地鐵列車站臺(tái)精確停車輔助系統(tǒng)研究

尤星達(dá) 朱琳

摘? 要：隨著軌道交通管理技術(shù)與手段提升與加強(qiáng)，更加提倡運(yùn)營(yíng)管理與行車組織精細(xì)化管理。列車停靠的精確度直接影響列車運(yùn)行組織的質(zhì)量和安全性，也影響乘客乘車的舒適性。文章分析了列車停站誤差原因，創(chuàng)新性地提出了一種地鐵列車站臺(tái)精確停車的輔助系統(tǒng)，分別針對(duì)ATO模式和手動(dòng)模式下的列車停靠問題給出了相應(yīng)的解決方案。當(dāng)列車處于ATO模式，系統(tǒng)在列車制動(dòng)模塊中充分考慮因乘客上下車而動(dòng)態(tài)變化的車廂質(zhì)量;當(dāng)列車處于手動(dòng)駕駛模式，在站臺(tái)上設(shè)置輔助進(jìn)站引導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)列車運(yùn)行位置與速度，及時(shí)向司機(jī)顯示最佳進(jìn)站速度（定速點(diǎn)）。通過以上兩個(gè)解決方案，實(shí)現(xiàn)輔助地鐵列車站臺(tái)精確停車，從而減少列車延誤風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;輔助停站;精確定位;系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號(hào)：F570? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With the improvement and strengthening of rail transit management technology and means， operation management and fine management of traffic organization are more advocated. The accuracy of train parking directly affects the quality and safety of the train operation organization， as well as the comfort of passengers. This paper analyzes the causes of train stop error， creatively puts forward an auxiliary system for accurate parking of subway train platform， and gives the corresponding solutions to the problem of train parking in ATO mode and manual mode respectively. When the train is in ATO mode， the system fully considers the dynamic change of carriage quality due to passengers getting on and off passengers in the train braking module; when the train is in manual driving mode， an auxiliary station entry guidance system is set on the platform， and the best entering speed （fixed speed point） is displayed to the driver in time according to the running position and speed of the train. Through the above two solutions， the accurate parking of the auxiliary subway train platform can be realized， thus the risk of train delay can be reduced.

Key words： subway train; auxiliary stop; accurate positioning; system construction

0? 引? 言

城市軌道交通車輛普遍采用自動(dòng)駕駛模式（ATO），自動(dòng)實(shí)現(xiàn)列車的牽引和制動(dòng)，在保證列車高效運(yùn)行的同時(shí)，能夠降低司機(jī)的工作強(qiáng)度。ATO系統(tǒng)的核心功能之一便是站臺(tái)自動(dòng)停車，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，ATO系統(tǒng)需要車載計(jì)算機(jī)、信號(hào)系統(tǒng)、軌道信標(biāo)等部件共同完成速度計(jì)算、制動(dòng)力分配等操作，而在實(shí)際停站過程中，列車速度計(jì)算準(zhǔn)確性不高，停車偏差時(shí)有發(fā)生。例如，廣州地鐵5號(hào)線列車在客流高峰期間經(jīng)常出現(xiàn)停車偏差達(dá)到了0.5m，迫使列車不得不后退重新對(duì)標(biāo)[1]，這將直接影響列車的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。與此同時(shí)，由于車站站臺(tái)基本都配備了屏蔽門系統(tǒng)，這就要求ATO系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)站臺(tái)自動(dòng)停車時(shí)盡可能準(zhǔn)確地對(duì)標(biāo)屏蔽門的中心線，才能實(shí)現(xiàn)精確停車。

同樣，當(dāng)列車處于手動(dòng)駕駛模式，也必須保證一定的停車精度。列車司機(jī)只有將列車車門和站臺(tái)屏蔽門準(zhǔn)確對(duì)標(biāo)，才能最大程度減少上下車乘客的沖突，降低列車延誤風(fēng)險(xiǎn)。因此，構(gòu)建一種能夠輔助地鐵列車站臺(tái)精確停車的系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1? 地鐵列車對(duì)標(biāo)停車誤差分析

