基于優(yōu)化控車策略改善ATO停車精度的研究與應(yīng)用

何清泉

（廈門軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，福建廈門361000）

0 引言

列車ATO 自動(dòng)駕駛是地鐵線路運(yùn)營的常用駕駛模式，信號(hào)系統(tǒng)通過科學(xué)的計(jì)算各方面參數(shù)合理地控制列車運(yùn)行，達(dá)到列車高效、經(jīng)濟(jì)、舒適運(yùn)行的目的。在列車ATO 自動(dòng)駕駛模式下，信號(hào)系統(tǒng)負(fù)責(zé)發(fā)送牽引、制動(dòng)命令，車輛牽引、制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行。列車的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確地響應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的牽引、制動(dòng)命令是列車精準(zhǔn)駕駛的基本保障，特別是信號(hào)系統(tǒng)制動(dòng)策略與車輛制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行的匹配程度直接影響了列車的停車精度。某地鐵開通以來，在X 站點(diǎn)出現(xiàn)列車ATO 自動(dòng)駕駛對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)次數(shù)達(dá)46 次，欠標(biāo)最大距離為0.74m，超過了停車標(biāo)準(zhǔn)±0.5m，影響包括：一是需要人工二次動(dòng)車，影響效率和舒適度；二是會(huì)導(dǎo)致站臺(tái)門無法聯(lián)動(dòng)打開，需要司機(jī)人工介入，影響了整個(gè)地鐵線路的運(yùn)營組織效率，成為該地鐵急需解決的現(xiàn)場問題。

1 對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)原因分析

列車進(jìn)站精確停車時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)采用連續(xù)制動(dòng)曲線方式（即一次性制動(dòng)至目標(biāo)停車點(diǎn)，中途不緩解），可在停車控制過程中根據(jù)自身定位及車輛的信息反饋動(dòng)態(tài)修正制動(dòng)命令。地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)使用電空混合制動(dòng)方式，即分為電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩部分，列車在高速制動(dòng)時(shí)，首先采用再生制動(dòng)方式，將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能反饋給接觸網(wǎng)，速度降低時(shí)，采用電阻制動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電阻的熱能，因?yàn)殡娮柚苿?dòng)的效率與列車的速度成正比，因此當(dāng)列車速度降低時(shí)，電阻制動(dòng)的能力就會(huì)大幅下降，所以速度進(jìn)一步降低時(shí)，需要引入空氣制動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)能力的補(bǔ)償和替代[1]。

在某地鐵X 站點(diǎn)，因?yàn)橥两ńY(jié)構(gòu)的原因，導(dǎo)致了該站點(diǎn)進(jìn)站停車進(jìn)路的防護(hù)距離短，信號(hào)系統(tǒng)為了防止列車沖過移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)，ATO 控制以較低的速度進(jìn)站。在低速控制過程中對(duì)速度和減速度的偏差要求更高，導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)輸出制動(dòng)級(jí)位的請(qǐng)求頻繁調(diào)整，如圖1所示。

圖1 減速度偏差示意圖

上文已經(jīng)明確車輛制動(dòng)系統(tǒng)為電空混合制動(dòng)系統(tǒng)，該制動(dòng)系統(tǒng)存在電制動(dòng)過程、電空混合制動(dòng)轉(zhuǎn)換過程和空氣制動(dòng)過程。某地鐵的車輛制動(dòng)系統(tǒng)在速度高于8km/h 時(shí)由電制動(dòng)負(fù)責(zé)列車減速，速度低于8km/h 時(shí)由空氣制動(dòng)介入，并分別以0.75m/s3恒定沖動(dòng)限制比率同步衰減和增加，并在5km/h 時(shí)由空氣制動(dòng)完全替代電制動(dòng)對(duì)列車進(jìn)行制動(dòng)控制。理論上，電制動(dòng)的衰減與空氣制動(dòng)的增強(qiáng)應(yīng)該完全同步的，但是實(shí)際上閘瓦的摩擦系數(shù)會(huì)根據(jù)溫度的升高而降低，車輛無法使用動(dòng)態(tài)的摩擦系數(shù)來計(jì)算，一般取較低的固定值，因此在空氣制動(dòng)剛介入時(shí)，實(shí)際上閘瓦溫度低摩擦系數(shù)高，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大于計(jì)算值的減速度，造成減速度超過預(yù)期的情況。同時(shí)空氣制動(dòng)受機(jī)械部件的響應(yīng)等方面影響，存在一定的延時(shí)，所以電空轉(zhuǎn)換過程和空氣制動(dòng)過程在瞬時(shí)減速度控制精準(zhǔn)度方面有較為明顯的局限性。所以在列車速度低于8km/h，空氣制動(dòng)介入控車，信號(hào)系統(tǒng)控制級(jí)位變低時(shí)，空氣制動(dòng)響應(yīng)慢，實(shí)際制動(dòng)力高于信號(hào)系統(tǒng)的期望，迫使低速下的列車提前停車，最終造成列車欠標(biāo)，如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前制動(dòng)級(jí)位

2 優(yōu)化措施可行性分析

針對(duì)空氣制動(dòng)響應(yīng)與信號(hào)系統(tǒng)預(yù)期不符導(dǎo)致對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的問題，主要可以從以下兩個(gè)方向進(jìn)行優(yōu)化：

一是調(diào)整電空轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)，將電空轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)調(diào)整為列車速度為零；二是優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)ATO 自動(dòng)駕駛控車策略。

