CN112429046A

CN112429046A - 一种混合制动阶段的列车自动控制方法

Info

Publication number: CN112429046A
Application number: CN202011223099.3A
Authority: CN
Inventors: 王鹏; 王佳; 陈志强; 葛鹭明; 王祺; 包正堂; 刘怀聪; 宋宝栋; 宋文太; 杨亦韬
Original assignee: CRSC Research and Design Institute Group Co Ltd
Current assignee: CRSC Research and Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2040-11-05
Also published as: CN112429046B

Abstract

本发明公开了一种混合制动阶段的列车自动控制方法，根据列车所处位置和速度，将停车过程分为五个阶段，分别为：第一阶段：目标点减速阶段；第二阶段：小级位制动阶段；第三阶段：惰行调整阶段；第四阶段：混合制动阶段；第五阶段：最终调整阶段；其降低了对列车制动系统混合制动的要求，增加了控车算法的适用范围，提高了混合制动阶段控车舒适度，并可在一定程度上优化停车精度。

Description

一种混合制动阶段的列车自动控制方法

技术领域

本发明属于列车控制领域，特别涉及一种混合制动阶段的列车自动控制方法。

背景技术

随着铁路运输的发展，城市轨道交通、干线铁路、城际铁路、专线铁路的日益完善，列车自动驾驶功能趋于全面普及。对于普通地铁车辆、磁悬浮车辆、动车组车辆、机车车辆，不同型号的列车牵引制动性能不同，尤其是即将停车时的混合制动阶段，可控性较差，很难寻找一种控制算法普遍适用于各类车辆的混合制动阶段的自动控制。

目前的铁路列车自动控制算法包括PID控制、模糊控制、遗传算法、神经网络等，但大多面向整个控车曲线的追踪，且均基于列车模型稳定，尤其无法应对混合制动阶段不响应级位调整的问题。

对于铁路各类型的列车制动过程，都存在一个电制动和空气制动混合存在的阶段，称为混合制动阶段。此阶段为电制动不断撤销，空气制动逐渐建立的过程，但电制动撤销与空气制动建立不一定保持同步，且此阶段对级位的调整反应敏感度较低。对于混合制动阶段制对级位反映效果差的列车，自动控制系统很难在此阶段进行实时级位调整，很难保证此阶段的舒适度和停车精度。

本发明提供了一种混合制动阶段的列车自动控制方法，降低了对列车制动系统混合制动的要求，增加了控车算法的适用范围，提高了混合制动阶段控车舒适度，并可在一定程度上优化停车精度。

术语解释

列车：指地铁列车或动车组列车，一般由多个车辆编组组成；

控制级位：一般车辆有牵引级位(加速，一般分10级)和制动级位(减速，一般分7级)；级位数值越大，牵引力与制动力就越大，本申请只涉及制动级位；

级位切换：是指从一个级位换到另外一个级位；

级位加速度：每个级位施加后，列车都会以一个固定的加速度制动减速或牵引加速，这个值一般由车辆厂商提供，信号厂家也可以自己实测校核，本专利中仅讨论制动加速度(加速度为负数时，也可称为制动减速度)；

停车点：停车点一般分运营停车点、折返轨停车点、参考停车点；停车点作为列车对位停车时的参考依据，是控制列车停车的目标打靶点；一般由工程设计人员配置。也可认为停车点位置应为列车在指定停车位置停车时，列车头端第一个客室门中心线对应的位置。

