電客列車ATO對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)原因調(diào)查

文∕熊蘊(yùn)遠(yuǎn)

1 概述

地鐵作為現(xiàn)代都市出行的重要交通工具，其安全、高效、便捷的運(yùn)營(yíng)模式，給人們的日常生活帶來了諸多便利。作為地鐵運(yùn)營(yíng)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，電客列車停站精度一直備受國(guó)內(nèi)各地鐵運(yùn)營(yíng)單位的關(guān)注。針對(duì)影響沖標(biāo)/欠標(biāo)事件發(fā)生不同的條件，國(guó)內(nèi)已有不少文獻(xiàn)從運(yùn)行指標(biāo)、解決方法等各方面提出了一些可行有效地方法：文獻(xiàn)[1]詳細(xì)定義了地鐵ATO 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)體系；文獻(xiàn)[2]從設(shè)計(jì)角度論述了制約電客列車ATO 對(duì)標(biāo)精度的因素；文獻(xiàn)[3]詳細(xì)描述了電空轉(zhuǎn)換微機(jī)控制模型，并提出應(yīng)對(duì)雨天空轉(zhuǎn)/打滑閘瓦的選型標(biāo)準(zhǔn)、電制動(dòng)過程中黏著限值的設(shè)定等方法；文獻(xiàn)[4]從ATO 對(duì)標(biāo)和制動(dòng)原理及影響ATO 控制精度的因素，對(duì)廣州地鐵3 號(hào)線對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)問題進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[5]描述了ATO 停車原理，并著重對(duì)制動(dòng)過程中的電空轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，說明了廣州地鐵5 號(hào)線對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的原因；文獻(xiàn)[6]針對(duì)沈陽1 號(hào)線電空制動(dòng)存在問題和解決措施提出了建議。

本文針對(duì)2016年至2017年某地鐵線路頻繁發(fā)生沖/欠標(biāo)事件，未滿足信號(hào)系統(tǒng)要求停站精度±0.5m 不低于99.9998%標(biāo)準(zhǔn)的情況進(jìn)行調(diào)查。在排除雨天空轉(zhuǎn)/打滑因素、信號(hào)系統(tǒng)傳感器精度問題，列車電制動(dòng)和電空轉(zhuǎn)化過程不平順等影響因素的基礎(chǔ)上，最終把問題鎖定在ATO 的一個(gè)開環(huán)校正環(huán)節(jié)。

2 原因調(diào)查

ATO 模式下列車的停車過程，按照文獻(xiàn)[5]的描述：是列車實(shí)際速度跟蹤一條恒定制動(dòng)率的推薦速度曲線的過程。ATO 系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的列車實(shí)際速度和列車位置信息，計(jì)算實(shí)際速度和推薦速度之間的差值，得出所需的制動(dòng)指令值，傳送給列車。列車根據(jù)制動(dòng)指令值，計(jì)算所需的總制動(dòng)力，根據(jù)情況由電制動(dòng)執(zhí)行，或者空氣制動(dòng)執(zhí)行，或者兩者都有。如果列車實(shí)際速度曲線能夠與該速度曲線完全重合，則列車將完美的實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)停車。但實(shí)際上，列車受速度檢測(cè)誤差、列車位置誤差、制動(dòng)力誤差、輪對(duì)打滑等因素的影響，時(shí)刻都可能造成實(shí)際速度曲線偏離推薦速度曲線，此時(shí)ATO 系統(tǒng)會(huì)通過實(shí)際速度與推薦速度的差值，增加或減少制動(dòng)力進(jìn)行調(diào)整，使實(shí)際速度不斷地跟蹤推薦速度，直到列車速度為零。如果列車實(shí)際速度未能很好地跟蹤推薦速度，造成列車停車后與服務(wù)停車點(diǎn)SSP 有一定差值，則出現(xiàn)列車沖/欠標(biāo)現(xiàn)象。

實(shí)際控制時(shí)，由于速度變化緩慢，因此控制量選取的是列車的加速度。在列車行進(jìn)的每一個(gè)特定點(diǎn)位，都有一個(gè)精確的加速度位置與之對(duì)應(yīng)。其控制框圖，如圖1 所示。

圖1 列車加速度控制示意圖

從上圖幾個(gè)影響停站精度的關(guān)鍵因素入手，下文將分3 個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)查分析和優(yōu)化調(diào)整：(1)對(duì)雨天空/打滑因素、信號(hào)系統(tǒng)傳感器精度問題，列車電制動(dòng)不平順問題的調(diào)查和分析；(2)對(duì)電空轉(zhuǎn)換不平順問題的調(diào)查分析；(3)對(duì)ATO 輸出級(jí)位與車輛接收級(jí)位不一致（開環(huán)校正環(huán)節(jié)）問題的調(diào)查分析。

最后，在結(jié)論部分給出上述影響因素在地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的不同階段應(yīng)如何關(guān)注，如何排查。

