摘 要：列車控制系統(tǒng)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(yùn)行關(guān)乎著乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，為更好地提高系統(tǒng)安全性、控制精度和節(jié)約能耗，本文闡述了列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分、各部分工作原理以及列車控制性能指標(biāo)，在分析的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，以期為工程應(yīng)用和相關(guān)工作者提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：列車控制系統(tǒng) 安全性 控制精度 節(jié)約能耗 優(yōu)化策略

1 緒論

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和科技的進(jìn)步，國(guó)家的交通事業(yè)得到了巨大的發(fā)展，尤其是以高速鐵路和城市軌道交通為代表的鐵路網(wǎng)絡(luò)，其憑借著舒適性、便捷性、高效性和安全性等特點(diǎn)逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械氖走x，而這背后都離不開(kāi)軌道交通的核心關(guān)鍵設(shè)備列車控制系統(tǒng)的保駕護(hù)航。列車控制系統(tǒng)作為軌道車輛的“大腦”不斷為提高線路運(yùn)載能力、保障行車安全和降低運(yùn)行能耗而賦能，也成為眾多鐵路相關(guān)從業(yè)者關(guān)注和研究的焦點(diǎn)，肩負(fù)著軌道交通走向更加自動(dòng)化和智慧化的使命。

2 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是軌道交通信號(hào)中必不可少的一部分，它作為信號(hào)系統(tǒng)最重要的組成部分其性能直接關(guān)乎著列車運(yùn)行的安全以及整個(gè)鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)。其主要由列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（Automatic Train Operation，ATO），列車自動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS），列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（Automatic Train Protectio，ATP）組成，共同協(xié)同完成對(duì)列車運(yùn)行速度、位移、方向以及列車運(yùn)行間隔的監(jiān)督、控制和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)列車的安全運(yùn)行，提高線路的運(yùn)輸效率，減輕人員操作強(qiáng)度，發(fā)揮鐵路運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)。其每個(gè)子系統(tǒng)都獨(dú)立于其他兩個(gè)子系統(tǒng)完成有關(guān)功能。

2.1 組成部分

2.1.1 ATP系統(tǒng)的組成和功能

ATP子系統(tǒng)主要由車載設(shè)備、軌旁設(shè)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(tǒng)主要由ATP車載單元、測(cè)速裝置和接收發(fā)裝置構(gòu)成，其主體邏輯計(jì)算機(jī)一般采用2乘2取2、3取2的安全冗余結(jié)構(gòu)或具備安全算法體系的雙機(jī)熱備系統(tǒng)。軌旁設(shè)備主要由軌道空閑檢測(cè)裝置等ATP軌旁單元和其相關(guān)的接受發(fā)裝置構(gòu)成。

車載設(shè)備主要控制列車，軌旁設(shè)備主要提供基層的安全信息。其主要實(shí)現(xiàn)如下功能。速度監(jiān)督和超速防護(hù)：ATP車載設(shè)備通過(guò)軌旁設(shè)備傳輸列車目標(biāo)速度、最大允許線路速度和線路坡度等數(shù)據(jù)計(jì)算列車列車允許速度，并將列車運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)通過(guò)駕駛室的人機(jī)交互界面顯示給司機(jī)。測(cè)速與測(cè)距：列車速度和距離的測(cè)量是車載設(shè)備的關(guān)鍵作用。測(cè)速主要有系統(tǒng)測(cè)量和車載設(shè)備自測(cè)兩種方式，通常需要兩路測(cè)速來(lái)保證測(cè)速系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。測(cè)距對(duì)于列車安全至關(guān)重要，主要通過(guò)ATP車載設(shè)備連續(xù)測(cè)量列車行駛的距離，隨時(shí)查找列車的位置。車門與站臺(tái)安全門的控制：通常當(dāng)列車沒(méi)有停穩(wěn)在站臺(tái)或車輛段轉(zhuǎn)換軌上時(shí)，ATP系統(tǒng)不允許車門開(kāi)啟。當(dāng)列車在車站的預(yù)定停車區(qū)域內(nèi)停穩(wěn)且停車點(diǎn)的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，ATP系統(tǒng)才會(huì)允許車門操作。列車檢測(cè)：通過(guò)軌道電路和計(jì)軸器等ATP軌旁設(shè)備作為列車檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)發(fā)送不同的信息檢測(cè)區(qū)段是否有車占用。停車點(diǎn)防護(hù)：停車點(diǎn)的監(jiān)督以保證列車停在停車點(diǎn)（不超過(guò)停車點(diǎn)）為目的。按照列車至停車點(diǎn)的距離，列車的速度限制連續(xù)地改變，并通過(guò)一條最終為零的制動(dòng)曲線實(shí)施。

