城市軌道交通 ATO 停車精度改進(jìn)分析

任培勇

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇南京 211106）

1 引言

列車自動(dòng)運(yùn)行（ATO）子系統(tǒng)一般采用高可靠性的冗余硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，采用均質(zhì)棒列車模型對(duì)列車速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和閉環(huán)控制，確保列車運(yùn)行的準(zhǔn)點(diǎn)性、節(jié)能性和舒適性，實(shí)現(xiàn)精確停車。ATO系統(tǒng)是在列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)的安全防護(hù)下，根據(jù)列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)提供的運(yùn)營(yíng)信息自動(dòng)控制列車運(yùn)行，保證列車能夠精確停車（停在±0.3 m范圍內(nèi)的概率為99.995%）。在某信號(hào)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，多列車陸續(xù)發(fā)生了以ATO模式進(jìn)站欠標(biāo)和沖標(biāo)的問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，文章結(jié)合車輛各專業(yè)進(jìn)行多方面分析、優(yōu)化和調(diào)整，提出整體改進(jìn)方案。

2 停車精度影響因素分析

2.1 調(diào)試初期停車精度統(tǒng)計(jì)

調(diào)試前期，通過(guò)對(duì)ATO停車欠標(biāo)、沖標(biāo)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)停在±0.3 m范圍內(nèi)的概率僅為86.6549%，不滿足指標(biāo)要求。經(jīng)分析，影響ATO停車精度的原因主要包括：車輛閘瓦磨合不到位、電空轉(zhuǎn)換參數(shù)不合理、氣制動(dòng)參數(shù)不合理、線路附加阻力不確定、ATO測(cè)量減速度偏差較大和ATO控制算法不完備等。

2.2 車輛制動(dòng)性能

車輛系統(tǒng)制動(dòng)性能的穩(wěn)定性是ATO精確停車的前提，下面從整體制動(dòng)響應(yīng)、制動(dòng)電空轉(zhuǎn)換過(guò)程、純氣制動(dòng)響應(yīng)等方面對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能展開(kāi)分析。

（1）整體制動(dòng)響應(yīng)。列車100%級(jí)位對(duì)應(yīng)的制動(dòng)減速度應(yīng)為1.0 m/s2，當(dāng)ATO輸出80%的級(jí)位時(shí)，期望減速度為0.8 m/s2，而實(shí)際列車響應(yīng)的減速度偏大（實(shí)測(cè)值為1.03 m/s2），容易造成對(duì)位停車欠標(biāo)，如圖1所示。經(jīng)分析，出現(xiàn)該情況的原因?yàn)殚l瓦磨合不到位。

圖1 整體制動(dòng)響應(yīng)示意圖（改進(jìn)前）

（2）制動(dòng)電空轉(zhuǎn)換過(guò)程。由圖2可知，電制動(dòng)力在8 km/h左右開(kāi)始退出，且電制動(dòng)力退出斜率較大（列車超員工況下為4×82 500 N/s）；但此時(shí)氣制動(dòng)響應(yīng)偏慢，導(dǎo)致制動(dòng)響應(yīng)不及時(shí)，容易造成沖標(biāo)。

圖2 制動(dòng)電空轉(zhuǎn)換-電制動(dòng)退出過(guò)程示意圖（改進(jìn)前）

（3）純氣制動(dòng)響應(yīng)。通過(guò)對(duì)圖3中速度傳感器（MVU）測(cè)量減速度的分析可知，在車輛由電空混合制動(dòng)轉(zhuǎn)為純氣制動(dòng)時(shí)，響應(yīng)的制動(dòng)減速度偏大（計(jì)算得到最大制動(dòng)減速度可達(dá)1.59 m/s2），使得列車速度迅速下降，而氣制動(dòng)本身響應(yīng)較慢，在最后停車階段不能及時(shí)響應(yīng)ATO調(diào)整后的小級(jí)位，導(dǎo)致列車停車欠標(biāo)。

圖3 純氣制動(dòng)響應(yīng)示意圖（改進(jìn)前）

2.3 線路條件

通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)ATO的停車精度會(huì)因站臺(tái)的差異存在統(tǒng)一超前或滯后的情況，由此可推斷站臺(tái)線路坡度配置數(shù)據(jù)與實(shí)際存在偏差。

2.4 信號(hào)系統(tǒng)

（1）減速度測(cè)量異常。由于信號(hào)車載設(shè)備使用的測(cè)速雷達(dá)補(bǔ)償較大，低速時(shí)雷達(dá)測(cè)量減速度產(chǎn)生波動(dòng)會(huì)引起MVU測(cè)量減速度異常（產(chǎn)生延時(shí)較小的減速度），而ATO采用了ATP減速度（延時(shí)較大的減速度），從而導(dǎo)致沖標(biāo)，如圖4所示。