通常，地鐵列車進(jìn)站停車不準(zhǔn)確分為“超停”和“欠停”兩種。一般來說“超停”指實(shí)際停車位置超出停車標(biāo)0.5m以上，“欠停”指地鐵列車實(shí)際停車位置未到停車標(biāo)0.5m以內(nèi)[2]，總之“超停”和“欠停”都是地鐵列車對(duì)標(biāo)停車不準(zhǔn)的表現(xiàn)，都會(huì)在一定程度上影響地鐵運(yùn)營(yíng)。本文通過查閱報(bào)告、閱讀文獻(xiàn)，對(duì)站臺(tái)停車誤差原因進(jìn)行歸納分析，為精確停車系統(tǒng)的構(gòu)建提供思路。

1.1? ATO模式停車誤差分析

（1）速度檢測(cè)不準(zhǔn)確

當(dāng)?shù)罔F列車處于ATO模式，ATO系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的列車速度和列車位置信息計(jì)算實(shí)際速度與推薦速度之間的差值，得到所需的制動(dòng)指令值并傳輸給列車制動(dòng)模塊，如果需要列車精確對(duì)標(biāo)停車，則需要時(shí)刻跟蹤一條恒定制動(dòng)率的制動(dòng)曲線，完成制動(dòng)，從而把車停在最準(zhǔn)確的位置[1]。但在列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)，易受到一些因素影響，導(dǎo)致速度檢測(cè)準(zhǔn)確度降低，檢測(cè)速度與列車實(shí)際速度之間存在一定偏差，例如列車車廂質(zhì)量并不是一個(gè)恒定的值，從整條正線來看，隨著乘客到站上下車，車廂質(zhì)量處在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，而列車制動(dòng)曲線難以隨車廂質(zhì)量的變化實(shí)時(shí)更新，這就導(dǎo)致列車制動(dòng)的實(shí)際減速度高于或低于理論減速度，最終導(dǎo)致站臺(tái)對(duì)標(biāo)停車產(chǎn)生誤差。

（2）制動(dòng)系統(tǒng)限制

地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)包括電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩種方式。正常情況下，地鐵列車優(yōu)先采用電制動(dòng)，其次是空氣制動(dòng)，當(dāng)電制動(dòng)不足時(shí)，由空氣制動(dòng)彌補(bǔ)剩余部分制動(dòng)力。在列車日常運(yùn)行時(shí)若多次采用電阻制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)電阻溫度快速升高，影響控制停車，而頻繁進(jìn)行空氣制動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致閘瓦等部件摩擦系數(shù)減小，降低減速度，最終影響列車制動(dòng)效果[2]。

綜上，雖然ATO系統(tǒng)會(huì)根據(jù)列車的速度、位置信息等生成的速度曲線來控制列車的進(jìn)站停車，但是實(shí)際情況下仍然會(huì)由于速度檢測(cè)不準(zhǔn)確、制動(dòng)系統(tǒng)受限等因素影響而出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確的情況，而造成速度檢測(cè)不準(zhǔn)確的一個(gè)重要原因就是每次列車進(jìn)站時(shí)的車廂質(zhì)量不一樣，按照牛頓經(jīng)典力學(xué)理論，慣性只和其質(zhì)量有關(guān)，與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度均無關(guān)，質(zhì)量越大，慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難改變，換句話說，車廂內(nèi)的乘客越多，列車剎車就越難控制（特別是早晚高峰期，如果按照300人一節(jié)車廂，一個(gè)人平均60kg，一節(jié)車廂的重量就比空載時(shí)增加了144噸）。因此，當(dāng)列車處于自動(dòng)駕駛模式，將列車的質(zhì)量作為變量考慮進(jìn)ATO系統(tǒng)的制動(dòng)模塊，根據(jù)列車慣性的大小選擇提前一些剎車或者延后剎車就顯得很有必要。

1.2? 手動(dòng)模式停車誤差分析

雖然ATO系統(tǒng)已經(jīng)在地鐵列車中普及，但作為列車的核心，在特定的時(shí)間，如周末，列車司機(jī)仍然會(huì)被安排進(jìn)行手動(dòng)駕駛，當(dāng)列車處于手動(dòng)駕駛狀態(tài)時(shí)，列車司機(jī)必須根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)完成停車，而通常情況下手動(dòng)駕駛很難實(shí)現(xiàn)列車精確對(duì)位，需要累積多年的行車經(jīng)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)。如果司機(jī)對(duì)列車進(jìn)站速度掌握不好，很容易開不到指定停車位置或者將列車開出站臺(tái)，這些情況都易造成運(yùn)營(yíng)延誤，極大影響整條線路甚至整個(gè)線網(wǎng)的運(yùn)行計(jì)劃。

