自动制动系统是使用停车距离预测设计的。停车距离需要考虑几个因素，例如所需的减速度和液压制动执行器的响应速度。特别是，执行器速度非常关键，因为它会影响减速响应的形状，并决定预测停车距离的准确性。自动制动控制算法是根据预测的停车距离设计的。
高级驾驶辅助系统 [ADAS] 是汽车行业目前流行的技术，可为自动驾驶业务提供无人驾驶功能。与 ADAS 技术一起，人工智能 [AI] 和机器学习 [ML] 技术对无人驾驶汽车产生了重大影响。在任何车辆中，制动和通信系统与传感器技术一起发挥着至关重要的作用。人工智能驱动的自动驾驶汽车可以通过降低伤害、提高机动性来彻底改变汽车企业，从而减少对乘客和周围环境的影响。
图1，汽车制动系统中的阈值距离
传感器技术计算危险程度、车辆之间的相对距离和速度作为输入，并将信息提供给车辆中央控制单元，以便采取相应的必要措施。紧急制动系统 (EBS)、EBS Cross 和行人功能等制动系统可在危急情况下为驾驶员提供支持，通过视觉/声音警报发出警告，并在必要时进行完全制动干预。自动驾驶汽车有 5 个自动化级别，最高级别在所有条件下都有完全自动驾驶的车辆，其中零级没有自动化，驾驶员应该手动控制，而 1 级到 4 级有不同的自动化级别，车辆需要做出一些关键决定。随着我们逐渐走向完全 5 级自动驾驶的世界，需要更安全和乘客受保护的技术。
在汽车工程领域，人工智能和传感器技术的融合正在为汽车自动制动系统带来革命性的改变。
传感器技术在汽车制动系统中起着关键作用，尤其在车速、路况及周围环境感知方面。现代汽车配备了多种传感器，如雷达、激光雷达（LiDAR）、摄像头和超声波传感器等，它们能够实时收集并分析车辆四周的数据，为自动制动系统提供准确的输入。
案例研究中的自动驾驶汽车场景说明
人工智能的应用使得自动制动系统更为智能和精准。借助深度学习和机器视觉等技术，车辆能够识别行人、车辆、障碍物等，并预测它们的运动轨迹。一旦系统判断存在潜在的碰撞风险，便会自动触发制动程序，调整制动力度和方式，以实现最佳制动效果。
目前，自动制动系统已广泛应用于紧急制动、自适应巡航控制以及泊车辅助等多个方面。在实际运行中，这些系统表现出了出色的性能，极大地提升了车辆行驶的安全性。然而，对于极端天气或复杂路况的应对，自动制动系统仍有待完善。
未来，随着人工智能和传感器技术的进一步发展，汽车自动制动系统有望实现更高级别的自动驾驶功能，为人们提供更加安全、便捷的出行体验。同时，对于系统可靠性和稳定性的研究也将持续深入，以确保自动制动系统在各种场景下都能发挥出最佳性能。
图 3 展示了我们用于 STPA（System Theoretic Process Analysis，系统理论过程分析） 分析的方法：
1. 定义分析范围
•a. 事故
•b. 危险
•c. 高级约束
2. 制定控制结构图
3. 识别不安全控制行为
•a. 不安全控制行为
•b. 相应的安全约束
4. 识别不安全控制行为的发生
•a. 具有过程模型的分层控制结构
•b. 因果因素、场景和精细的安全约束
•c. 技术安全约束
图3 STPA 方法
在由于汽车自动控制系统对汽车的安全性和使能无人驾驶汽车方面的重要性，因此全球许多知名的大学对汽车的自动制动系统进行了研究发表了大量的论文，其中我国的清华大学在该领域发表的论文数量最多：
表1：全球大学在汽车自动制动系统领域发表的研究论文数量排名
Institution Name（院校名称，英文）
院校名称（中文）
发表的与汽车自动制动相关的论文数量
Tsinghua University
清华大学
56
Hanyang University
韩国汉阳大学
32
Jiangsu University
江苏大学
26
Jilin University
吉林大学
26
Chalmers University of Technology
瑞典查尔姆斯理工大学
23
Beijing Institute of Technology
北京理工大学
19
Kookmin University
韩国国民大学
19
