地鐵列車站臺精確停車輔助系統(tǒng)研究

尤星達 朱琳

摘? 要：隨著軌道交通管理技術(shù)與手段提升與加強，更加提倡運營管理與行車組織精細化管理。列車?？康木_度直接影響列車運行組織的質(zhì)量和安全性，也影響乘客乘車的舒適性。文章分析了列車停站誤差原因，創(chuàng)新性地提出了一種地鐵列車站臺精確停車的輔助系統(tǒng)，分別針對ATO模式和手動模式下的列車?？繂栴}給出了相應(yīng)的解決方案。當(dāng)列車處于ATO模式，系統(tǒng)在列車制動模塊中充分考慮因乘客上下車而動態(tài)變化的車廂質(zhì)量;當(dāng)列車處于手動駕駛模式，在站臺上設(shè)置輔助進站引導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)列車運行位置與速度，及時向司機顯示最佳進站速度（定速點）。通過以上兩個解決方案，實現(xiàn)輔助地鐵列車站臺精確停車，從而減少列車延誤風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;輔助停站;精確定位;系統(tǒng)構(gòu)建

中圖分類號：F570? ? 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： With the improvement and strengthening of rail transit management technology and means， operation management and fine management of traffic organization are more advocated. The accuracy of train parking directly affects the quality and safety of the train operation organization， as well as the comfort of passengers. This paper analyzes the causes of train stop error， creatively puts forward an auxiliary system for accurate parking of subway train platform， and gives the corresponding solutions to the problem of train parking in ATO mode and manual mode respectively. When the train is in ATO mode， the system fully considers the dynamic change of carriage quality due to passengers getting on and off passengers in the train braking module; when the train is in manual driving mode， an auxiliary station entry guidance system is set on the platform， and the best entering speed （fixed speed point） is displayed to the driver in time according to the running position and speed of the train. Through the above two solutions， the accurate parking of the auxiliary subway train platform can be realized， thus the risk of train delay can be reduced.

Key words： subway train; auxiliary stop; accurate positioning; system construction

0? 引? 言

城市軌道交通車輛普遍采用自動駕駛模式（ATO），自動實現(xiàn)列車的牽引和制動，在保證列車高效運行的同時，能夠降低司機的工作強度。ATO系統(tǒng)的核心功能之一便是站臺自動停車，為了實現(xiàn)這個功能，ATO系統(tǒng)需要車載計算機、信號系統(tǒng)、軌道信標(biāo)等部件共同完成速度計算、制動力分配等操作，而在實際停站過程中，列車速度計算準(zhǔn)確性不高，停車偏差時有發(fā)生。例如，廣州地鐵5號線列車在客流高峰期間經(jīng)常出現(xiàn)停車偏差達到了0.5m，迫使列車不得不后退重新對標(biāo)[1]，這將直接影響列車的準(zhǔn)點運行。與此同時，由于車站站臺基本都配備了屏蔽門系統(tǒng)，這就要求ATO系統(tǒng)在實現(xiàn)站臺自動停車時盡可能準(zhǔn)確地對標(biāo)屏蔽門的中心線，才能實現(xiàn)精確停車。

同樣，當(dāng)列車處于手動駕駛模式，也必須保證一定的停車精度。列車司機只有將列車車門和站臺屏蔽門準(zhǔn)確對標(biāo)，才能最大程度減少上下車乘客的沖突，降低列車延誤風(fēng)險。因此，構(gòu)建一種能夠輔助地鐵列車站臺精確停車的系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1? 地鐵列車對標(biāo)停車誤差分析

通常，地鐵列車進站停車不準(zhǔn)確分為“超停”和“欠?！眱煞N。一般來說“超?！敝笇嶋H停車位置超出停車標(biāo)0.5m以上，“欠?！敝傅罔F列車實際停車位置未到停車標(biāo)0.5m以內(nèi)[2]，總之“超?！焙汀扒吠！倍际堑罔F列車對標(biāo)停車不準(zhǔn)的表現(xiàn)，都會在一定程度上影響地鐵運營。本文通過查閱報告、閱讀文獻，對站臺停車誤差原因進行歸納分析，為精確停車系統(tǒng)的構(gòu)建提供思路。

1.1? ATO模式停車誤差分析

（1）速度檢測不準(zhǔn)確

當(dāng)?shù)罔F列車處于ATO模式，ATO系統(tǒng)根據(jù)實時反饋的列車速度和列車位置信息計算實際速度與推薦速度之間的差值，得到所需的制動指令值并傳輸給列車制動模塊，如果需要列車精確對標(biāo)停車，則需要時刻跟蹤一條恒定制動率的制動曲線，完成制動，從而把車停在最準(zhǔn)確的位置[1]。但在列車實際運行時，易受到一些因素影響，導(dǎo)致速度檢測準(zhǔn)確度降低，檢測速度與列車實際速度之間存在一定偏差，例如列車車廂質(zhì)量并不是一個恒定的值，從整條正線來看，隨著乘客到站上下車，車廂質(zhì)量處在一個動態(tài)變化的狀態(tài)，而列車制動曲線難以隨車廂質(zhì)量的變化實時更新，這就導(dǎo)致列車制動的實際減速度高于或低于理論減速度，最終導(dǎo)致站臺對標(biāo)停車產(chǎn)生誤差。

