通過優(yōu)化信號系統(tǒng)ATO 控車策略提升地鐵6 編組列車旅行速度的研究分析

陳輝絢，任 福，李海波

(呼和浩特市地鐵運營有限公司，呼和浩特 010000)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的提高，城市交通壓力越來越大，使得城市軌道交通發(fā)展速度越來越快，主要城市都有了相對完善的軌道交通系統(tǒng)，極大緩解了地面交通壓力[1]。本文介紹了影響軌道交通運輸效率中一個重要因素：旅行速度。旅行速度不僅是城市軌道交通全線運輸能力的基礎(chǔ)，也是城市軌道交通運營組織的關(guān)鍵一環(huán)。在工程設(shè)計階段，旅行速度是確定車站配線、驗算信號系統(tǒng)設(shè)計能力和確定列車運營組織方式的重要依據(jù)。列車在線路的旅行速度能力不僅受線路車站布置等影響，同時也受信號控制方式、車輛性能、線路限速、列車運行方案、列車停站時間等條件的制約。本文主要研究6B 編組列車在呼和浩特1 號線旅行速度達(dá)到36 km/h 為目標(biāo)情況下的線路條件、車輛性能、停站時間等因素。

1 線路介紹

本文選取呼和浩特1 號線西二環(huán)站至壩堰（機(jī)場）站為分析案例，研究6 編組B 型列車在該條件下達(dá)到36 km/h 旅行速度的可行性。線路布置示意圖如圖1 所示。

1.1 線路參數(shù)信息

線路速度參數(shù)信息如表1 所示。

表1 線路速度參數(shù)Tab.1 Line speed parameters

1.2 信號系統(tǒng)參數(shù)

研究采用的信號系統(tǒng)性能參數(shù)如表2 所示。

表2 信號系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of signal system

1.3 車輛性能參數(shù)

本次研究采用了6 編組B 型車性能參數(shù)，如表3 所示。

表3 車輛性能參數(shù)Tab.3 Vehicle performance parameters

2 旅行速度過程分析及計算

2.1 信號系統(tǒng)ATO 控車介紹

自動列車駕駛（automatic train operation，ATO）[2]，主要功能有：①ATO 自動完成對列車的啟動、牽引和制動等動作的控制，以較高的速度進(jìn)行行車控制作業(yè)，精準(zhǔn)高效地將乘客送往目的地；②ATO 按照運行圖控制列車運行，控制列車運行的加速度、減速度、沖擊率，保證乘客的乘車舒適度。

ATO 系統(tǒng)牽引/制動流程如圖2 所示。

圖2 ATO 系統(tǒng)牽引/制動流程Fig.2 Flow chart of ATO system traction/braking

在城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)列車處于ATO 模式時，列車的牽引/制動指令是由ATO 控制發(fā)出的。若要在一定限度內(nèi)調(diào)整控車過程的速度曲線，必須從研究ATO 在整個旅行過程中的牽引/制動命令的特點和規(guī)律入手。

2.2 旅行速度過程

根據(jù)分析整個旅行過程的時間，根據(jù)每個階段的運動過程不同，來著重分析影響旅行速度的重要因素。

整個旅行過程可劃分為2 個主要階段：運行階段和停站作業(yè)階段。其中運行階段分為啟動牽引階段、區(qū)間巡航階段、進(jìn)站制動階段。整個階段共同組成一個由A 站上車，B 站下車的旅行過程。

通過統(tǒng)計整個運行過程與停站作業(yè)的時間，根據(jù)距離，最終計算得到該條件下的線路旅行速度。

2.3 旅行速度過程分析

整個過程可劃分為2 個主要階段：運行階段和停站作業(yè)階段，整個過程均是這2 個階段在不同的線路條線下進(jìn)行重復(fù)。

2.3.1 運行階段

A 站臺發(fā)車列車啟動開始計時，列車由車站起動、駛出站臺、區(qū)間巡航、駛?cè)胝九_、停穩(wěn)站臺，是一個整體的運動過程（包括了列車從停穩(wěn)狀態(tài)丟失至列車運行至下一站臺且恢復(fù)停穩(wěn)狀態(tài)）。整體過程中列車走行過程包括起動加速、勻速運動和制動減速3 個階段。

