列车自动驾驶系统节能操纵策略研究_钱磊

2011年3月（下）

1概述

对于城市轨道交通系统高效率、高密度的要求来说,列车自动控制系统（AutomaticTrain ControlATC ）是必不可少的。其中一个重要的子系统：列车自动驾驶（

Automatic Train Operation ATO ）能模拟有经验的司机完成驾驶列车的任务。由于使用ATO 系统后，可以使列车经常处于最佳运行状态，避免了不必要的、过于剧烈的加速和减速，因此可以明显提高旅客的舒适度，同时可以节约能源。本文将着重从节能角度来阐述基于ATO 系统的列车运行算法。

2ATO 系统工作原理

ATO 系统的功能主要是速度调节和站内定点停车，实现正常情况下高质量的自动驾驶，其各项功能都由ATP 实施防护。ATO 系统工作原理描述如下：ATO 从ATS 得到列车运行任务命令，该命令由地面发送设备（如轨道电路）传送并经过ATP 的接收处理。ATP 将处理过后的有用的信息传给ATO ，并显示相关信息，且不断地监视ATO 的工作ATO 利用有用信息计算运行速度，得出控制量，并执行控制命令，同时显示计算结果和有关控制信息。到站后，司机从控台输入列车信息，通过列车向地面的发送设备（如PTI 天线），由地面环线接收后传到ATS 。ATS 根据此列车信息，确定列车的新任务后，再次通过地面发送设备传送给ATO 。在区间运行时，每到达轨道信号交换处，ATO 便接收新的地面信息，以便进行速度调整。如ATO 故障，则切断ATO 进行人工驾驶，ATP 与ATS 的工作不变。

3合理操纵原则

计算机选择操纵序列的基本依据是列车牵引计算的相关理论：在满足限速、时间等约束条件的情况下可以任意切换列车运行状态。而实际的列车往往由于自身机械装置或电气设备等的限制不能完成，因此需要对操纵序列的合理性给出标准。机车的运行工况有3种：牵引、惰行和制动。牵引时，机车产生向前的牵引力带动列车运动；惰行时。列车不受机车牵引或制动力的影响，依靠惯性向前运动；制动时，机车产生与运动方向相反的制动力阻止列车的运动。不同工况之间的转换并不是任意的，必须满足一定的转换规则。如图1所示。

除了这些基本的约束规则之外，为了取得更加满意的列车操纵效果仍需学习优秀司机的成熟经验。比如转换到新的工况后必须在此状态下保持一段时间才能改变为其他工况，坡前需要提前惰行等。将这些经验总结成自动驾驶的控制规则。对不同的情况采取相应的控制策略，能在各类复杂的线路上保证列车安全、准点、舒适、合理运行，取得良好的控制效果。

图１工况转换原则

4节能操纵策略4.1能耗的构成

在某条固定线路上运行，列车运能量消耗可用下面的式子计算：

E ＝E1+E2+E3

式中E1———提高列车动能能耗；E2———克服列车运行时的基本阻力和加算坡道阻力所做的功；E3——

—机车运行时的自耗；依据线路断面的不同，以上三个方面所占的比重也不相同，如果两站之间以长下坡道为主，偶尔的上坡道也无需牵引，列车采取惰行工况即可通过，对于这样特殊的线路段面而言，机车的操纵主要表现为动力制动、惰行、空气制动，故能耗中E3占主要地位，E1、E2基本没有能耗，实际上对这样的线路段面，已不存在对列车运行进行节能优化的必要，列车的运行应以确保安全为主。如果两站之间为持续的上坡道，则能耗中E2占主要位置，列车采用牵引工况，同样没有节能的必要。对一般的线路断面而言（区间内存在大量的起伏坡道或区间内坡道变化比较小），则E1、E2占能耗的主要部分。而列车自耗能E1基本上随不同操纵变化不大，因此，节能应该是减少不必要的制动以避免列车动能损耗，充分利用势能以保持或增加列车动能，以及减少基本阻力所做的功。

4.2节能算法

1）列车启动阶段,尽量利用最大牵引力牵引，对于城市间铁路的有级牵引来说，就是在尽可能短的时间内将手柄位提升到最大值。

2）列车在区间运行时，尽量降低运行速度的不均匀性，列车围绕目标速度采用牵引惰行模式运行；尽量采用惰行工况。列车惰行的能耗等于自耗，是运行能耗最小的工况。因此充分利用惰行可大幅减低列车总的运行能耗。

3）停车或者前方限速值为零时，列车以最大制动力制动停车。在图2中，v 为目标速度，k1，k2为高于目标速度的阀值，m1，m2为低于目标速度的阀值。具体运行过程为：列车速度达到或超过目标较小值k1时，列车将首先采用惰行方式，若列车处在下坡使其速度继续增加，当速度大于值k2时进行制动。在下坡道上，为防止列车工况频繁的在惰行，制动间转换，可将制动后的惰行条件确定为低于目标速度值m1，这样，列车以制动工况运行到速度m1，时再改为惰行，若列车速度有回升，则有m1~k2的惰行空间；若列车惰行速度继续下降，则下降到m2时再转换为牵引工况，惰行空间为（下转第39页）

［摘要］列车自动驾驶系统是列车运行自动控制系统的重要组成部分，它代替司机完成驾驶列车的任务，保证列车高效节能运行。本文以

ATO 的工作原理为背景，给出了列车操纵的原则，并着重从节能角度出发给出了工况转换策略和节能算法。

Abstract ：Automatictrainoperationisoneimportantpartoftheautomatictraincontrolsystem.Itcanoperatethetraintakingtheplaceofdrivertoen-suretrain ’srunningin efficiencyand energysaving .Based on the workingprinciple ofATO,Thispaper illustratesthe principle oftrain manipulation,conditionconversionstrategyandenergy-savingalgorithmfromenergy-conservingangle.［关键词］ATO ；节能；操纵策略Keywords ：ATO ；energy-saving ；manipulatestrategy 列车自动驾驶系统节能操纵策略研究

A Study on Energy-saving Strategy of Autom atic Train

O peration

钱磊

孔繁虹

（同济大学电子与信息工程学院，上海市200000）

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