城軌車輛在ATO模式下停車精度問題的分析與探討

王鵬飛，樊貴新，王新海，姜巖峰

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

目前，城市軌道交通在我國各大中城市發展得很快，軌道交通具有快速、準時、安全、舒適的特點。城市軌道交通車輛普遍采用自動駕駛（ATO）模式，降低司機的工作強度，保證列車高效運行。實際運用中，列車的停車位置會出現偏差。

在有屏蔽門的車站，列車進站停車不準確，列車車門與車站屏蔽門不能精確對位，影響乘客順利上下車。

城市軌道交通列車發車密度較大，嚴格按照時刻表運行。在此情況下，列車進站停車位置不精確會直接影響到列車的準點運行，降低準點率。筆者全程參與了天津濱海二期列車制動系統國產化車輛的停車精度調試試驗，針對ATO模式下出現的停車精度問題進行分析，并提出改進的措施。

1 ATO控制原理

ATO（列車自動駕駛）系統是地鐵列車準確、平穩停車的重要保障。ATO子系統可以完成列車駕駛員的工作，這些工作包括列車平穩運行，速度調整，在站臺的適當停車位平穩停車。ATO輔助ATP（列車自動保護裝置）工作，接受來自ATP的信息，其中有ATP速度指令、列車實際速度和列車走行距離。ATO通過牽引／制動線控制列車，使其維持在一個參考速度上運行，并實現準確停車。

ATO系統處于自動運行模式時，控制列車的牽引和制動裝置。程序停車通過站臺軌道的車地通訊設備線圈來完成，車地通訊設備線圈每40英尺有一個交叉，當列車通過這些交叉點時，磁場相互抵消，信號消失。ATO監測這些信號的消失并使用距離信息，來計算列車在軌道上的位置，從而把車停在適當的位置。自動停車參考列車速度曲線來減速，在列車到達停車地點時，將速率降至零。

車門控制功能操作車門的開啟和關閉，列車只有完全進入站臺停穩且所有車門處于站臺內，才能打開車門，ATO和ATP系統共同完成這一功能。通常情況下，在接收到軌旁ATP子系統發送的停車位且車載ATP子系統確定列車速度為零后，車門會被車載ATO子系統打開。在接到通過車地通訊設備線圈傳輸的軌旁ATO的指令之后，關閉車門。這一程序使控制中心控制下的軌旁ATO子系統可以操縱列車以開啟或關閉車門狀態停留在站臺。

2 天津濱海線國產化制動控制系統

中國鐵道科學研究院機車車輛研究所（簡稱“鐵科院機輛所”）作為城軌制動系統國產化的供應商，已經在天津濱海線、沈陽地鐵2號線、北京地鐵昌平線、房山線、重慶地鐵1號線、廣州地鐵3號線北延段、天津地鐵3號線、成都地鐵2號線等項目中提供了車輛制動系統。

天津濱海二期車采用鐵科院機輛所的制動控制系統，該系統為微機控制模擬直通電空制動系統。

該制動系統框圖如圖1所示，主要由列車制動控制單元、制動作用單元和基礎制動裝置組成。

列車制動控制單元主要由司機控制器、車輛監控器（TMS）、列車制動邏輯部分、編碼器4部分組成。司機控制器產生牽引／制動控制指令，編碼器將控制指令的模擬量輸出部分轉換為列車PWM傳送方式的指令，制動邏輯部分對司機控制器指令、緊急制動指令、安全警惕防護指令、ATP等實施必要的聯鎖控制，車輛監控器用于向車輛上各工作單元傳送控制指令、采集各單元或模塊的信息以及完成本車輛與列車其他車輛間的數據交互。

圖1 城軌交通車輛微機控制模擬直通電空制動系統框圖

3 停車位置不準確原因分析

城軌列車進站時停車不準確分為“超停”和“欠停”兩種。

一般來說“超停”指實際停車位置超出停車標0．5 m以上；“欠停”指城軌列車實際停車位置未到停車標0．5 m以內。

3．1 產生超停的原因

（1）速度檢測不準

ATO模式下進站，制動系統進行減速度控制，速度檢測出現偏差（如列車實際速度高于檢測值）或者由于制動的實際減速度低于理論減速度，導致制動距離增大而造成超停。

信號系統通過裝在頭車（動車）的1、4軸的軸端速度傳感器所采集的速度信號易出現偏差，當車輛出現滑行時，信號系統采集的速度比真實的速度低，因此信號系統檢測到的減速度也偏低，從而造成測速不準，制動指令與實際制動力需求指令有差距，最終導致列車進站停車不精確。