第1 種方案可通過增加制動(dòng)電阻功率，消除電空轉(zhuǎn)換過程及空氣制動(dòng)過程，避免了因空氣制動(dòng)的自身特性無法滿足信號(hào)系統(tǒng)制動(dòng)需求的問題，讓空氣制動(dòng)在列車零速時(shí)負(fù)責(zé)保持制動(dòng)。但是該方案存在施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、成本高、周期長等典型問題，而且優(yōu)化后破壞了信號(hào)系統(tǒng)與車輛的匹配度，需重新進(jìn)行調(diào)試和信號(hào)系統(tǒng)軟件升級(jí)，因此在既有運(yùn)營線路的優(yōu)化改造可行性低。

第2 種方案通過研究合理的控車邏輯，優(yōu)化ATO自動(dòng)駕駛控車策略的軟件，進(jìn)行系統(tǒng)嚴(yán)格的測試和評(píng)估后，可一次性升級(jí)優(yōu)化解決。該方案成本低、施工難度較小、周期短，具備較高的可行性[2]。

3 ATO 控車策略邏輯優(yōu)化方案

某地鐵線路列車在X 站因列車ATO 自動(dòng)駕駛模式進(jìn)站速度較低，在速度為8km/h 電制動(dòng)與空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換和空氣制動(dòng)時(shí)，車輛制動(dòng)系統(tǒng)無法及時(shí)精準(zhǔn)的響應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)控制級(jí)位的變化，造成列車停車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)。因此信號(hào)系統(tǒng)在低速時(shí)輸出恒定的控制級(jí)位，降低車輛制動(dòng)系統(tǒng)在低速時(shí)的響應(yīng)要求，理論上是優(yōu)化停車精度的有效方案。為保證ATO 的整體控車策略不受影響，需要在低速停站前增加目標(biāo)距離、減速度、列車運(yùn)行速度、列車速度與ATO 預(yù)期速度的偏差等作為觸發(fā)輸出恒定控制級(jí)位的條件，以確保策略有效，停車精準(zhǔn)。

雖然該優(yōu)化方案的可行性相對(duì)較高，但是根據(jù)上述方案來控制優(yōu)化的控制邏輯已經(jīng)明確表明在停車末端舍棄了信號(hào)系統(tǒng)制動(dòng)控制級(jí)位的自適應(yīng)調(diào)整功能，存在正常列車頻繁出現(xiàn)沖欠標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)和研發(fā)難度高的困難。首先，恒定制動(dòng)級(jí)位與車輛制動(dòng)控車策略的平衡點(diǎn)需要經(jīng)過充分測試；其次，觸發(fā)條件的限定參數(shù)不易匹配，邏輯優(yōu)化效果不佳時(shí)，也會(huì)造成列車沖欠標(biāo)。因此，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試后，仍需要在現(xiàn)場開展大量的測試，以確?？剀嚥呗詢?yōu)化效果。

圖3 優(yōu)化后制動(dòng)級(jí)位

4 ATO 控車策略優(yōu)化測試

上文明確了控車策略的觸發(fā)條件需要充分考慮列車距停車點(diǎn)距離、列車運(yùn)行速度、減速度、與ATO目標(biāo)速度差值等多方面因素，當(dāng)列車進(jìn)站停車過程中滿足測試控車策略后，會(huì)輸出恒定制動(dòng)級(jí)位，從而提高列車進(jìn)站停車精度?，F(xiàn)場先后開展了7 個(gè)版本的測試，測試情況見表1～表4所示。

表1 ATO 策略1～策略5 測試情況

根據(jù)列車觸發(fā)控車策略后的執(zhí)行效果分析，策略1 至策略5 這五種優(yōu)化策略，在對(duì)標(biāo)精度和最大誤差上均與期望存在一定的差距，策略6 和策略7 的測試結(jié)果在對(duì)標(biāo)精度≥0.1m 的比例均為0，但最大誤差精度策略7 更優(yōu)于策略6，所以現(xiàn)場決定以策略7 作為最終的優(yōu)化方案。ATO 策略執(zhí)行效果見表4所示。

表4 ATO 策略執(zhí)行效果

表2 ATO 策略6 測試情況

表3 ATO 策略7 測試情況

現(xiàn)場使用兩列車升級(jí)后投入運(yùn)營中，觀察期間未再發(fā)現(xiàn)任何沖欠標(biāo)現(xiàn)象，而且策略觸發(fā)情況良好，策略觸發(fā)后均能滿足對(duì)標(biāo)精度的要求。后續(xù)經(jīng)全線升級(jí)列車軟件策略，有效解決了該站列車對(duì)標(biāo)問題。

5 結(jié)語

綜上所述，通過優(yōu)化ATO 控車策略的研究和測試，在列車較低速度運(yùn)行時(shí)，增加信號(hào)系統(tǒng)輸出恒定制動(dòng)級(jí)位的觸發(fā)條件，可有效改善列車對(duì)標(biāo)精度，經(jīng)過為期半年、7 種ATO 控車策略調(diào)整，涉及24 列電客車15 次動(dòng)車驗(yàn)證，最終確定ATO 控車優(yōu)化策略。對(duì)列車進(jìn)行升級(jí)后投入運(yùn)營，列車進(jìn)站未出現(xiàn)沖欠標(biāo)現(xiàn)象，而且停車精度較高，因此優(yōu)化ATO 控車策略是解決因車輛電空轉(zhuǎn)換缺陷導(dǎo)致對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)問題的有效方案。該策略研究方式為地鐵信號(hào)系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)接口匹配中無法做到電制動(dòng)介入速度為0（或接近0）的設(shè)備使用提供了有效的解決方案。