级位输出延时：是指当控制系统控制输出某个级位时，至车辆实际具备相应加速度时的时间差，制动系统在低速停车阶段的延时一般在1.0s-1.8之间；

ATO：Automat i c Tra i n Operat i on列车自动驾驶系统。

发明内容

针对上述问题，本发明涉及一种混合制动阶段的列车自动控制方法，根据列车所处位置和速度，将停车过程分为五个阶段，分别为：第一阶段：目标点减速阶段；第二阶段：小级位制动阶段；第三阶段：惰行调整阶段；第四阶段：混合制动阶段；第五阶段：最终调整阶段；当列车处于第一阶段时，车载ATO系统判断预估位置越过时，不论速度如何，将进入第二阶段；当车载ATO认为列车处于第二阶段时，判断预估速度小于时，无论列车位置，将进入第三阶段；当车载ATO认为列车处于第三阶段时，判断预估位置越过时，进入第四阶段；当车载ATO认为列车处于第四阶段时，判断预估速度低于且当前位置超过时，即完全退出混合制动阶段后，进入第五阶段。采用分阶段的小级位制动与惰行制动相结合，在混合制动阶段前，另列车处于固定的状态下，在混合制动阶段采用固定的级位输出，避免由于列车初始状态的差异和级位调整带来的混合制动阶段产生的不确定因素，从而使混合制动阶段由不可控变为可控，进而提高舒适度和停车精度。其中在第一阶段目标点减速阶段，车载ATO在停车点前固定距离设置一个目标点，并设置其速度，将此点记为；在减速过程中，考虑列车的预估位置和预估速度与此目标点的位置关系，利用牛顿第二定律公式(1)，周期计算列车应当采用的减速度，并通过查表法查询此速度下减速度对应级位，且相邻周期级位变化应当不能过大；

通过查询牵引制动力表，将此加速度与当前速度对应的各级位的加速度对比，最接近的加速度对应的级位即所需级位。此阶段的级位计算过程为：第一步级位初步计算：通过查询牵引制动力表，将此加速度与当前速度对应的各级位的加速度对比，最接近的加速度对应的级位即所需级位,第二步级位防护：当列车预估速度超过ATP允许速度2km/h时，施加中等常用制动,第三步级位平滑：某一级位的输出至少持续2个列车周期,若当前周期计算级位与上一周期不同，只允许逐级调整。

第一阶段目标点减速阶段的特点为：目标点基本固定不变，除非停车点位置进行了更新；在不超速的前提下，优先考虑舒适度；由于级位的周期调整，无法保证预估速度和预估位置的准确程度；当车载ATO判断跳出此阶段时，列车状态与期望可能存在较大的差异；当列车的预估位置越过此阶段的目标点时，跳出此状态。其中在小级位制动阶段，目标点减速阶段虽然出口位置确定，但出口速度存在较大的不确定性，即本阶段的初始速度存在一定的浮动范围，因此本阶段的目的是在继续减速的基础上，尽可能让列车具备相同的状态；根据本阶段入口速度不同，采用不同的小级位输出，将列车速度降至第二阶段出口速度；

其中在小级位制动阶段，采用固定小级位输出；出口速度确定，出口减速度不确定但差异较小，出口位置不确定；当列车预估速度降至第二阶段出口速度后，跳出此状态。

惰行调整阶段，入口列车初始状态的速度确定，但每一次停车过程中此阶段的入口位置、减速度可能存在差异，因此此阶段的目的是另列车在进入混合制动前，具备确定的速度、位置、减速度；采取的控车方案为惰行至下一阶段的入口速度，需注意并非车辆混合制动的起始速度，而应当大于车辆混合制动的起始速度。惰行调整阶段，采用惰行级位输出；持续距离/时间不应过长，只是作为统一列车位置、加速度的缓冲阶段；跳出时列车具有确定的状态；当列车预估速度降至第三阶段出口速度后，跳出此状态。其中惰行调整阶段进一步包括：此阶段主要为列车平稳度过混合制动的过程，此前三阶段均为此阶段做铺垫，目的就是让列车每次停车过程在此阶段的入口都具备相同的列车速度、位置、距离；本阶段采取的控车方案为采用固定小级位减速，当预估速度降至混合制动退出速度时，立刻撤销小级位制动，采用惰行至预设位置。

混合制动阶段，本阶段采用小级位与惰行级位相结合的输出方式；入口速度应当大于车辆混合制动的起始速度，目的是在电制动的条件下完全建立起制动状态，避免制动建立过程处于混合制动期间；由于本阶段的初始状态确定，采用的制动级位较小且固定，因此本阶段的预估速度准确性较高，本阶段出口的列车状态也十分固定；当列车预估速度降至第四阶段出口速度且预估位置越过第四阶段出口位置后，跳出此状态。最终调整阶段进一步包括：列车完全度过混合制动后，最终采用空气制动的低速停车阶段；由于此阶段下列车速度已经很低，距离停车点的距离也很近，本阶段不再考虑平稳性问题，以停准为主要目标。

基于上述发明内容，本发明具有如下特点：

(1)多通过采用固定级位输出的方式，提高预估速度的准确性。

(2)将不确定的浮动范围通过分阶段的控制逐级缩小。

(3)依靠惰行到指定位置、指定速度保证列车动力学状态的一致性。

(4)通过保证列车在混合制动的初始状态的一致性，以及混合制动阶段内的不变性，减少此阶段的不可预期浮动性，提高了列车混合制动阶段可控性、舒适度。

(5)多阶段采用小级位输出，为后阶段保证了可调裕度，同时保证了舒适度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了停车过程的列车速度-位置曲线示意图；

