城市轨道交通列车自动控制原理简述

李翔

（浙江众合科技股份有限公司 信号事业部 浙江杭州 310000）

摘 要：在城市轨道系统中，列车运行的自动控制是整个机电系统中最核心的部分之一。本文将从城市轨道交通信号系统的角度简要描述列车自动控制的主要元素和实现方式。同时，简单指出在列车的自动控制过程中需要注意的其它问题。

关键词：城市轨道；交通列车；自动控制

1列车自动控制的主要元素：

信号系统为了按照运营需求实现列车运行的自动控制，主要需要以下几个要素：

列车当前的速度

列车当前的位置

列车当前的目标停车点

1.1列车当前的速度

列车通过读取轮轴上安装的速度传感器直接获得实时速度。为了获得更为准确的速度值，一般情况下，速度传感器都安装在非动力轴上以防止突然的制动或牵引可能引起的打滑或空转对速度探测准确性的影响。即便如此，因为各种原因，列车非动力轴的打滑和空转仍旧不可避免。因此，信号系统一般仍旧会通过加速度计或者雷达等设备对上述情况下的速度进行补偿已保证速度探测的准确性。

1.2列车当前的位置

在整条线路的设计之初，设计单位根据线路情况会定义本条线路的设计0点，以此为基础使用公里标来定义轨道线路上相关元素的位置。例如：某站台的停车位置为12KM+456.34M。列车确定当前位置的常用方法是通过读取线路上按照一定规则布置的位置信标来获取基准位置，在此基础上通过实时速度的积分运算来更新实时位置。

1.3列车当前的目标停车点

列车的目标停车点由信号系统的其它部分通过整个轨道系统的整体情况实时计算得出，并通过网络发送至列车。一般情况下，列车的目标停车点都为下一站的站台位置。在站台出现问题或前方轨道有列车占用等情况下，列车当前的目标停车点有可能会被设置在区间。

2列车自动控制的实现方式：

信号系统的主要目标之一就是根据时运营需求来控制列车。其实在安全前提下，以最高的效率使列车运行至下一停车点是自动控制核心任务，完成这个任务需要三个步骤：

采集相关信息得到目标运行曲线；

控制车辆以目标曲线完成运行；

站台精确停车。

2.1目标运行曲线的形成：

以一次正常的停站过程为例：当列车从本站完成上客和站台的开关门操作后，信号系统会检测本站至下一站的路径上是否存在异常、下一站的站台情况是否正常。正常情况下，系统将判断列车应正常行驶至下一站停车点。

同时，为了使列车更快速地到达下一站停车点，在安全的前提下，系统將尽量使列车高速运行。这些需要考虑地安全因素主要有：线路允许运行的最高速度，列车最大的制动率，因为弯道或防震的要求而在线路上人为设置的限速等。

经过以上过程，系统将在内部生成一条速度-距离的目标控曲线，见图：

值得指出的是：因为列车速度、位置可能会因为各种原因与预计的数值不同，线路实际情况也可能在列车运行过程中发生变化，所以上述目标控制曲线是基于列车当前的速度、位置以及线路情况而实时计算并更新的。

2.2控制车辆以目标曲线运行：

控制车辆以目标曲线运行的核心就是实时控制列车的速度。信号的控制系统与列车通过列车管理系统进行接口，通过该接口将牵引和制动指令实时发送至车辆，车辆按照收到的指令对列车进行实时操控。

为了实现精确控制的目的，发送给车辆的牵引和制动指令在时间和精度上的要求都非常高。指令的更新周期要求为毫秒级，制动和牵引力的指令为百级以上（人工驾驶时一般牵引为4级，制动为7级）。

列车速度的实时控制采用传统的比例积分微分处理器进行闭环控制。控制系统实时对比观测速度与给定速度的差值，通过比例积分计算得出此刻需要的牵引或制动力，实时传输给列车执行。下一个运算周期再观察列车变化后的速度并再一次与变化后的给定速度进行对比和计算，进而更新牵引或制动指令。以此实现列车速度的实时控制。

2.3站台精确停车

当列车运行至距离车站一段距离的预设位置时，就会初始化程序进入站台停车过程。站台停车过程与两站之间的区间运行过程的控制理念从原理上基本一致，但精度要求更高。

一般情况下：城市轨道要求的站台停车位置精度为±30CM，为了满足停车精度，会在站台区域停车点前按照一定的原则布置更多的位置信标以更频繁地校准列车的绝对位置以减少列车的定位误差以达到精确停车的目的。

一旦列车停止，CC会发出制动力要求（通常为70%的制动力）来禁止列车移动以保证列车停稳在站台。至此，一次正常的停站过程就完成了。

3列车自动控制的需考虑的其它问题

在实际应用中，除了通过实时的自动控制将列车运行至目标停车点以外，控制系统还要兼顾考虑很多其它问题。常见的问题有舒适性、节能、安全防护等。

为了保证列车上乘客的乘车舒适性，控制系统通过限制列车运行的冲击率（加速度的变化率，常用单位为m/s3）来达到目的。冲击率分为与行车方向同向的纵向冲击率和与运行方向垂直的横向向冲击率。为了限制列车运行的冲击率，控制系统实时发送给列车的牵引和制动指令的变化率将有一定的限制。

节能方面，控制系统通过全局考虑，在生成目标控制曲线时，首先尽量增加整个列车运行过程中惰行的时间，减少牵引和制动的次数以减少动力使用。其次在牵引和制动的过程中尽量减少牵引和制动力变化的幅度以减少为了抵抗惯性所耗费的动力。

故障防护的主要原则就是在发现不安全因素时，控制系统将列车停止下来提示相关人员进行安全状态确认或隐患排除。常见不安全因素有：

控制系统本身故障；

列车牵引/制动系统故障；

列车车门或站台屏蔽门非正常打开；

前方轨道突然出现异物占用；

车辆或站台上设置的紧急停车按钮被按下等。

4总结：

可见，列车的自动控制主要是在考虑安全和效率等因素的前提下，基于精确的位置和速度判断，结合整个线路的动态高频率地更新控制指令以满足列车自动运行的需求。

参考文献：

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