（2）制動系統(tǒng)限制

地鐵列車制動系統(tǒng)包括電制動和空氣制動兩種方式。正常情況下，地鐵列車優(yōu)先采用電制動，其次是空氣制動，當(dāng)電制動不足時，由空氣制動彌補剩余部分制動力。在列車日常運行時若多次采用電阻制動會導(dǎo)致制動電阻溫度快速升高，影響控制停車，而頻繁進行空氣制動也會導(dǎo)致閘瓦等部件摩擦系數(shù)減小，降低減速度，最終影響列車制動效果[2]。

綜上，雖然ATO系統(tǒng)會根據(jù)列車的速度、位置信息等生成的速度曲線來控制列車的進站停車，但是實際情況下仍然會由于速度檢測不準(zhǔn)確、制動系統(tǒng)受限等因素影響而出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確的情況，而造成速度檢測不準(zhǔn)確的一個重要原因就是每次列車進站時的車廂質(zhì)量不一樣，按照牛頓經(jīng)典力學(xué)理論，慣性只和其質(zhì)量有關(guān)，與其運動狀態(tài)和速度均無關(guān)，質(zhì)量越大，慣性越大，運動狀態(tài)就越難改變，換句話說，車廂內(nèi)的乘客越多，列車剎車就越難控制（特別是早晚高峰期，如果按照300人一節(jié)車廂，一個人平均60kg，一節(jié)車廂的重量就比空載時增加了144噸）。因此，當(dāng)列車處于自動駕駛模式，將列車的質(zhì)量作為變量考慮進ATO系統(tǒng)的制動模塊，根據(jù)列車慣性的大小選擇提前一些剎車或者延后剎車就顯得很有必要。

1.2? 手動模式停車誤差分析

雖然ATO系統(tǒng)已經(jīng)在地鐵列車中普及，但作為列車的核心，在特定的時間，如周末，列車司機仍然會被安排進行手動駕駛，當(dāng)列車處于手動駕駛狀態(tài)時，列車司機必須根據(jù)個人經(jīng)驗完成停車，而通常情況下手動駕駛很難實現(xiàn)列車精確對位，需要累積多年的行車經(jīng)驗才能實現(xiàn)。如果司機對列車進站速度掌握不好，很容易開不到指定停車位置或者將列車開出站臺，這些情況都易造成運營延誤，極大影響整條線路甚至整個線網(wǎng)的運行計劃。

因此，要想在手動模式下完成精確停車，盡可能地對標(biāo)站臺中心線，必須依靠長期駕駛、累積經(jīng)驗、定期培訓(xùn)并總結(jié)經(jīng)驗，這樣方能完成精確停車的任務(wù)。但如今國內(nèi)軌道交通行業(yè)發(fā)展迅速，司機群體中的相當(dāng)一部分為年輕司機，駕駛經(jīng)驗不足，難以保證在手動模式下能及時制動、精確對標(biāo)站臺中心線。由此，在站臺的合適位置設(shè)置多級降速標(biāo)識（定速點），根據(jù)列車的位置與速度，及時向司機顯示最佳進站速度，便能夠很好地解決列車手動駕駛模式下進站精確停車的問題。

2? 精確停車輔助系統(tǒng)邏輯設(shè)計

上文分別對ATO模式和手動模式兩種情況下的停站誤差進行了分析。考慮兩種行車模式下的精確停車需求，進行輔助停車系統(tǒng)的邏輯設(shè)計，為后文從物理層面實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計提供邏輯基礎(chǔ)。

精確停車輔助系統(tǒng)邏輯圖如圖1所示，該輔助系統(tǒng)根據(jù)地鐵列車的兩種運行模式分為兩個不同的子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對應(yīng)一種列車運行模式并提供相應(yīng)的輔助功能：子系統(tǒng)1對應(yīng)ATO模式，其主要功能是為ATO系統(tǒng)提供車廂質(zhì)量的變化情況，從物理學(xué)的角度來看，慣性是保持物體現(xiàn)有狀態(tài)的一種固有屬性，這種屬性也代表了物體運動狀態(tài)改變的難易程度，我們通常利用物體的質(zhì)量來衡量其慣性，質(zhì)量越大，慣性越大，物體的運動狀態(tài)越難改變，通過子系統(tǒng)1對車廂質(zhì)量變化的監(jiān)測，考慮列車慣性因素，幫助制動模塊選擇制動時間和分配制動力;子系統(tǒng)2對應(yīng)手動駕駛模式，其主要功能是為駕駛員提供進站引導(dǎo)，車站內(nèi)計算機通過分析歷史列車進站數(shù)據(jù)，找出準(zhǔn)確對標(biāo)停車情況下的進站速度，求平均值并作為最佳進站速度，提醒駕駛員以該速度進站并對標(biāo)停車，兩個子系統(tǒng)互為補充，當(dāng)其中一個子系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，另一個子系統(tǒng)則自動休眠，通過該機制，實現(xiàn)輔助地鐵列車站臺精確停車的目標(biāo)。