圖4 MVU測(cè)量減速度示意圖（改進(jìn)前）

（2）ATO控制方式。ATO在停車階段控制級(jí)位變化幅度較大，導(dǎo)致控車平穩(wěn)性欠佳，在一定程度上影響了停車精度，如圖5所示。

圖5 ATO停車階段級(jí)位輸出示意圖（改進(jìn)前）

3 改進(jìn)措施

3.1 制動(dòng)性能的改進(jìn)

（1）閘瓦磨合。通過(guò)對(duì)所有列車進(jìn)行充分的閘瓦磨合試驗(yàn)，閘瓦充分磨合后的車輛整體制動(dòng)響應(yīng)如圖6所示。由圖可知，經(jīng)過(guò)充分磨合后的閘瓦制動(dòng)響應(yīng)性能滿足要求。

圖6 整體制動(dòng)響應(yīng)（閘瓦充分磨合后）

（2）電空轉(zhuǎn)換參數(shù)調(diào)整。對(duì)車輛網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，將ATO模式下電空轉(zhuǎn)換起始速度從8 km/h修改為4 km/h，同時(shí)將電制動(dòng)退出延時(shí)時(shí)間由340 ms修改為560 ms，改進(jìn)后的電控轉(zhuǎn)換制動(dòng)響應(yīng)如圖7所示。由圖可知，經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整后的電控轉(zhuǎn)換制動(dòng)響應(yīng)性能滿足要求。確保車輛制動(dòng)性能與其他列車保持較好的一致性；同時(shí)建議車輛系統(tǒng)整體考慮減小30%和40%固定級(jí)位下的恒定減速度偏差；目前所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析都是基于空載（AW0）下進(jìn)行的，需車輛確認(rèn)重載（AW2）和滿載（AW3）情況下制動(dòng)特性是否與AW0有較好的一致性，避免后續(xù)因載重的差異引起停車精度的偏離。車輛制動(dòng)系統(tǒng)據(jù)此建議進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整，將預(yù)壓力施加速度點(diǎn)從8 km/h更改至10 km/h，電空混合過(guò)程中，氣制動(dòng)力值從75%削減至70%。改進(jìn)后，低速氣制動(dòng)響應(yīng)值基本滿足要求。

圖7 電空轉(zhuǎn)換階段制動(dòng)響應(yīng)示意圖（改進(jìn)后）

3.2 ATO 控制優(yōu)化

（3）氣制動(dòng)參數(shù)調(diào)整。為解決氣制動(dòng)性能較差導(dǎo)致列車停車精度不滿足指標(biāo)要求的問(wèn)題，同時(shí)進(jìn)一步提高和確保所有列車的整體停車精度，對(duì)車輛提出以下建議：對(duì)車輛制動(dòng)性能較差的列車進(jìn)行調(diào)查分析和處理，

3.2.1 增加線路特性補(bǔ)償

根據(jù)不同站臺(tái)的線路條件差異，進(jìn)行線路附加阻力減速度差異性補(bǔ)償，增加配置文件并對(duì)ATO相關(guān)控制方案進(jìn)行優(yōu)化。增加線路特性補(bǔ)償后，列車減速度跟隨性有較好提升，如圖8所示。

圖8 列車減速度跟隨性提升示意圖

3.2.2 優(yōu)化測(cè)速補(bǔ)償參數(shù)

在列車低速運(yùn)行時(shí)，減小測(cè)速雷達(dá)測(cè)量減速度的補(bǔ)償參數(shù)，使ATO控制使用的測(cè)量減速度始終為延時(shí)較小的MVU測(cè)量減速度。補(bǔ)償處理后，使用的測(cè)量減速度精度有所提升，如圖9所示。

圖9 MVU測(cè)量減速度示意圖（改進(jìn)后）

3.2.3 優(yōu)化 ATO 控制算法

根據(jù)上文的解決方案，在車輛專業(yè)和測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整后，對(duì)ATO停車控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。整體控制策略采用減速度“模糊預(yù)測(cè)比例積分控制器（PI） +恒量約束”的控制算法，具體控制過(guò)程如下。

（1）當(dāng)速度v≥16.5 km/h時(shí)。目標(biāo)制動(dòng)減速度為0.78 m/s2，車輛最大制動(dòng)減速度限定為1.15 m/s2。

