基于中低速磁浮列車自動駕駛系統設計方案

楊 絢 張 菊 張 薦

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．南京鐵道職業技術學院，南京 210031；3.北京交通運輸職業學院，北京 100096)

1 概述

北京S1線是北京首條中低速磁浮示范線，于2017年底投入運營，其列車自動控制系統是基于交叉感應環線的移動閉塞控制系統。中低速磁浮列車自動駕駛系統（簡稱ATO系統）實現列車自動駕駛功能，保證列車安全、平穩、準時運行，不僅可以提高乘坐舒適度，還能起到節約能源的作用。ATO系統利用感應環線進行雙向通信，交叉點實現位置校正，具有抗干擾能力強，測速測距精度高等特點[1]。

2 ATO系統分析

ATO系統通過測速測距單元實時獲取當前列車速度和距離，利用交叉點進行位置校正，實現精確測速和精確定位。根據ATP目標信息計算ATO控車曲線，最終生成控制命令輸出至車輛，實現列車速度的自動調整，控制列車自動駕駛和精確停車。其功能還包括車門控制、響應地面控制命令、節能控制、自診斷和記錄報警等[2]。

車載ATO系統運行在車載ATP系統的安全防護下。ATP從通信和I/O接口兩個層面對ATO的行為進行卡控，確保在不滿足自動駕駛條件或ATO發生故障時，可以切掉ATO所有輸出。車載ATO通過CAN總線和ATP、人機界面連接，通過RS-485總線與列車管理系統（TMS）連接，通過電壓控制列車輸出級位，通過開關量接口實現與車輛的I/O交互[3]。關鍵接口及交互信息如圖1所示。

圖1 關鍵接口及交互信息示意圖Fig.1 Schematic diagram of key interfaces and interactive information

3 ATO控車方案

ATO在控車過程中考慮當前限速和由ATP獲取的目標速度，若按照參考加速度，足夠在目標距離內達到目標速度，則使用當前限速作為ATO控車的命令速度。否則，使用目標速度作為ATO控車的命令速度重新計算加速度，輸出恰當極位，確保不超速不逾越。在控車過程中，考慮命令速度和實際速度差值，實時調整級位，形成負反饋回路[4]。控車流程示意如圖2所示。

在滿足ATS運營計劃要求的前提下，ATO系統通過采取減少列車牽引、制動切換頻率的控車策略，實現低功耗的自動控車功能，實現節能運營。

圖2 控車流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of train control flow

3.1 精確停車方案

磁浮列車不同于輪軌列車，輪軌列車制動主要靠輪軌黏著方式，而磁浮列車是通過制動夾鉗側面抱軌而產生摩擦力的方式[5]。由于側面抱軌方式受側面空間的限制，僅僅通過使用空氣壓力無法滿足磁浮列車的制動性能，磁浮列車采用增壓缸進行空氣壓力的放大，通過電空制動相結合的方式進行控制，優先使用電制動，利用機械制動補充，以滿足其制動需求。中低速磁浮列車制動過程中，制動夾向軌道移動過程會引入不同程度的制動延時，且不同的外界環境，例如溫度或濕度發生變化，都可能導致制動延時不盡相同。

中低速磁浮列車的停車精度關鍵在于控車策略能夠適應磁浮列車牽引制動性能，為適應電制動與空氣制動不同的制動特性，以及不同外界環境下的制動延時，將站臺停車分3個階段進行ATO控車，使得停車過程更加可控[6]。階段一：當列車進入站臺前，控制列車速度降低至較低水平；階段二：當列車到達停車點前配置距離S_INERTIA時，采用制動2檔—惰行—制動1檔進行控車；階段三：最后一段距離（如5 m左右）時，采取持續減速，直至停車。在第二階段中，施加制動2檔直至速度降至配置值V_STOP時開始施加惰行，惰行一定時長后施加制動1檔，施加制動1檔到達最后階段3，使用制動2檔—惰行—制動1檔的制動方式，中間增加惰行過程，可以有效減小制動延時帶來的影響。在第三階段，根據速度距離實時計算級位，計算過程中增加制動延時帶來的距離補償[7,8]。停車過程ATO控車數據曲線如圖3所示，其中紅線表示控車速度，紫線表示ATP限速，黃線表示控車距離。

圖3 控車數據曲線Fig.3 Train control data curve

為避免磁浮列車各車輛制動性能差距性，以及同一列車制動性能的不穩定性對精確停車的影響，在列車停車過程中加入自學習過程，實時調整控車相關參數。參考前數次停車的停車精度，停車誤差均值為100 cm，50 cm或30 cm時，不同程度地減小S_INERTIA和V_STOP值，當停車誤差均值為-100，-50或-30時，不同程度地增大S_INERTIA和V_STOP值。

通過北京S1線中低速磁浮現場試驗，對車載ATO精確停車功能進行驗證，通過驗證，ATO現有控制策略有效消除不同工況下制動力的差異性，最大程度降低車輛制動性能造成的影響，停準率達到99.35%。ATO精確停車現場試驗數據統計如表1所示。

表1 S1線ATO停車精度數據統計Tab.1 ATO stop precision data statistics of line S1

4 總結

本文在分析ATO系統功能的基礎上，完成ATO控車功能及站內停車功能在磁浮列車動力學特性下的深化研究，形成我國中低速磁浮交通運行控制系統技術創新能力，對城市軌道交通ATO系統的發展起到參考作用。