珠三角城際CTCS2+ATO列控系統控車舒適性研究及案例分析

袁水平

列車自動駕駛（ATO）技術應用開始于上世紀60 年代的城市軌道交通領域，1967 年，世界首條采用ATO 技術的地鐵線路在倫敦開通運營，隨后ATO 技術得到日益廣泛的應用。近10 年以來，ATO技術開始逐步向城際和高速鐵路延伸。2016年03月，采用CTCS2+ATO 列控系統的珠三角城際鐵路開通運營，成為世界首條采用ATO 技術的時速200 km 城際鐵路，在行業內贏得了廣泛關注和認可。自開通運營以來，ATO技術得到充分驗證，對保證列車運行安全、提高運輸效率發揮了關鍵作用［1］。

城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統由地面設備和車載設備構成，其中車載設備由ATP（列車自動防護系統）和ATO 構成，ATO 系統是在ATP系統的安全防護下，結合時間調整命令、前方信號狀態、軌道線路條件等因素自動計算列車的目標運行模式曲線［2］。ATO 系統在不超速、不觸發ATP緊急制動的前提下，通過高效、經濟、合理的控車策略控制列車的牽引和制動，自動調節控制列車運行，提高列車運行效率，滿足站間運行間隔、到站精度、乘客舒適性等性能要求［3］。

ATO 系統的控車策略實質是依靠事先給定的目標速度曲線，由控制系統實時自動調整列車的運行速度，實現列車實際運行速度對給定目標速度的精確跟蹤，其中最主要的任務是高精度速度跟蹤控制器及控制算法的設計，以及對列車運行狀態的建模［4?6］。目前有許多控制策略應用于ATO 系統的速度跟蹤控制中，如經典PID 控制［5］、模糊控制［7］、遺傳算法控制［8］、滑模PID 組合控制［2］等。經典PID 控制器將設定值和輸出值的偏差按照積分、微分和比例進行控制，這種方法在控制速度時加減速切換次數過多，不利于控制列車平穩運行；模糊控制器通過估計下一時刻的安全度、運行速度、停車精度等指標選擇相應的控制量，可以實現多目標控制，但控制過程參數不斷變化，易造成由于對參數估計不當而導致控制效果較差；遺傳算法控制器適用于復雜和非線性系統，可做到自適應控制，但其穩定性較差，同樣不利于控制列車平穩運行。而滑模PID組合控制器具有魯棒性好和自適應的特點，能夠實現ATO 系統對目標曲線快速且平滑的跟蹤。

良好的ATO 系統控車策略除了對于列車的高效、節能運行具有重要意義外，對乘客在乘車過程中的體驗感尤其是舒適性方面也非常重要。本文針對珠三角城際線CTCS2-200K+ATO 車載在列車運行過程中控車舒適性欠佳問題，在探討城際鐵路CTCS2+ATO 系統控車策略及控車舒適性的基礎上，分析造成該問題的原因，并提出基于滑模PID組合控制器的ATO系統控制策略優化方案。

1 城際鐵路CTCS2+ATO系統控車策略

本文所述ATO 系統的控制策略采用滑模PID組合控制器，其結構見圖1。滑模PID 組合控制器由滑模控制器（Sliding Mode Control，SMC）和PID 控制器兩部分組成。滑模控制器是一種特殊類型的變結構非線性控制，其核心思想是設計一個切換超平面，使系統狀態沿著預設的滑動模態運動，具有對參數變化及擾動不靈敏、無需系統在線辨識、控制策略簡單易實現等優點。雖然SMC 的切換具有理想開關特性，但是實際上由于外界干擾和模型誤差等原因，SMC 很難達到理想開關特性，使得在滑模切換過程中系統容易出現較大的抖動。而PID控制器是一種誤差反饋調節器，可將前級滑模控制輸出與列車實時測量的實際加速度的偏差按比例、積分和微分進行控制［2］。將滑模控制器與PID 控制器進行組合，可以改善系統的穩態特性，削弱甚至消除滑模控制器的抖動，提高對列車的控制精度。