啟動加速階段：主要包括ATO 施加固定牽引力以克服保持制動使列車速度由0 km/h 加速至固定速度（如2 km/h）、列車速度在ATO 控制下由該固定速度（如2 km/h）加速至站臺區(qū)域限速下的推薦速度、列車駛離站臺區(qū)域后列車速度在ATO 控制下加速至區(qū)間線路限速下的推薦速度。

勻速運動階段：主要包括在ATO 控制下的列車速度圍繞著在區(qū)間線路限速下的推薦速度進(jìn)行巡航，直到列車進(jìn)入制動減速階段。巡航時，當(dāng)列車速度小于推薦速度一定值后，ATO 控制列車施加牽引；當(dāng)列車速度加速大于推薦速度一定值后，ATO控制列車惰性。

制動減速階段：主要包括列車在ATO 控制下根據(jù)系統(tǒng)配置的停車制動力計算出進(jìn)站停車的速度/距離曲線，從而ATO 系統(tǒng)實時計算出應(yīng)該在何時進(jìn)入制動減速階段，根據(jù)計算出進(jìn)入制動減速階段的點，至列車駛?cè)胝九_固定停車點停穩(wěn)。

2.3.2 停站作業(yè)階段

停站作業(yè)從列車進(jìn)站在停車點停穩(wěn)開始計時，由列車停穩(wěn)至車門打開、車門打開至車門關(guān)閉、車門關(guān)閉至司機(jī)室門關(guān)好、司機(jī)室門光好至列車啟動組成。其中包含了信號、車輛系統(tǒng)響應(yīng)時間，車門、站臺門動作時間，司機(jī)瞭望、確認(rèn)、按壓ATO 啟動按鈕時間。

列車停穩(wěn)至車門打開時間主要分為

（1）系統(tǒng)判斷停穩(wěn)的條件是列車速度低于13 cm/s，時長達(dá)到1 s；

（2）系統(tǒng)判斷零速至系統(tǒng)輸出開門使能時間為2.4 s；

（3）門使能有效到自動開門命令發(fā)出的延時0.4 s；

（4）開門命令發(fā)出至車門打開時間為0.8 s。

時間總計為1 s+2.4 s+0.4 s+0.8 s=4.6 s

車門打開至車門關(guān)閉時間：該時間為乘客上下車時間，以實際需求為準(zhǔn)，不做分析優(yōu)化。

車門關(guān)閉至司機(jī)室門關(guān)好主要分為

（1）站臺門關(guān)閉狀態(tài)檢查時間2 s；

（2）車門與站臺門空隙檢查時間2 s；

（3）司機(jī)室門關(guān)閉時間（司機(jī)室門為手動門）1.5 s。

該部分時間需司機(jī)進(jìn)行把控，該時間經(jīng)驗取值為2 s+2 s+1.5 s=5.5 s。

司機(jī)室門管好至列車啟動主要分為

（1）司機(jī)室門關(guān)好至司機(jī)按壓ATO 啟動按鈕時間，該部分時間需司機(jī)進(jìn)行把控，該時間經(jīng)驗取值為2.5 s；

（2）司機(jī)按壓ATO 啟動按鈕，持續(xù)按壓時間為0.2 s；

（3）車輛接收到信號系統(tǒng)啟動命令至速度不為零時間，根據(jù)系統(tǒng)日志分析為2.6 s；

時間總計為2.5 s+0.2 s+2.6 s=5.3 s

2.4 旅行速度計算

通過統(tǒng)計以上在ATO 模式下的站間運行總時間與非終端站停站作業(yè)總時間，根據(jù)距離，最終計算得到該條件下的線路旅行速度[3]，呼和浩特1 號線旅行速度統(tǒng)計如表4 所示。

表4 呼和浩特1 號線旅行速度統(tǒng)計表Tab.4 Travel speed statistics table of Hohhot line 1

3 旅行速度提升的優(yōu)化

通過采集現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與設(shè)計ATO 控制參數(shù)進(jìn)行對比，對旅行速度偏差進(jìn)行深入分析，找出偏差原因，確定如下改進(jìn)措施：①提高出站階段ATO初始啟動加速度；②提高出站階段ATO 牽引至巡航階段加速度變化率；③優(yōu)化站臺限速范圍；④優(yōu)化區(qū)間勻速運動階段的ATO 速度波動；⑤進(jìn)站減速階段加大ATO 停車制動率；⑥優(yōu)化開門時間。

