貴陽地鐵1號線列車自動駕駛模式欠標故障分析

摘要 地鐵自動駕駛功能在經歷過不斷改進后，目前已廣泛應用于各大地鐵的運營當中，該功能為地鐵高效安全運行、減輕司機駕駛壓力起到了很大的作用。文章主要介紹了貴陽1號線在自動駕駛模式下發生的欠標事件，針對造成欠標的列車空轉滑行邏輯進行了分析，包含列車制動級位與實際施加制動力的相應對比情況等，旨在通過此故障對列車發生空轉滑行的處置措施進行優化，降低列車在正線晚點的可能性。

關鍵詞 自動駕駛；地鐵電客車；列車欠標；空轉滑行

中圖分類號 U279文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0015-04

0 引言

貴陽地鐵1號線的制動系統是以“架控”為方式的制動控制系統，其中“架控”指的是一個轉向架一個轉向架進行控制，制動系統的EP閥內設監控設備，具有自診斷和故障記錄功能，它能在司機控制器或ATO的控制下對列車進行階段或一次性的制動與緩解^[1]。

車載ATP（Automatic Train Protection，列車自動防護）是地鐵信號系統在正線行車中確保行車安全的一道最重要保障，它除了可以為電客車提供速度與前一站的間隔預期曲線，還可以監測電客車車門打開或者關閉狀態以及下一站站臺門的狀態、檢測電客車產生后溜等。車載ATP不但能夠實現3種信號級別的列車防護，而且能在電客車自動駕駛模式激活后為其提供必要的信息，為信號顯示屏提供狀態信息等，實現上述功能的前提是需要它與地面應答器或者ZC系統進行通信。

貴陽地鐵1號線電客車在正常制動過程中，空氣制動與電制動的施加是通過列車級制動指令實現的，并且在速度高時優先采用電制動，如果電制動無法滿足此時所需的制動力需求，不足的制動力將平均分配到每節車進行補充。

1 列車欠標事件分析

1.1 故障現象

2018年7月3日，上午7：38，行調報：114車以AM模式運行至八鴿巖下行進站時欠標50 cm，后續進站對標正常。

1.2 故障原因

由于氣候原因早晨軌面濕滑，且ATO模式下小制動突然變成大制動，導致車輛打滑。制動系統檢測到滑行，從而切除電制動，提前使用氣制動控車，氣制動的施加與緩解通過氣缸的充氣與排氣進行，其響應時間對比電制動偏慢，因此其控車精度不如電制動，導致了此次的欠標故障。

1.3 故障分析

114車從南埡路下行出站后的列車速度折線圖，如圖1所示，橫坐標為列車從南埡路出站至八鴿巖進站停穩的時間（07：31：32—07：33：48），縱坐標為這段時間內的列車速度，從速度曲線中能夠看出，在AM模式下，列車在07：31：55時達到該區間的最高速度（69.7 km/h）。由于電客車常用制動采用的是電空混合方式，在速度較大時優先采用電制動，當列車速度小于5 km/h時，電制動開始緩慢淡出，當速度低于3 km/h時，電制動完全切除。因此在區間達到最高速度后，列車開始施加電制動控制速度不再升高，保持平穩。

制動級位與對應施加電制動力的響應圖，如圖2所示，從圖中可以看出，在電制動施加過程中電制動力與級位的需求值均是匹配的，只是在最后階段（紅框標注的區間），級位的需求值發生了很大變化，從小制動變為大制動，從列車執行ATO的40%的制動瞬間增加至ATO輸出的100%的制動（時間為：7：33：11—7：33：12，間隔僅為1 s），此時需要信號進行說明。

由于氣制動提前施加，所以從切除電制動到列車停穩的這段時間，電客車施加的制動均為氣制動，氣制動的施加與緩解是通過制動風缸的充氣排氣完成，制動風缸充排氣是一個機械過程，需要一定的反應時間，與級位需求值這種電氣值的變化相比會有延時和誤差，對車輛對標的準確度會有影響，這也是為什么常用制動中優先使用電制動，待速度降低到很小時才使用氣制動的原因。圖2可以看出整個過程制動力相對級位的變化雖有一定的延遲，但這是正常情況，車輛均及時響應對應的制動級位需求值。

制動級位與對應施加氣制動力的響應，如圖3所示，圖中有一個制動級位為0的區間，也就是紅框標注的部分，此時可以看到制動級位突然降為0，而氣制動仍在施加，這是因為此時司機發現列車對標不準確，有些欠標，因此司機操作了手柄，進行手動對標，此時手柄處在牽引級位，故制動級位為0。司機操作了手柄，駕駛模式從AM轉為CM，而AM模式下車停穩后氣制動會逐漸施加到最大值，此時模式進行切換且切換瞬間輸出了牽引指令，制動缸的氣壓不能瞬間降為0，所以導致制動級位為0后一段時間，氣制動還保持著。最后當列車對標準確并停穩后，制動級位輸出至100%，氣制動也相應動作。