圖1 滑模PID組合控制器結構

控制器模型及其參數：

式中：ac(t)為目標控車加速度，即通過列車牽引制動控制系統期望得到的加速度；asl(t)為滑模控制器的輸出；acu(t)為實時測量的列車加速度；acl(t)為滑模控制器輸出值與列車加速度實時測量值的偏差；aref(t)為目標加速度，即ATO 系統控車時根據列車當前位置、速度、加速度、目標點距離、目標點限速、列車牽引制動性能等實時計算得到的目標參考速度曲線中所對應的加速度值；ve(t)為列車當前速度與目標速度之間的偏差值；ae(t)為列車當前加速度與目標加速度之間的偏差值；k為靜態增益；kp、ki、kd分別為比例系數、積分系數和微分系數，其值分別為0.1、0.05 和0；k?v和k?a分別為速度滑模增益和加速度滑模增益，其值分別為0.6和0.3。

2 ATO控車舒適性

評價ATO 系統的主要指標包括準點率、停車精度、舒適性和耗能。其中，準點率、停車精度和耗能情況是較為客觀的評價指標，而舒適性主要是指乘客在乘車過程中的感受，是一種較為主觀的評價指標。

2.1 舒適性評價

從廣義上來講，乘車過程中對舒適性的評價可能受到多種因素影響，不僅包括列車本身的振動、沖擊、空間設計等，還包括諸如車廂內的噪聲、人流量的大小、溫度、濕度、空氣清新度等環境因素。除此之外，與乘客本身的身體健康狀態和心理狀態也有密切關系［8］。從狹義上來講，舒適性主要指乘客對列車運行平穩性的感受。本文主要針對狹義上的舒適性進行研究和分析。

針對乘客乘坐舒適性要求，目前有國際標準化組織（ISO）提出的ISO2631 標準和國際鐵路聯盟（UIC）提出的UIC513 標準［9］；國內《城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統暫行總體技術方案》［10］中明確ATO 系統控制列車減速度的變化率（即沖擊率）宜小于0.75 m/s3。

當前較多研究都將沖擊率大小作為評價指標。文獻［11］在對自動駕駛算法舒適性進行仿真分析時，將啟動和停車時的沖擊率不高于0.5 m/s3，以及其他階段的沖擊率不高于0.4 m/s3作為是否滿足舒適性要求的判斷依據；文獻［12］針對天津2 號線列車前期調試存在舒適性較差的情況，以沖擊率為基礎，分析認為主要原因是車鉤緩沖裝置存在沖動和異響，以及ATO 模式下頻繁牽引制動引起的沖動加劇。但其他研究表明，人體在隨列車運動過程中，前后方向的加速度也會對生理產生影響［13?14］。當列車持續加速或者減速時，人體在慣性力的作用下，可能會出現呼吸困難、惡心、心跳加快、心慌等不適癥狀；而頭部和上身會傾斜，可能導致頸部和背部肌肉的疲勞。加速度對人體的影響也是符合直觀感受的，即乘客長時間在以較大加速度運行的載體環境中會感到不適。

因此，本文提出在ATO 控車設計過程中考慮舒適性時，除了要考慮沖擊率，也需要考慮控車過程中的加速度大小。

2.2 不同控車階段的舒適性

ATO 系統根據預編程的控制算法，通過控制加/減速來實現列車的自動運行控制功能。一次完整的ATO 站間運行過程主要包含加速啟動發車階段、恒速巡航階段和減速停車階段。

1）加速啟動發車階段。在列車啟動加速過程中，如果牽引力突然增加到最大值，會導致加速度及沖擊率過大，引起乘客身體不適。因此，為了提高舒適性，ATO系統應控制列車逐步增加牽引力，使加速度逐漸增加并保持在適當的范圍內，同時應當在調整級位時保持一定的時間間隔。

2）恒速巡航階段。在該階段，ATO 系統控車的目標是使列車以相對恒定的速度運行，在此過程中需要頻繁地控制列車進行加速（惰行過程中列車由于受到阻力會緩慢減速），但使用較大的牽引級位加速雖然會提升運行效率但影響控車的舒適性。因此，一個舒適性較好的恒速巡航過程為：①當列車速度低于目標速度下限時，ATO系統先控制列車逐級增加牽引級位，保持一定時間后再逐級減小牽引級位，使列車加速至目標速度；②當列車加速至目標速度上限時，ATO控制列車從大到小逐級撤銷牽引，直至列車開始惰行；③當列車惰性一段時間后速度降低至目標速度下限，再重復①和②的過程，使列車速度在目標速度上下一定范圍內波動。