（2）當(dāng)6.5 km/h＜v＜16.5 km/h時(shí)。目標(biāo)制動(dòng)減速度為0.54 m/s2，車輛最大制動(dòng)減速度限定為1.15 m/s2；當(dāng)列車到站臺(tái)停車點(diǎn)的距離小于8 m時(shí)，車輛最大制動(dòng)減速度限定為0.54 m/s2，車輛最小制動(dòng)減速度限定為0.35 m/s2，同時(shí)進(jìn)行線路附加阻力減速度差異性補(bǔ)償。

（3）當(dāng)4.8 km/h＜v≤6.5 km/h時(shí)。車輛最大響應(yīng)制動(dòng)減速度設(shè)置為恒定值1.15 m/s2，恒量約束減速度輸出值（根據(jù)速度和距離查表確定，保證輸出級(jí)位在35.1%～43.5%范圍內(nèi)）。

（4）當(dāng)0 km/h＜v≤4.8 km/h時(shí)。車輛最大響應(yīng)制動(dòng)減速度根據(jù)預(yù)測(cè)速度線性差值計(jì)算得到（1.15～1.48 m/s2），ATO輸出減速度通過(guò)結(jié)合速度和距離計(jì)算獲取，恒量約束幅值為0.017 6 m/s2。

（5）當(dāng)列車到站臺(tái)停車點(diǎn)的距離小于60 cm時(shí)。車輛最大響應(yīng)制動(dòng)減速度根據(jù)預(yù)測(cè)速度線性差值計(jì)算得到（1.15～1.48 m/s2），ATO輸出減速度為恒定值0.8 m/s2。控車算法優(yōu)化后的ATO控制級(jí)位如圖10所示，可見(jiàn)控車的平穩(wěn)性得到了較大提升。

圖10 ATO控制級(jí)位示意圖（改進(jìn)后）

4 改進(jìn)效果

經(jīng)過(guò)持續(xù)改進(jìn)，以上調(diào)整策略取得了良好效果， 實(shí)際運(yùn)營(yíng)中ATO在站臺(tái)的停車誤差滿足在±30 cm范圍內(nèi)的概率不小于99.995%、在±50 cm范圍內(nèi)的概率不小于99.999 8%的停車精度要求，如圖11所示。

圖11 停車精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

改進(jìn)后，ATO子系統(tǒng)不僅能夠自動(dòng)控制列車在實(shí)體站站內(nèi)精確停車，同時(shí)ATO子系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)列車在折返線和停車線的精確停車。

列車進(jìn)站時(shí)，在進(jìn)站停車過(guò)程中，考慮到運(yùn)行舒適度與行車效率，ATO子系統(tǒng)計(jì)算出高效且沖擊率較小的一次性制動(dòng)曲線，同時(shí)進(jìn)站過(guò)程中采用一次連續(xù)制動(dòng)模式制動(dòng)至目標(biāo)停車點(diǎn)，中途制動(dòng)不緩解。

列車到站精確停車后，ATO子系統(tǒng)輸出保持制動(dòng)命令至車輛，由車輛施加保持制動(dòng)，防止溜車的發(fā)生。停站過(guò)程中，若列車處于自動(dòng)駕駛模式（AM）下，則ATO子系統(tǒng)將持續(xù)輸出保持制動(dòng)命令。

列車啟動(dòng)后，ATO子系統(tǒng)在輸出牽引命令及級(jí)位時(shí)取消保持制動(dòng)命令的輸出，保持制動(dòng)的真正緩解由車輛負(fù)責(zé)，即ATO子系統(tǒng)取消保持制動(dòng)命令輸出時(shí)，車輛并不會(huì)立即緩解保持制動(dòng)，而是在保證牽引力足以控制列車前進(jìn)時(shí)才真正緩解保持制動(dòng)。

5 結(jié)論

ATO無(wú)法定位停車是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題，ATO的停車精度受車輛制動(dòng)電空轉(zhuǎn)換執(zhí)行情況、氣制動(dòng)性能、測(cè)速精度、線路條件以及ATO控車策略的多重影響。發(fā)生ATO定位停車不準(zhǔn)的問(wèn)題時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)影響停車精度的因素進(jìn)行多方面分析排查及協(xié)調(diào)改進(jìn)，以達(dá)到較好的停車效果。

此改進(jìn)方案已在南昌地鐵3號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)ATO中得到了應(yīng)用，此方案能夠有效解決項(xiàng)目中停車精度欠佳的問(wèn)題，為后續(xù)此線路的高效運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)；同時(shí)，通過(guò)對(duì)信號(hào)ATO系統(tǒng)調(diào)試工作的研究，為今后新建設(shè)和改造項(xiàng)目中ATO系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考。