图2示出了各个阶段的转变过程图；

图3示出了级位计算过程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本方案根据列车所处位置和速度，将停车过程分为五个阶段，分别为：

第一阶段：目标点减速阶段

第二阶段：小级位制动阶段

第三阶段：惰行调整阶段,惰行意思是：无牵引无制动的滑行

第四阶段：混合制动阶段

第五阶段：最终调整阶段

停车过程的列车速度-位置曲线示意如图1：

其中，(v₁,s₁)、(v₂,s₂)、(v₃,s₃)、(v₄,s₄)分别表示各阶段的入口速度、位置；S_stop为停车点位置，L₁、L₂、L₃分别为第五阶段、第四阶段、第二阶段入口位置到停车点的距离，且为配置值。

各个阶段的转变过程为：当列车处于第一阶段时，车载ATO(automatic trainoperation)系统判断预估位置越过s₁时，不论速度如何，将进入第二阶段；当车载ATO认为列车处于第二阶段时，判断预估速度小于v₂时，无论列车位置，将进入第三阶段；当车载ATO认为列车处于第三阶段时，判断预估位置越过s₃时，进入第四阶段；当车载ATO认为列车处于第四阶段时，判断预估速度低于v₄且当前位置超过s₄时，即完全退出混合制动阶段后，进入第五阶段。

控制的核心思路为：采用分阶段的小级位制动与惰行制动相结合，在混合制动阶段前，另列车处于固定的状态下，在混合制动阶段采用固定的级位输出，避免由于列车初始状态的差异和级位调整带来的混合制动阶段产生的不确定因素，从而使混合制动阶段由不可控变为可控，进而提高舒适度和停车精度。

通过查询牵引制动力表，将此加速度与当前速度对应的各级位的加速度对比，最接近的加速度对应的级位即所需级位。

各阶段控制方式：

1、目标点阶段

1.1控制原理及过程

车载ATO在停车点前固定距离设置一个目标点，并设置其速度，将此点记为(v₁,s₁)。在减速过程中，考虑列车的预估位置和预估速度与此目标点的位置关系，利用牛顿第二定律公式(1)，周期计算列车应当采用的减速度，并通过查表法查询此速度下减速度对应级位，且相邻周期级位变化应当不能过大。

此阶段的级位计算过程为：第一步级位初步计算：通过查询牵引制动力表，将此加速度与当前速度对应的各级位的加速度对比，最接近的加速度对应的级位即所需级位,

第二步级位防护：当列车预估速度超过ATP允许速度2km/h时，施加中等常用制动,

第三步级位平滑：某一级位的输出至少持续2个列车周期,若当前周期计算级位与上一周期不同，只允许逐级调整。

1.2控制特点

此阶段的特点为：(1)目标点基本固定不变，除非停车点位置进行了更新。(2)此阶段的控制在不超速的前提下，优先考虑舒适度。(3)此阶段由于级位的周期调整，无法保证预估速度和预估位置的准确程度。(4)当车载ATO判断跳出此阶段时，列车状态与期望可能存在较大的差异。

1.3跳出条件

当列车的预估位置越过此阶段的目标点s₁时，跳出此状态。

2、目标点阶段

2.1控制原理及过程

目标点减速阶段虽然出口位置确定，但出口速度存在较大的不确定性，即本阶段的初始速度存在一定的浮动范围，因此本阶段的目的是在继续减速的基础上，尽可能让列车具备相同的状态。

列车的状态分为三个因素：位置、速度、加速度。本阶段通过根据本阶段入口速度不同，采用不同的小级位输出，将列车速度降至第二阶段出口速度v₂。此阶段的采用的加速度固定，计算公式为：

其中v₁'为列车进入本阶段第一个周期时的预估速度，L₂为本阶段的减速距离，当此距离越长，所采用的级位越小。v₂为本阶段的出口速度，此速度应当比混合制动的起始速度略大。

