南寧地鐵1號線列車自動運行模式下列車停車精度優(yōu)化設(shè)計

譚文舉

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530029,南寧∥高級工程師)

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南寧地鐵1號線列車自動運行模式下列車停車精度優(yōu)化設(shè)計

譚文舉

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530029,南寧∥高級工程師)

以南寧地鐵1號線ATO(列車自動運行)模式下列車停車精度為研究對象,以停車精度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù),通過對ATO制動力和電空制動配合兩個方面進(jìn)行分析,找出了停車精度不準(zhǔn)的根本原因。進(jìn)行了ATO模式停車精度的優(yōu)化設(shè)計,并在實際運營線路上進(jìn)行了測試驗證。測試結(jié)果表明,南寧地鐵1號線ATO模式下列車停車精度的優(yōu)化設(shè)計方案可行,列車停車精度得到了較大的提高。

列車自動運行; 停車精度; 制動; 電空轉(zhuǎn)換

Author′s address Nanning Metro Group Co.,Ltd.,530029,Nanning,China

南寧地鐵1號線是南寧市東西向的骨干線,其列車為B型車6輛編組,運營時采用列車自動運行(ATO)模式,由車載信號系統(tǒng)控制實現(xiàn)列車起動、加速、制動及精確停車。該線自2016年初開展正線信號調(diào)試及綜合聯(lián)調(diào)以來,發(fā)現(xiàn)列車在ATO模式下的停車精度普遍存在欠標(biāo)現(xiàn)象,且多數(shù)欠標(biāo)在15～30 cm之間。列車沖標(biāo)或欠標(biāo)都將造成列車與屏蔽門的對位不匹配。對位誤差若超過一定范圍(±40 cm)，則會造成列車車門與屏蔽門無法聯(lián)動打開,需要從ATO模式降級為人工模式倒車或前行,從而影響乘客的上下車速度；尤其是在客流高峰期將有可能造成列車滯留站臺時間超過規(guī)定時間,進(jìn)而影響列車的運營,嚴(yán)重時造成列車晚點[1]。一般情況下,列車在ATO模式下,停車精度在50 cm范圍內(nèi)時,正確率為99.998%;停車精度在30 cm范圍內(nèi)時,正確率為99.99%[2]。

1 ATO模式停車精度調(diào)查

為了統(tǒng)計停車精度情況,隨機選擇T05、T06和T09號列車進(jìn)行ATO模式下的列車停車精度測試。統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 列車ATO模式下不同列車的停車精度情況統(tǒng)計 cm

由表1可見,所測試的列車普遍存在欠標(biāo)的問題,但停車精度離散性較大,在停車精度正值范圍內(nèi)有較大冗余,而在停車精度負(fù)值范圍內(nèi)接近臨界值(30 cm)。隨著列車運行狀態(tài)的變化(載荷變化、閘瓦磨耗、外部干擾等),極易造成列車欠標(biāo)超出規(guī)定范圍,從而影響運營。因此,對列車停車精度的優(yōu)化顯得尤為重要。

2 列車ATO控制精確停車原理分析

ATO模式主要通過給出不同級位的牽引或制動指令,實現(xiàn)對列車加減加速度的控制,在不觸發(fā)ATP(列車自動保護(hù))“緊急制動”的前提下,實現(xiàn)站內(nèi)的精確停站以及運行過程中的平穩(wěn)和舒適[3-4]。目前ATO控制采用的控制算法主要有經(jīng)典控制算法(包括各種改進(jìn)的PID(比例積分微分)算法)、參數(shù)自適應(yīng)控制算法、智能控制算法、集成智能控制算法[7]。南寧地鐵1號線的ATO控制系統(tǒng)采用的是滑模變結(jié)構(gòu)控制算法[8-9]。這種算法對于制動停車過程中的各擾動因素,包括車輛制動特性的差異以及電制動與空氣制動的過程轉(zhuǎn)換，都可以視為一種攝動。滑模控制器對這種攝動可以有很強的魯棒性。南寧地鐵1號線ATO控制系統(tǒng)具有兩種控制模式:目標(biāo)參考速度曲線控制，實際速度曲線控制。

2.1 目標(biāo)參考速度曲線控制

目標(biāo)參考速度曲線控制為滑模控制,是主要針對列車目標(biāo)速度與目標(biāo)的距離進(jìn)行的控制,具有很強的魯棒性,能補償列車運行參數(shù)較之正常參數(shù)一定范圍的偏離,對于離散性較大的列車具有很好的控制性能。基于滑模控制技術(shù)的ATO控制原理圖如圖1所示。

圖1 基于滑模控制技術(shù)的ATO控制原理圖

2.2 實際速度曲線控制

實際速度曲線控制的目的是為增加乘客舒適度，并獲得可駕駛性、平滑駕駛性和停車精確性,其加速度、減速度和沖擊率都被控制為限制值和可行值。實際列車控制當(dāng)中存在模型誤差(牽引制動延時)，以及坡度、阻力、列車離散度(列車性能差異性)等因素對控車命令造成的偏差干擾。鑒于目標(biāo)參考速度曲線控制的輸出結(jié)果無法直接用于實際的ATO駕駛命令當(dāng)中,因此在ATO實際控制曲線中還引入了史密斯補償控制模型去控制并矯正相關(guān)誤差,如圖2所示。

