列車控制系統分析及研究

摘 要：列車控制系統作為軌道交通車輛的控制中樞，影響著列車乃至線路的正常運行關乎著乘客的生命財產安全，為更好地提高系統安全性、控制精度和節約能耗，本文闡述了列車控制系統的關鍵組成部分、各部分工作原理以及列車控制性能指標，在分析的基礎上提出了相應的優化策略，以期為工程應用和相關工作者提供有益的參考。

關鍵詞：列車控制系統 安全性 控制精度 節約能耗 優化策略

1 緒論

近年來，隨著社會經濟的增長和科技的進步，國家的交通事業得到了巨大的發展，尤其是以高速鐵路和城市軌道交通為代表的鐵路網絡，其憑借著舒適性、便捷性、高效性和安全性等特點逐漸成為人們日常出行的首選，而這背后都離不開軌道交通的核心關鍵設備列車控制系統的保駕護航。列車控制系統作為軌道車輛的“大腦”不斷為提高線路運載能力、保障行車安全和降低運行能耗而賦能，也成為眾多鐵路相關從業者關注和研究的焦點，肩負著軌道交通走向更加自動化和智慧化的使命。

2 列車運行控制系統

列車運行控制系統是軌道交通信號中必不可少的一部分，它作為信號系統最重要的組成部分其性能直接關乎著列車運行的安全以及整個鐵路運輸的正常運轉。其主要由列車自動駕駛系統（Automatic Train Operation，ATO），列車自動監視系統（Automatic Train Supervision，ATS），列車自動防護系統（Automatic Train Protectio，ATP）組成，共同協同完成對列車運行速度、位移、方向以及列車運行間隔的監督、控制和保護，實現列車的安全運行，提高線路的運輸效率，減輕人員操作強度，發揮鐵路運輸優勢。其每個子系統都獨立于其他兩個子系統完成有關功能。

2.1 組成部分

2.1.1 ATP系統的組成和功能

ATP子系統主要由車載設備、軌旁設備和車載與軌旁之間互通信息的傳輸通道組成。其中車載系統主要由ATP車載單元、測速裝置和接收發裝置構成，其主體邏輯計算機一般采用2乘2取2、3取2的安全冗余結構或具備安全算法體系的雙機熱備系統。軌旁設備主要由軌道空閑檢測裝置等ATP軌旁單元和其相關的接受發裝置構成。

車載設備主要控制列車，軌旁設備主要提供基層的安全信息。其主要實現如下功能。速度監督和超速防護：ATP車載設備通過軌旁設備傳輸列車目標速度、最大允許線路速度和線路坡度等數據計算列車列車允許速度，并將列車運行所需的數據通過駕駛室的人機交互界面顯示給司機。測速與測距：列車速度和距離的測量是車載設備的關鍵作用。測速主要有系統測量和車載設備自測兩種方式，通常需要兩路測速來保證測速系統的準確性。測距對于列車安全至關重要，主要通過ATP車載設備連續測量列車行駛的距離，隨時查找列車的位置。車門與站臺安全門的控制：通常當列車沒有停穩在站臺或車輛段轉換軌上時，ATP系統不允許車門開啟。當列車在車站的預定停車區域內停穩且停車點的誤差在允許范圍內時，ATP系統才會允許車門操作。列車檢測：通過軌道電路和計軸器等ATP軌旁設備作為列車檢測設備，通過發送不同的信息檢測區段是否有車占用。停車點防護：停車點的監督以保證列車停在停車點（不超過停車點）為目的。按照列車至停車點的距離，列車的速度限制連續地改變，并通過一條最終為零的制動曲線實施。

2.1.2 ATS系統的組成和功能

ATS主要由控制中心ATS設備，車載ATS設備，車站ATS 設備組成。實現列車監視和跟蹤功能，列車自動排列進路功能，列車追蹤間隔調整功能，列車運行模擬仿真功能，列車運行重放功能，事件記錄、生成和報表打印功能，報警功能和接口功能。主要可以分為監督和控制兩部分。

列車自動監控系統的監督功能則是將列車運營的狀態和信息，通過控制中心或各車站的調度終端，實時顯示出來，控制中心或各車站的調度員可以通過這些調度終端屏幕，實時了解和掌握列車的實際運行情況，以便及時對行車作業進行分析和調整，保證全線運營安全高效有序進行。

列車自動監控系統的控制功能，是由列車自動監控系統向列車自動防護系統和列車自動駕駛系統，發出指令辦理列車進路，指揮控制列車按照列車運行圖運行。列車自動監控系統可以繪制列車實跡運行圖，并動態地對偏離運行圖的列車進行調整。

2.1.3 ATO系統的組成和功能

鐵路ATO系統主要是在列控系統的基礎上，車載增加ATO單元、通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）電臺及相關配套設備，地面在車站終端設備改造系統（Terminal Station Retrofit System，TSRS）等設備上增加功能，車站股道增加精確定位應答器。

