地鐵車輛ATO模式下的控車方式研究

曹 斌

（上海阿爾斯通交通電氣有限公司，工程師，陜西 西安 710000）

0 研究背景

隨著國內(nèi)地鐵的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷改善，人們對出行工具的選擇意愿較多地集中在其能否使自己獲得舒適性上，因?yàn)?，舒適性與否是乘客最直接、最具體、最迅捷的感官認(rèn)知。地鐵是大中城市主要交通運(yùn)輸方式之一。技術(shù)研究和實(shí)踐分析均表明，不同的地鐵車輛運(yùn)用控車方式對乘客體驗(yàn)、設(shè)備壽命、維修成本等的影響尤其是累積影響存在反差：合理的控車方式可以在上述方面獲得理想預(yù)期，反之，則會(huì)導(dǎo)致不良后果?；诖?，筆者試以西安地鐵三號線ATO模式下的控車方式為例進(jìn)行研究，力求找出合理的控車方式，旨在有效提高車輛乘客乘坐舒適性和制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命、減少車輛閘瓦配件更換頻次和降低車輛養(yǎng)護(hù)維修成本。

1 現(xiàn)狀描述及問題分析

西安地鐵3號線運(yùn)營4年多時(shí)間以來，其運(yùn)維人員對于車輛制動(dòng)閘瓦測量對比發(fā)現(xiàn)其磨損量明顯大于西安1、2號線的車輛制動(dòng)閘瓦磨損量。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)其原因?yàn)檐囕vATO控車方式存在一定問題所致。為有效消除所述問題，本文試以西安地鐵3號線正線運(yùn)營的兩種控車方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，旨在為優(yōu)化較為合理的的控車方式提供依據(jù)。

1.1 控車方式一數(shù)據(jù)分析通過查閱相關(guān)行車記錄和現(xiàn)場實(shí)測得到研究控車方式一所需的數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2，現(xiàn)作如下分析：

1.1.1 數(shù)據(jù)1分析 調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛運(yùn)營中速度為67 KM/H時(shí)，ATO先給出牽引指令信號，牽引力級位需求8%,經(jīng)過100 MS，ATO直接從牽引指令信號切換至制動(dòng)指令信號，制動(dòng)力極位需求為8%，同時(shí)電制動(dòng)進(jìn)行力的輸出，由于多出一個(gè)牽引力上升過程，之后牽引力在下降，牽引電機(jī)勵(lì)磁都需要時(shí)間，因此，在電制動(dòng)發(fā)揮600 MS后，為了滿足制動(dòng)力需求，1車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加壓力0.75 pa，經(jīng)過200 MS后，5車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1也繼續(xù)施加0.6 pa壓力，大約500 MS后撤出，基本為制動(dòng)閘瓦貼合輪子后撤出。

1.1.2 數(shù)據(jù)2分析 調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛運(yùn)營速度為60.5 KM/H時(shí)，牽引指令，牽引力極位需求9%經(jīng)過200 MS，ATO直接需求制動(dòng)指令，制動(dòng)力極位需求9%，同時(shí)電制動(dòng)進(jìn)行力的輸出，由于多出一個(gè)牽引力上升過程，之后牽引力在下降，牽引電機(jī)勵(lì)磁都需要時(shí)間，因此，在電制動(dòng)發(fā)揮400 MS后，為了滿足制動(dòng)力需求，5車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加壓力0.35 pa，經(jīng)過100 MS后，1車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加0.8 pa壓力，大約500 MS后撤出。

1.2 控車方式二數(shù)據(jù)分析過查閱相關(guān)行車記錄和現(xiàn)場實(shí)測得到研究控車方式二所需數(shù)據(jù)1和數(shù)據(jù)2，現(xiàn)作如下分析：

1.2.1 數(shù)據(jù)1分析 調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛運(yùn)行速度為41 KM/H時(shí),ATO需求牽引指令、極位力的需求為10%，經(jīng)100 MS后直接轉(zhuǎn)至制動(dòng)極位，制動(dòng)力極位需求4%，此時(shí)牽引力上升需要200 MS（0-5 KN）之后牽引力需求再下降，而后電制動(dòng)增加了200 MS后,由于電制動(dòng)力反應(yīng)時(shí)間短且小，為了滿足制動(dòng)力需求，5車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加壓力0.6帕，經(jīng)過100 MS后，1車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加0.2帕壓力，大約500 MS后撤出。