Seoul National University
首尔国立大学
17
Tongji University
同济大学
17
Chongqing University
重庆大学
15
KAIST
韩国科学技术研究院
15
Pusan National University
釜山国立大学
15
Beihang University
北京航空航天大学
14
Ohio State University
俄亥俄州立大学
12
Technische Universität München
慕尼黑工业大学
12
全球大学在汽车自动制动系统领域发表的研究论文数量排名
清华大学
Title（书名）
Design and Control of Hybrid Brake-by-Wire System for Autonomous Vehicle
Chassis Handbook
Path Planning and Tracking for Vehicle Collision Avoidance in Lateral and Longitudinal Motion Directions
Robust Control and Linear Parameter Varying Approaches - Robust Control and Linear Parameter Varying approaches: Application to Vehicle Dynamics
《车辆在横向和纵向运动方向上以避免碰撞的路径规划和跟踪》
近年来，网联自动驾驶汽车（CAV）的控制引起了汽车各应用领域的强烈关注。CAV的一个重要特性就是防撞，无论是静止的还是移动的障碍物。由于交通条件复杂，车辆动力学多样，防撞系统应保证车辆能同时在纵向和横向避免与其他车辆或障碍物发生碰撞。纵向防撞控制器通过前方碰撞预警（FCW）、制动辅助系统（BAS）和自动紧急制动（AEB）可以有效避免或减轻车辆碰撞事故，目前已在汽车企业推出的不少新款车型上得到商业化应用。但在横向运动方向上，需要在检测到障碍物时实时确定灵活的防撞路径。然后，设计路径跟踪算法确保车辆精确地遵循预定路径，同时保证在很宽的速度范围内一定的舒适性和车辆稳定性。近年来，传感器、控制和通信技术的快速发展，为车辆防撞能力的提高带来了可能性和挑战，因此防撞系统仍需基于新兴技术进行进一步研究。
本书对目前传统车辆和自动驾驶汽车的防撞策略进行了全面的概述。首先，本书介绍了一些应急路径规划方法，这些方法可以应用于驾驶中最常见的全局路线设计和局部路径生成情况。在路径规划问题上，对传统算法和应急方法在时间和性能方面进行了比较。此外，本书介绍并设计了一种基于人工势场法的防撞路径规划方法，并验证了该方法在复杂道路环境中的有效性。接下来，为了准确跟踪预定的防撞路径，本书讨论了传统控制方法、类人控制策略和智能方法来解决路径跟踪问题，确保车辆成功避免碰撞。此外，本书设计并应用鲁棒控制来解决路径跟踪问题，并验证其在不同场景中的跟踪效果。最后，本书介绍了单车防撞 AEB 系统的基本原理和测试方法。同时，利用基于V2X（车对车或车对基础设施）通信的车辆间数据共享，通过多车协同运动控制，有效避免纵向连环相撞事故。
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研究内容
本文的研究是在分析了现有理论文献的基础上，对列车自动牵引与制动进行系统的研究。主要研究内容如下：
第一章：绪论部分。在现状分析的基础上，建立本文研究的目的和现实意义。
第二章：列车自动控制系统。对列车的基本受力进行分析，分别对阻力、牵引力、制动力进行分析。
第三章：列车制动阶段分析。将列车制动阶段分为惰性阶段、牵引阶段、牵引解除阶段、制动阶段，并且分别进行分析。
第四章：列车运行控制策略，在前文的基础上，归纳总结出列车最快速运行、最经济运行以及混合运行的策略。
第五章：结论。对本文作出总结。
列车自动运行控制系统研究