2.1.2 ATS系統(tǒng)的組成和功能

ATS主要由控制中心ATS設(shè)備，車載ATS設(shè)備，車站ATS 設(shè)備組成。實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)視和跟蹤功能，列車自動(dòng)排列進(jìn)路功能，列車追蹤間隔調(diào)整功能，列車運(yùn)行模擬仿真功能，列車運(yùn)行重放功能，事件記錄、生成和報(bào)表打印功能，報(bào)警功能和接口功能。主要可以分為監(jiān)督和控制兩部分。

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)督功能則是將列車運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)和信息，通過(guò)控制中心或各車站的調(diào)度終端，實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，控制中心或各車站的調(diào)度員可以通過(guò)這些調(diào)度終端屏幕，實(shí)時(shí)了解和掌握列車的實(shí)際運(yùn)行情況，以便及時(shí)對(duì)行車作業(yè)進(jìn)行分析和調(diào)整，保證全線運(yùn)營(yíng)安全高效有序進(jìn)行。

列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的控制功能，是由列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)向列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)和列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，發(fā)出指令辦理列車進(jìn)路，指揮控制列車按照列車運(yùn)行圖運(yùn)行。列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可以繪制列車實(shí)跡運(yùn)行圖，并動(dòng)態(tài)地對(duì)偏離運(yùn)行圖的列車進(jìn)行調(diào)整。

2.1.3 ATO系統(tǒng)的組成和功能

鐵路ATO系統(tǒng)主要是在列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載增加ATO單元、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）電臺(tái)及相關(guān)配套設(shè)備，地面在車站終端設(shè)備改造系統(tǒng)（Terminal Station Retrofit System，TSRS）等設(shè)備上增加功能，車站股道增加精確定位應(yīng)答器。

ATO系統(tǒng)按照控制理論思想可歸納為雙層閉環(huán)控制系統(tǒng)，上層為策略層系統(tǒng)根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃，當(dāng)前運(yùn)行速度，以及接受來(lái)自ATP系統(tǒng)的線路限速和目標(biāo)速度等信息，實(shí)時(shí)計(jì)算列車達(dá)到目標(biāo)限速值所需要的牽引力或者制動(dòng)力的大小，通過(guò)列車接口電路傳導(dǎo)至列車的控制層，其控制牽引系統(tǒng)或者制動(dòng)系統(tǒng)完成對(duì)列車的加速或者減速作業(yè)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛控制。地面設(shè)置專用精確定位應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)精確定位，地面設(shè)備通過(guò)GPRS通信實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運(yùn)行計(jì)劃處理。與ATP系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供安全保障相比，ATO系統(tǒng)可對(duì)列車的運(yùn)行進(jìn)行平穩(wěn)控制，能夠保證列車運(yùn)行的高效和舒適性，是提高列車運(yùn)行水平的重要技術(shù)支撐。

