城市轨道交通列车自动控制停站舒适度研究.pdf

第6 期城市轨道交通列车自动控制停站舒适度研究黄璞张琨杜庆（1.浙江众合科技股份有限公司，3 10 0 51，杭州；2.新誉庞巴迪信号系统有限公司，2 13 16 6，常州/第一作者，工程师）摘要针对城市轨道交通列车在采用自动控制技术停站过程中乘客舒适性较差的现象，提出了通过提升车辆跟随性，以及改善ATO（列车自动运行）控制算法来提高ATO停站舒适度的措施。对ATO停站舒适度进行了分析，列车制动舒适度需满足列车纵向冲击率0.7 5m/s；通过人工驾驶列车运行试验得出将列车制动级位控制在40%以内时，乘客舒适度体感更舒适；对列车停站过程中空气制动对车辆跟随性的影响进行了分析，提出在列车停站过程中采用纯电制动的措施提升列车跟随性改善舒适度的方法；提出改善ATO控制算法，采用PID（比例-积分-微分）控制算法调整参数，来改善ATO控车曲线使列车以较小制动级位停车。在此基础上，优化了PID控制算法，选择自适应PID控制算法。较传统PID控制算法，自适应PID控制算法可更高效地解决舒适度难题。关键词城市轨道交通；全自动运行；列车；停站舒适度中图分类号U284.48DOI:10.16037/j.1007 869x.2023.06.007Research on Urban Rail Transit Train Stop-ping Comfort Level under Automatic ControlHUANG Pu,ZHANG Kun,DU QingAbstract Targeting the phenomenon that passengers are ex-periencing poor comfort in the process of urban rail transit trainstopping at station using automatic control technology,meas-ures to improve the train stopping comfort level in ATO(auto-matic train operation)mode through increasing vehicle follow-ability and optimizing ATO control algorithm are proposed.From analysis of ATO train stopping comfort level,the trainbraking comfort should meet the condition of train longitudinalimpact rate 0.75 m/s;through manual operation test,it isconcluded that passengers can experience more physical com-fort when train brake level is controlled under 40%;the influ-ence of air braking on vehicle followability during train stop-ping process is analyzed,and the measure of pure electric bra-king is adopted to elevate train followability during station stop-ping process which in turn improves the comfort level;an im-proved ATO control algorithm is proposed,and PID(propor-tion-integration-differentiation)control algorithm is used to ad-just parameters to optimize ATO train control curve so that thetrain stops at a lower brake level.On this basis,the PID con-trol algorithm is optimized,and the self-adaptive PID controlalgorithm is selected.Compared with the conventional PIDcontrol algorithm,the comfort issue can be treated more effi-ciently with self-adaptive PID control algorithm.Key wordsurban rail transit;fully automatic operation;train;comfort level of train stoppingFirst-authors address UniTTEC Co.,Ltd.,310051,Hangzhou,ChinaFAO（全自动运行）技术的应用，减轻了驾驶员劳动强度，降低了人为误操作风险，提升了运营效率。但在列车FAO过程中，由于软件控车逻辑以及驾驶员在操作性上存在差异，列车的舒适度无法与娴熟驾驶员的人工驾驶相媲美。尤其在站台对标停站过程中,受限于停站精度的要求,ATO（列车自动运行)系统控车停站时易产生顿挫感，舒适度较差。近年来随着人工智能技术、数据挖掘技术的不断成熟，ATO系统控车的舒适度将大为改善。1ATO停站原理1.1停站原理概述ATO根据预编程的控制算法,通过控制列车的加、减速来实现列车的FAO功能。列车运行的工况主要有牵引、制动、惰行、起动和停站。完整的一次ATO站间运行过程，均由不同工况相结合形成。ATO根据ATP（列车自动防护）系统授权速度,结合线路设计计算出相对应的ATO速度曲线，如图1所示。