列车自动运行系统(以下统称为ATO系统)主要用于实现自动驾驶列车、车站精确停车的功能。它与列车自动防护(Automatic Train Protection,简称ATP)系统、列车自动监控(Automatic Train Supervision,简称ATS)系统和计算机联锁共同组成ATC系统。ATO作为ATC不可缺少的组成部分，能够模拟司机驾驶列车，减轻司机劳动强度，提高列车准点率，提升乘客乘坐舒适度以及节约能源。它的主要工作过程是列车接收地面发送的前方信息，如目标距离、坡度、临时限速等信息，然后经过车载计算机计算处理优化后控制列车运行。ATO系统的接口有输入接口、输出接口和网络接口。其中输入接口接收速度传感器的信息、应答器的信息、门控模式信号，通过接收这些信息来计算列车的速度和距离、实现列车精准停车、确定开关门模式。网络接口与列车自动监控系统ATS交换日的地D、列车运行时间、扣车、跳停以及列车数据等信息，与列车自动防护系统ATP交换允许速度、安全限速、移动授权信息和ATO是否正常工作的信息，从而实现与ATP和ATS的信息交互B0.ATO计算处理模块是ATO系统的控制中心，它是一种双层结构，上层为优化层，负责通过优化算法和相关信息计算出列车的目标速度曲线：下层为控制层，负责通过控制算法调整列车的运行速度，使列车速度更好地跟踪优化层输出的目标速度。输出接口用以输出牵引、制动、自动折返等命令，从而实现ATO系统的一些基本功能。
2.1列车基本受力分析
车辆设备作为城市轨道交通中的重要组成部分，与乘客有着密切接触，是乘客人身安全的某础保障，起着至关重要的作用。因此，对车辆进行受力分析也是十分必要的一项工作。目前，我国常用的城市轨道交通车辆型号有五种，A型、B型、C型、D型、L型，B型车按照受电方式又分为B1型和B2型。其中，A型车宽3m,B型车宽2.8m,C型车宽2.6m。一般车型的选择需要考虑城市客流、线路条件、造价成本等因素，目前大部分城市选择A型或B型车作为通用车型。城轨车辆又分为动车和拖车。动车是带动力的车，动力是牵引传动系统，因此动车可以进行电制动，表示为M；而拖车没有动力装置，只能采用空气制动的方式实施制动，表示为T。如果动车或拖车带有司机室，则表示为Tc或Mc;如果动车带有受电器，则表示为M。车辆的编组方式主要有6节编组和4节编组。
列车在实际运行过程中主要受各种阻力和人为实施的牵引力、制动力的作用。下面对每一部分进行详细的受力分析。
2.1.1列车阻力分析
列车在实际运行过程中受到的阻碍列车相对运动的力称为运行阻力。产生阻力的因素多种多样，阻力时时刻刻都会存在，只能尽力减少，不能彻底消除。列车运行阻力主要分为基本阻力、附加阻力和启动阻力。启动阻力顾名思义是列车从停车至启动完成这一过程中产生的阻力。由于启动过程中列车的受力非常复杂，启动阻力的计算便更为困难；并且启动阻力在运行阻力中所占比重很小，对列车运行过程基本没有影响，因此一般在阻力分析时不考虑启动阻力。除此之外，基本阻力和附加阻力由不同的力组成，下面对它们分别进行详细介绍。
(1)基本阻力
基本阻力是列车在线路上运行时受到的固有阻力。基本阻力包括列车运行时受到的空气阻力、车轮在钢轨上发生相对运动时受到的滚动阻力和摩擦阻力、车辆或轨面凹凸不平造成它们之间产生的振动力和冲击力、轴承与轴径之间的摩擦力。随着列车速度的不断增加，轴承间的摩擦、车轮在钢轨上的滚动会更加剧烈，进而导致这些阻力的增大，同时其他阻力也会随之变化。通常情况下，车速较低时，列车运行受空气阻力的影响不大，受到的轴承阻力占比较大；而在车速较高时，列车运行受空气阻力的影响较大，空气阻力占比较大。
(2)附加阻力
列车运行经过的线路并不都是平直的，时常会经过坡道、隧道、弯道等线路区段，相应地会受到坡道附加阻力、隧道附加阻力以及曲线附加阻力的作用。影响附加阻力的因素主要是线路条件，如隧道长度、坡道角度、曲线半径等，与线路上运行的列车型号的变化无直接关系。
由于地形的原因，地铁线路的建造必定会有坡度，因此列车在运行过程中时常会遇到上下坡道，从而受到坡道附加阻力的作用。当这个非平坦坡道为下坡道时，列车受到的坡道附加阻力为负，反之，列车运行在上坡道时，坡道附加阻力为正。分析图如下图所示
