通過優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)ATO 控車策略提升地鐵6 編組列車旅行速度的研究分析

陳輝絢，任 福，李海波

(呼和浩特市地鐵運(yùn)營有限公司，呼和浩特 010000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的提高，城市交通壓力越來越大，使得城市軌道交通發(fā)展速度越來越快，主要城市都有了相對(duì)完善的軌道交通系統(tǒng)，極大緩解了地面交通壓力[1]。本文介紹了影響軌道交通運(yùn)輸效率中一個(gè)重要因素：旅行速度。旅行速度不僅是城市軌道交通全線運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)，也是城市軌道交通運(yùn)營組織的關(guān)鍵一環(huán)。在工程設(shè)計(jì)階段，旅行速度是確定車站配線、驗(yàn)算信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和確定列車運(yùn)營組織方式的重要依據(jù)。列車在線路的旅行速度能力不僅受線路車站布置等影響，同時(shí)也受信號(hào)控制方式、車輛性能、線路限速、列車運(yùn)行方案、列車停站時(shí)間等條件的制約。本文主要研究6B 編組列車在呼和浩特1 號(hào)線旅行速度達(dá)到36 km/h 為目標(biāo)情況下的線路條件、車輛性能、停站時(shí)間等因素。

1 線路介紹

本文選取呼和浩特1 號(hào)線西二環(huán)站至壩堰（機(jī)場(chǎng)）站為分析案例，研究6 編組B 型列車在該條件下達(dá)到36 km/h 旅行速度的可行性。線路布置示意圖如圖1 所示。

1.1 線路參數(shù)信息

線路速度參數(shù)信息如表1 所示。

表1 線路速度參數(shù)Tab.1 Line speed parameters

1.2 信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)

研究采用的信號(hào)系統(tǒng)性能參數(shù)如表2 所示。

表2 信號(hào)系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of signal system

1.3 車輛性能參數(shù)

本次研究采用了6 編組B 型車性能參數(shù)，如表3 所示。

表3 車輛性能參數(shù)Tab.3 Vehicle performance parameters

2 旅行速度過程分析及計(jì)算

2.1 信號(hào)系統(tǒng)ATO 控車介紹

自動(dòng)列車駕駛（automatic train operation，ATO）[2]，主要功能有：①ATO 自動(dòng)完成對(duì)列車的啟動(dòng)、牽引和制動(dòng)等動(dòng)作的控制，以較高的速度進(jìn)行行車控制作業(yè)，精準(zhǔn)高效地將乘客送往目的地；②ATO 按照運(yùn)行圖控制列車運(yùn)行，控制列車運(yùn)行的加速度、減速度、沖擊率，保證乘客的乘車舒適度。

ATO 系統(tǒng)牽引/制動(dòng)流程如圖2 所示。

圖2 ATO 系統(tǒng)牽引/制動(dòng)流程Fig.2 Flow chart of ATO system traction/braking

在城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)列車處于ATO 模式時(shí)，列車的牽引/制動(dòng)指令是由ATO 控制發(fā)出的。若要在一定限度內(nèi)調(diào)整控車過程的速度曲線，必須從研究ATO 在整個(gè)旅行過程中的牽引/制動(dòng)命令的特點(diǎn)和規(guī)律入手。

2.2 旅行速度過程

根據(jù)分析整個(gè)旅行過程的時(shí)間，根據(jù)每個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)過程不同，來著重分析影響旅行速度的重要因素。

整個(gè)旅行過程可劃分為2 個(gè)主要階段：運(yùn)行階段和停站作業(yè)階段。其中運(yùn)行階段分為啟動(dòng)牽引階段、區(qū)間巡航階段、進(jìn)站制動(dòng)階段。整個(gè)階段共同組成一個(gè)由A 站上車，B 站下車的旅行過程。

通過統(tǒng)計(jì)整個(gè)運(yùn)行過程與停站作業(yè)的時(shí)間，根據(jù)距離，最終計(jì)算得到該條件下的線路旅行速度。

2.3 旅行速度過程分析

整個(gè)過程可劃分為2 個(gè)主要階段：運(yùn)行階段和停站作業(yè)階段，整個(gè)過程均是這2 個(gè)階段在不同的線路條線下進(jìn)行重復(fù)。

2.3.1 運(yùn)行階段

A 站臺(tái)發(fā)車列車啟動(dòng)開始計(jì)時(shí)，列車由車站起動(dòng)、駛出站臺(tái)、區(qū)間巡航、駛?cè)胝九_(tái)、停穩(wěn)站臺(tái)，是一個(gè)整體的運(yùn)動(dòng)過程（包括了列車從停穩(wěn)狀態(tài)丟失至列車運(yùn)行至下一站臺(tái)且恢復(fù)停穩(wěn)狀態(tài)）。整體過程中列車走行過程包括起動(dòng)加速、勻速運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)減速3 個(gè)階段。