ATO系統按照控制理論思想可歸納為雙層閉環控制系統，上層為策略層系統根據列車運行計劃，當前運行速度，以及接受來自ATP系統的線路限速和目標速度等信息，實時計算列車達到目標限速值所需要的牽引力或者制動力的大小，通過列車接口電路傳導至列車的控制層，其控制牽引系統或者制動系統完成對列車的加速或者減速作業。實現自動駕駛控制。地面設置專用精確定位應答器實現精確定位，地面設備通過GPRS通信實現站臺門控制、站間數據發送和列車運行計劃處理。與ATP系統為列車運行提供安全保障相比，ATO系統可對列車的運行進行平穩控制，能夠保證列車運行的高效和舒適性，是提高列車運行水平的重要技術支撐。

該系統主要功能包括：車站自動發車——即使用牽引系統實現啟動和加速列車的過程；區間自動運行——即根據牽引或者制動力跟蹤目標速度的區間速度調節和運行的過程；車站自動停車——制動系統根據ATO生成的制動曲線施加一定的制動力來確保定點停車的控制過程；車門自動開門〈防護〉車門/站臺門聯動控制——即系統控制車門和站臺門的開閉操作。列車進站停車后，信號車載ATP發出允許開門命令，并發送報文給ATO系統后將開啟列車車門，報文經過通信通道傳遞后觸發站臺防護門的開啟。人工操作或預設停站時間到時將觸發車門的關閉動作。

2.2 列車運行的性能指標

列車自動駕駛的控制策略研究目的是取代人工駕駛模式下往往依靠經驗進行的駕駛行為，在確保列車安全運行的前途條件下，最大限度的提高和改善其運行品質。而列車運行的性能指標的提出既可以作為控制目標引導控制系統不斷完善和改良達到相應指標要求，又可以作為衡量控制器性能優劣的評價準則。其運行品質可以具體分為如下方面：

2.2.1 停車精度

停車精度為列車到站停車點與標準停車點的距離誤差，目前站內停車精度要求為小于±30cm。精確停車不僅可以保證旅客正常上下車，而且關乎列車車門的正常開啟。尤其對于安裝屏蔽門的站臺，能否精確停車關乎車門與站臺門的聯動控制能否正常開關操作以及整個列車行車計劃能否正常進行。

2.2.2 舒適性

舒適性是由列車運行過程加速度的絕對值和變化率帶來的的沖擊決定的，絕對值和變化率的大小影響乘客的舒適性體驗。線路狀況和車輛狀況作為先天條件影響舒適性，但ATO系統可以設計合理控制算法作為應對策略來高舒適性。比如ATO算法根據線路信息合理的規劃當前速度和加速度值，盡量做到加減速平穩，避免頻繁的工況切換。

2.2.3 準時性

準時性要求列車按照列車運行時刻表的要求準點或者在可允許誤差誤差范圍時間內到站。列車運行時刻表按照運輸計劃進行列車編排，規定各列車在每個車站的停站和發車時刻。早晚點都會對整個運輸計劃或者列車運行安全造成影響，因此，ATO系統必須要有合理的控制策略通過運行速度的調整來確保安全的前提下完成運行計劃規定的時刻表。

2.2.4 節能性

節能性要求列車運行應在確保安全和準時性的前提下，盡可能降低能耗，提升運行的的經濟性和環保性。列車運行的能耗主要分為牽引能耗和車載設備能耗。節能性的優化提升主要是通過ATO控制策略來降低運行過程中的牽引能耗。因此，ATO控制策略應合理規劃列車運行工況盡可能減少制動以及運行的速度區間，將線路特性和列車慣性等因素綜合考慮進來，從而達到節能低碳運行。

3 改進策略

3.1 軟件層面的改進優化

3.1.1 控制算法的選擇與改進

通過分析，ATO的上層的策略層根據鐵路線路信息、列車運行狀態等實時計算列車的推薦速度曲線，再通過列車控制層相應的控制算法實現牽引和制動等控制信號的輸出追蹤目標速度曲線。因此，控制算法的選擇將關乎列車的控制精度和影響著列車的運行能耗，智能高效的控制算法將提高列車的準點性、舒適性以及停車精度和安全性。

傳統的控制算法主要是利用比例（P）、積分（I）和微分（D）的線性組合通過構成閉環反饋的結構將輸出結果與輸入目標作差后再產生消除此誤差的控制策略，其以結構簡單，穩定性高，工作可靠的方式最初廣泛應用于列車控制運行中，但隨著鐵路的發展，列車的非線性，多變量等特點越來越突出對控制算法的控制性能提出了更高要求，傳統的控制算法很難滿足實際的需求，因此，越來越多的研究將目光投向了現代控制算法和智能控制算法等復雜控制算法的結合。

現代控制算法在經典控制算法的基礎上將系統視作白盒，引進狀態變量，通過將系統輸入輸出與狀態變量建立聯系構建狀態方程增加控制的精度，而智能控制算法多以深度學習算法為主，即利用海量的數據通過構建神經網絡不斷的仿生學習，此算法不依賴受控模型，以其自適應強、決策快、智能化高等特點現階段開始廣泛應用于各種控制領域。

