仿真算法，有效提高了列车运行的安全性、舒
适性以及节能效果，对我国轨道交通的发展具有重要推动作用。

1 ATO简述
轨道交通自动化系统（ATC）主要包括列车自动监控系统（ATS）、列车超速
防护系统（ATP）、列车自动驾驶系统（ATO）。

ATS能够监控列车运行情况，完
成列车全新调度和运行管理辅助工作。

ATP系统确保列车间隔，起到超速防护的
作用。

ATO系统则是轨道交通智能化系统的关键部分，该系统是自动行车控制系统，主要是利用车载固化数据和基础资料来进行列车运行的牵引和制定，维持列
车良好的运行状态，给乘客满意的舒适感，提高列车准点率，并且具有节约能源
的功能。

ATO系统能有效维持列车稳定地运行水平，自动驾驶系统的功能实现依
旧需要通过自动化技术和其他两个系统的协调配合。

ATO系统并非安全系统，该
系统运行速度会地域ATS防护速度，同时运行目标需要由ATS结合真实情况设定，如果缺少ATP以及ATS系统的支撑，那么ATO系统也将无法正常运行。

2操纵方式研究
为了让ATO系统达到良好的驾驶体验，完成准点、节能、舒适的目标，必须
重视列车ATO系统算法的研究与优化，提出最佳控制力，保证列车稳定运行。

对
于列车自动驾驶算法而言，必须针对已知信息获取优化速度曲线，充分体现出列
车的节能效果、准时性和舒适度等指标，并以此为列车运行控制基础。

通过计算
机选择控制顺序的主要基础是列车运行牵引速度计算，保证了列车运行时间在限
速要求的基础上，可以任意更改列车运行状况，但由于列车运行速度受到机械装
置和设备的影响而无法达到这一状态，所以必须对控制顺序作出合理选择。

根据
列车的运行状况，通常分为牵引、制动和惰型。

当列车处在牵引状态时，产生向
前的牵引力，从而推动列车继续前进。

当列车处在惰行状态时，则不受到牵引力
或制动力的影响，前进阻力大部分都是由惯性形成的。

当列车处在制动力状态时，对列车运行速度施加一个运行反向的制动阻力，从而组织旅客列车继续行驶。

不
同状态下的转换并不能随机变化，但必须符合相应的转换规则。

3列车自动驾驶算法设计
3.1节能算法
（1）列车能耗组成
列车在固定线路中形式，产生的能耗计算公式如下：
E=E1+E2+E3 （1）
其中E表示列车运行能耗；E1——动能能耗；E2——克服运动阻力与坡道阻
力做功；E3——列车自耗。

由于列车运行线路断面的差异，每个能耗的占比也存在一定差异，倘若列车
运行中的两站长下坡道居多，少部分上坡不需要牵引加持，维持惰性状态就可以
顺利通过上坡道，在这种特殊线路断面的运行中，列车操控表现为动力制动——
惰行——空气制动，因此能耗以E3为主，其他两个能耗可以忽略不计。

但在实际
运行中，面对这样的线路段无需进行列车的节能优化设计，主要以保障列车运行
安全为主。

但是倘若列车运行的两种间以上坡道位置，能耗主要以E2为主，列车
主要以牵引状态运行，这样也没有节能优化的必要。

除了这两种特殊的线路断面
来说，常规的线路断面列车行驶的能耗以E1+E2为主。

（2）节能操纵规则
上文对列车节能算法的研究重点是针对轨道列车的规定速度牵引力和惰行工
况来取得列车节能运行效果。

另外，通过对国内外近年来自动驾驶系统的研究来看，节能操控系统的算法按设定如下：①列车启动时利用最大牵引力来达到牵引
运行目的，具体要求在最短时间将手柄位拉升到最高；②列车处于区间运行阶段，要尽可能保证列车处于稳定的速度区间，列车目标速度应结合牵引惰行模式，尽
量保证列车处于惰行状态；③列车处于停车或限速值为0的情况下，应以最大值
动制动力停止运行。

倘若列车处于正常运行状态下，采用相同的始末速度在单位
时间内通过相等距离，则操纵方式会产生能耗差异。

3.2正点操纵算法
在列出的区段行驶中，根据指定时刻，自动行车控制系统保证车辆正点行驶。

根据节点模型和运行仿真，可确定运行时间T m与规定的列车运行时间T n差值为
富裕时间T i。

T i=T n-T m （2）
当T i<0时，表示列车运行至自身时间还没有超过规定的运营期限，因此可能造成列车晚点，需及时采用最有效方式进行，可采用以提高列车的运行电气部件，从而增加列车系统效率；
当T i=0时，表示列车根据节能模式运行可以满足规定运行时间，保障列车正点运行；
当T i>0时，表示列车根据最大操纵能力运行可以提前抵达车站，为了保证列车正点运行，需要降低目标速度，合理分配多余时间，以此来达到节能运行的
目的。

降低平均运行速度的方式为减少牵引实际，提高列车惰行时间、降低列车
运行能耗，通过增加区间运行时间，能够保证列车符合正点运行规定。

3.3停车精度
由于车站的位置确定，车站的停靠地点不准确会干扰旅客的乘坐感受，特别
是设有屏蔽门的站台，造成的干扰更大。

停靠准确性不但是旅客上下车的感受，
也可能给地面通讯和车厢通话造成一些干扰，所以需要确保车站停靠准确。

汽车
自动行驶控制系统在停车时必须正确判断并调节列车时速，因此，停车精度的设
置必不可少。

在汽车距前方停车位置不足的情形下，必须进行停车精度考虑制动
前列车惰行节能，并预留较多的余量。

倘若列车实施制动停止后并未抵达指定停
车点，当列车处于下个步长的情况下很难完成指定位置停车，需要结合惰行状态
持续前行。

因此结合上述算法确定列车停车位置。

4列车自动驾驶仿真系统实现
列车自动驾驶仿真系统主要包括运行计算子模块、数据输入子模块以及图形
文本数据输出模块。

其中数据输入模块中包括列车的线路相关参数。

运行计算子
模块主要是利用控制算法来获取恰当的力值，对列车运行过程进行精确计算。

图
形文本数据输出模块的内容包括列车时分、列车速度和列车能耗等参数。

列车运行计算机仿真算法如图1所示，列车先获取各项参数，确定列车受力，通过节能算法对列车运行进行计算。

设定列车运行加速度大小，并根据目标停车
位置，利用停车算法保证停车精准。

图1计算机仿真算法流程
5结束语
综上所述，列车自动驾驶系统作为自动化系统的重要组成部分，通过科学的算法研究与仿真实现，可以提高列车运行的节能性、舒适性以及准点度。

为此，必须重点做好我国列车自动驾驶系统的算法设计，提高列车运行可靠性，满足轨道交通事业的稳步发展。

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