因此，要想在手動(dòng)模式下完成精確停車，盡可能地對(duì)標(biāo)站臺(tái)中心線，必須依靠長(zhǎng)期駕駛、累積經(jīng)驗(yàn)、定期培訓(xùn)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這樣方能完成精確停車的任務(wù)。但如今國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，司機(jī)群體中的相當(dāng)一部分為年輕司機(jī)，駕駛經(jīng)驗(yàn)不足，難以保證在手動(dòng)模式下能及時(shí)制動(dòng)、精確對(duì)標(biāo)站臺(tái)中心線。由此，在站臺(tái)的合適位置設(shè)置多級(jí)降速標(biāo)識(shí)（定速點(diǎn)），根據(jù)列車的位置與速度，及時(shí)向司機(jī)顯示最佳進(jìn)站速度，便能夠很好地解決列車手動(dòng)駕駛模式下進(jìn)站精確停車的問題。

2? 精確停車輔助系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

上文分別對(duì)ATO模式和手動(dòng)模式兩種情況下的停站誤差進(jìn)行了分析。考慮兩種行車模式下的精確停車需求，進(jìn)行輔助停車系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)，為后文從物理層面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供邏輯基礎(chǔ)。

精確停車輔助系統(tǒng)邏輯圖如圖1所示，該輔助系統(tǒng)根據(jù)地鐵列車的兩種運(yùn)行模式分為兩個(gè)不同的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一種列車運(yùn)行模式并提供相應(yīng)的輔助功能：子系統(tǒng)1對(duì)應(yīng)ATO模式，其主要功能是為ATO系統(tǒng)提供車廂質(zhì)量的變化情況，從物理學(xué)的角度來看，慣性是保持物體現(xiàn)有狀態(tài)的一種固有屬性，這種屬性也代表了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度，我們通常利用物體的質(zhì)量來衡量其慣性，質(zhì)量越大，慣性越大，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變，通過子系統(tǒng)1對(duì)車廂質(zhì)量變化的監(jiān)測(cè)，考慮列車慣性因素，幫助制動(dòng)模塊選擇制動(dòng)時(shí)間和分配制動(dòng)力;子系統(tǒng)2對(duì)應(yīng)手動(dòng)駕駛模式，其主要功能是為駕駛員提供進(jìn)站引導(dǎo)，車站內(nèi)計(jì)算機(jī)通過分析歷史列車進(jìn)站數(shù)據(jù)，找出準(zhǔn)確對(duì)標(biāo)停車情況下的進(jìn)站速度，求平均值并作為最佳進(jìn)站速度，提醒駕駛員以該速度進(jìn)站并對(duì)標(biāo)停車，兩個(gè)子系統(tǒng)互為補(bǔ)充，當(dāng)其中一個(gè)子系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)子系統(tǒng)則自動(dòng)休眠，通過該機(jī)制，實(shí)現(xiàn)輔助地鐵列車站臺(tái)精確停車的目標(biāo)。

3? 系統(tǒng)組成與工作方式

3.1? 系統(tǒng)組成

如圖2、圖3所示，一種輔助地鐵列車站臺(tái)精確停車系統(tǒng)，該系統(tǒng)總共分為兩個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)1適用于列車處于ATO自動(dòng)駕駛模式的情況，該系統(tǒng)設(shè)置在每節(jié)車廂內(nèi)部的站立區(qū)和座位上，首先通過壓力傳感器測(cè)量車廂內(nèi)所有乘客的質(zhì)量數(shù)據(jù)，接著通過Wifi裝置與車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳輸，把所測(cè)得的車廂質(zhì)量信息實(shí)時(shí)反饋給ATO系統(tǒng)，由ATO系統(tǒng)制動(dòng)模塊根據(jù)列車總質(zhì)量信息修正下一站的制動(dòng)時(shí)機(jī)與制動(dòng)力分配。