鑒于此，本文針對列車自動駕駛系統（ATO）的控制層，提出以下兩種優化的智能控制算法。算法一即利用韓京晶教授提出的自抗擾控制理論，自抗擾控制器主要由跟蹤微分器，非線性反饋控制律和狀態觀測器構成用替代傳統的PID控制器，利用跟蹤微分器的濾波作用來得到列車精確的速度位移跟蹤信號，其次利用非線性反饋控制律對目標信號進行拆解變換從而形成更精準的控制信號，最后通過狀態觀測器對輸出控制信號進行觀測，用以反饋給控制律進行改變調整輸出信號，從而實現對預定速度和位移的跟蹤。其二是借助強化學習算法，將列車目標速度和位移作為狀態空間，以列車的牽引力和制動力建立動作空間用以滿足強化學習中的馬爾科夫決策模型，其次建立列車的運行指標獎勵函數用以引導強化學習的方向，不斷提高控制精度和運行性能指標等運行品質。

3.1.2 目標運行曲線的優化和改進

列車目標曲線的優化主要取決于列車的運行工況。目前，列車的運行工況主要有牽引、惰性和制動三種工況，目標速度曲線的生成是這三種不同工況的混合組成。最常見的目標曲線生成策略有最小時分策略、最節能操縱策略和混合操縱策略，最小時分策略指在運行區間，在保證安全的前提下盡可能的縮短運行時間，但這會犧牲乘客的乘坐舒適度并增加相應的控制能耗；最節能操縱策略主要是利用線路上的坡度等地理信息結合當前的速度，最大可能利用列車的慣性來實現列車的最節能化運行，但這會降低線路的運行能力；混合策略就是兼顧多目標的一種控制策略，其最大的改進就是在工況轉換點處合理選擇時機進行工況切換，從而滿足多目標運行的需求。因此，針對當前鐵路運行的現狀，混合控制策略是一種較為智能化的目標曲線生成方法，但為了讓其適應日益復雜的運輸情況和線路狀態，需要對其控制細節進行優化。一是通過建立運行指標權重函數對舒適度、節能性、準點性和停車精度賦予相應的權重比例，依據早晚高峰情況、不同線路人流情況和節假日情況進行有針對性調整各個指標的權重系數從而生成更加高效的目標速度曲線，二是利用粒子群算法和遺傳算法等尋優算法結合司機駕駛經驗和線路限速要求對工況轉換點進行局部速度尋優，生成匹配權重函數的最優轉換點速度，進而生成目標速度曲線。

3.2 硬件層面的改進優化

3.2.1 硬件設備的維護與優化

算法改進可以提高設備的智慧化和自動化程度，但是這離不開硬件層面車載和地面設備的支持，“7.23”甬溫線重大交通事故就是由列控設備可靠性不高導致環境耐受性低導致的重大行車事故，因此為了提高行車安全性和保障列控系統正常運行，一是必須完善維護保養制度，對重點區域特殊環境下的區間設備進行及時重點檢修，嚴格管理設備故障登記與核銷。確保相關線路接口的正常。二是在通信傳輸設備方面，保證鐵路專用線的帶寬和信號穩定度，在必要區域增加信號干擾器，并選取更加可靠的傳輸總線等設備、采取冗余設備保障信息的接收和發送。

3.2.2 人員素質的提高

列車控制系統性能的發揮還離不開鐵路電務、工務人員的管理、運行和操作，2024年西安地鐵10號線在聯調聯試中發生追尾碰撞事故，調查結果表明這是一起典型的人為事故原因是由于操作人員沒有開啟列車防護系統和嚴格履行相應的操作手冊而造成的，因此，相關從業者的專業水平和素質至關重要，這不僅關乎設備的正常使用，更關乎鐵路運行的安全。針對此，必須加強從業者的培訓學習，設立嚴格的考試和考核制度，做到持證上崗，切實提高人員的專業性，并且建立嚴格的追責制度，責任落實到人，用制度和法律約束從業者行為，堅決扛起為鐵路運行的安全底線，保證發揮列車控制系統的功能作用。

4 結語

列車控制系統作為保障列車行車安全，提高鐵路運輸效率和經濟性的重要設備，正承載著更多的期望和發揮著越來越重要的作用。研究表明，列車控制系統的優化和改進是一項系統工程，需要研發、運行、維護等多方人員的齊心協力，更需要從設施設備到軟件算法的全方位提升。本文在分析列車控制系統的基礎上結合工程和技術應用現狀，從軟件層面和硬件層面對提高列車控制系統提出了切實可行的優化策略。期望未來，在科技和人才的雙重助推下，軌道交通將給人們帶來更安全、綠色，便捷的出行體驗，更好的助力交通強國的建設。

參考文獻：

[1]余祖俊，唐濤，李開成，等.智慧高速鐵路運行控制系統發展趨勢綜述[J].鐵道學報，2024，46（01）：1-12.

[2]張京.高速列車自動駕駛多目標優化的控制策略研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2022.

[3]馮晨江.基于自抗擾控制的高速列車自動駕駛的控制策略研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2023.

[4]李洋濤，喬恩，李小勇，等.列車控制與監視系統的功能安全通信研究與分析[J].鐵道機車車輛，2023，43（06）：62-69.