2.1 針對(duì)信號(hào)系統(tǒng)傳感器和電制動(dòng)減速度突變的調(diào)查

2016年底，本文所涉及線路的地鐵信號(hào)系統(tǒng)針對(duì)頻繁發(fā)生的空轉(zhuǎn)/打滑問題，在增加了雨天模式后，列車定位不準(zhǔn)及由此引發(fā)的緊急停車問題得到了有效抑制。在本文分析過程中，將首先排除空轉(zhuǎn)/打滑引起沖/欠標(biāo)的情況。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的描述，隨后發(fā)生的沖/欠標(biāo)事件是由于“車輛制動(dòng)單元沒有很好地響應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)給出的制動(dòng)級(jí)位”，并且“減速度在低速時(shí)的突變”引起的。

對(duì)此，車輛技術(shù)人員首先對(duì)列車輪徑和走行部進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，未發(fā)現(xiàn)走行部機(jī)械尺寸有明顯異常問題。

圖2 對(duì)標(biāo)停車情況下12km/h 時(shí)的減速度突變

從2017年某列車停站過程中采集的ATO加速度指令（圖2 中棕色曲線）、實(shí)際濾波加速度（綠色曲線）、路況坡道加速度（藍(lán)色曲線）、列車速度（紅色曲線）以及上氣制動(dòng)情況（紫色曲線）可以看出：當(dāng)列車速度降至12km/h 時(shí)，列車的實(shí)際濾波加速度與信號(hào)系統(tǒng)的加速度指令開始背離，并在列車停穩(wěn)前，形成了振蕩?？紤]到動(dòng)態(tài)停車過程存在各種因素的影響，隨后在試車線進(jìn)行了恒定級(jí)位下的制動(dòng)測(cè)試，以重點(diǎn)觀察影響加速度變化的因素，見下圖3。

圖3 固定級(jí)位停車情況下12km/h 時(shí)的減速度突變

圖3 中（綠色曲線為列車濾波后加速度、紅色曲線為列車速度、粉色曲線為ATO 級(jí)位），車速在12km/h 時(shí)列車減速度有明顯波動(dòng)的情況。但該波動(dòng)引起的原因，是來自外部，還是來自車輛本身，有如下幾個(gè)推斷。由于試車線平直，且無其它外部干擾，因此外部影響可以基本排除；而內(nèi)部因素，從減速度曲線突增的情況，可以推測(cè)出其直接影響因素有：(1)電制動(dòng)力偏大；(2)空氣制動(dòng)預(yù)壓力的施加；(3)信號(hào)系統(tǒng)測(cè)量誤差。

在分別切除氣制動(dòng)和電制動(dòng)進(jìn)行測(cè)試后，采用第三方速度采集設(shè)備進(jìn)行比照試驗(yàn)，基本可以排除第空氣制動(dòng)預(yù)壓力和信號(hào)系統(tǒng)測(cè)量誤差的影響。

經(jīng)廠家對(duì)電制動(dòng)程序進(jìn)行了優(yōu)化更新后，列車在固定級(jí)位下的制動(dòng)曲線，有了較明顯的優(yōu)化。

2.2 針對(duì)電空轉(zhuǎn)化過程減速度突變的調(diào)查

在消除了電制動(dòng)減速突變帶來的影響后，列車在測(cè)試過程中，5km/h～0km/h 階段減速度仍存在較大波動(dòng)，詳見圖4（曲線顏色說明同圖3）：

圖4 固定級(jí)位停車情況下5km/h～0km/h 減速度波動(dòng)

該速度段，列車制動(dòng)處于電空轉(zhuǎn)換過程。據(jù)設(shè)計(jì)文件對(duì)電空轉(zhuǎn)換的約定（如圖5 中第1種情況）：當(dāng)電制動(dòng)到達(dá)退出時(shí)機(jī)（速度v0）時(shí)，電制動(dòng)發(fā)出退出指令，延時(shí)⊿t 秒后，開始以-1m/s3的沖擊率退出，同時(shí)氣制動(dòng)開始以1m/s3的沖擊率施加，當(dāng)電制動(dòng)為零時(shí)，氣制動(dòng)保持此時(shí)輸出壓力，直至停車?；诖思s定，是否可對(duì)電空轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行優(yōu)化，有如下幾種備選方案：

圖5 電空轉(zhuǎn)換方案

圖5 中的左邊三個(gè)圖和右邊三個(gè)圖，分別代表了兩種電空轉(zhuǎn)換方案。具體為：(1)固定點(diǎn)退出（圖5 中1、2、3 種情況）：當(dāng)電制動(dòng)發(fā)出退出指令，固定延時(shí)⊿te+⊿t 后，按=-1m/s3、＞-1m/s3或＜-1m/s3的沖擊率退出；(2)浮動(dòng)點(diǎn)退出（圖5 中4、5、6 種情況）：在預(yù)估氣制動(dòng)在經(jīng)過延時(shí)⊿ta 后完全施加時(shí)列車速度剛好為vt，反推至氣制動(dòng)剛開始施加⊿te±⊿t 時(shí)刻，給電制動(dòng)發(fā)出退出指令。