子系統(tǒng)2適用于列車處于手動(dòng)駕駛模式的情況，當(dāng)ATO系統(tǒng)失效或必須進(jìn)行手動(dòng)駕駛時(shí)，列車司機(jī)只能憑自己的行車經(jīng)驗(yàn)以及站臺(tái)上的停車標(biāo)志對(duì)位停車，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)位的概率遠(yuǎn)不及自動(dòng)駕駛模式（ATO），因此在站臺(tái)屏蔽門靠近軌道一側(cè)設(shè)置三級(jí)降速標(biāo)識(shí)（定速點(diǎn)），標(biāo)識(shí)上顯示的是車站計(jì)算機(jī)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算得出的最優(yōu)進(jìn)站速度，以供駕駛員參考。該裝置由三個(gè)LED顯示屏（1，2，3）組成，分別位于站臺(tái)的前端、中端和末端，每個(gè)LED顯示屏（1，2，3）下方連接了一個(gè)Wifi裝置，能夠接收車站內(nèi)計(jì)算機(jī)發(fā)送的速度信息，以供顯示屏顯示。裝置的高度與駕駛艙兩側(cè)的窗戶基本持平，有利于司機(jī)在進(jìn)站過程中確認(rèn)其顯示的最佳車速。

3.2? 工作方式

輔助停車系統(tǒng)具體工作方式：首先根據(jù)列車的駕駛模式做出輔助停車系統(tǒng)選擇，當(dāng)列車處于自動(dòng)駕駛模式（ATO）時(shí)，子系統(tǒng)1開啟，子系統(tǒng)2處于休眠狀態(tài);相應(yīng)的，當(dāng)列車處于手動(dòng)駕駛模式時(shí)，子系統(tǒng)2開啟，子系統(tǒng)1處于休眠狀態(tài)。

在ATO模式下，子系統(tǒng)1開啟，從正線的首站開始，車廂內(nèi)乘客質(zhì)量測(cè)量裝置（壓力傳感器+Wifi裝置）實(shí)時(shí)記錄下列車內(nèi)乘客的質(zhì)量，加上列車自身的質(zhì)量，通過Wifi信號(hào)將信息反饋給 ATO系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)列車質(zhì)量情況，在下一站停車之前修正制動(dòng)時(shí)機(jī)和制動(dòng)力的分配，從而實(shí)現(xiàn)站臺(tái)精確停車。

在手動(dòng)駕駛模式下，子系統(tǒng)2開啟，從正線的首站開始，在列車進(jìn)站前，站內(nèi)計(jì)算機(jī)通過Wifi裝置告知LED顯示屏（1，2，3）對(duì)應(yīng)位置顯示的最佳進(jìn)站車速。當(dāng)司機(jī)經(jīng)過每個(gè)顯示屏?xí)r，根據(jù)屏幕顯示的最佳車速，提高或降低進(jìn)站速度，從而實(shí)現(xiàn)在手動(dòng)模式下的站臺(tái)精確停車。

4? 結(jié)束語

本文所構(gòu)建的地鐵列車站臺(tái)精確停車輔助系統(tǒng)是基于地鐵列車停站存在誤差所提出的，并針對(duì)ATO模式和手動(dòng)駕駛模式分別給出了相應(yīng)的解決方案，兩種情況下的子系統(tǒng)共同構(gòu)成了完整的精確停車系統(tǒng)。在子系統(tǒng)1中，提出把列車動(dòng)態(tài)質(zhì)量變化作為變量考慮進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)中;在子系統(tǒng)2中，提出了在站臺(tái)設(shè)置三級(jí)降速標(biāo)識(shí)（定速點(diǎn)），以輔助列車司機(jī)準(zhǔn)確停站，最大程度地提高了列車停站精度，從根源處減少甚至杜絕“超停”或“欠停”情況的發(fā)生。

由于當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于列車駕駛輔助系統(tǒng)研究較多[3]，而對(duì)于列車站臺(tái)精確停車系統(tǒng)研究較少，希望通過本文能夠豐富該領(lǐng)域的研究，為實(shí)現(xiàn)兩種模式下列車站臺(tái)精確停車提供可能，從而減少運(yùn)營(yíng)延誤。

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