為測試信號檢測速度偏差對停車位置的影響，2009年7月28日晚，天津濱海131列車ATO模式由胡家園上行到鋼管公司區間試驗時，將信號系統的輪徑值設為最小值770 mm，結果該列車在鋼管公司停車位置超出站臺28 m。由于將輪徑值設小，信號系統檢測到的速度小于實際速度較多，造成進站時實際速度過高，出現超停現象。

（2）電制動發揮受限

城軌列車制動系統包括電制動和空氣制動兩種方式。正常情況下，城軌列車優先采用電制動（包括再生制動和電阻制動），其次是空氣制動；電制動不足時，由空氣制動補足剩余部分制動力。由于空氣制動受摩擦系數及閘瓦等因素影響，從而使制動減速度會受到影響而降低。

電制動充分發揮有利于控制停車位置。當城軌列車在接觸網電壓較高時采用電制動，如果供電系統沒有加裝地面吸收裝置，且同一供電區間內無其他較大負載運行，再生制動反饋的電能將引起網壓升高并超過再生制動方式轉換的限值，城軌列車將根據網壓值逐步自動切除再生制動，轉變為電阻制動。多次進行電阻制動會使制動電阻溫度快速上升，為確保安全，電阻溫度不致過高，系統會限定電阻制動投入的時間。因此，如果網壓始終較高，城軌列車將減少再生制動的使用，只能長時間頻繁地采用空氣制動。

（3）頻繁施加空氣制動

制動控制系統采用空氣制動時，能夠保證正常制動停車精度。但如果過于頻繁地進行空氣制動，閘瓦、閘片與輪對踏面、制動盤持續摩擦，致使摩擦表面溫度上升，摩擦系數將逐漸減小，減速度降低，從而導致超停。過多采用空氣制動會造成閘瓦、閘片與車輪、制動盤磨耗加大，降低使用壽命，增加運營和維護成本。

天津濱海2期130車于2009年8月19日晚到20日凌晨在正線進行信號系統調試，上行區間采用空氣制動，下行區間為空電混合制動。該車先是從胡家園－東海路運行兩個往返12站，然后由胡家園－中山門運行兩個往返12站，制動停車精度均正常。從中山門第2次下行到胡家園區間，新立下行到東麗開發區停車時出現超停300 cm。如圖2，此時有電制信號，但電制動力未施加，列車又勻速運行了17 m（見圖2中注釋處），此時需要空氣制動補足。從數據曲線分析，停車過程中PWM 指令為73．3%時，實際平均減速度為0．78 m／s2，而理論減速度應為1．0 m／s2，但是由于此前空氣制動施加過多導致閘瓦發熱，制動系統雖然響應ATO制動指令，無法達到理想減速度，造成超停。

圖2 信號系統調試的制動超停曲線

3．2 產生欠停的原因

信號系統出于安全考慮，將輪徑設為高值850 mm，而實際新車輪徑在845 mm左右，這樣使得信號系統檢測的速度值略微高于實際速度值。對制動停車位置來說影響不大，但會造成停車位置未到停車標的情況居多。

天津濱海2期131車在正線上進行了多次信號系統的調試，停車精度正常，停車位置為停車標的±50 cm內，而且多表現為未到停車標50 cm以內。

4 提高停車精度措施

城軌列車停車精度是個綜合性的問題，可以考慮通過如下措施來提高停車精度。

（1）調整輪徑參數

通過信號系統調整輪徑參數，車輛運行一段時間后輪對會有不同程度的磨耗，在車輛月修或旋輪后用車輪外形測試儀進行輪徑測量，輪徑值發生變化要適時調整，通過調節信號控制機柜內的CPU控制卡的撥碼開關可以修正輪徑值，以保證信號系統檢測速度的準確性。

（2）提高采集速度精度

在條件允許的情況下，盡量采集拖車車軸上的速度傳感器信息，這樣測得的速度更接近于列車實際速度，使列車制動指令與實際制動力需求指令相符，容易保證列車進站準確停車。

（3）充分發揮電制動

在運行線路上設置電網吸收裝置，充分利用電網吸收裝置以便更好發揮電制動的能力，減少空氣制動，以避免發生超停問題。

（4）調整減速度或降低進站速度

進站停車過程中，由于存在電氣或機械誤差，實際減速度將低于理論減速度。適當提高ATO最大減速度指令或適當降低進站速度，在外部條件變化時（例如電制動發揮不好，閘瓦摩擦系數下降），延長制動控制的調節時間，便于發揮空氣制動，減少超停現象。

［1］樊貴新，林祜亭，李和平，等．城軌制動系統工程化研究報告［R］．中國鐵道科學研究院機車車輛研究所，2008．

［2］濱海快速軌道交通公司課程OV2系統設計參數［C］．2003．

［3］禹宏鵬．城軌列車停車位置不精確的原因及對策［J］．城市軌道交通研究，2008，（9）：28－30．