該系統(tǒng)主要功能包括：車站自動(dòng)發(fā)車——即使用牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和加速列車的過(guò)程；區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行——即根據(jù)牽引或者制動(dòng)力跟蹤目標(biāo)速度的區(qū)間速度調(diào)節(jié)和運(yùn)行的過(guò)程；車站自動(dòng)停車——制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)ATO生成的制動(dòng)曲線施加一定的制動(dòng)力來(lái)確保定點(diǎn)停車的控制過(guò)程；車門自動(dòng)開(kāi)門〈防護(hù)〉車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制——即系統(tǒng)控制車門和站臺(tái)門的開(kāi)閉操作。列車進(jìn)站停車后，信號(hào)車載ATP發(fā)出允許開(kāi)門命令，并發(fā)送報(bào)文給ATO系統(tǒng)后將開(kāi)啟列車車門，報(bào)文經(jīng)過(guò)通信通道傳遞后觸發(fā)站臺(tái)防護(hù)門的開(kāi)啟。人工操作或預(yù)設(shè)停站時(shí)間到時(shí)將觸發(fā)車門的關(guān)閉動(dòng)作。

2.2 列車運(yùn)行的性能指標(biāo)

列車自動(dòng)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(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的駕駛行為，在確保列車安全運(yùn)行的前途條件下，最大限度的提高和改善其運(yùn)行品質(zhì)。而列車運(yùn)行的性能指標(biāo)的提出既可以作為控制目標(biāo)引導(dǎo)控制系統(tǒng)不斷完善和改良達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)要求，又可以作為衡量控制器性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。其運(yùn)行品質(zhì)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(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)停車點(diǎn)的距離誤差，目前站內(nèi)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(guān)乎列車車門的正常開(kāi)啟。尤其對(duì)于安裝屏蔽門的站臺(tái)，能否精確停車關(guān)乎車門與站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制能否正常開(kāi)關(guān)操作以及整個(gè)列車行車計(jì)劃能否正常進(jìn)行。

2.2.2 舒適性

舒適性是由列車運(yùn)行過(guò)程加速度的絕對(duì)值和變化率帶來(lái)的的沖擊決定的，絕對(duì)值和變化率的大小影響乘客的舒適性體驗(yàn)。線路狀況和車輛狀況作為先天條件影響舒適性，但ATO系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)合理控制算法作為應(yīng)對(duì)策略來(lái)高舒適性。比如ATO算法根據(jù)線路信息合理的規(guī)劃當(dāng)前速度和加速度值，盡量做到加減速平穩(wěn)，避免頻繁的工況切換。

2.2.3 準(zhǔn)時(shí)性

準(zhǔn)時(shí)性要求列車按照列車運(yùn)行時(shí)刻表的要求準(zhǔn)點(diǎn)或者在可允許誤差誤差范圍時(shí)間內(nèi)到站。列車運(yùn)行時(shí)刻表按照運(yùn)輸計(jì)劃進(jìn)行列車編排，規(guī)定各列車在每個(gè)車站的停站和發(fā)車時(shí)刻。早晚點(diǎn)都會(huì)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸計(jì)劃或者列車運(yùn)行安全造成影響，因此，ATO系統(tǒng)必須要有合理的控制策略通過(guò)運(yùn)行速度的調(diào)整來(lái)確保安全的前提下完成運(yùn)行計(jì)劃規(guī)定的時(shí)刻表。

2.2.4 節(jié)能性

節(jié)能性要求列車運(yùn)行應(yīng)在確保安全和準(zhǔn)時(shí)性的前提下，盡可能降低能耗，提升運(yùn)行的的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。列車運(yùn)行的能耗主要分為牽引能耗和車載設(shè)備能耗。節(jié)能性的優(yōu)化提升主要是通過(guò)ATO控制策略來(lái)降低運(yùn)行過(guò)程中的牽引能耗。因此，ATO控制策略應(yīng)合理規(guī)劃列車運(yùn)行工況盡可能減少制動(dòng)以及運(yùn)行的速度區(qū)間，將線路特性和列車慣性等因素綜合考慮進(jìn)來(lái)，從而達(dá)到節(jié)能低碳運(yùn)行。

3 改進(jìn)策略

3.1 軟件層面的改進(jìn)優(yōu)化

3.1.1 控制算法的選擇與改進(jìn)