ATO控车时，由于新建站台均安装了站台门，要求ATO系统必须实现不影响乘客上、下车效率的站台精确停车。目前各项目规定停车精度需在0.3m内 。停站过程中,ATO系统需与车辆牵引系统、制动系统通过TCMS（列车控制与管理系统）接口进行数据交换，以及间接通过轨旁ATC（列39口城市轨道交通翼车自动控制）系统与站台门系统建立数据连接。ATO系统架构如图2 所示。速度ATP授权速度安全速度差ATO速度曲线站台区域边界一一a）速度-时间关系加速度牵引一起动b）加速度-时间关系图1ATO站间运行速度、加速度随时间变化曲线Fig.1 Curve of ATO station interval operating speed andacceleration changing over time轨旁ATC系统站台屏蔽门系统Fig.2ATO system architecture1.2ATO停站技术方案ATO的主要功能是控制列车速度和位移,使列车在最优行车间隔及最佳节能模式下实现最精确停车。列车在区间运行过程中,ATO系统在ATS（列车自动监控）系统下发的运行曲线中选择与发车和到站时间最匹配的运行曲线，使列车按照运行图规定的区间走行时分行车，从而自动完成对列车的牵引、制动、惰行等工况的控制，从而实现列车准点运行 2 。当ATO系统控制列车由区间接近站台时,对于非系统设定的跳停站，根据已存储的线路电子地图信息，更新ATO目标停车点、左/右侧开门等信息。当列车通过站台应答器时，车载应答器传输模块将准确的定位信息发送给车载信号设备，车载信号设备利用定位信息将对列车位置进行精确校准，从而减少ATO控制列车停站的误差值。.402023年列车停站过程中，ATO系统将根据列车当前速度、预定的制动率、当前位置与停车点距离的差值计算出停站速度曲线，从而通过改变所需的牵引力与制动力来控制列车遵循此曲线停车。目前，主流信号厂家在设计ATO停站逻辑时，为提升停站效率停站速度曲线均采用到站一次制动的方式，即以恒定减速度的方式进行列车制动，同时在停站前对制动率微调以保精确停车点时间情行立站停时间情行制动车载ATC系统ATOATP外部传感器注：为定位应答器。图 2 ATO系统架构障列车精确停车。典型的ATO车站停车曲线如图3所示。速度制动ATO速度曲线，（加速度为固定值）微调区域0图3 典型的ATO车站停车曲线Fig.3 Curve of typical ATO station stopping牵引系统TCMS接口制动系统ATP授权速度1.3ATO停站的关键技术ATO停站在整个运行过程中需满足准点性、舒适度、节能性的要求。而在列车停站过程中,基于站台区域的特殊性以及满足乘客上、下车的客服需求，ATO停站需满足以下关键技术要求：1）列车精确停车要求。精确停车是实现乘客在站台高效上、下车的保证，即车门要能够完整地对乘客开放。为提升ATO停站精度，各信号系统厂商已进行了深入研究，典型的如泰雷兹的接近盘辅助停车方式、阿尔斯通及早期阿尔卡特的感应环线停车方式，以及目前通用的通过优化应答器布置的方式实现ATO精确停车。目前，国内外各主流信号系统厂家的ATO系统在列车停站过程中,均完全能满足列车停车精度在0.3 m内9 9.9 9%的性能指标要求。2）列车准点性要求。目前,城市轨道交通的运行密度大、运能高，,对列车运行过程的准点性要求非常高。对ATO系统而言，只有根据ATS系统的指挥保证准点运行，才能实现全系统的高效运行。ATO系统通过实时调整列车运行控制曲线，实现对列车运行准点性要求的满足。而列车准点性是其从起点站起动到在终点站停车的整个过程中，实际运行时间与计划运行时间的差值。在列车各站台精确停车点时间第6 期停站过程中，ATO系统通过到站一次制动的停站方式,采用一条恒定制动率的制动曲线可高效且以最少的时间实现列车停站过程。3）列车停站舒适度要求。在列车运行过程中，无论牵引、制动、惰行、起动及停站均应保证列车的平稳运行。尤其在停站过程中,ATO运行不平稳时将导致站立乘客摔伤事件的发生。但受限于对ATO精确停站的需求，停站舒适度的整体要求并不高。随着近年来ATO技术的不断成熟,ATO系统在列车精确停车及准点运行等方面已实现了成熟化运行，同时与乘客服务相关的停站舒适度要求也越来越受到乘客与FAO技术研究人员的重视。2ATO停站舒适度分析2.1列车舒适度表征方法列车作为公共交通运输工具，在ATO运行过程中,除了保证行车安全、运输效率外，还应保证乘客乘车舒适度，即在列车牵引、制动、惰行、起动和停站过程中,均应保证列车平稳运行，对站立或坐着的乘客均无不适感。但由于人与人之间的差别,不同的人对舒适度的感知程度不同,故提出用加速度的变化率，即冲击率直接表征舒适度 ：Jerk=Idt式中：Jek冲击率；a一-行车过程中的加速度；t一运行时间。式（1)中,Jerk值越小,乘客的舒适度越高。目前，我国城市轨道交通行业均以冲击率指标作为舒适度的衡量标准。GB504902016城市轨道交通技术规范规定：牵引及制动力变化时的冲击率应符合人体对加、减速度变化的适应性。GB/T7928一2 0 0 3 地铁车辆通用技术条件规定：列车纵向冲击率不应大于1.0 m/s3。中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会发布的CZJS/T0005一2015城市轨道交通车辆电空制动系统通用技术规范规定：制动冲击率为列车在制动力变化过程中瞬时减速度的变化率，列车常用制动的纵向冲击率不应大于0.7 5m/s3,紧急制动无冲动限制。ISO2631-1一1997 机械振动与冲击人体处于全身振动的评价第1部分：一般要求对舒适度的评定结果研宏技告如表1 所示。表1ISO2631-11997对舒适度的评定结果Tab.1Comfort level evaluation results by ISO 2631-1-1997舒适度等级振动加速度/(m/s）1级2.000参照ISO2631-