地鐵列車制動控制研究

摘 要：地鐵列車制動控制對車輛停站精度影響較大，本文對列車低速進站時的電空制動轉換控制性能及列車自動駕駛控制進行專業課題研究，分析制動控制對列車停站的影響，提出優化措施。

關鍵詞：停站;制動;電空轉換

一、背景

重慶地鐵B型車輛正線運營多次出現停車對標不準問題。

二、問題分析

1.車輛制動系統分析

1.1車輛制動控制原理

重慶一號線地鐵列車自動控制系統采用鐵科院制動控制系統。系統采用減速度控制模式，制動控制單元（BCU）根據司控器指令的減速度（自動駕駛時指令由ATO給出）和由空簧壓力傳感器檢測到的車輛載重來計算目標制動力。制動采用空電混合制動并優先使用電制動，空氣制動用于電制動力不足和電制動力上升階段對制動力的補充，此外當列車車速降低時，電制動效果減弱，低速進站停車速度降至3-6km/h時，電制動力退出，此時制動由空氣制動接管，存在一個電空轉換的過程。制動控制裝置還具有防滑排風功能，防止瞬時制動壓力過大而產生的車輪滑行，維持粘著狀態。而車輪滑行會損壞車輪踏面，影響制動距離、停車精度。

查閱車輛TCMS數據發現，列車接收并準確執行了ATO的駕駛指令。當列車速度下降至3km/h時，電制動力完全退出，Tc車與Mp車的制動缸壓力上升接管制動，其中Tc車制動缸壓力上升在電制動完全退出前的2s左右，Mp車制動缸壓力上升在電制動完全退出前的1s左右。在電制動力完全退出后，列車速度從2.5km/h降至0經歷了2s左右，其減速度>，對輪對沖擊較大。這個期間若出現車輪滑行或空氣制動施加過晚易造成停車過標，而空氣制動過早施加則會造成停車欠標。

1.2? 列車在低速制動時的車輪防滑性能

制動過程中，如果輪軌間粘著力不足以滿足制動要求，車輪會產生滑動損壞車輪，并會延長制動距離，也可能造成對標不準。車輪滑動保護就是要防止擦輪現象的發生，使列車充分利用粘著進行制動。

車體安裝的防滑閥基于每根軸進行制動缸壓力控制。每個單閥包括兩個電磁閥，用以控制相應制動缸的空氣壓力。一個電磁閥控制制動缸的進風，另一個控制制動缸的排風。這兩個閥的動作組合可形成三個不同狀態：

“充風” 兩閥均失電，空氣進入制動缸。

“保壓”進風閥得電，排風閥失電，制動缸被隔離，空氣壓力恒定。

“排風” 兩閥均得電，空氣從制動缸排出。

空氣制動滑行控制系統采用速度差和減速度判據進行滑行檢測。

速度差判據：當某一軸速度低于參考速度（基準速度）達到判定滑行數值;

減速度判據：當某一軸速度的減速度達到判定滑行數值; 當出現以上任何一種情況時，就判定該軸發生制動滑行。

從以上兩個判據可以看出，當列車進站停車，速度較低時（各軸速均趨近于0），其防滑性能是較弱的。在速度低于5Km/h 情況下，由于物理原因，確保充分的防滑是非常困難的。如果軌道條件惡劣，在該速度范圍內新建一個達到100%的常用制動是極其危險的，因為此時防滑特性的預警告階段已經不再充分。低速時的制動建議：如果車速超過7Km/h，進站前應首先實施100%常用制動;低于此速度時，例如在停車定位點停止前不久，制動扭矩必須減少到50%。此措施也將減少在停車時的沖擊，從而增加乘客舒適度。

1.3? 車輛牽引制動控制

查閱制動終端數據，對比重慶地鐵一號線和6號線兩列車的實際控制效果，可以看出，在運行中對標正常的列車，當列車速度下降至3.4km/h時，電制動開始退出，空氣制動開始施加，制動缸壓力從預控壓力36kp上升至130kpa左右并維持至最終停車，電制動力在車速為2km/h時完全退出，在列車基本停穩（速度趨于0）時空氣制動壓力上升至緊制壓力。在電制動力開始退出直至停車過程中，列車瞬時減速度基本維持在左右（僅在列車即將停穩施加緊急制動是上升至），制動指令維持在0.5（50%）以下，列車行駛距離約為1m左右，車速下降平緩，保證了其良好的低速防滑和精確對標性能。而對標存在問題的列車，當列車速度下降至6.5km/h時，電制動即開始退出，空氣制動開始施加，制動缸壓力從預控壓力36kp上升至152kpa隨后又有所降低，電制動力在車速為1.7km/h時完全退出。在電制動力開始退出直至停車過程中，列車瞬時減速度有一個激增，峰值達到。制動指令從0.64降低至0.2左右，列車行駛距離約為3m左右。可以看出由于電制動力的提前退出，空氣制動提前施加且制動缸壓力較大，導致列車在對標前過度減速，且造成了輪對的滑行現象，隨后制動缸壓力有所降低以恢復粘著制動。這導致了輪對的異常磨耗和列車最終的欠標停車。