通過(guò)分析，ATO的上層的策略層根據(jù)鐵路線路信息、列車運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)計(jì)算列車的推薦速度曲線，再通過(guò)列車控制層相應(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)牽引和制動(dòng)等控制信號(hào)的輸出追蹤目標(biāo)速度曲線。因此，控制算法的選擇將關(guān)乎列車的控制精度和影響著列車的運(yùn)行能耗，智能高效的控制算法將提高列車的準(zhǔn)點(diǎn)性、舒適性以及停車精度和安全性。

傳統(tǒng)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(guò)構(gòu)成閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)將輸出結(jié)果與輸入目標(biāo)作差后再產(chǎn)生消除此誤差的控制策略，其以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，工作可靠的方式最初廣泛應(yīng)用于列車控制運(yùn)行中，但隨著鐵路的發(fā)展，列車的非線性，多變量等特點(diǎn)越來(lái)越突出對(duì)控制算法的控制性能提出了更高要求，傳統(tǒng)的控制算法很難滿足實(shí)際的需求，因此，越來(lái)越多的研究將目光投向了現(xiàn)代控制算法和智能控制算法等復(fù)雜控制算法的結(jié)合。

現(xiàn)代控制算法在經(jīng)典控制算法的基礎(chǔ)上將系統(tǒng)視作白盒，引進(jìn)狀態(tài)變量，通過(guò)將系統(tǒng)輸入輸出與狀態(tài)變量建立聯(lián)系構(gòu)建狀態(tài)方程增加控制的精度，而智能控制算法多以深度學(xué)習(xí)算法為主，即利用海量的數(shù)據(jù)通過(guò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不斷的仿生學(xué)習(xí)，此算法不依賴受控模型，以其自適應(yīng)強(qiáng)、決策快、智能化高等特點(diǎn)現(xiàn)階段開(kāi)始廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

鑒于此，本文針對(duì)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）的控制層，提出以下兩種優(yōu)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(tài)觀測(cè)器構(gòu)成用替代傳統(tǒng)的PID控制器，利用跟蹤微分器的濾波作用來(lái)得到列車精確的速度位移跟蹤信號(hào)，其次利用非線性反饋控制律對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行拆解變換從而形成更精準(zhǔn)的控制信號(hào)，最后通過(guò)狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)輸出控制信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，用以反饋給控制律進(jìn)行改變調(diào)整輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)定速度和位移的跟蹤。其二是借助強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，將列車目標(biāo)速度和位移作為狀態(tài)空間，以列車的牽引力和制動(dòng)力建立動(dòng)作空間用以滿足強(qiáng)化學(xué)習(xí)中的馬爾科夫決策模型，其次建立列車的運(yùn)行指標(biāo)獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)用以引導(dǎo)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方向，不斷提高控制精度和運(yùn)行性能指標(biāo)等運(yùn)行品質(zhì)。

3.1.2 目標(biāo)運(yùn)行曲線的優(yōu)化和改進(jìn)

列車目標(biāo)曲線的優(yōu)化主要取決于列車的運(yùn)行工況。目前，列車的運(yùn)行工況主要有牽引、惰性和制動(dòng)三種工況，目標(biāo)速度曲線的生成是這三種不同工況的混合組成。最常見(jiàn)的目標(biāo)曲線生成策略有最小時(shí)分策略、最節(jié)能操縱策略和混合操縱策略，最小時(shí)分策略指在運(yùn)行區(qū)間，在保證安全的前提下盡可能的縮短運(yùn)行時(shí)間，但這會(huì)犧牲乘客的乘坐舒適度并增加相應(yīng)的控制能耗；最節(jié)能操縱策略主要是利用線路上的坡度等地理信息結(jié)合當(dāng)前的速度，最大可能利用列車的慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的最節(jié)能化運(yùn)行，但這會(huì)降低線路的運(yùn)行能力；混合策略就是兼顧多目標(biāo)的一種控制策略，其最大的改進(jìn)就是在工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)處合理選擇時(shí)機(jī)進(jìn)行工況切換，從而滿足多目標(biāo)運(yùn)行的需求。因此，針對(duì)當(dāng)前鐵路運(yùn)行的現(xiàn)狀，混合控制策略是一種較為智能化的目標(biāo)曲線生成方法，但為了讓其適應(yīng)日益復(fù)雜的運(yùn)輸情況和線路狀態(tài)，需要對(duì)其控制細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。一是通過(guò)建立運(yùn)行指標(biāo)權(quán)重函數(shù)對(duì)舒適度、節(jié)能性、準(zhǔn)點(diǎn)性和停車精度賦予相應(yīng)的權(quán)重比例，依據(jù)早晚高峰情況、不同線路人流情況和節(jié)假日情況進(jìn)行有針對(duì)性調(diào)整各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)從而生成更加高效的目標(biāo)速度曲線，二是利用粒子群算法和遺傳算法等尋優(yōu)算法結(jié)合司機(jī)駕駛經(jīng)驗(yàn)和線路限速要求對(duì)工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行局部速度尋優(yōu)，生成匹配權(quán)重函數(shù)的最優(yōu)轉(zhuǎn)換點(diǎn)速度，進(jìn)而生成目標(biāo)速度曲線。