3? 系統(tǒng)組成與工作方式

3.1? 系統(tǒng)組成

如圖2、圖3所示，一種輔助地鐵列車站臺精確停車系統(tǒng)，該系統(tǒng)總共分為兩個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)1適用于列車處于ATO自動駕駛模式的情況，該系統(tǒng)設(shè)置在每節(jié)車廂內(nèi)部的站立區(qū)和座位上，首先通過壓力傳感器測量車廂內(nèi)所有乘客的質(zhì)量數(shù)據(jù)，接著通過Wifi裝置與車載計算機進行信息傳輸，把所測得的車廂質(zhì)量信息實時反饋給ATO系統(tǒng)，由ATO系統(tǒng)制動模塊根據(jù)列車總質(zhì)量信息修正下一站的制動時機與制動力分配。

子系統(tǒng)2適用于列車處于手動駕駛模式的情況，當(dāng)ATO系統(tǒng)失效或必須進行手動駕駛時，列車司機只能憑自己的行車經(jīng)驗以及站臺上的停車標(biāo)志對位停車，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)對位的概率遠不及自動駕駛模式（ATO），因此在站臺屏蔽門靠近軌道一側(cè)設(shè)置三級降速標(biāo)識（定速點），標(biāo)識上顯示的是車站計算機根據(jù)歷史數(shù)據(jù)計算得出的最優(yōu)進站速度，以供駕駛員參考。該裝置由三個LED顯示屏（1，2，3）組成，分別位于站臺的前端、中端和末端，每個LED顯示屏（1，2，3）下方連接了一個Wifi裝置，能夠接收車站內(nèi)計算機發(fā)送的速度信息，以供顯示屏顯示。裝置的高度與駕駛艙兩側(cè)的窗戶基本持平，有利于司機在進站過程中確認(rèn)其顯示的最佳車速。

3.2? 工作方式

輔助停車系統(tǒng)具體工作方式：首先根據(jù)列車的駕駛模式做出輔助停車系統(tǒng)選擇，當(dāng)列車處于自動駕駛模式（ATO）時，子系統(tǒng)1開啟，子系統(tǒng)2處于休眠狀態(tài);相應(yīng)的，當(dāng)列車處于手動駕駛模式時，子系統(tǒng)2開啟，子系統(tǒng)1處于休眠狀態(tài)。

在ATO模式下，子系統(tǒng)1開啟，從正線的首站開始，車廂內(nèi)乘客質(zhì)量測量裝置（壓力傳感器+Wifi裝置）實時記錄下列車內(nèi)乘客的質(zhì)量，加上列車自身的質(zhì)量，通過Wifi信號將信息反饋給 ATO系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)列車質(zhì)量情況，在下一站停車之前修正制動時機和制動力的分配，從而實現(xiàn)站臺精確停車。

在手動駕駛模式下，子系統(tǒng)2開啟，從正線的首站開始，在列車進站前，站內(nèi)計算機通過Wifi裝置告知LED顯示屏（1，2，3）對應(yīng)位置顯示的最佳進站車速。當(dāng)司機經(jīng)過每個顯示屏?xí)r，根據(jù)屏幕顯示的最佳車速，提高或降低進站速度，從而實現(xiàn)在手動模式下的站臺精確停車。

4? 結(jié)束語

本文所構(gòu)建的地鐵列車站臺精確停車輔助系統(tǒng)是基于地鐵列車停站存在誤差所提出的，并針對ATO模式和手動駕駛模式分別給出了相應(yīng)的解決方案，兩種情況下的子系統(tǒng)共同構(gòu)成了完整的精確停車系統(tǒng)。在子系統(tǒng)1中，提出把列車動態(tài)質(zhì)量變化作為變量考慮進制動系統(tǒng)中;在子系統(tǒng)2中，提出了在站臺設(shè)置三級降速標(biāo)識（定速點），以輔助列車司機準(zhǔn)確停站，最大程度地提高了列車停站精度，從根源處減少甚至杜絕“超?！被颉扒吠！鼻闆r的發(fā)生。

由于當(dāng)前國內(nèi)外對于列車駕駛輔助系統(tǒng)研究較多[3]，而對于列車站臺精確停車系統(tǒng)研究較少，希望通過本文能夠豐富該領(lǐng)域的研究，為實現(xiàn)兩種模式下列車站臺精確停車提供可能，從而減少運營延誤。

參考文獻：

[1] 王鵬. 地鐵列車ATO模式對標(biāo)停車不準(zhǔn)故障分析[J]. 鐵道機車車輛，2015，35（1）：118-120.

[2] 王鵬飛，樊貴新，王新海，等. 城軌車輛在ATO模式下停車精度問題的分析與探討[J]. 鐵道機車車輛，2011，31（6）：77-79，87.

[3] 劉浩. 列車駕駛輔助系統(tǒng)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2014.