2.2控制特点

此阶段的特点为：(1)本阶段采用固定小级位输出。(2)本阶段出口速度确定，出口减速度不确定但差异较小，出口位置不确定。

2.3跳出条件

当列车预估速度降至第二阶段出口速度v₂后，跳出此状态。

3、惰行调整阶段

3.1控制原理及过程

此阶段入口列车初始状态的速度确定，但每一次停车过程中此阶段的入口位置、减速度可能存在差异，因此此阶段的目的是另列车在进入混合制动前，具备确定的速度、位置、减速度。

本阶段采取的控车方案为惰行至下一阶段的入口速度v₃，需注意v₃并非车辆混合制动的起始速度，而应当大于车辆混合制动的起始速度。

3.2控制特点

此阶段的特点为：(1)本阶段采用惰行级位输出。(2)本阶段持续距离/时间不应过长，只是作为统一列车位置、加速度的缓冲阶段。(3)本阶段跳出时列车具有确定的状态。

3.3跳出条件

当列车预估速度降至第三阶段出口速度v₃后，跳出此状态。

4、惰行调整阶段

4.1控制原理及过程

此阶段主要为列车平稳度过混合制动的过程，此前三阶段均为此阶段做铺垫，目的就是让列车每次停车过程在此阶段的入口都具备相同的列车速度、位置、距离。

本阶段采取的控车方案为采用固定小级位减速，当预估速度降至混合制动退出速度v₄时，立刻撤销小级位制动，采用惰行至预设位置s₄。

4.2控制特点

此阶段的特点为：(1)本阶段采用小级位与惰行级位相结合的输出方式。(2)本阶段入口速度应当大于车辆混合制动的起始速度，目的是在电制动的条件下完全建立起制动状态，避免制动建立过程处于混合制动期间(3)由于本阶段的初始状态确定，本阶段采用的制动级位较小且固定，因此本阶段的预估速度准确性较高，本阶段出口的列车状态也十分固定。

4.3跳出条件

当列车预估速度降至第四阶段出口速度v₃且预估位置越过第四阶段出口位置s₄后，跳出此状态。

5、最终调整阶段

5.1控制原理及过程

此阶段为列车完全度过混合制动后，最终采用空气制动的低速停车阶段。由于此阶段下列车速度已经很低，距离停车点的距离也很近，因此本阶段不再考虑平稳性问题，以停准为主要目标。

此阶段受车辆制动性能的影响较大，根据低速空气制动性能的差异，提供两种控车方案。

方案一：针对低速空气制动性能较好，延迟较小的列车。本阶段根据剩余停车距离与列车当前速度，利用牛顿第二定律，计算出采用的加速度，再查找对应的级位作为输出。由于周期计算级位，且不做逐级调整的滤波，可能在最后阶段出现大级位制动的情况，因此根据本阶段的距离L₁的长度对每周期的级位输出做限制，使整个最终调整阶段的输出虽然周期调整，但均在一定级位范围内。

方案二：针对低速空气制动性能较差，或延迟较大的列车。本阶段可根据固定位置固定输出的方式进行控制。例如：当列车预估位置距离停车点200cm时，采用B2输出，当列车预估位置距离停车点100cm时采用B3制动，当列车预估位置距离停车点50厘米时，采用B4制动。需注意的原则应为：未避免提前停车，应当采用“先小后大”的原则。本方案之所以不采用固定速度固定输出的方式，是由于当前速度已经很小，可以通过给大制动随时停车，而关注点为距离停车点的距离，因此基于距离直接控制。

5.2控制特点

此阶段的特点为：(1)本阶段速度低，持续距离短。(2)本阶段入口速度位置确定性高(3)本阶段制动方式单一，仅存在空气制动。(4)当列车空气制动性能欠佳时，本阶段可采用基于经验的“定点输出”，将不确定因素尽可能避让。

通过使用本发明，对车辆类型、车辆牵引制动性能的要求大大降低，同时还显著提高停车阶段的控车舒适度，其中使用的控制算法适用性广，并且配置参数物理含义明确，调试简单。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，根据列车所处位置和速度，将停车过程分为五个阶段，分别为：

第一阶段：目标点减速阶段；

第二阶段：小级位制动阶段；

第三阶段：惰行调整阶段；

第四阶段：混合制动阶段；

第五阶段：最终调整阶段；

当列车处于第一阶段时，车载ATO系统判断预估位置越过s₁时，不论速度如何，将进入第二阶段；当车载ATO认为列车处于第二阶段时，判断预估速度小于v₂时，无论列车位置，将进入第三阶段；当车载ATO认为列车处于第三阶段时，判断预估位置越过s₃时，进入第四阶段；当车载ATO认为列车处于第四阶段时，判断预估速度低于v₄且当前位置超过s₄时，即完全退出混合制动阶段后，进入第五阶段。

