基于優化控車策略改善ATO停車精度的研究與應用

何清泉

（廈門軌道交通集團有限公司運營分公司，福建廈門361000）

0 引言

列車ATO 自動駕駛是地鐵線路運營的常用駕駛模式，信號系統通過科學的計算各方面參數合理地控制列車運行，達到列車高效、經濟、舒適運行的目的。在列車ATO 自動駕駛模式下，信號系統負責發送牽引、制動命令，車輛牽引、制動系統負責執行。列車的牽引和制動系統及時準確地響應信號系統發出的牽引、制動命令是列車精準駕駛的基本保障，特別是信號系統制動策略與車輛制動系統執行的匹配程度直接影響了列車的停車精度。某地鐵開通以來，在X 站點出現列車ATO 自動駕駛對標不準次數達46 次，欠標最大距離為0.74m，超過了停車標準±0.5m，影響包括：一是需要人工二次動車，影響效率和舒適度；二是會導致站臺門無法聯動打開，需要司機人工介入，影響了整個地鐵線路的運營組織效率，成為該地鐵急需解決的現場問題。

1 對標不準原因分析

列車進站精確停車時，信號系統采用連續制動曲線方式（即一次性制動至目標停車點，中途不緩解），可在停車控制過程中根據自身定位及車輛的信息反饋動態修正制動命令。地鐵車輛制動系統使用電空混合制動方式，即分為電制動和空氣制動兩部分，列車在高速制動時，首先采用再生制動方式，將列車的動能轉換為電能反饋給接觸網，速度降低時，采用電阻制動，將動能轉換為電阻的熱能，因為電阻制動的效率與列車的速度成正比，因此當列車速度降低時，電阻制動的能力就會大幅下降，所以速度進一步降低時，需要引入空氣制動進行制動能力的補償和替代[1]。

在某地鐵X 站點，因為土建結構的原因，導致了該站點進站停車進路的防護距離短，信號系統為了防止列車沖過移動授權終點，ATO 控制以較低的速度進站。在低速控制過程中對速度和減速度的偏差要求更高，導致信號系統輸出制動級位的請求頻繁調整，如圖1所示。

圖1 減速度偏差示意圖

上文已經明確車輛制動系統為電空混合制動系統，該制動系統存在電制動過程、電空混合制動轉換過程和空氣制動過程。某地鐵的車輛制動系統在速度高于8km/h 時由電制動負責列車減速，速度低于8km/h 時由空氣制動介入，并分別以0.75m/s3恒定沖動限制比率同步衰減和增加，并在5km/h 時由空氣制動完全替代電制動對列車進行制動控制。理論上，電制動的衰減與空氣制動的增強應該完全同步的，但是實際上閘瓦的摩擦系數會根據溫度的升高而降低，車輛無法使用動態的摩擦系數來計算，一般取較低的固定值，因此在空氣制動剛介入時，實際上閘瓦溫度低摩擦系數高，會產生一個大于計算值的減速度，造成減速度超過預期的情況。同時空氣制動受機械部件的響應等方面影響，存在一定的延時，所以電空轉換過程和空氣制動過程在瞬時減速度控制精準度方面有較為明顯的局限性。所以在列車速度低于8km/h，空氣制動介入控車，信號系統控制級位變低時，空氣制動響應慢，實際制動力高于信號系統的期望，迫使低速下的列車提前停車，最終造成列車欠標，如圖2所示。

圖2 優化前制動級位

2 優化措施可行性分析

針對空氣制動響應與信號系統預期不符導致對標不準的問題，主要可以從以下兩個方向進行優化：

一是調整電空轉換時機，將電空轉換時機調整為列車速度為零；二是優化信號系統ATO 自動駕駛控車策略。

第1 種方案可通過增加制動電阻功率，消除電空轉換過程及空氣制動過程，避免了因空氣制動的自身特性無法滿足信號系統制動需求的問題，讓空氣制動在列車零速時負責保持制動。但是該方案存在施工難度大、風險高、成本高、周期長等典型問題，而且優化后破壞了信號系統與車輛的匹配度，需重新進行調試和信號系統軟件升級，因此在既有運營線路的優化改造可行性低。

第2 種方案通過研究合理的控車邏輯，優化ATO自動駕駛控車策略的軟件，進行系統嚴格的測試和評估后，可一次性升級優化解決。該方案成本低、施工難度較小、周期短，具備較高的可行性[2]。

3 ATO 控車策略邏輯優化方案

某地鐵線路列車在X 站因列車ATO 自動駕駛模式進站速度較低，在速度為8km/h 電制動與空氣制動轉換和空氣制動時，車輛制動系統無法及時精準的響應信號系統控制級位的變化，造成列車停車對標不準。因此信號系統在低速時輸出恒定的控制級位，降低車輛制動系統在低速時的響應要求，理論上是優化停車精度的有效方案。為保證ATO 的整體控車策略不受影響，需要在低速停站前增加目標距離、減速度、列車運行速度、列車速度與ATO 預期速度的偏差等作為觸發輸出恒定控制級位的條件，以確保策略有效，停車精準。

雖然該優化方案的可行性相對較高，但是根據上述方案來控制優化的控制邏輯已經明確表明在停車末端舍棄了信號系統制動控制級位的自適應調整功能，存在正常列車頻繁出現沖欠標的風險和研發難度高的困難。首先，恒定制動級位與車輛制動控車策略的平衡點需要經過充分測試；其次，觸發條件的限定參數不易匹配，邏輯優化效果不佳時，也會造成列車沖欠標。因此，經過實驗室測試后，仍需要在現場開展大量的測試，以確保控車策略優化效果。

圖3 優化后制動級位

4 ATO 控車策略優化測試

上文明確了控車策略的觸發條件需要充分考慮列車距停車點距離、列車運行速度、減速度、與ATO目標速度差值等多方面因素，當列車進站停車過程中滿足測試控車策略后，會輸出恒定制動級位，從而提高列車進站停車精度。現場先后開展了7 個版本的測試，測試情況見表1～表4所示。

表1 ATO 策略1～策略5 測試情況

根據列車觸發控車策略后的執行效果分析，策略1 至策略5 這五種優化策略，在對標精度和最大誤差上均與期望存在一定的差距，策略6 和策略7 的測試結果在對標精度≥0.1m 的比例均為0，但最大誤差精度策略7 更優于策略6，所以現場決定以策略7 作為最終的優化方案。ATO 策略執行效果見表4所示。

表4 ATO 策略執行效果

表2 ATO 策略6 測試情況

表3 ATO 策略7 測試情況

現場使用兩列車升級后投入運營中，觀察期間未再發現任何沖欠標現象，而且策略觸發情況良好，策略觸發后均能滿足對標精度的要求。后續經全線升級列車軟件策略，有效解決了該站列車對標問題。

5 結語

綜上所述，通過優化ATO 控車策略的研究和測試，在列車較低速度運行時，增加信號系統輸出恒定制動級位的觸發條件，可有效改善列車對標精度，經過為期半年、7 種ATO 控車策略調整，涉及24 列電客車15 次動車驗證，最終確定ATO 控車優化策略。對列車進行升級后投入運營，列車進站未出現沖欠標現象，而且停車精度較高，因此優化ATO 控車策略是解決因車輛電空轉換缺陷導致對標不準問題的有效方案。該策略研究方式為地鐵信號系統和車輛系統接口匹配中無法做到電制動介入速度為0（或接近0）的設備使用提供了有效的解決方案。