图1 坡道阻力分析图
隧道附加阻力是列车在隧道内运行时受到的一种附加阻力，主要是由于列车在隧道外的空旷区段受到的空气阻力在进入隧道后受到挤压，使得列车头部受到的空气压力变大，而尾部受到的空气压力变小，形成一定的压力差，同时空气与隧道、列车侧面也会发生摩擦，从而造成隧道内空气阻力远大于隧道外空气阻力的一种运行状况。隧道附加阻力一般与隧道长度、隧道表面粗糙程度、车长车速等因素有关。
同样，由于地形线路等因素的影响，列车也会运行至弯曲线路，从而受到曲线附加阻力的作用。列车运行至曲线区段时会产生离心力，离心力会导致曲线外侧的车轮缘向外滑动产生摩擦，车辆转弯时车辆转向架也会发生转动产生摩擦，这些附加产生的摩擦阻力就是曲线附加阻力。
综上所述，列车在运行时会受到基本阻力、坡道附加阻力、隧道附加阻力和曲线附加阻力的作用。坡道附加阻力的计算只需知道线路的坡度角，简单直观。由于地铁线路弯曲程度较小，因此在研究计算过程中一般近似为直线线路进行考虑。除此之外，为了便于计算，将隧道附加的空气阻力耦合放入基本阻力中。最后，在列车不受外力作用时再次对列车进行受力分析。分析图如下所示。
图2 列车受力分析图
2.1.2列车牵引力分析
列车运行需要牵引力的作用，牵引力是由动车将第三轨产生的动能转化为机械能产生的。牵引力是车辆自身特性，它随着车辆型号、运行线路的不同而不同，并且同一型号的列车在不同线路和不同电压情况下的牵引力特性也不同。
图3 列车牵引特性示意图
牵引特性曲线表示的是列车在不同速度下能够达到的牵引力最大值。从图中可以看出，曲线由两部分组成，分别是恒转矩区和和恒功率区。当列车速度小于Vo时，特性曲线为一条平行于V轴的直线，随着车速的不断增大，最大牵引力一直保持在一个固定值不变，因此为恒转矩区；当列车速度大于Vo时，特性曲线为一条曲线，此时最大牵引力随车速的增大而逐渐减小，但是总功率保持不变，因此为恒功率区别。
2.1.3列车制动力分析
在城市轨道交通中，制动系统起着至关重要的作用，是保障乘客人身安全的关键装置。列车的制动系统一般满足常用制动、紧急制动和一些辅助制动功能，如停放制动等，部分列车还有快速制动功能。常用制动是列车每次调速和进站停车使用的制动方式：紧急制动是列车遇到紧急情况需要立即停车时采取的制动方式：停放制动是列车停车后需要长时间停放，防止列车滑行采取的制动方式：快速制动一般是非紧急情况下司机采取的一种制动方式，它的制动速度快于常用制动，慢于紧急制动。城轨列车的常用制动方式主要分为电制动和空气制动两种。电制动是一种将列车的动能转化为电机电能的制动方式。电制动中，如果产生的电能返回架空线或者供电轨，以供其他设备使用，则称为再生制动：如果产生的电能被列车上的电阻发热逸散掉，则称为电阻制动。空气制动是以压缩空气为动力，将列车的动能转化为热能的制动方式。根据使用的基础制动单元不同，空气制动可分为闸瓦制动、盘形摩擦制动等。紧急制动通常采用空气制动方式。为了保护环境，常用制动工况设计时，一般优先采用再生制动，其次是电阻制动，最后是空气制动。
图4 城轨列车制动方式及功能划分
(1)电制动力
电制动力只能由动车产生，是将动车的牵引电机转变为发电机，即电机反转产生的。同样，电制动力也是车辆自身的一种特性，根据型号、线路、车重的不同而不同。制动特性是指列车在不同速度下能够达到的电制动力最大值。
(2)空气制动力
在电制动力不能满足制动需求时，使用空气制动来补充制动力。空气制动一般参与在制动的最后阶段，因此影响着列车进站的停车精度。空气制动是利用电信号来传输制动指令，经过电空转换阀将电信号转换成对应的空气信号，然后由压缩空气实施制动的过程。制动时，空气制动系统中电空转换阀的供风电磁阀得电，空气压力进入容积室，再通过管路经过紧急制动阀、称重阀，进入继动阀下侧，推动继动阀活塞上移，使空气压力进入制动单元。制动单元多使用踏面制动。
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