地鐵列車制動(dòng)控制研究

摘 要：地鐵列車制動(dòng)控制對車輛停站精度影響較大，本文對列車低速進(jìn)站時(shí)的電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換控制性能及列車自動(dòng)駕駛控制進(jìn)行專業(yè)課題研究，分析制動(dòng)控制對列車停站的影響，提出優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：停站;制動(dòng);電空轉(zhuǎn)換

一、背景

重慶地鐵B型車輛正線運(yùn)營多次出現(xiàn)停車對標(biāo)不準(zhǔn)問題。

二、問題分析

1.車輛制動(dòng)系統(tǒng)分析

1.1車輛制動(dòng)控制原理

重慶一號(hào)線地鐵列車自動(dòng)控制系統(tǒng)采用鐵科院制動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用減速度控制模式，制動(dòng)控制單元（BCU）根據(jù)司控器指令的減速度（自動(dòng)駕駛時(shí)指令由ATO給出）和由空簧壓力傳感器檢測到的車輛載重來計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力。制動(dòng)采用空電混合制動(dòng)并優(yōu)先使用電制動(dòng)，空氣制動(dòng)用于電制動(dòng)力不足和電制動(dòng)力上升階段對制動(dòng)力的補(bǔ)充，此外當(dāng)列車車速降低時(shí)，電制動(dòng)效果減弱，低速進(jìn)站停車速度降至3-6km/h時(shí)，電制動(dòng)力退出，此時(shí)制動(dòng)由空氣制動(dòng)接管，存在一個(gè)電空轉(zhuǎn)換的過程。制動(dòng)控制裝置還具有防滑排風(fēng)功能，防止瞬時(shí)制動(dòng)壓力過大而產(chǎn)生的車輪滑行，維持粘著狀態(tài)。而車輪滑行會(huì)損壞車輪踏面，影響制動(dòng)距離、停車精度。

查閱車輛TCMS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，列車接收并準(zhǔn)確執(zhí)行了ATO的駕駛指令。當(dāng)列車速度下降至3km/h時(shí)，電制動(dòng)力完全退出，Tc車與Mp車的制動(dòng)缸壓力上升接管制動(dòng)，其中Tc車制動(dòng)缸壓力上升在電制動(dòng)完全退出前的2s左右，Mp車制動(dòng)缸壓力上升在電制動(dòng)完全退出前的1s左右。在電制動(dòng)力完全退出后，列車速度從2.5km/h降至0經(jīng)歷了2s左右，其減速度>，對輪對沖擊較大。這個(gè)期間若出現(xiàn)車輪滑行或空氣制動(dòng)施加過晚易造成停車過標(biāo)，而空氣制動(dòng)過早施加則會(huì)造成停車欠標(biāo)。

1.2? 列車在低速制動(dòng)時(shí)的車輪防滑性能

制動(dòng)過程中，如果輪軌間粘著力不足以滿足制動(dòng)要求，車輪會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)損壞車輪，并會(huì)延長制動(dòng)距離，也可能造成對標(biāo)不準(zhǔn)。車輪滑動(dòng)保護(hù)就是要防止擦輪現(xiàn)象的發(fā)生，使列車充分利用粘著進(jìn)行制動(dòng)。

車體安裝的防滑閥基于每根軸進(jìn)行制動(dòng)缸壓力控制。每個(gè)單閥包括兩個(gè)電磁閥，用以控制相應(yīng)制動(dòng)缸的空氣壓力。一個(gè)電磁閥控制制動(dòng)缸的進(jìn)風(fēng)，另一個(gè)控制制動(dòng)缸的排風(fēng)。這兩個(gè)閥的動(dòng)作組合可形成三個(gè)不同狀態(tài)：

“充風(fēng)” 兩閥均失電，空氣進(jìn)入制動(dòng)缸。

“保壓”進(jìn)風(fēng)閥得電，排風(fēng)閥失電，制動(dòng)缸被隔離，空氣壓力恒定。

“排風(fēng)” 兩閥均得電，空氣從制動(dòng)缸排出。

空氣制動(dòng)滑行控制系統(tǒng)采用速度差和減速度判據(jù)進(jìn)行滑行檢測。

速度差判據(jù)：當(dāng)某一軸速度低于參考速度（基準(zhǔn)速度）達(dá)到判定滑行數(shù)值;

減速度判據(jù)：當(dāng)某一軸速度的減速度達(dá)到判定滑行數(shù)值; 當(dāng)出現(xiàn)以上任何一種情況時(shí)，就判定該軸發(fā)生制動(dòng)滑行。

