列車自動駕駛系統（ATO）節能控制策略及工程實現

■ 肖驍

1 北京地鐵亦莊線ATO節能分析

2011年春，為驗證列車自動駕駛對系統運行能耗的影響，地鐵運營公司在北京地鐵亦莊線組織進行了2次全線全天耗電量統計，能耗數據見表1（全天耗電量數據來源于亦莊線供電站電表在一天內走過數值的累積）。

表1中三月份的統計數據顯示，在全天客流量基本相同的前提下，全天采用ATO自動駕駛比全天采用ATO輔助人工駕駛耗電要多；而四月份的統計數據顯示，在全天客流量較小的前提下，全天采用ATO輔助人工駕駛卻比采用ATO自動駕駛耗電要多。

2 司機駕駛習慣分析

比較ATO自動駕駛和人工駕駛的能耗，應首先從分析司機的駕駛習慣入手。為此，隨機抽取2011年4月10日010車全天的司機人工駕駛數據進行分析。典型人工駕駛區間運行曲線見圖1。

通過分析，得出如下司機駕駛習慣：（1）司機在出站啟動時牽引級數增長較快；（2）司機在出站后將列車加速到接近推薦速度，然后使列車保持惰行狀態，直到列車速度遠低于推薦速度再牽引，或到進站停車推薦速度下降時再進行制動；（3）司機在進站制動階段基本按照推薦速度駕駛，并最終控制列車進站停車。

通過國內外的大量研究，目前普遍認可應采用下列駕駛策略達到節能目的：出站即施加最大牽引達到區間巡航速度，巡航過程中盡量保持惰行，并盡量減少制動頻率，接近站臺時采用一次性連續制動停車。

表1 亦莊線耗電量統計數據

圖1 典型人工駕駛區間運行曲線

可見，亦莊線司機的駕駛習慣與上述以節能為目的的駕駛策略基本一致。

3 ATO節能控制算法設計

目前對于巡航過程中牽引/惰行策略的算法研究，一般使用較為先進的計算方法和控制理論，如使用神經元網絡、遺傳算法等。這類算法通常能夠通過迭代過程，利用計算機運算速度優勢，精確找到牽引與惰行的切換點，并能實現區間運行時分的精確控制。但也存在不足：對計算機的運算能力要求較高，通常用于理論仿真，ATO作為對運算實時性有較高要求的嵌入式系統，實現上述方法的經濟成本相對較高，不利于工程實現；同時復雜的在線算法為測試帶來了一定難度，不利于工程驗證。

通過分析司機的駕駛策略，能夠設計出一套以模擬司機駕駛習慣為基礎的、便于工程實施的ATO速度控制算法。該控制算法具備如下特征：（1）出站過程中，在保證一定乘客舒適度的前提下，盡快施加牽引，使列車速度達到推薦速度；（2）區間巡航過程中，盡量不施加制動，通過調整牽引/惰行策略，兼顧節能與運行效率；（3）進站制動過程中，按照推薦速度控制列車進站停車，并保證一定的乘客舒適度。

The understandings concerning phonological awareness vary from scholars to scholars,but we can generalize them as follows：

3.1 ATO在區間巡航過程中的駕駛策略

區間巡航過程中的牽引/惰行策略對列車節能起主要作用。ATO按下列策略控制列車在區間巡航階段行駛：列車出站即施加牽引至速度A后開始惰行，直至速度降為B后，重新施加牽引至速度A……按上述過程循環，直至進入進站制動階段后，開始按推薦速度施加制動并最終在站內停車。

基于上述策略，通過2種方法對駕駛策略進行在線調整，使ATO同時兼顧運行效率和節能的要求。

第一種方法：調整施加牽引的速度上限A（見圖2）。以上限A②為策略駕駛的區間運行時間長于上限A①，但對于長度較短的區間，節能效果好于上限A①。

第二種方法：調整由惰行轉為再次輸出牽引的速度門限B（見圖3）。以門限B②為策略駕駛的區間運行時間長于門限B①，但節能效果好于門限B①。

3.2 節能控制策略參數（A和B）計算方法

圖2 調整施加牽引的速度上限A

圖3 調整由惰行轉為再次施加牽引的速度門限B

基于線路數據、車輛特性和歷史運行數據，可以計算出滿足運營計劃要求的節能控制策略參數A和B，并最終為指定區間給出多組節能控制方案。

為簡化計算過程，計算方法基于下列假設：（1）ATO算法和車輛執行單元共同保證出站牽引至速度A過程中的加速度恒定；（2）ATO算法和車輛執行單元共同保證惰行結束后，由速度B牽引至速度A過程中的加速度恒定；（3）ATO算法和車輛執行單元共同保證進站制動過程的減速度恒定；（4）通過分析歷史運行數據得到區間惰行時的惰行減速度具有一般性。