啟動(dòng)加速階段：主要包括ATO 施加固定牽引力以克服保持制動(dòng)使列車速度由0 km/h 加速至固定速度（如2 km/h）、列車速度在ATO 控制下由該固定速度（如2 km/h）加速至站臺(tái)區(qū)域限速下的推薦速度、列車駛離站臺(tái)區(qū)域后列車速度在ATO 控制下加速至區(qū)間線路限速下的推薦速度。

勻速運(yùn)動(dòng)階段：主要包括在ATO 控制下的列車速度圍繞著在區(qū)間線路限速下的推薦速度進(jìn)行巡航，直到列車進(jìn)入制動(dòng)減速階段。巡航時(shí)，當(dāng)列車速度小于推薦速度一定值后，ATO 控制列車施加牽引；當(dāng)列車速度加速大于推薦速度一定值后，ATO控制列車惰性。

制動(dòng)減速階段：主要包括列車在ATO 控制下根據(jù)系統(tǒng)配置的停車制動(dòng)力計(jì)算出進(jìn)站停車的速度/距離曲線，從而ATO 系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算出應(yīng)該在何時(shí)進(jìn)入制動(dòng)減速階段，根據(jù)計(jì)算出進(jìn)入制動(dòng)減速階段的點(diǎn)，至列車駛?cè)胝九_(tái)固定停車點(diǎn)停穩(wěn)。

2.3.2 停站作業(yè)階段

停站作業(yè)從列車進(jìn)站在停車點(diǎn)停穩(wěn)開始計(jì)時(shí)，由列車停穩(wěn)至車門打開、車門打開至車門關(guān)閉、車門關(guān)閉至司機(jī)室門關(guān)好、司機(jī)室門光好至列車啟動(dòng)組成。其中包含了信號(hào)、車輛系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，車門、站臺(tái)門動(dòng)作時(shí)間，司機(jī)瞭望、確認(rèn)、按壓ATO 啟動(dòng)按鈕時(shí)間。

列車停穩(wěn)至車門打開時(shí)間主要分為

（1）系統(tǒng)判斷停穩(wěn)的條件是列車速度低于13 cm/s，時(shí)長(zhǎng)達(dá)到1 s；

（2）系統(tǒng)判斷零速至系統(tǒng)輸出開門使能時(shí)間為2.4 s；

（3）門使能有效到自動(dòng)開門命令發(fā)出的延時(shí)0.4 s；

（4）開門命令發(fā)出至車門打開時(shí)間為0.8 s。

時(shí)間總計(jì)為1 s+2.4 s+0.4 s+0.8 s=4.6 s

車門打開至車門關(guān)閉時(shí)間：該時(shí)間為乘客上下車時(shí)間，以實(shí)際需求為準(zhǔn)，不做分析優(yōu)化。

車門關(guān)閉至司機(jī)室門關(guān)好主要分為

（1）站臺(tái)門關(guān)閉狀態(tài)檢查時(shí)間2 s；

（2）車門與站臺(tái)門空隙檢查時(shí)間2 s；

（3）司機(jī)室門關(guān)閉時(shí)間（司機(jī)室門為手動(dòng)門）1.5 s。

該部分時(shí)間需司機(jī)進(jìn)行把控，該時(shí)間經(jīng)驗(yàn)取值為2 s+2 s+1.5 s=5.5 s。

司機(jī)室門管好至列車啟動(dòng)主要分為

（1）司機(jī)室門關(guān)好至司機(jī)按壓ATO 啟動(dòng)按鈕時(shí)間，該部分時(shí)間需司機(jī)進(jìn)行把控，該時(shí)間經(jīng)驗(yàn)取值為2.5 s；

（2）司機(jī)按壓ATO 啟動(dòng)按鈕，持續(xù)按壓時(shí)間為0.2 s；

（3）車輛接收到信號(hào)系統(tǒng)啟動(dòng)命令至速度不為零時(shí)間，根據(jù)系統(tǒng)日志分析為2.6 s；

時(shí)間總計(jì)為2.5 s+0.2 s+2.6 s=5.3 s

2.4 旅行速度計(jì)算

通過統(tǒng)計(jì)以上在ATO 模式下的站間運(yùn)行總時(shí)間與非終端站停站作業(yè)總時(shí)間，根據(jù)距離，最終計(jì)算得到該條件下的線路旅行速度[3]，呼和浩特1 號(hào)線旅行速度統(tǒng)計(jì)如表4 所示。

表4 呼和浩特1 號(hào)線旅行速度統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Travel speed statistics table of Hohhot line 1

3 旅行速度提升的優(yōu)化

通過采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)ATO 控制參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)旅行速度偏差進(jìn)行深入分析，找出偏差原因，確定如下改進(jìn)措施：①提高出站階段ATO初始啟動(dòng)加速度；②提高出站階段ATO 牽引至巡航階段加速度變化率；③優(yōu)化站臺(tái)限速范圍；④優(yōu)化區(qū)間勻速運(yùn)動(dòng)階段的ATO 速度波動(dòng)；⑤進(jìn)站減速階段加大ATO 停車制動(dòng)率；⑥優(yōu)化開門時(shí)間。