3.1 提高出站階段ATO 初始啟動加速度

建議提高出站階段初始啟動加速度，增大啟動階段輸出的牽引百分比（從35%提升至50%，對應(yīng)電流模擬量由8.9 mA 提升至11 mA），使車輛響應(yīng)突破保持制動動車時間減少。

3.2 提高出站階段ATO 牽引至巡航階段加速度變化率

信號系統(tǒng)通過模擬量電路（電流環(huán)）向車輛發(fā)送牽引電流值，控制列車加速度的大小。通過調(diào)整ATO 牽引模擬量每周期增加的電流值，保證沖擊率不超過0.75 m/s3情況下，將牽引階段模擬量每周期變化量由0.5 mA 改為1.0 mA，經(jīng)計算修改前后的沖擊率約為0.2 m/s3和0.4 m/s3，使列車在出站階段盡快加速至巡航速度。

3.3 優(yōu)化站臺限速范圍

通過優(yōu)化站臺限速范圍提升旅行速度：將以進(jìn)站計軸至出站計軸整個計軸區(qū)段范圍按站臺限速配置，改為精確到以站臺有效端到站臺有效端范圍按站臺限速配置。能夠在滿足土建限制條件的前提下，縮短限速區(qū)域的大小，使得列車在進(jìn)出站過程中能夠更晚減速到站臺限速，更早加速到線路限速，起到提高旅行速度的作用。站臺限速范圍優(yōu)化示意圖如圖3 所示。

圖3 站臺限速范圍優(yōu)化示意圖Fig.3 Schematic diagram for optimization of platform speed limit range

3.4 優(yōu)化區(qū)間勻速運動階段的ATO 速度波動

分析現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，在線路條件允許時，列車最高運行速度為80 km/h，當(dāng)前系統(tǒng)配置使得車速達(dá)到77 km/h 時停止輸出牽引力，在區(qū)間巡航速度波動范圍控制在77～80 km/h。調(diào)整相關(guān)系統(tǒng)配置后，使得在車速達(dá)到79 km/h 時停止輸出牽引力，在區(qū)間巡航速度波動范圍控制在79～81 km/h。

3.5 進(jìn)站減速階段加大ATO 停車制動率

現(xiàn)場使用的停車制動率為0.47 m/s2提高至0.68 m/s2。停車制動率會影響精確停車階段SBI 曲線的計算。將進(jìn)站停車制動率由0.47 m/s2提高至0.68 m/s2可以使ATO 更晚施加制動，使列車在區(qū)間能夠以高速運行更長時間，達(dá)到縮短區(qū)間運行時間的目的。

3.6 優(yōu)化開門時間

經(jīng)分析輸出開門使能的前提為具備零速和車輛反饋保持制動已施加，現(xiàn)場實際運營數(shù)據(jù)分析車輛響應(yīng)保持制動已施加的時間達(dá)到3.4 s，因此在判零速（1 s）后仍需等待2.4 s 才具備輸出門使能的條件。經(jīng)與車輛確認(rèn)，該3.4 s 延時在確保安全的情況下，可優(yōu)化縮短0.9 s。

經(jīng)過上述優(yōu)化措施后，ATO 模式下列車在呼和浩特1 號線西二環(huán)至壩堰（機(jī)場）旅行速度為36.389 km/h，可滿足36 km/h 要求，呼和浩特1 號線優(yōu)化后的旅行速度統(tǒng)計如表5 所示。

4 結(jié)語

信號系統(tǒng)作為城市軌道交通中保證城市軌道交通行車安全的核心系統(tǒng)，雖然目前技術(shù)已經(jīng)很成熟，但仍有很多值得繼續(xù)研究改進(jìn)的部分。本文對于信號系統(tǒng)ATO 控車策略進(jìn)行了簡要的介紹，針對實際項目，即呼和浩特1 號線遇到的一些具體問題進(jìn)行了分析，并提出了解決方案。隨著對工程項目中遇到的一系列問題的分析和解決，城市軌道交通信號系統(tǒng)也必然會越來越完善，對城市軌道交通的發(fā)展，也將會發(fā)揮越來越重要的作用。通過分析呼和浩特1 號線的工程情況，優(yōu)化信號系統(tǒng)ATO 控車策略及相關(guān)參數(shù)，使得在ATO 模式下6 節(jié)編組B型車可以滿足旅行速度不小于36 km/h 的要求。