基于上述假設，可計算出ATO駕駛列車的實際速度曲線，并計算出參數A、B和區間運行時間T。節能控制策略參數的計算步驟見圖4。

節能控制策略參數（A和B）的算法可概括為：將A=B=區間允許運行的最大速度作為基本方案，并計算出區間運行時間T0。在基本方案的基礎上，按先B后A的順序下調參數至速度0，并計算相應的運行時間Tn，Tn與T0相差X（如5 s）時，可將相應的An、Bn、Tn作為一個節能控制方案，持續到選出N種（如4種）方案，或Tn超過區間計劃運營時間，或再無參數可調時為止。

3.3 區間節能控制方案的自動化生成工具

圖4 節能控制策略參數的計算步驟

利用MATLAB編寫的軟件可實現節能控制方案計算的自動化。軟件具備下列功能：（1）能夠批量導入線路數據、歷史運行數據、計劃運營圖等數據，并自動分析生成方案所需的相關參數；（2）可設定不同方案的區間運行時間差；（3）可設定方案分析中調整A、B參數時的步長；（4）可設定每個運行區間允許的最大方案數N；（5）為每個運行區間計算出1～N個方案；（6）導出包含所有區間、所有方案的A、B、T的數據文件；（7）支持依據經驗人工配置各區間各方案的A、B參數，并自動計算相應的區間運行時間T，以驗證輸入的方案是否滿足區間計劃運行時間的要求；（8）自動繪制指定區間、指定方案的模擬運行曲線。

軟件運行流程見圖5。

導出數據列表中的運行時間T是模擬計算的理論值，在將軟件生成的節能控制方案用于實際工程前，還需在正線試驗中根據實際運行時間進行調整。

3.4 節能控制策略在實際列車運行控制系統（ATC）中的實現方案

列車自動監控系統（ATS）根據當前線路的運營情況，計算出列車在下一個運營區間允許的最長運行時間，并將該時間通過無線網絡發送給車載ATO，ATO以區間實際運行時間T 不超過ATS規定的最長運行時間為前提，查找本地存儲的包含所有區間、所有方案的 A、B、T 數據文件，并選擇對應區間最節能的控制方案（通常是A和B參數較小的方案）控制列車行駛。實現方案見圖6。

4 亦莊線現場方案驗證

采用上述MATLAB軟件仿真計算參數 A和B的值，最終選擇下列幾組參數在亦莊線現場進行方案驗證：（1）無惰行方案（即優化前的方案）， A=推薦速度-2 km/h，B=推薦速度-2 km/h；（2）短惰行方案， A=推薦速度-2 km/h，B=推薦速度-4.5 km/h；（3）長惰行方案， A=推薦速度-2 km/h，B=推薦速度-7.5 km/h。

2011年4月28日晚，在亦莊正線使用YZ003車對采用節能優化算法的ATO應用程序進行單車現場方案驗證。采用長惰行方案的上行同濟南路—榮昌東街站運行曲線見圖7，ATO的駕駛曲線與亦莊線司機的駕駛曲線極為相似。

圖5 軟件運行流程

圖6 實現方案框圖

4.1 區間運行時間比較

采用不同方案在亦莊正線進行常規交路運行，分別統計區間運行總時間（見表2）。

隨著惰行時間的延長，區間運行時間有所延長，但仍在計劃運行時間內，其中長惰行方案雖然比原方案的區間運行時間慢了70.6 s，但比計劃運營時間提前了23 s。

4.2 能耗比較

采用不同方案在亦莊正線進行常規交路運行，分別統計耗電量（見表3）。

圖7 采用長惰行方案的上行同濟南路站—榮昌東街站運行曲線

表2 不同方案的區間運行總時間比較 s

隨著惰行時間的延長，耗電量有所減少，其中長惰行方案比原方案耗電量下降了約9%，達到了節能的目標。

5 結束語

綜上所述，采用的節能控制算法在單車驗證測試中通過，與舊算法相比，運行時間和耗電量指標均達到設計目標。新算法使用的A、B參數兼容無惰行的原方案，可根據實際情況靈活配置，并在新舊2種算法間自由切換，便于工程實施。上述實際ATC系統實現方案將在北京地鐵14號線上采用，通過ATS的指令可同時達到區間運行時間調整和節能運行的目的。

由于列車在實際運行環境中，載客量、再生制動電力回收、電站電表讀取方式等多種因素都會對耗電量統計造成影響，故未給出使用新算法的自動駕駛與人工駕駛的能耗比較，這也將成為下一階段的研究方向。