從以上兩個(gè)判據(jù)可以看出，當(dāng)列車進(jìn)站停車，速度較低時(shí)（各軸速均趨近于0），其防滑性能是較弱的。在速度低于5Km/h 情況下，由于物理原因，確保充分的防滑是非常困難的。如果軌道條件惡劣，在該速度范圍內(nèi)新建一個(gè)達(dá)到100%的常用制動(dòng)是極其危險(xiǎn)的，因?yàn)榇藭r(shí)防滑特性的預(yù)警告階段已經(jīng)不再充分。低速時(shí)的制動(dòng)建議：如果車速超過7Km/h，進(jìn)站前應(yīng)首先實(shí)施100%常用制動(dòng);低于此速度時(shí)，例如在停車定位點(diǎn)停止前不久，制動(dòng)扭矩必須減少到50%。此措施也將減少在停車時(shí)的沖擊，從而增加乘客舒適度。

1.3? 車輛牽引制動(dòng)控制

查閱制動(dòng)終端數(shù)據(jù)，對比重慶地鐵一號(hào)線和6號(hào)線兩列車的實(shí)際控制效果，可以看出，在運(yùn)行中對標(biāo)正常的列車，當(dāng)列車速度下降至3.4km/h時(shí)，電制動(dòng)開始退出，空氣制動(dòng)開始施加，制動(dòng)缸壓力從預(yù)控壓力36kp上升至130kpa左右并維持至最終停車，電制動(dòng)力在車速為2km/h時(shí)完全退出，在列車基本停穩(wěn)（速度趨于0）時(shí)空氣制動(dòng)壓力上升至緊制壓力。在電制動(dòng)力開始退出直至停車過程中，列車瞬時(shí)減速度基本維持在左右（僅在列車即將停穩(wěn)施加緊急制動(dòng)是上升至），制動(dòng)指令維持在0.5（50%）以下，列車行駛距離約為1m左右，車速下降平緩，保證了其良好的低速防滑和精確對標(biāo)性能。而對標(biāo)存在問題的列車，當(dāng)列車速度下降至6.5km/h時(shí)，電制動(dòng)即開始退出，空氣制動(dòng)開始施加，制動(dòng)缸壓力從預(yù)控壓力36kp上升至152kpa隨后又有所降低，電制動(dòng)力在車速為1.7km/h時(shí)完全退出。在電制動(dòng)力開始退出直至停車過程中，列車瞬時(shí)減速度有一個(gè)激增，峰值達(dá)到。制動(dòng)指令從0.64降低至0.2左右，列車行駛距離約為3m左右?？梢钥闯鲇捎陔娭苿?dòng)力的提前退出，空氣制動(dòng)提前施加且制動(dòng)缸壓力較大，導(dǎo)致列車在對標(biāo)前過度減速，且造成了輪對的滑行現(xiàn)象，隨后制動(dòng)缸壓力有所降低以恢復(fù)粘著制動(dòng)。這導(dǎo)致了輪對的異常磨耗和列車最終的欠標(biāo)停車。

由于列車DCU和BCU程序問題導(dǎo)致電-空制動(dòng)轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)不對，致使列車牽引制動(dòng)控制不正常，輪對異常磨耗，ATO對標(biāo)不準(zhǔn)。這是ATO對標(biāo)不準(zhǔn)的主要原因。

解決方案：要求株洲時(shí)代電氣和鐵科院對車輛控制程序重新升級(jí)并在正線運(yùn)營中驗(yàn)證其控制性能。

2車輛自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)分析

手動(dòng)駕駛時(shí)，停車對標(biāo)位置的精確度取決于司機(jī)的駕駛水平和經(jīng)驗(yàn)。

而在自動(dòng)駕駛（ATO）模式下，該過程交由車載自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）完成。在列車自動(dòng)駕駛（ATO）停車對標(biāo)的過程中，主手柄置于“N”位，系統(tǒng)采集車輛速度信號(hào)和目標(biāo)距離信號(hào)，經(jīng)由精確計(jì)算后對車輛牽引制動(dòng)（制動(dòng)力）進(jìn)行連續(xù)控制以使車輛在預(yù)定的位置停車，在理想狀態(tài)下，相比于手動(dòng)駕駛，列車停車位置應(yīng)更精確，牽引制動(dòng)力的施加更為合理，停車更為平穩(wěn)，乘客乘坐舒適度更好。

在ATO駕駛模式中，影響停車精度的因素主要有以下兩方面。

2.1自動(dòng)駕駛精確停站控制原理

重慶地鐵列車自動(dòng)控制系統(tǒng)采用德國西門子公司的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為車載系統(tǒng)和軌旁系統(tǒng)兩部分。