1.4 故障結論

經分析數據發現，列車制動力響應對應級位值正常，車輛牽引制動功能正常。調查中發現，導致此次欠標的原因是后通段由于氣候原因早晨軌面濕滑，且ATO模式下小制動突然變成大制動，導致車輛打滑，制動系統檢測到滑行，從而切除電制動，提前使用氣制動控車。而氣制動控車的精度不如電制動，導致了此次的欠標故障。

2 列車控制邏輯原理

2.1 切除電制動邏輯原理

當列車需要輸出制動指令時，列車控制系統（TCMS）首先檢測制動列車線此時處于失電狀態，然后VCU輸出制動指令，該指令通過列車MVB網絡發送給包含制動系統等其他子系統。

電空混合初期，制動系統沒有收到實際電制動力時，牽引系統將發送當前工況下能達到的最大電制動力值給VCU，VCU轉發給制動系統，制動系統以此值進行電空混合；2 s（在調試階段確定）后通過牽引需求參考值計算出制動力需求值，VCU將該需求值發送給牽引與制動系統。在接收到此需求值與牽引系統發送的電制動力值后，制動系統將比較牽引系統的電制動力值與制動需求值的大小，如果發現不足，制動系統將不足的制動力平均到每節車廂進行氣制動補充^[2]。

當列車進入下一站站臺即將停車時，直接施加大制動來停車，此時不論是否存在牽引指令，都以制動指令為準，若同時存在大小兩種制動需求，則優先響應大制動需求。當電客車由于牽引系統部件設備原因出現故障影響電制動力施加時，由氣制動補充相應故障單元的制動力，只要保證所需最大黏著系數在0.038～0.043的范圍內即可。當列車出現故障需要限速時，將以最低的限速值執行限速，例如此時3個牽引控制單元故障需要限速30 km/h，速度大于32 km/h將施加制動降低速度，當速度小于28 km/h時所施加制動將消失。

在制動工況下，滿足以下條件電制動力將被切除：①氣制動開始緩慢介入電制動減小的速度點是隨機的，與級位大小相關；②電制動力切除將以減速度變換率K的曲線減小，K的值為1 m/s³；③電制動力在列車速度小于1.5 km/h左右完全退出；④牽引控制系統發出電制動退出信號后至執行此退出指令會有響應時間Δt₁，Δt₁=400 ms。

電制動切除曲線，如圖4所示，牽引控制單元發出電制動切除信號的時刻為t₁，此時列車速度為V₁，經過400 ms的響應時間后，電制動在t₂時刻開始切除，此時列車速度為V₂，制動系統將在此時施加少量的空氣制動進行補充，直至t₃時刻，氣制動完全施加，電制動完全退出。

為了電制動能夠在速度盡可能小的情況下退出，牽引控制單元發出“電制動切除”信號的速度點V₁與電制動開始退出的速度點V₂不固定，根據當前列車電制動力狀態的變化而變化。

2.2 列車速度選取與防滑邏輯原理

貴陽1號線列車速度計算方式是根據車輛牽引系統的電機綜合速度和制動系統的軸速計算本地速度（電機速度通過電機電流電壓計算而來，軸速通過不同軸端速度傳感器采集而來，都存在一定誤差），接著根據本地速度計算列車速度。

本地速度：將每列車分為3組，每組按如下規則選擇一個本地速度，制動指令激活時，本地速度取第二高速度值；牽引指令激活時，本地速度取第二低速度值；

列車速度（Train Speed）：制動指令激活時，列車速度取三個本地速度的最大值；牽引指令激活時，列車速度取三個本地速度的最小值。

在地鐵控制邏輯中，空轉滑行保護和黏著利用控制系統分別歸屬于制動系統及牽引系統。如圖5所示，黏著控制的主要作用是在鋼軌軌面情況未知的情況下，通過采集牽引電機轉速、電機轉矩等信息，結合VCU發出的牽引制動力參考值以及牽引控制單元的牽引特性曲線，綜合分析得出此時牽引電機轉矩施加值的大小。此時牽引系統將發出電機轉矩施加值給到電機控制系統，列車可以最大限度運行在最大黏著系數上，從而獲得最大黏著利用率^[3]。

在牽引系統中，滑行的判斷為：牽引電機的電壓電流算出來的速度和網絡給出的速度比較相差3～5 km/h，3 s后變為嚴重滑行，5 s切除。牽引系統控車方式為單控，即每節車廂的牽引控制單元控制本節車廂牽引子系統，牽引電機的給定轉矩會在列車因其他外部原因使軌面黏合狀態發生變化，或列車整體加速度超過保護閾值時瞬時調整，以保證列車能快速從空轉滑行中恢復。