圖2 史密斯補償控制模型原理圖

2.3 控制邏輯分析

由ATO控制原理分析可知,列車的制動級位和加(減)速度的準(zhǔn)確控制是確保列車精確停站的兩大重要因素。而列車的牽引和制動系統(tǒng)是列車加(減)速度控制的直接環(huán)節(jié),列車的制動特性理想化的模型通常會用一個帶滯后的慣性系統(tǒng)來描述[5]。而實際上,由文獻(xiàn)[5]可知,牽引系統(tǒng)電制動響應(yīng)快、跟隨性較好,空氣制動系統(tǒng)響應(yīng)慢、跟隨性較差,如果電空轉(zhuǎn)換不當(dāng),便可能影響列車停車精度。

ATO模式下,在列車停車或減速時信號系統(tǒng)需要給車輛的制動系統(tǒng)輸出制動級位。信號系統(tǒng)并不區(qū)分是列車在減速過程中采用電制動還是空氣制動。在進(jìn)行ATO數(shù)據(jù)設(shè)計時,信號系統(tǒng)要與車輛系統(tǒng)進(jìn)行一次聯(lián)合調(diào)試,其目的是確保無論列車采用電制動還是空氣制動,其信號系統(tǒng)輸出的制動級位均產(chǎn)生同樣的制動效果。也就是在信號系統(tǒng)輸出恒定的制動級位時,車輛的電制動和空氣制動以及電空轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的制動減速度不會有較大變化,制動曲線是比較平緩的。

3 停車精度優(yōu)化設(shè)計

在信號系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試階段,列車的停車精度與試運營時期列車停車精度是不完全相同的。動態(tài)調(diào)試階段列車的載荷為固定的空車載荷,通過控制系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)優(yōu)化調(diào)整,制動減速度曲線較為平穩(wěn),可以較好地實現(xiàn)對ATC(列車自動控制)制動級位指令的跟隨。試運營階段列車受載荷、閘瓦磨耗及外部因素的影響,各列車制動曲線存在較大差異,部分列車在低速情況下存在制動減速度突然增大的情況,這些列車在低速時無法實現(xiàn)對ATC制動級位的準(zhǔn)確跟隨。本文在列車運營狀態(tài)下,分別從制動力(制動級位)和電空制動配合兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。

為了提高ATO模式下的停車精度,由信號、車輛、牽引、制動系統(tǒng)供應(yīng)商聯(lián)合對列車的制動參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。信號系統(tǒng)要求車輛的制動系統(tǒng)可以穩(wěn)定地響應(yīng)制動指令,從而保證停車精度就在零值很小的范圍內(nèi)波動。

3.1 制動力對停車精度的影響

基于70%的制動力對應(yīng)的減速度最接近于ATO的停站策略這一原則,故對列車的停車精度離散性較小的T05號列車和T09號列車分別以35 km/h和55 km/h施加恒定70%的制動級位制動。調(diào)試結(jié)果如圖3所示：T05號列車在8 km/h以下的速度時,減速度基本趨于平穩(wěn),并未出現(xiàn)制動力突然增大的尖峰,電空轉(zhuǎn)換過程平滑穩(wěn)定;T09號列車具有平穩(wěn)的制動減速度,未出現(xiàn)制動力突然增大的尖峰,電空轉(zhuǎn)換過程平滑穩(wěn)定。對比信號系統(tǒng)動態(tài)調(diào)試期間列車在恒定制動率下的表征,可以看出T05和T09號列車的制動曲線差別較小。

由此可知,在制動減速曲線比較平穩(wěn)情況下,ATO系統(tǒng)停車精度離散性也比較小,停車精度表現(xiàn)為較為固定的系統(tǒng)性偏差。出現(xiàn)這種系統(tǒng)性偏差的原因主要是T05和T09號列車與動態(tài)調(diào)試所用車輛的制動特性存在一些差異,而ATO系統(tǒng)參數(shù)是按調(diào)試車輛進(jìn)行優(yōu)化的,對車輛的參數(shù)變化范圍適應(yīng)性不夠。動態(tài)調(diào)試所用車輛經(jīng)過高負(fù)荷的制動型式試驗,正常運用時,閘瓦的磨合及與踏面的貼合情況會有所差異,會造成摩擦系數(shù)在一段時間內(nèi)偏大。在車輛經(jīng)過一段時間的運用后,其制動特性會逐漸恢復(fù)到正常的狀態(tài),按動態(tài)調(diào)試所用車輛優(yōu)化的ATO參數(shù)可能就不能適應(yīng)車輛的正常運用的狀態(tài)。對于這種情況，可以通過再次調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù)來解決。