3）減速停車階段。列車減速進站停車包含2 個過程：進入站臺前的區間制動階段和進入站臺后的制動停車階段。在區間制動階段，為了控制列車平穩減速從而提高控車舒適性，ATO 系統根據連續速度-距離模式曲線，從合適的位置開始，提前對列車從小到大逐級增大制動級位；在接近目標限速點時，再從大到小逐級撤銷制動，最終以較小制動或者依靠惰行，平穩控制列車在進入站臺前將速度降低至站臺限速以下。在進入站臺后的控車目標與區間制動階段類似，為保證停車準確度并兼顧舒適性，在接近目標停車點時應以小級位制動結合惰行方式控制列車減速停車。

3 案例分析

珠三角城際鐵路ATO 系統（車載為CTCS2-200K+ATO）在區間制動減速進站階段控車舒適性欠佳問題較為突出。

3.1 減速前控車策略分析

進站前ATO 系統控制列車從160 km/h 降至80 km/h 的過程見圖2。圖2 中，紅色線段為列車實際速度，黃色線段為列車實際加速度。列車減速時，為保證舒適度，控制命令曲線需平緩地變化，當發現列車接近進站停車點一定距離時，應提前將牽引命令逐漸減小到零，準備進行小制動或者利用惰性減速，維持列車速度平穩變化。但由圖2 可以看出，ATO 系統控制列車從恒速區進入降速區前并未提前準備減速，而是按照正常的控車指令進行速度跟隨，導致在進入減速區前有加速趨勢后直接開始制動減速，初始減速度較大且減速過程中減速度波動較大，乘客舒適性體驗較差。

圖2 進站前ATO降速過程

3.2 減速過程分析

圖3 所示為一個典型的站前減速過程，其中青色線為ATO 系統控車的目標速度，黑色線為列車速度，黃色線為列車減速度。在站臺停車過程之前是站前減速過程，制動初始階段列車減速度比較大，其絕對值通常可達到0.8 m/s2以上。站前減速限制點（Non_vital_train_limit_speed）的計算配置見表1。表1中，80 km/h為距離運營停車點1 000 m時的站臺限速，200 km/h為距離運營停車點2 850 m時的區間限速。

表1 站前減速限制點計算配置

圖3 站前減速過程中列車減速度變化曲線

根據表1 的配置，速度與距離是線性關系（減速過程是一個變減速過程，且初始階段減速度較大），根據運營停車點距離，通過線性插值方式計算站前減速限制點處的速度v為

式中：s為當前列車位置距停車點的距離；v1為區間限速；v2為站臺限速；s1為從區間限速到站臺限速開始的減速點；s2為站臺限速起點。

將列車運行至距離運營停車點2 850 m（即s1的位置）的時刻記為開始減速時間原點，將s1的位置記為開始減速點（即走行距離原點），記st為列車距開始減速點的走行距離，st，1為開始減速點（則st，1=0 m），st，2為站臺限速起點（則st，2=1 850 m），則可將式（4）轉化為

式中：取v1=200 km/h（換算為m/s），v2=80 km/h（換算為m/s），記則k≈ 0.018。

將式（5）簡化為

對式（6）求導得a= -kv，進一步求導可得

解式（7）可得

根據式（8），則站前減速度變化過程如圖4 中的紅色線所示，其初始值為-1 m/s2，終點值為-0.4 m/s2，減速過程總時間為50.8 s，制動初始階段減速度比較大且平均減速度也較大。顯然，如果要達到勻減速過程，那么距離與速度之間的映射應該按照二次平方關系進行配置。

圖4 速度和距離線性配置時的變化曲線

綜上分析，在列車進站過程中影響乘客舒適性體驗的原因主要有2 個：一是列車在開始減速前可能會有一段加速期；二是列車從區間高速巡航狀態結束時直接從加速狀態變為減速進站狀態，導致制動初始階段及持續的減速過程中減速度及其變化偏大，影響舒適性。