ATO制動(dòng)列車使停車精度指標(biāo)可以達(dá)到±0.3m或更好。精確停車依靠車站區(qū)域安裝的應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)。如果停車對標(biāo)誤差超過30cm，ATP將不會(huì)釋放門允許信號(hào)，將不能實(shí)現(xiàn)車門與屏蔽門聯(lián)動(dòng)開啟，在司機(jī)進(jìn)行降級(jí)操作手動(dòng)開關(guān)門后，ATO將不會(huì)給出牽引命令。所以當(dāng)列車在目標(biāo)位置之前（欠標(biāo)）停車時(shí)，目前司機(jī)的處理方式為拉動(dòng)主手柄二次牽引手動(dòng)對標(biāo)停車（任何時(shí)候拉動(dòng)主手柄會(huì)使列車解除自動(dòng)駕駛）。

2.2軌旁系統(tǒng)故障

停車時(shí)，列車從軌旁應(yīng)答器接收位置信號(hào)，且在壓過該應(yīng)答器時(shí)會(huì)收到一個(gè)物理校正信號(hào)提高位置精度，若軌旁系統(tǒng)發(fā)生故障（應(yīng)答器安裝位置不準(zhǔn)，不能正確與車載設(shè)備正常通信等），將導(dǎo)致多車在同一個(gè)站臺(tái)無法正常對標(biāo)，類似情況為天津輕軌東海路站，但事實(shí)情況為單車在多個(gè)站臺(tái)對標(biāo)不準(zhǔn)。因此，基本可以排除軌旁系統(tǒng)故障情況。

2.3車載系統(tǒng)故障

2.3.1? ATO輸出了錯(cuò)誤的駕駛曲線

自動(dòng)駕駛基于閉環(huán)控制的原理。測速電機(jī)和雷達(dá)通過ATP將列車實(shí)際速度傳輸給ATO，參考位置的輸入來自于應(yīng)答器的位置。因此，ATO提供設(shè)定值的數(shù)據(jù)輸出至牽引和制動(dòng)系統(tǒng)。因?yàn)锳TO的錯(cuò)誤計(jì)算輸出了錯(cuò)誤的駕駛曲線導(dǎo)致對標(biāo)不準(zhǔn)是一種可能原因。

2.3.2車輛輪徑值設(shè)置錯(cuò)誤

列車行駛速度由測速電機(jī)和雷達(dá)共同采集，雷達(dá)速度采集本身也通過OPG。

OPG裝置是一種里程脈沖發(fā)生器，通過計(jì)算車輪旋轉(zhuǎn)來測量速度和距離，是一種間接測量方式，其測量所得的車速v=車輪圓周長×圈數(shù)/t，s=vt。當(dāng)車輪因?yàn)槟ズ妮啅街蛋l(fā)生改變時(shí)，車輪周長因此變化，而系統(tǒng)內(nèi)的輪徑預(yù)設(shè)值并未做修正，這就將導(dǎo)致列車所測得的速度信息出現(xiàn)偏差，里程信息也出現(xiàn)偏差，車輛位置信息也出現(xiàn)偏差。當(dāng)OPG裝置采集所得的速度值與雷達(dá)采集的值差到達(dá)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，ATC系統(tǒng)會(huì)檢測到并報(bào)警，這時(shí)需要修改預(yù)設(shè)的輪徑值，但當(dāng)此數(shù)值未達(dá)到報(bào)警值時(shí)便會(huì)出現(xiàn)速度采集不準(zhǔn)，對標(biāo)不準(zhǔn)的情況。

列車所采集的速度信息有誤導(dǎo)致停車對位不準(zhǔn)，這種情況對對標(biāo)造成了一定的影響。下表為1號(hào)線馬家?guī)r車輛段月修車輛的輪徑值對比情況。

由上表可以看出，與其他列次相比，01003編組輪徑值較小，對車輛速度信號(hào)的采集造成了一定的影響。

解決方案：要求西門子廠家從控制原理上解決輪徑值對其控制的影響，或提出具體的輪徑值設(shè)定和校正標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)而對系統(tǒng)內(nèi)的輪徑值進(jìn)行定期設(shè)定校正。

三、結(jié)語

綜上所訴，由于列車DCU和BCU程序問題導(dǎo)致電-空制動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)不對，致使車輛牽引制動(dòng)控制不正常，輪對異常磨耗，ATO對標(biāo)不準(zhǔn)。另外輪徑值對列車ATO制動(dòng)對標(biāo)造成了一定的影響。

處理對策：1.要求株洲時(shí)代電氣和鐵科院對列車控制程序重新升級(jí)并在正線運(yùn)營中驗(yàn)證其控制性能;2.要求西門子廠家從控制原理上解決輪徑值對其控制的影響，或提出具體的輪徑值設(shè)定和校正標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)而對系統(tǒng)內(nèi)的輪徑值進(jìn)行定期設(shè)定校正。

作者簡介：劉行（1990.12-），男，漢族，重慶人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：軌道車輛、工程管理。