注：橫坐標(biāo)負(fù)值表示列車已用時間；正值表示列車將用時間圖3 恒定70%的制動級位制動調(diào)試

3.2 電空制動配合對停車精度的影響

對停車精度離散性較大的T06號列車分別進(jìn)行了恒定100%的制動級位和恒定70%的制動級位兩種情況的調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如圖4所示,T06號列車在70%恒定制動級位停車和100%恒定制動級位停車相同,在6 km/h時減速度出現(xiàn)向下的尖峰,在1.62 km/h時尖峰達(dá)到最大。為了進(jìn)一步研究該現(xiàn)象,對其他列車進(jìn)行了同樣的測試,結(jié)果均在6 km/h時減速度出現(xiàn)了制動力增大的尖峰。

針對列車的停車精度離散性較大的列車在6 km/h時減速度出現(xiàn)突然增大的問題,經(jīng)各方研究,很可能是電制動和空氣制動轉(zhuǎn)化過程不平穩(wěn),導(dǎo)致在電空轉(zhuǎn)換過程中的制動力突然增大。

為驗證上述推測,首先對牽引系統(tǒng)做出調(diào)整,調(diào)整牽引系統(tǒng)電空轉(zhuǎn)換時電制動撤出的斜率及延時,重新測試了70%恒定級位制動時的減速度曲線。測試結(jié)果如圖5所示：在7 km/h時就出現(xiàn)了制動力增大的情況；在5～0 km/h的空氣制動控制過程,制動力又趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值為-0.98 m/s2,比電制動控制階段的-0.84 m/s2要大0.14 m/s2。由此可知,制動力增大的尖峰不是電制動造成的,而有可能是在同一制動級位下,空氣制動力比電制動力大造成的。

注：橫坐標(biāo)負(fù)值表示列車已用時間；正值表示列車將用時間圖4 T06號列車制動減速度調(diào)試

為了進(jìn)一步驗證上述觀點,將整列車的電制動全部切除,完全由空氣制動控制,再次測試70%恒定級位制動時的減速度曲線。測試結(jié)果如圖6a)所示：在同一制動級位下,空氣制動控制時的減速度要比電制動大的多。因此,為使同一制動級位下空氣制動力與電制動的制動力一致,在ATO模式下將空氣制動力的在原有基礎(chǔ)上削減10%,重新測試70%恒定制動級位的ATO停車曲線。測試結(jié)果如圖6b)所示：減速度在6 km/h的尖峰有所減小,且在5～0 km/h過程中的減速度和電制動控制時的減速度已很接近。

動態(tài)調(diào)試一般比較關(guān)注制動系統(tǒng)的緊急制動和最大常用制動的減速度特性,所以動態(tài)調(diào)試時通常是最大常用制動工況的電制動與空氣制動的配合參數(shù)會調(diào)整得比較好。而ATO模式下,60%到70%的制動率使用得更多,60%到70%制動率的控制特性對ATO的停車精度影響很大,而在制動系統(tǒng)型式試驗時往往對比關(guān)注不夠。因此,從ATO制動的需求出發(fā),制動系統(tǒng)不僅需要滿足緊急制動和最大常用制動的減速度要求,還需要在60%到70%的制動率時能有比較平穩(wěn)的控制特性。

圖6 T06號列車制動削減前后的減速度調(diào)試

3.3 停車精度優(yōu)化方案驗證

停車精度優(yōu)化后,對T05、T06、T09號列車進(jìn)行ATO停站精度測試,結(jié)果如表2所示。

表2 停車精度優(yōu)化后ATO模式下不同列車的停車精度情況統(tǒng)計 cm

由表2可以看出,列車停車精度得到了較大的提高。據(jù)此可得出結(jié)論:① 制動減速曲線在電空制動轉(zhuǎn)換后制動減速度差異較大時,停車精度離散性也會較大,可通過調(diào)整空氣制動力,保持列車在電空制動轉(zhuǎn)化過程中制動力或減速度不產(chǎn)生突變,可以減小列車在ATO模式下停車精度的離散性;② 制動減速曲線比較平穩(wěn)情況下,ATO系統(tǒng)停車精度離散性也比較小,停車精度表現(xiàn)為較為固定的系統(tǒng)性偏差,這種情況可通過調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù),改善ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性,從而提高停車精度。

4 結(jié)語

南寧地鐵1號線ATO模式下列車停車精度存在一定偏差；對其制動力和電空制動配合進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在對停車精度離散較大的列車進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn),問題的根本原因在于電空轉(zhuǎn)換時空氣制動力較大所致。為此,將空氣制動力在原有的基礎(chǔ)上削減了10%。空氣制動力削減后列車停車精度的離散性大為減小。在停車離散精度較小的列車上,通過調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù),改善了ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性,從而提高了停車精度。

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Optimized Design of the Stopping Precision in ATO Mode on Nanning Metro Line 1

TAN Wenju

Focusing on the stopping precision in ATO mode on Nanning metro Line 1, the statistical data are used to analyze the ATO brake force, the coordination of electrical dynamic and pneumatic braking, and the main reasons for the inaccurate stopping precision are detected. Then, an optimal design for stopping precision in ATO mode is conducted, which is verified on the actual operating lines. The test results show that the optimal design for stopping precision in ATO mode on Nanning metro Line 1 is feasible, and the stopping precision has been greatly improved.

automatic train operation(ATO); stopping precision; braking; electrical pneumatic transition

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.011

2017-01-06)