經(jīng)對(duì)比，改進(jìn)方案最終選定了第6 種情況，并取⊿te=0.45s，ke=-1.5m/s3。雖然在理論分析時(shí)，該方案中制動(dòng)力有一個(gè)較大的疊加峰值，但實(shí)際運(yùn)用效果剛好彌補(bǔ)了圖4 中低速階段減速度變小的情況。

2.3 針對(duì)ATO 輸出級(jí)位與車輛接收級(jí)位不一致問題的調(diào)查

在優(yōu)化了電制動(dòng)和電空轉(zhuǎn)換過程后，又經(jīng)反復(fù)調(diào)查，基本排除氣制動(dòng)對(duì)恒定級(jí)位下列車制動(dòng)曲線帶來的影響。此時(shí)，調(diào)查焦點(diǎn)逐步鎖定在了車載ATC 的控制策略上。

經(jīng)在試車線反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ATO 級(jí)位與牽引制動(dòng)級(jí)位名稱不一致，并且曲線變化也不完全一致。在不斷深入調(diào)查后，廠家澄清了ATC控制器中的SRD PC MBC 級(jí)位是信號(hào)系統(tǒng)通過接口直接傳給車輛系統(tǒng)施加制動(dòng)的最終控制指令。并且在低速時(shí)，SRD PC MBC 級(jí)位與原始的牽引制動(dòng)級(jí)位相比有一個(gè)大的突變（圖6 中紅圈內(nèi)）。而正是這個(gè)突變?cè)斐闪恕傲熊噷?shí)際加速度”（黃色曲線）在黃色箭頭位置的突變。由于車輛系統(tǒng)無法快速響應(yīng)信號(hào)指令的變化，導(dǎo)致列車在停車前加速度發(fā)生振蕩。

圖6 問題解決實(shí)施步驟

在廠家對(duì)SRD 級(jí)位優(yōu)化和調(diào)整后，經(jīng)重新辨識(shí)列車動(dòng)態(tài)模型，對(duì)ATO 參數(shù)進(jìn)行整定，正線沖欠標(biāo)問題終于得到了有效地解決。

3 結(jié)語

由于信號(hào)系統(tǒng)的控制策略是基于把列車制動(dòng)過程看作是一個(gè)一階慣性加純滯后環(huán)節(jié)來處理的，如果電/氣制動(dòng)以及電空轉(zhuǎn)換過程不滿足這個(gè)假設(shè)，那么控制器中針對(duì)一階慣性環(huán)節(jié)的PI 控制和針對(duì)純滯后環(huán)節(jié)的史密斯預(yù)估控制從模型到控制器的設(shè)計(jì)將是不準(zhǔn)確地。因此在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)過程中至列車出廠前，需通過對(duì)列車動(dòng)態(tài)制動(dòng)特性的嚴(yán)格卡控，來獲得精準(zhǔn)的控制對(duì)象模型。在地鐵開通至前新線調(diào)試過程中，還需在試車線進(jìn)行固定制動(dòng)級(jí)位下的停車試驗(yàn)，以獲得一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間參數(shù)，以便用來計(jì)算控制器參數(shù)。在地鐵運(yùn)營(yíng)過程中，如列車頻繁出現(xiàn)停站不準(zhǔn)的問題，應(yīng)重新進(jìn)行固定制動(dòng)級(jí)位下的停車試驗(yàn)，以觀察列車的制動(dòng)曲線是否還嚴(yán)格滿足投運(yùn)時(shí)一階慣性和純滯后的特性以及參數(shù)，具備響應(yīng)的平穩(wěn)性。

從整個(gè)調(diào)查過程來看，為了查明停車動(dòng)態(tài)過程中影響制動(dòng)力平順的因素，首先應(yīng)針對(duì)列車靜態(tài)制動(dòng)過程（固定制動(dòng)級(jí)位下的停車試驗(yàn)）進(jìn)行試驗(yàn)和分析，逐步優(yōu)化和排除各種影響制動(dòng)曲線平穩(wěn)性的因素，最后鎖定影響制動(dòng)力正常發(fā)揮的因素。

當(dāng)問題因素逐步排出后，再針對(duì)查明的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。從整個(gè)問題的解決過程來看，列車在固定制動(dòng)級(jí)位下的靜態(tài)響應(yīng)曲線一定要逐級(jí)位進(jìn)行優(yōu)化，其響應(yīng)特性一定要與理論的參考模型趨于一致，這樣才能最終保證列車對(duì)動(dòng)態(tài)制動(dòng)指令的響應(yīng)有較好的跟隨特性。

同時(shí)信號(hào)指令在控制過程中不應(yīng)快速大幅度波動(dòng)，這樣不利于車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行平穩(wěn)跟隨。

注意到落實(shí)以上幾點(diǎn)問題后，才能保證整個(gè)停車過程平穩(wěn)、精確地進(jìn)行。