2.2.1 輪對速度差檢測及保護

列車實時監測同一節車廂上4條輪對的速度，當任意兩輪對間的速度差值（或與列車實際速度的速度差）超過系統預設的保護閾值時，即發生空轉滑行，將根據差值大小迅速調整電機給定轉矩，從而使列車快速恢復正常狀態。

2.2.2 輪對加速度檢測及保護

列車可以實時監測同一節車廂上4條輪對的牽引或制動加減速度，當任意兩輪對間的加減速度差值超出設定的保護閾值時，將根據差值大小迅速調整電機給定轉矩，恢復列車狀態。

2.2.3 空轉滑行控制系統的失效保護

當空轉滑行持續時間超過5 s，且調整后空轉滑行等級還在提升時，列車將認定空轉滑行系統調整失敗，列車處于制動工況，此時無論列車速度大小是多少，都會切除電制動由氣制動進行控車，由氣制動響應制動力要求；當處于牽引工況時，若列車認定空轉滑行系統失效，牽引系統可以正常使用。

貴陽1號線制動系統的工作邏輯如下：貴陽1號線克諾爾防滑控制系統的全稱是車輪防滑行保護（Wheel Slide Protection），其功能的實現是通過每單元主網關閥控制實現的，即EP2002閥。EP2002防滑保護系統工作過程如下：

（1）當車輛處于制動狀態（包括緊急制動），但防滑保護并沒有被激活前，制動系統處于正常工作狀態，此時系統計算的參考速度為制動CAN單元內各軸的最高軸速。

（2）當車輛處于制動狀態，且當前軸速與參考速度差大于5%（或當前軸的軸減速度大于2.5 m/s²時），激活防滑保護功能，此時EP2002制動控制閥將從架控模式自動進入軸控模式，為可能進行的軸控防滑保護作好準備。按照制動和牽引的信號清單，在制動檢測到滑行而牽引未給出等待信號時，制動將立即切除電制動進行防滑糾正。

（3）當車輛處于制動狀態，且當前軸速與參考速度差大于15%時，制動控制閥的防滑保護動作開始，對當前軸對應的制動缸進行排氣動作，并盡可能使當前軸的速度差控制在大約15%～20%范圍內EP閥的防滑功能基本設置是盡全力去糾正滑行，避免擦輪。

3 改進措施

此次故障可以發現，導致欠標的主要原因是電制動被切除，提前使用氣制動控車造成的，因此可針對車輛與信號兩個方面的電氣制動轉換提出意見。

針對車輛方面：當制動系統檢測到有空轉滑行時，不應立即切除電制動，應先對空轉滑行進行分類，例如可分為輕微、中等、嚴重三個等級的空轉滑行信號，對于輕微與中等的空轉滑行可先施加部分氣制動進行調整干預，若調整成功則不會切除氣制動，若調整5 s后空轉滑行的等級上升，此時再切除電制動。在列車完全切除電制動由氣制動控車后，如果此時駕駛模式為AM模式，可讓ATO系統輸出2 s的惰行指令，以恢復列車電制動。同時對于司機，應該在下雨或下雪時，在高架和地面站采取手動駕駛模式，因為自動駕駛模式不識別天氣，速度會比較高，采用手動駕駛則可以將速度控制在較低的范圍，不易引起打滑。

針對信號方面：當列車處于制動工況時，此時若切除了電制動，可以給予一個電制動恢復信號，使電制動恢復，這樣可以大大增加信號自動駕駛模式時的控車精度^[4]。由于打滑后速度將與信號系統的期望速度產生偏差，當速度差大于5 km/h時，列車將會產生由ATP觸發的緊急制動，信號等級將降級為聯鎖信號等級。因此信號在此方面可進行優化，例如識別到車輛發生打滑以后，若產生緊急制動，不應降級，應保持緊急制動前的信號等級，這樣可以提高車輛在發生此類特殊情況時，正線列車運行的準點率，降低晚點時間。

4 結束語

列車空轉滑行故障多見于下雨或下雪后，因為這個時候的鋼軌濕滑，將導致列車車輪黏著力下降，但列車切除電制動其實是列車對于自身狀態的一種調整措施，只是過于絕對且不可恢復。因此，在看待此類故障時應盡可能對車輛的邏輯進行優化，在安全的前提下保障車輛正常行駛。

參考文獻

[1]李焱. 貴陽1號線電客車培訓教材[Z]. 貴陽市城市軌道交通有限公司， 2020.

[2]徐紅星. 貴陽1號線制動系統維護手冊[Z]. 克諾爾車輛設備有限公司， 2018.

[3]鐘建. 貴陽1號線牽引系統DCU控制功能說明[Z]. 貴陽市城市軌道交通有限公司， 2018.

[4]黃晨釗. 貴陽1號線車輛項目例會會議紀要[Z]. 貴陽市城市軌道交通有限公司， 2018.

收稿日期：2023-09-14

作者簡介：鐘向前（1995—），男，碩士研究生，助理工程師，從事城市軌道交通設備維保工作。