3.1 提高出站階段ATO 初始啟動(dòng)加速度

建議提高出站階段初始啟動(dòng)加速度，增大啟動(dòng)階段輸出的牽引百分比（從35%提升至50%，對(duì)應(yīng)電流模擬量由8.9 mA 提升至11 mA），使車輛響應(yīng)突破保持制動(dòng)動(dòng)車時(shí)間減少。

3.2 提高出站階段ATO 牽引至巡航階段加速度變化率

信號(hào)系統(tǒng)通過模擬量電路（電流環(huán)）向車輛發(fā)送牽引電流值，控制列車加速度的大小。通過調(diào)整ATO 牽引模擬量每周期增加的電流值，保證沖擊率不超過0.75 m/s3情況下，將牽引階段模擬量每周期變化量由0.5 mA 改為1.0 mA，經(jīng)計(jì)算修改前后的沖擊率約為0.2 m/s3和0.4 m/s3，使列車在出站階段盡快加速至巡航速度。

3.3 優(yōu)化站臺(tái)限速范圍

通過優(yōu)化站臺(tái)限速范圍提升旅行速度：將以進(jìn)站計(jì)軸至出站計(jì)軸整個(gè)計(jì)軸區(qū)段范圍按站臺(tái)限速配置，改為精確到以站臺(tái)有效端到站臺(tái)有效端范圍按站臺(tái)限速配置。能夠在滿足土建限制條件的前提下，縮短限速區(qū)域的大小，使得列車在進(jìn)出站過程中能夠更晚減速到站臺(tái)限速，更早加速到線路限速，起到提高旅行速度的作用。站臺(tái)限速范圍優(yōu)化示意圖如圖3 所示。

圖3 站臺(tái)限速范圍優(yōu)化示意圖Fig.3 Schematic diagram for optimization of platform speed limit range

3.4 優(yōu)化區(qū)間勻速運(yùn)動(dòng)階段的ATO 速度波動(dòng)

分析現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在線路條件允許時(shí)，列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，當(dāng)前系統(tǒng)配置使得車速達(dá)到77 km/h 時(shí)停止輸出牽引力，在區(qū)間巡航速度波動(dòng)范圍控制在77～80 km/h。調(diào)整相關(guān)系統(tǒng)配置后，使得在車速達(dá)到79 km/h 時(shí)停止輸出牽引力，在區(qū)間巡航速度波動(dòng)范圍控制在79～81 km/h。

3.5 進(jìn)站減速階段加大ATO 停車制動(dòng)率

現(xiàn)場(chǎng)使用的停車制動(dòng)率為0.47 m/s2提高至0.68 m/s2。停車制動(dòng)率會(huì)影響精確停車階段SBI 曲線的計(jì)算。將進(jìn)站停車制動(dòng)率由0.47 m/s2提高至0.68 m/s2可以使ATO 更晚施加制動(dòng)，使列車在區(qū)間能夠以高速運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，達(dá)到縮短區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的目的。

3.6 優(yōu)化開門時(shí)間

經(jīng)分析輸出開門使能的前提為具備零速和車輛反饋保持制動(dòng)已施加，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)分析車輛響應(yīng)保持制動(dòng)已施加的時(shí)間達(dá)到3.4 s，因此在判零速（1 s）后仍需等待2.4 s 才具備輸出門使能的條件。經(jīng)與車輛確認(rèn)，該3.4 s 延時(shí)在確保安全的情況下，可優(yōu)化縮短0.9 s。

經(jīng)過上述優(yōu)化措施后，ATO 模式下列車在呼和浩特1 號(hào)線西二環(huán)至壩堰（機(jī)場(chǎng)）旅行速度為36.389 km/h，可滿足36 km/h 要求，呼和浩特1 號(hào)線優(yōu)化后的旅行速度統(tǒng)計(jì)如表5 所示。

4 結(jié)語

信號(hào)系統(tǒng)作為城市軌道交通中保證城市軌道交通行車安全的核心系統(tǒng)，雖然目前技術(shù)已經(jīng)很成熟，但仍有很多值得繼續(xù)研究改進(jìn)的部分。本文對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)ATO 控車策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目，即呼和浩特1 號(hào)線遇到的一些具體問題進(jìn)行了分析，并提出了解決方案。隨著對(duì)工程項(xiàng)目中遇到的一系列問題的分析和解決，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)也必然會(huì)越來越完善，對(duì)城市軌道交通的發(fā)展，也將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。通過分析呼和浩特1 號(hào)線的工程情況，優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)ATO 控車策略及相關(guān)參數(shù)，使得在ATO 模式下6 節(jié)編組B型車可以滿足旅行速度不小于36 km/h 的要求。