1.2.2 數(shù)據(jù)2分析 當(dāng)車輛運(yùn)行速度為71.5KM/H時(shí),ATO需求牽引指令、極位力的需求為4%，而后ATO直接需求從牽引指令轉(zhuǎn)至制動(dòng)指令，制動(dòng)力需求8%，且持續(xù)增加，牽引力轉(zhuǎn)至制動(dòng)力需要200 MS（0～5 KN），經(jīng)過100 MS電制動(dòng)力施加后,由于電制動(dòng)力反應(yīng)時(shí)間相對較短且力值較小，為了滿足制動(dòng)力需求，1車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加的壓力為0.75 pa，經(jīng)過200 MS后，5車轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸1施加0.9 pa壓力，大約500 MS后撤出。

1.3 兩種控車方式分析結(jié)論據(jù)牽引系統(tǒng)及設(shè)備性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)牽引力極位較小即0～5 KN時(shí)需要200 ms時(shí)間，電機(jī)勵(lì)磁及制動(dòng)力上升需要時(shí)間為400 ms。

由控車方式1數(shù)據(jù)分析可以看出，都是在開始制動(dòng)前先增加牽引力需求，之后再直接轉(zhuǎn)成制動(dòng)指令及需求，增加了牽引力上升及下降的過程時(shí)間，進(jìn)而加大了牽引力的響應(yīng)時(shí)間，且制動(dòng)系統(tǒng)不能過長時(shí)間的等待牽引（安全考慮），同時(shí)制動(dòng)力也不充足，因此氣制動(dòng)會(huì)瞬間補(bǔ)充500 MS左右，且補(bǔ)充壓力稍大，會(huì)造成輕微的磨損閘瓦。

從控車方式2分析可看出，此種狀況牽引力下降需要考慮車輛沖擊要求（≤0.75 M/S3）,牽引系統(tǒng)需求按照一定力的撤出斜率減小牽引力，之后電機(jī)勵(lì)磁，按照沖擊斜率電制動(dòng)力上升需要一定時(shí)間，因此也會(huì)有氣制動(dòng)瞬間補(bǔ)充，仍為500 MS左右，同樣會(huì)導(dǎo)致輕微的磨損閘瓦。

經(jīng)上述分析可以得到基本結(jié)論：目前西安地鐵3號線運(yùn)營線路中運(yùn)用車輛控車方式1和控車方式2均會(huì)對車輛閘瓦有輕微磨損，因此，兩種控車方式都存在不合理性，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)地鐵車輛運(yùn)用的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 理論分析

2.1 車輛信號系統(tǒng)通訊原理西安地鐵3號線采用的是西門子信號系統(tǒng)，TCMS（車輛控制系統(tǒng)）是大連電牽研究所研制的產(chǎn)品，其中，兩者的通訊方式采用總線式RS485串行鏈路（如圖1所示），根據(jù)合同設(shè)定好的串行接口進(jìn)行信號的互通，TCMS通過MVB網(wǎng)絡(luò)接收到來自RIOM（遠(yuǎn)程輸入輸出模塊）的信號，RIOM通過RS485網(wǎng)絡(luò)接收到來自ATC（自動(dòng)車輛控制單元）發(fā)出的指令信號，然后TCMS進(jìn)行處理后轉(zhuǎn)至下方被動(dòng)執(zhí)行單元，例如：牽引控制系統(tǒng)和制動(dòng)控制系統(tǒng)。TCMS和ATC之間通訊框圖如圖所示。

圖1 TCMS和ATC通訊圖

2.2 電氣配合理論分析西安地鐵3號線全長39 KM，共設(shè)26個(gè)站臺（其中高架站臺7個(gè)），線路中有隧道19個(gè)，從隧道出來的車輛爬坡度為30‰，其中輔助線35‰，由于坡度較大，對車輛的牽引和制動(dòng)性能要求很高。西安地鐵3號線采用的是阿爾斯通牽引系統(tǒng)［2］，車輛編組為4動(dòng)車2拖車，牽引控制單元可控制牽引系統(tǒng)生成的電制動(dòng)力，制動(dòng)系統(tǒng)采用克諾爾公司制動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)合同約定電制動(dòng)力和氣制動(dòng)之間要有較高的配合度，具體參數(shù)和狀態(tài)可通過實(shí)測獲得。如，在調(diào)試階段當(dāng)速度達(dá)到7 KM/H時(shí)，牽引控制單元會(huì)發(fā)出電制動(dòng)退出信號而后延遲200 MS，兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)根據(jù)提前設(shè)定好的斜率進(jìn)行消減和增加，直至＞2 KM/H左右時(shí)由氣制動(dòng)完全接管，電制動(dòng)完全退出（如圖2所示）。

