摘要:为了满足城市轨道交通系统快速、高效、准时、环保、人工成本低等要求,以车辆自动驾驶系统(Automatictrainoperation简称ATO)为控制核心的无人驾驶城市轨道交通系统成为各国专家研究的主要对象。ATO的成功运用使地面控制中心与城轨车辆间能够实时地进行数据采集,状态监测和控制,从而保证城轨车辆在最优状态下运行,较大程度地提高了城市轨道车辆的平均速度、停车准确性、运行能耗、旅客舒适度等多项指标,使得无人驾驶城轨车辆成为未来城市轨道交通系统的发展方向。在ATO模式下,研究无人驾驶城轨车辆的精确停车问题,不仅可以提高城轨车辆的停车精度,在改善列车安全性,保障列车运行时间,提高运营效率和准点率等方面也具有实际应用价值。
关键词:城轨车辆;精确停车;控制
1引言
近年来,随着我国城市化进程的蓬勃发展,城市规模迅速扩大,城市中人口总量越来越多,会使得人们越来越依赖对城市轨道交通系统的应用。城轨交通系统的兴起和快速发展较大程度地缓解了城市密集人口对地面公共交通系统的巨大压力,成为了解决城市交通拥挤、资源紧张等问题的强有效措施。因此对于城市轨道交通系统的深入研究有极大的必要性。
2无人驾驶城市轨道车辆的实现功能
(1)区间内临时停车当需要停车时,ATO系统会将接收到的停车位置和当前运行速度进行处理,使车辆会按照停车曲线进行临时停车。
(2)自动控制车辆速度根据不同的运行工况和环境条件自动控制车辆的运行速度,以确保车辆能够很好地跟踪运行目标曲线,减少车辆运行各工况之间的转换频率,降低能耗。
(3)控制车辆运行时间车辆站间运行时间是由ATS根据线路实际情况来制定的,当车辆在线路上运行时,要严格按照ATS进度表运行,以减少车辆的发车间隔时间。
(4)自动目标停车点制动当车辆接收到停车的命令后,ATO系统会根据ATP和ATS提供的相关运行信息来自动计算制动目标曲线,进而使车辆能够准确、平稳地停靠在目标停车点。
(5)车站自动发车当车辆在线路上自动运行时,ATO系统收到自ATP的发车命令后,车辆便由停止状态转换成启动状态,并在ATO系统的控制下紧随目标曲线进行运行,以保证车辆的运行性能。
(6)车门开闭当车辆到达停车点时,开关门信息由ATS进行信号确定,再通过ATP发送到ATO系统,并由ATO系统来控制车辆的开关门。
(7)无人自动折返是指车辆在自动驾驶模式下,通过ATO系统控制车辆从终点站返回始发站,中间无需司机控制。
3无人驾驶城轨车辆精确停车控制
假设车辆某一时刻,某一点处受制动力作用,开始制动。直到停车,则在此期间的行驶距离为车辆的制动距离。此外,在城轨车辆上的ATO系统,每间隔时间段会对运行中的车辆进行数据采集以方便下一步的决策,将其每次的数据采集时刻分别编号,为进站时刻第一次对城轨车辆进行数据采集,为城轨车辆完成停车操作前的最后一次数据采集时刻,这个数据采集时刻是城市轨道车辆不断进行决策,不断变化决策量的关键时间点。城轨车辆制动过程中数据采集点的设置,即数据采集时间间隔的设定作了一定规划,当车辆接收到停车的命令后,ATO系统会根据ATP和ATS提供的相关运行信息来自动计算制动目标曲线,进而使车辆能够准确、平稳地停靠在目标停车点。停车的精确化。ATO的成功运用使地面控制中心与城轨车辆间能够实时地进行数据采集,状态监测和控制,从而保证城轨车辆在最优状态下运行。
制动阶段ATO的数据采集点是以停车处作为基点,即该处应城轨车辆的制动距离为0m。
3.1不同情况下的制动
城轨车辆ATO系统可以代替人工驾驶,从而提高车辆的运行效率,降低能耗,但目前已投入使用的ATO系统主要以PID控制为主,其控制车辆运行时,加速度切换次数频繁,降低乘坐舒适度,增加能耗。因此,我们需要探索更好的智能控制算法和控制策略,以提高城轨车辆ATO系统的智能性,满足城轨车辆运行节能性、舒适性等性能指标的要求,更好地满足国内的实际情况,以解决城市的运行不畅的问题。计算时按照城轨车辆在每个数据采集时刻之间做匀变速直线运动来进行计算。算法在每一个数据采集时刻会计算得到几个制动率:首先是理论加速度,根据运动学公式,车辆进站后开始做匀减速运动,如只考虑当前采集时刻点和最后一个采集时刻点的运动关系,最终从算法运算模块输出,输入城轨车辆制动模块的加速度为操作加速度,该操作加速度可能与理论加速度相等,也可能与实际和理论加速度都不相等,这要根据算法来决定。
3.2不同制动策略的计算与分析
停车精度是衡量ATO系统的一项十分重要的性能指标,一般地要求城轨车辆的实际停车位置在实现指定停车位的[-0.3m,0.3m]范围之内。停车精确度的重要性主要在于,其不仅直接影响着乘客的正常换乘,城轨车辆的停发车准点率,在停车精确度不高的情况下更会影响到乘客的人身安全。停车精度同时也影响城轨车辆与地面控制系统的通信,所以要求ATO必须确保城轨车辆在进站制动阶段能够具有较高的停车精度,以保证车辆的安全、有效运行。城轨车辆运行安全性是指车辆在线路区间内运行,当城轨车辆实际运行速度发生变化时,不会超过线路限速规定的最高运行速度,从而保证车辆运行的安全性。制动策略与上一小节中的加速度关系密切,并且与理论加速度关系模切。当城轨车辆运行加速度发生变化时,乘客会通过身体感受到,从而表现为舒适或不舒适。目前,舒适度主要通过乘客的主观感受来衡量,因此,舒适度的评价因人而异。因此,采用目标函数不变,但需要求出目标函数的一阶和二阶导数,并加入约束条件的方法。
3.3城市轨道车辆控制
由于在制动过程中车辆既要受到复杂的外部扰动,同时其内部结构参数也存在摄动现象,从而导致一般情况下难以建立绝对精确的城市轨道车辆精确停车模型,使得实际的停车误差不可避免。在当采用可变学习制动策略时,同时使用最速下降制动策略和牛顿制动策略计算目标函数最优解,在保证城轨车辆停车精度、运行舒适度和稳定性的条件下,为确保车辆准点进站,取较大的加速度作为目标决策量。城轨车辆行驶误差值、学习策略的选择、目标函数的建立和求解在ATO实时发出指令和数据采集功能的辅助下彼此联系,彼此支撑,在城轨车辆制动过程中目标函数在不断迭代的过程中得到最优解,最终最优解使得确保城轨车辆的停车精度趋于最小化。
4总结
本文以无人驾驶城市轨道车辆为研究对象,考虑了城轨车辆进站停车阶段的动力学,外界对其的阻力和扰动以及车辆自身的不确定因素,利用了时间序列理论和自回归线性分析等较为系统地对城轨车辆的行驶误差预测进行了分析,并基于最大似然估计求解达到了预测城轨车辆误差预测与调试的目的。
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