3.2 硬件層面的改進(jìn)優(yōu)化

3.2.1 硬件設(shè)備的維護(hù)與優(yōu)化

算法改進(jìn)可以提高設(shè)備的智慧化和自動(dòng)化程度，但是這離不開(kāi)硬件層面車載和地面設(shè)備的支持，“7.23”甬溫線重大交通事故就是由列控設(shè)備可靠性不高導(dǎo)致環(huán)境耐受性低導(dǎo)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(tǒng)正常運(yùn)行，一是必須完善維護(hù)保養(yǎng)制度，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域特殊環(huán)境下的區(qū)間設(shè)備進(jìn)行及時(shí)重點(diǎn)檢修，嚴(yán)格管理設(shè)備故障登記與核銷。確保相關(guān)線路接口的正常。二是在通信傳輸設(shè)備方面，保證鐵路專用線的帶寬和信號(hào)穩(wěn)定度，在必要區(qū)域增加信號(hào)干擾器，并選取更加可靠的傳輸總線等設(shè)備、采取冗余設(shè)備保障信息的接收和發(fā)送。

3.2.2 人員素質(zhì)的提高

列車控制系統(tǒng)性能的發(fā)揮還離不開(kāi)鐵路電務(wù)、工務(wù)人員的管理、運(yùn)行和操作，2024年西安地鐵10號(hào)線在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中發(fā)生追尾碰撞事故，調(diào)查結(jié)果表明這是一起典型的人為事故原因是由于操作人員沒(méi)有開(kāi)啟列車防護(hù)系統(tǒng)和嚴(yán)格履行相應(yīng)的操作手冊(cè)而造成的，因此，相關(guān)從業(yè)者的專業(yè)水平和素質(zhì)至關(guān)重要，這不僅關(guān)乎設(shè)備的正常使用，更關(guān)乎鐵路運(yùn)行的安全。針對(duì)此，必須加強(qiáng)從業(yè)者的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，設(shè)立嚴(yán)格的考試和考核制度，做到持證上崗，切實(shí)提高人員的專業(yè)性，并且建立嚴(yán)格的追責(zé)制度，責(zé)任落實(shí)到人，用制度和法律約束從業(yè)者行為，堅(jiān)決扛起為鐵路運(yùn)行的安全底線，保證發(fā)揮列車控制系統(tǒng)的功能作用。

4 結(jié)語(yǔ)

列車控制系統(tǒng)作為保障列車行車安全，提高鐵路運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)性的重要設(shè)備，正承載著更多的期望和發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。研究表明，列車控制系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要研發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)等多方人員的齊心協(xié)力，更需要從設(shè)施設(shè)備到軟件算法的全方位提升。本文在分析列車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合工程和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，從軟件層面和硬件層面對(duì)提高列車控制系統(tǒng)提出了切實(shí)可行的優(yōu)化策略。期望未來(lái)，在科技和人才的雙重助推下，軌道交通將給人們帶來(lái)更安全、綠色，便捷的出行體驗(yàn)，更好的助力交通強(qiáng)國(guó)的建設(shè)。

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