由于列車DCU和BCU程序問題導致電-空制動轉換的時機不對，致使列車牽引制動控制不正常，輪對異常磨耗，ATO對標不準。這是ATO對標不準的主要原因。

解決方案：要求株洲時代電氣和鐵科院對車輛控制程序重新升級并在正線運營中驗證其控制性能。

2車輛自動駕駛（ATO）系統分析

手動駕駛時，停車對標位置的精確度取決于司機的駕駛水平和經驗。

而在自動駕駛（ATO）模式下，該過程交由車載自動控制系統（ATC）完成。在列車自動駕駛（ATO）停車對標的過程中，主手柄置于“N”位，系統采集車輛速度信號和目標距離信號，經由精確計算后對車輛牽引制動（制動力）進行連續控制以使車輛在預定的位置停車，在理想狀態下，相比于手動駕駛，列車停車位置應更精確，牽引制動力的施加更為合理，停車更為平穩，乘客乘坐舒適度更好。

在ATO駕駛模式中，影響停車精度的因素主要有以下兩方面。

2.1自動駕駛精確停站控制原理

重慶地鐵列車自動控制系統采用德國西門子公司的列車自動控制系統，該系統主要分為車載系統和軌旁系統兩部分。

ATO制動列車使停車精度指標可以達到±0.3m或更好。精確停車依靠車站區域安裝的應答器實現。如果停車對標誤差超過30cm，ATP將不會釋放門允許信號，將不能實現車門與屏蔽門聯動開啟，在司機進行降級操作手動開關門后，ATO將不會給出牽引命令。所以當列車在目標位置之前（欠標）停車時，目前司機的處理方式為拉動主手柄二次牽引手動對標停車（任何時候拉動主手柄會使列車解除自動駕駛）。

2.2軌旁系統故障

停車時，列車從軌旁應答器接收位置信號，且在壓過該應答器時會收到一個物理校正信號提高位置精度，若軌旁系統發生故障（應答器安裝位置不準，不能正確與車載設備正常通信等），將導致多車在同一個站臺無法正常對標，類似情況為天津輕軌東海路站，但事實情況為單車在多個站臺對標不準。因此，基本可以排除軌旁系統故障情況。

2.3車載系統故障

2.3.1? ATO輸出了錯誤的駕駛曲線

自動駕駛基于閉環控制的原理。測速電機和雷達通過ATP將列車實際速度傳輸給ATO，參考位置的輸入來自于應答器的位置。因此，ATO提供設定值的數據輸出至牽引和制動系統。因為ATO的錯誤計算輸出了錯誤的駕駛曲線導致對標不準是一種可能原因。

2.3.2車輛輪徑值設置錯誤

列車行駛速度由測速電機和雷達共同采集，雷達速度采集本身也通過OPG。

OPG裝置是一種里程脈沖發生器，通過計算車輪旋轉來測量速度和距離，是一種間接測量方式，其測量所得的車速v=車輪圓周長×圈數/t，s=vt。當車輪因為磨耗輪徑值發生改變時，車輪周長因此變化，而系統內的輪徑預設值并未做修正，這就將導致列車所測得的速度信息出現偏差，里程信息也出現偏差，車輛位置信息也出現偏差。當OPG裝置采集所得的速度值與雷達采集的值差到達一個標準時，ATC系統會檢測到并報警，這時需要修改預設的輪徑值，但當此數值未達到報警值時便會出現速度采集不準，對標不準的情況。

列車所采集的速度信息有誤導致停車對位不準，這種情況對對標造成了一定的影響。下表為1號線馬家巖車輛段月修車輛的輪徑值對比情況。

由上表可以看出，與其他列次相比，01003編組輪徑值較小，對車輛速度信號的采集造成了一定的影響。

解決方案：要求西門子廠家從控制原理上解決輪徑值對其控制的影響，或提出具體的輪徑值設定和校正標準。進而對系統內的輪徑值進行定期設定校正。

三、結語

綜上所訴，由于列車DCU和BCU程序問題導致電-空制動轉換時機不對，致使車輛牽引制動控制不正常，輪對異常磨耗，ATO對標不準。另外輪徑值對列車ATO制動對標造成了一定的影響。

處理對策：1.要求株洲時代電氣和鐵科院對列車控制程序重新升級并在正線運營中驗證其控制性能;2.要求西門子廠家從控制原理上解決輪徑值對其控制的影響，或提出具體的輪徑值設定和校正標準。進而對系統內的輪徑值進行定期設定校正。

作者簡介：劉行（1990.12-），男，漢族，重慶人，大學本科，工程師，研究方向：軌道車輛、工程管理。