莞惠城際動車組自動駕駛制動施加優(yōu)化研究

袁水平

（中國鐵路廣州局集團有限公司惠州電務段，廣東惠州 516023）

莞惠城際鐵路從惠州市小金口至東莞市望牛墩，線路主要呈東西走向，全長101 km，設18個車站，列車運營最高速度200 km/h。莞惠城際在用的列控車載設備主要有300T+ATO、200C+ATO和200k+ATO 3種型號。目前莞惠城際列車在自動駕駛運營過程中，存在制動方式施加不合理空氣制動補償引起的閘片可使用壽命較短問題。閘片磨損不僅提高運營成本，閘片的頻繁更換，列車的停車維修次數(shù)增加導致作業(yè)勞效增加，大大降低莞惠城際鐵路運營能力。因此有必要對列車自動駕駛制動方式優(yōu)化，減少自動駕駛列車的制動沖擊，提高閘片的使用壽命，降低作業(yè)人員作業(yè)過程的強度和風險。

1 列車運行過程制動沖擊較大原因分析

莞惠城際列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）在列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）限速防護下，提供啟動、加速、巡航、惰行、制動、停車等多種工況的控制時，結合動車組牽引和制動參數(shù)，實現(xiàn)自動牽引控制和制動控制的合理分配。

莞惠城際列車在制動（司機使用制動手柄或者ATO施加制動信號）時，車輛優(yōu)先響應并采用電制動，司機或者ATO在高速下施加大于等于常用制動量的制動指令時，由于高速下電制動力發(fā)揮有限，車輛需通過施加空氣制動力進行補充，列車的運行速度越高，由動能通過閘片轉化為熱能的熱量越大，對閘片損傷較大，列車運行過程制動沖擊明顯。

為進一步減少因ATO施加制動不合理，制動沖擊較大引起的列車閘片磨損情況，結合莞惠城際列車的運行場景分析，ATO施加較大制動導致列車頻繁施加空氣制動主要發(fā)生于以下情況。

1）列車在減速區(qū)或者過道岔區(qū)大制動減速

列車在高速運行過程，前方存在過岔限速或者站臺限速等，由于線路坡度以及限速變化等因素，ATO施加制動減速的調(diào)速空間有限，導致ATO施加較大制動快速減速的情況，空氣制動補償，制動沖擊較大。

2）起伏坡道、下坡區(qū)段巡航過程頻繁施加制動

ATO通過施加并切換牽引、惰行、制動指令，從而動態(tài)調(diào)控列車在起伏坡道、下坡道的運行速度，由于列車牽引、制動響應延時等因素影響，導致ATO施加大制動轉惰行、惰行轉大制動情況。列車在起伏坡道或者下坡區(qū)段運行過程中減速，若ATO施加較大制動，制動量施加的平穩(wěn)性較差。

3）分相區(qū)施加制動

列車在分相區(qū)內(nèi)運行時，由于線路條件變化或者前方限速等因素，ATO需施加制動減速，車輛采用空氣制動減速，制動沖擊較大。

4）部分自動駕駛設備接收ATP防護限速延時較大

部分自動駕駛設備接收ATP限速延時較大（延時2 s），ATP限速在下降的過程中，ATO無法及時施加制動，等ATO收到ATP限速信息時，需施加較大制動進行減速。

2 結合自動駕駛運行場景制動方式優(yōu)化方法

列車在高速運行施加較大制動時，易發(fā)生空氣制動自動補償，為進一步減小列車的空氣制動施加頻次，提高制動施加的平穩(wěn)性，針對自動駕駛運行的場景進行局部運行控制優(yōu)化。

2.1 ATO減速制動優(yōu)化

2.1.1 制動切換舒適度約束

如圖1所示，ATO預判列車需要減速時，提前減速并留有足夠的速度可調(diào)區(qū)間，來保證逐級制動施加進行控速，且相鄰施加制動級位的沖擊率需滿足舒適度約束。在ATO可調(diào)整速度較寬裕的情況下，動態(tài)修改沖擊約束條件，保證制動切換的平緩性。

圖1 列車減速制動優(yōu)化Fig.1 Optimization of train deceleration and braking

2.1.2 側向過道岔提前減速

如圖2所示，在經(jīng)過道岔側向線路運行時，ATO按照道岔限速下浮一定速度通過，提高ATO控速的可調(diào)空間，減少不必要的較大制動發(fā)生。

圖2 側向過道岔提前減速優(yōu)化Fig.2 Optimization of passing a switch with deceleration in advance on the siding