2.如权利要求1所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

采用分阶段的小级位制动与惰行制动相结合，在混合制动阶段前，另列车处于固定的状态下，在混合制动阶段采用固定的级位输出，避免由于列车初始状态的差异和级位调整带来的混合制动阶段产生的不确定因素，从而使混合制动阶段由不可控变为可控，进而提高舒适度和停车精度。

3.如权利要求1所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

其中在第一阶段目标点减速阶段，车载ATO在停车点前固定距离设置一个目标点，并设置其速度，将此点记为(v₁,s₁)；在减速过程中，考虑列车的预估位置和预估速度与此目标点的位置关系，利用牛顿第二定律公式(1)，周期计算列车应当采用的减速度，并通过查表法查询此速度下减速度对应级位，且相邻周期级位变化应当不能过大；

4.如权利要求3所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

5.如权利要求3所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

第一阶段目标点减速阶段的特点为：目标点基本固定不变，除非停车点位置进行了更新；在不超速的前提下，优先考虑舒适度；由于级位的周期调整，无法保证预估速度和预估位置的准确程度；当车载ATO判断跳出此阶段时，列车状态与期望可能存在较大的差异；当列车的预估位置越过此阶段的目标点s₁时，跳出此状态。

6.如权利要求1所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：其中在小级位制动阶段，目标点减速阶段虽然出口位置确定，但出口速度存在较大的不确定性，即本阶段的初始速度存在一定的浮动范围，因此本阶段的目的是在继续减速的基础上，尽可能让列车具备相同的状态；根据本阶段入口速度不同，采用不同的小级位输出，将列车速度降至第二阶段出口速度v₂；此阶段的采用的加速度固定，计算公式为：

其中v₁'为列车进入本阶段第一个周期时的预估速度，L₂为本阶段的减速距离，当此距离越长，所采用的级位越小；v₂为本阶段的出口速度，此速度应当比混合制动的起始速度略大。

7.如权利要求6所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

其中在小级位制动阶段，采用固定小级位输出；出口速度确定，出口减速度不确定但差异较小，出口位置不确定；当列车预估速度降至第二阶段出口速度v₂后，跳出此状态。

8.如权利要求1所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

惰行调整阶段，入口列车初始状态的速度确定，但每一次停车过程中此阶段的入口位置、减速度可能存在差异，因此此阶段的目的是另列车在进入混合制动前，具备确定的速度、位置、减速度；采取的控车方案为惰行至下一阶段的入口速度v₃，需注意v₃并非车辆混合制动的起始速度，而应当大于车辆混合制动的起始速度。

9.如权利要求8所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：惰行调整阶段，采用惰行级位输出；持续距离/时间不应过长，只是作为统一列车位置、加速度的缓冲阶段；跳出时列车具有确定的状态；当列车预估速度降至第三阶段出口速度v₃后，跳出此状态。

10.如权利要求1所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：其中惰行调整阶段进一步包括：此阶段主要为列车平稳度过混合制动的过程，此前三阶段均为此阶段做铺垫，目的就是让列车每次停车过程在此阶段的入口都具备相同的列车速度、位置、距离；本阶段采取的控车方案为采用固定小级位减速，当预估速度降至混合制动退出速度v₄时，立刻撤销小级位制动，采用惰行至预设位置s₄。

11.如权利要求1所述的混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：混合制动阶段，本阶段采用小级位与惰行级位相结合的输出方式；入口速度应当大于车辆混合制动的起始速度，目的是在电制动的条件下完全建立起制动状态，避免制动建立过程处于混合制动期间；由于本阶段的初始状态确定，采用的制动级位较小且固定，因此本阶段的预估速度准确性较高，本阶段出口的列车状态也十分固定；当列车预估速度降至第四阶段出口速度v₃且预估位置越过第四阶段出口位置s₄后，跳出此状态。

12.如权利要求1所述的一种混合制动阶段的列车自动控制方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：其中最终调整阶段进一步包括：列车完全度过混合制动后，最终采用空气制动的低速停车阶段；由于此阶段下列车速度已经很低，距离停车点的距离也很近，本阶段以停准为主要目标。