模糊控制在列车自动运行中的研究与应用

刘焕海

【摘 要】随着我国轨道交通的迅速发展，列车运行速度不断提高，纯纯人工驾驶模式已经不能满足要求，通过计算机控制技术实现列车安全平稳试述正点精准定位停车成为轨道交通发展的主流。

列车自动运行系统（ATO）是一个复杂、多目标、非线性系统，很难用一个确定的数学模型来模拟，而模糊预测控制对被控对象模型要求不高，可以满足列车的控制要求。

本文介绍ATC列车自动控制系统的基本结构和功能，尤其是ATO子系统与其他系统的联系与协作然后介绍模糊控制的基本原理，将模糊预测控制应用与列车自动运行系统中，对日后我国列车自动驾驶具有重要的现实意义。

【关键词】模糊控制；ATO；计算机控制技术

一、列车自动驾驶（ATO）

列车自动驾驶是一种完整的闭环自动控制系统，即列车一方面检测本列车的实际行车速度，另一方面连续获取地面给予的最大允许车速，经过计算机的解算，并依据其他与行车有关的因素如机车牵引特性、区间坡道、弯道等，求得最佳的行车速度，控制列车加速或减速，甚至制动。在列车自动驾驶系统中，司机起监督作用，因此要求这种系统获得最大允许车速的信道和求解最佳速度的机车计算机等，要有更高的可靠性和实用性。目前列车自动操纵已应用在地下铁道和市郊或两市之间直达的客运干线上。

随着微型计算机技术飞速发展，我国已经自主研发完成故障-安全型的列车自动操纵系统。ATO辅助ATP工作，接受来自ATP的信息，其中有ATP速度指令、列车实际速度和列车走行距离。此外还从ATS子系统和地面标志线圈接受到列车运行等级等信息。根据以上信息，ATO通过牵引 制动线控制列车，使其维持在一个参考速度上运行；并在设有屏蔽门地站台准确停车。

二、模糊控制

“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。在日常生活中，人们的思维中有许多模糊的概念，如大、小、冷、热等，都没有明确的内涵和外延，只能用模糊集合来描述。人们常用的经验规则都是用模糊条件语句表达，例如，当我们拧开水阀往水桶里注水时，有这样的经验：桶里没水或水较少时，应开大水阀；桶里水较多时，应将水阀关小些；当水桶里水快满时，则应把阀门关得很小；而水桶里水满时应迅速关掉水阀。其中，“较少”、“较多”、“小一些”、“很小”等，这些表示水位和控制阀门动作的概念都具有模糊性。即有经验的操作人员的控制规则具有相当的模糊性。模糊控制就是利用计算机模拟人的思维方式，按照人的操作规则进行控制，实现人的控制经验。

1. 知识库

知识库包括模糊控制器参数库和模糊控制规则库。模糊控制规则建立在语言变量的基础上。

2. 模糊化

将精确的输入量转化为模糊量F有两种方法：

（1）将精确量转换为标准论域上的模糊单点集。精确量x经对应关系G转换为标准论域x上的基本元素，则该元素的模糊单点集F为：

uF（u）=1 if u=G（x）

（2）将精确量转换为标准论域上的模糊子集。

精确量经对应关系转换为标准论域上的基本元素，在该元素上具有最大隶属度的模糊子集，即为该精确量对应的模糊子集。

（3）模糊推理

称为模糊蕴涵关系，记为A→B。在实际应用中，一般先针对各条规则进行推理，然后将各个推理结果总合而得到最终推理结果。

（4）精确化

推理得到的模糊子集要转换为精确值，以得到最终控制量输出y。目前常用两种精确化方法：最大隶属度法、重心法。

三、列车自动驾驶模块划分

1.停车点防护

停车点也就是停车的目标点，有时即是危险点。比如车站的起点即是必须停车点。在停车点前方通常还需设置一段防护段，ATP系统计算得出一条紧急制动曲线，一旦需要，列车可在此基础上减速，或者停在危险点前方。

2.速度监督与防护

ATO系统的主要功能是实现正常情况下的高质量自动行驶，其功能细化后可分为以下几点：

（1）停车点的目标制动

ATO系统与列车定位系统相配合，采用最适合的制动率使列车准确、平稳的停在规定的目标地点，停车位置的误差在0.5m以下。

（2）打开车门

列车车门可以自动或手动打开。由ATP系统监督开门条件，当ATP发出开门命令时，可以由司机手动打开正确一侧的车门，也可以按事先设定的ATO系统自动的打开车门。

（3）列车离开车站

用ATO系统装备的城市轨道交通的列车，出发应按以下顺序进行：列车停站时间等于或大于预置停站时间一司机根据启动发出命令（通常是自动的或由ATS系统给出，该出发命令一般以信号灯的方式给出）关闭车门一检查车门准确关闭并符合发车条件，ATO系统给出启动显示一司机按（拨）启动按钮，ATO系统使列车从制动停车状态转为驱动状态。

（4）列车加速

列车开出后开始加速。ATO系统按事前规定的数据提供给机车驱动控制机。（见图1）

四、自动驾驶运行参考曲线的生成

出于保障列车运行考虑，地面信号讲列车运行速度做出一定的限制，如果通过信号机、进站信号机黄灯限速；由于线路构造的特殊性，线路上的个别路段也要有速度限制，如：道岔限速、曲线限速、桥梁限速、施工临时限速等。（见图2）

图1 ATO速度控制示意图

图2 列车目标速度曲线的形成

五、总结

本文对列车运行数学模型、列车自动驾驶理论、操纵策略以及模糊控制理论在列车自动运行中的应用进行了深入分析和研究，并且设计出列车目标速度曲线，与传统手动控制相比，模糊控制更加稳定更加精准定位在停车地点，为模糊控制理论在实际线路中的应用做了必要的准备工作。

六、展望

本问结构达到了预期的目标，采用模糊预测控制可以实现列车运行的高品质控制，由于列车自动驾驶过程是个多变、非线性、复杂的控制系统，牵连到很多专业的知识，本文所设计分析的过程对列车运行控制进行了简化，距离实际的列车自动驾驶还有一定差距，有待于今后继续研究。

参考文献：

[1]李士勇，模糊控制神经控制和智能控制论【M】哈尔滨工业大学出版社，2008.

[2]李灵泉智能系统控制发展过程概述【J】工业控制计算机，2011.

[3]黄靓翼，唐涛地铁列车自动驾驶系统分析与设计、北方交通那个大学学报，2002.