2.2 分相區(qū)運行ATO不施加制動

自動過分相主斷斷開與閉合，ATO結合分相區(qū)位置預判是否需提前減速（不能低于過分相區(qū)最小運行速度）。若無需提前減速，根據(jù)ATP斷主斷的時機緩慢撤銷牽引控制。若預判需要減速，提前追加制動減速，保證分相區(qū)內(nèi)惰行通過，減小空氣制動施加的可能性，當離開分相區(qū)后，緩慢恢復至正常牽引制動施加。減速運行過分相優(yōu)化過程如圖3所示。

圖3 減速運行過分相優(yōu)化Fig.3 Optimization of passing neutral zone in deceleration operation

2.3 起伏坡道、下坡道巡航調(diào)速增加可浮動速度窗

針對起伏坡道以及下坡道減速運行優(yōu)化，可參考列車減速制動優(yōu)化方法，通過提前減速并留有足夠的速度可調(diào)區(qū)間保證逐級制動施加控速；針對起伏坡道以及下坡道巡航過程，可將ATO的巡航階段增至牽引巡航、巡航以及巡航制動3個狀態(tài)，如圖4所示。參考速度曲線增加可浮動速度窗ΔV，允許在一定范圍內(nèi)速度的波動，通過增加巡航狀態(tài)控制量變化的緩和程度，減少牽引制動的切換輸出頻率，在平緩坡度或者短小上坡區(qū)段，處于巡航階段，盡量采用惰行或者小牽引的方式，減少制動的輸出，在起伏坡道以及下坡道，通過增大可浮動速度窗ΔV，減少惰行制動的切換頻次。

圖4 起伏坡道、下坡道巡航優(yōu)化Fig.4 Optimization of cruise on undulating and downhill ramps

2.4 增加防護限速預估（限速信息傳輸延時）

在既有的設備配置條件下，減小車載ATO設備與ATP設備通信周期的難度較大，為進一步優(yōu)化制動平穩(wěn)性，ATO需根據(jù)ATP限速曲線的變化對ATP曲線的變化趨勢進行預估，從而盡可能在ATP減速時提前施加制動減速，防止不必要的大制動施加。

3 試驗驗證

列車在運行過程中，若ATO施加制動不合理，導致列車響應制動沖擊較大，隨著運行里程增加，動車閘片磨耗速度加劇，莞惠城際動車組以閘片最大磨損厚度18 mm作為閘片失效以及更換閘片的判斷依據(jù)，以閘片更換前使用該閘片列車走行公里數(shù)表示閘片使用壽命，作為對ATO施加制動的沖擊以及舒適性優(yōu)化的判斷條件。本試驗以莞惠某動車02位動車閘片作為跟蹤統(tǒng)計目標，優(yōu)化方案于2021年6月應用于現(xiàn)場運行，02位閘片更換列車持續(xù)運行的公里數(shù)如表1所示。

表1 莞惠城際某動車02位閘片更換列車持續(xù)運行公里數(shù)Tab.1 Continuous running kilometers of an EMU on the Dongguan-Huizhou intercity after replacement of brake pad at position 02

優(yōu)化前、后02位閘片更換列車持續(xù)運行平均公里數(shù)如表2所示。優(yōu)化后莞惠某動車組02位閘片平均壽命約為87 946.5 km，未優(yōu)化前動車組閘片壽命約為47 239.5 km。對比上述數(shù)據(jù)，優(yōu)化后動車組02位閘片壽命較未優(yōu)化前整體平均提高86.17%，ATO施加制動導致的制動沖擊明顯改善。

表2 優(yōu)化前后02位閘片更換列車持續(xù)運行平均公里數(shù)Tab.2 The average kilometers of continuous running train with 02-position brake pad replaced before and after optimization

4 結論

本文對莞惠城際列車運行過程ATO施加制動導致的制動沖擊較大原因分析，針對線路條件、特殊場景（分相區(qū)、減速區(qū)、岔區(qū)）等情況下ATO制動施加不平穩(wěn)性、施加大制動，導致磨閘較多的問題，提出ATO制動施加方式局部優(yōu)化方法，并將優(yōu)化方案應用于莞惠城際列車ATO設備，對優(yōu)化前后閘瓦使用壽命對比，該優(yōu)化顯著提高莞惠城際ATO施加制動的制動沖擊。