4 優化方案

通過上述分析，針對減速進站階段舒適性欠佳的問題，優化方案整體思路如下。

1）調整ATO 系統部分控制參數，使減速過程更加平緩，提高舒適性。

2）盡可能減小加速度的變化率。

4.1 減速前控車策略優化

車載信號計算的控制命令由兩部分組成：滑模參考控制命令和閉環誤差調整命令。降低列車高速運行時的滑模增益系數，可避免控制命令飽和。牽引工況下，滑模增益系數減小后的滑模參考控制命令見圖5。圖5 中，紅色線為牽引等級（牽引等級范圍為0～10 級，等級越高相應的牽引力越大，列車加速越快），黃色線為列車速度，綠色線為滑模參考控制命令，藍色線為誤差積分調整命令。從圖5 可以看出，控制命令始終在7 級以下，而優化之前牽引等級最大可達到10 級。這是由于滑模參考控制命令不再進入飽和狀態，閉環誤差積分調整命令起主要作用，消除了坡度等各種誤差因素。隨著積分的累積作用，列車速度逐漸趨近目標速度，當列車速度距目標速度小于2 km/h 時，立即撤銷牽引，則牽引等級最大變化范圍是從7 級降到0 級，相比于優化之前從10級直接降到0級，頓挫感會有所改善。

圖5 牽引工況下滑模增益系數減小后的滑模參考控制命令

4.2 減速過程控車優化

為實現勻減速的站前減速過程，將速度與距離的關系按照二次函數進行映射，見圖6。從圖6 可以看出，在進站過程中速度曲線更加平緩。進行線性近似分段后可得優化后的Non_vital_train_lim?it_speed（非安全列車限速），見表2。

表2 優化后的Non_vital_train_limit_speed

圖6 優化后的速度和距離關系

通過對比發現，優化后的進站減速階段相比于優化前提前了約843 m，故在保證距離停車點1 000 m 可以降速到80 km/h 的前提下，ATO 系統可以在初始階段以更小的減速度控制列車減速。優化后一個典型站前勻減速過程見圖7。圖7 中，蘭色線為ATO 系統控車的目標速度，黑色線為列車速度，黃色線為列車減速度。對比圖7 和圖3，優化后列車在進站過程中，ATO系統在初始制動階段減速度最大不超過0.6 m/s2，減速過程較為平緩，提高了ATO系統控車的舒適性。

圖7 站前勻減速過程

5 現場驗證

圖8 所示為列車進站前在同一地點ATO 系統控車策略優化前后的日志對比。從圖8 可以看出，優化后的制動曲線更加平滑，減速度更加穩定，降低了該階段的沖擊率，舒適性得到有效提升。具體表現在以下2個方面。

1）優化前的速度曲線在減速階段會有一個速度增大的時間段，但優化后的速度曲線更加平滑，是一個連貫的減速過程。

2）優化后的加速度曲線更加穩定。優化前，在列車開始減速后有一個加速過程，其后開始持續減速，但加速度值在-0.4～-0.7 m/s2之間變化。優化后的加速度值在開始減速前基本為0，在開始減速后，在約6 s內的加速度值由0減小到-0.5 m/s2，且基本穩定在-0.4～-0.5 m/s2，其沖擊率約為0.09 m/s3。

6 結論

針對珠三角城際CTCS2+ATO 列控系統控制列車減速進站過程中舒適性欠佳問題，對進站前ATO 的控車策略進行了優化，其中針對列車進站進入降速區前存在異常加速而導致的沖擊率過大問題，采取降低列車高速運行時的滑模增益系數避免控制命令飽和的優化方案；針對站前減速過程速度與距離采用線性關系導致減速過程不平穩問題，提出將速度與距離關系按照二次函數進行映射的優化方案。通過現場驗證，ATO 控車進站停車減速過程更加平緩，舒適性得到顯著提升，達到了預期效果，可為ATO 系統控車曲線的優化提供參考。但ATO 系統控車舒適性的提升是一個逐步完善的過程，后續仍需持續分析和研究優化策略，以不斷提升乘客舒適性。