圖2 電氣配合退出示意圖

通過分析調(diào)試階段的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，車輛在載重到達(dá)AW2時(shí)，牽引系統(tǒng)電制動(dòng)力可以達(dá)到完全發(fā)揮，不用增加任何氣制動(dòng)，因此可以降低制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作頻率及閘瓦磨損。

3 優(yōu)化方案數(shù)據(jù)分析

通過上文的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和牽引極位轉(zhuǎn)換理論分析可以看出，ATO在運(yùn)行中，當(dāng)牽引指令信號轉(zhuǎn)至制動(dòng)指令信號前，一般會(huì)給予車輛相對很小的牽引極位需求（＜8%）。根據(jù)西安3號線設(shè)定調(diào)試說明，按照AW2的牽引力計(jì)算整車輸出力為27 KN左右,對于運(yùn)行車輛而言，會(huì)因整車輸出力太小不能滿足提升和保持車輛運(yùn)行速度需要；此外，對于此力直接從牽引轉(zhuǎn)換至制動(dòng)力需求來說，毫無意義，而且還延遲了電制動(dòng)力增加的反應(yīng)時(shí)間。

因此，在車輛運(yùn)行時(shí)，盡量避免牽引小極位切換（＜3%），同時(shí)還要注意在車輛運(yùn)行時(shí)，盡可能將下一個(gè)極位轉(zhuǎn)換需求時(shí)間延長，使車輛在運(yùn)行時(shí)可使剩余的牽引力全部退出后，再進(jìn)行下一步動(dòng)作。

經(jīng)過上述分析找出問題成因后，與西門子工作人員進(jìn)行會(huì)議溝通取得共識，即以進(jìn)行軟件修改測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，若測試與理論相同，可進(jìn)行修改應(yīng)用。根據(jù)商討方案，具體測試數(shù)據(jù)如下：

3.1 數(shù)據(jù)1當(dāng)運(yùn)行速度為43.8 KM/H時(shí),ATO直接需求牽引指令、極位力的需求為1%，而后直接需求牽引指令轉(zhuǎn)制動(dòng)指令，制動(dòng)力需求為1%（600 MS），之后制動(dòng)力需求增加，期間無任何氣制動(dòng)力增加，均為牽引電制動(dòng),因?yàn)檫@600 MS為牽引電機(jī)勵(lì)磁及極位轉(zhuǎn)換提供了充足的時(shí)間，之后不需氣制動(dòng)力補(bǔ)充，電制動(dòng)即可正常發(fā)揮作用。

3.2 數(shù)據(jù)2當(dāng)運(yùn)行速度為62KM/H時(shí)，ATO直接需求牽引指令、極位力需求為0%，而后需求直接轉(zhuǎn)換至制動(dòng)指令，制動(dòng)力極位需求為0%，經(jīng)1.1 s后直接需求增加，從中無任何氣制動(dòng)補(bǔ)充。由于1.1 S可為牽引電機(jī)勵(lì)磁提供充足時(shí)間，并且當(dāng)需要制動(dòng)力時(shí)電制動(dòng)力可以滿足正常發(fā)揮需要，不會(huì)造成氣制動(dòng)力的補(bǔ)充。

3.3 測試結(jié)論通過以上2組數(shù)據(jù)采集分析可以看出，ATO控車時(shí)都是先會(huì)給出牽引指令、牽引極位需求，然后轉(zhuǎn)制動(dòng)指令、制動(dòng)極位需求為0%或很小（3%左右），持續(xù)一定時(shí)間（如果之前的牽引極位較小，1.5 S左右），制動(dòng)指令、制動(dòng)極位上升。此種狀況，在AW2及以下載荷，電制動(dòng)力是能完全滿足制動(dòng)力需求（80 kph～6 kph）,時(shí)間僅為電制動(dòng)按照沖擊斜率上升的時(shí)間，因此不需要?dú)庵苿?dòng)補(bǔ)充，此過程不會(huì)發(fā)生車輛閘瓦磨損現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文以西安地鐵3號線車輛閘瓦易磨損為研究對象，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測與理論分析相結(jié)合方法，在找到問題成因基礎(chǔ)上，通過對信號系統(tǒng)軟件進(jìn)行合理優(yōu)化調(diào)整，找出了一種較為合適且較優(yōu)的控車方式。經(jīng)過西安地鐵運(yùn)營車輛驗(yàn)證本文介紹的優(yōu)化方案測試結(jié)論是正確的，改進(jìn)后的控車方式不僅能使旅客的乘坐舒適性有所提高，而且減少了車輛運(yùn)營維護(hù)工作量，還有效降低了車輛運(yùn)營成本。