地鐵車輛保持制動控制策略研究

張潛， 胡文斌

（1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031； 2.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引 言

當(dāng)前城市軌道交通蓬勃發(fā)展，軌道交通車輛的安全及精確控制問題越來越受到社會各界的關(guān)注。其中為了保證地鐵車輛到站后停的穩(wěn)，坡道動車時不發(fā)生后溜，車輛對此進行大量的探討與研究，其中就有對保持制動的施加和緩解控制策略的研究，并對其研究成果在國內(nèi)不同城市軌道交通車輛上進行了廣泛的應(yīng)用。

本文首先對保持制動形成的原理及帶來影響進行理論推導(dǎo)與分析，通過建立模型量化保持制動的形成原因及必要性，推導(dǎo)緩解保持制動的策略；然后再對目前得到廣泛應(yīng)用的保持制動的施加和緩解控制策略進行研究，對不同城市、不同的應(yīng)用環(huán)境選擇不同的控制策略進行逐條對比；最后對目前所應(yīng)用的保持制動施加和緩解控制策略進行總結(jié)，要針對實際應(yīng)用環(huán)境合理選用控制策略。

1 保持制動功能描述

為了保障列車的安全運行，城軌地鐵列車制動系統(tǒng)包括常用制動、緊急制動、停放制動，除此之外還有一項能保證城軌列車在坡道上能夠安全啟動的功能——保持制動，保持制動是列車制動的一項常用且重要的功能，是完全的空氣制動［1-2］。主要在列車停穩(wěn)后根據(jù)車輛的載荷信息自動施加保持制動力防止列車在坡道上向后溜走，以及在一定坡度的坡道啟動前列車具有一定大小的制動力以抗衡列車因重力因素產(chǎn)生的下滑分量，保證列車在牽引力建立初期不會發(fā)生溜車現(xiàn)象，從而避免了因溜車可能造成的列車退行、沖突、碰撞等問題，保障列車人員安全。

當(dāng)列車?？吭谄碌郎蠒r，其車輛重力在坡道方向上的分量是引起車輛下滑的根本原因。具體如圖1所示。

圖1 保持制動原理示意1Fig.1 Schematic principle of holding the brake 1

當(dāng)滿足Fhold+f =Tg就能保證列車在坡道上不發(fā)生溜車。

以某一B型列車?？吭?0‰的坡道上為例，介紹在坡道停車時保持制動力施加的合理范圍。

首先，根據(jù)列車車重得到其在不同載荷下的下滑分量力與列車全常用制動力對比關(guān)系如表1所示。

從表1可以看出，列車施加30%最大常用制動力作為保持制動，足以保證列車在線路上的任意位置停車而不發(fā)生后溜風(fēng)險。

同時考慮到一種惡劣工況，一列車載滿員處于AW3載荷的列車發(fā)生故障，無法自主運行時，需要進行救援，此時安排一列空車處于AW0載荷的列車對其進行救援，救援期間兩列聯(lián)掛列車均停在坡道上，此時兩列聯(lián)掛列車的下滑力為：61159.2 （AW0）+98286.43（AW3）=159445.63 N，占載荷為AW0救援列車最大常用力的比重為：159445.6/241169=66%；故救援列車施加70%的最大常用制動力作為保持制動，足以保證此兩列車在進行坡道救援期間不發(fā)生后溜風(fēng)險。

據(jù)此，保持制動力一般設(shè)置為最大常用制動力30%～70%［3］，保證單車和救援工況下列車在停車和啟動初期都能得到有效的安全保障。

當(dāng)停在坡道上的列車啟動時，列車開始施加牽引力，并同步開始撤銷保持制動力。具體如圖2所示。

圖2 保持制動原理示意2Fig.2 Schematic principle of holding the brake 2

圖2中，F(xiàn)T為列車施加的牽引力。

當(dāng)Fhold+FT＞Tg+f時，列車的牽引力和保持制動力之和大于列車自身重力在坡道上的分量與阻力之和時，列車開始獲得加速度，并在牽引力施加方向上動車。

2 保持制動控制邏輯描述

2.1 保持制動施加控制

地鐵列車的制動是由電制動和空氣制動相互配合完成，在高速狀態(tài)下列車進行制動時大多由電制動負責(zé)執(zhí)行，當(dāng)電制動力不足時，空氣制動會對其進行補償。正常情況下列車速度下降到8 km/h（此時開始進行電制動到空氣制動轉(zhuǎn)換），電制動力會按照一定的斜率退出，空氣制動力按照一定的斜率增加，電制動和空氣制動相互配合保證在整個制動過程中減速度不發(fā)生突變，不引發(fā)列車沖動；當(dāng)列車減速到0.5 km/h時（速度小于此值列車認為此時車輛處于停穩(wěn)狀態(tài)），列車為了能在停下后不發(fā)生移動，故施加保持制動［4-7］。保持制動的施加策略根據(jù)車輛所處運行模式不同而略有差異，當(dāng)列車處于ATO模式下，保持制動控制的施加由車載ATC對其進行精準控制；列車處于信號切除狀態(tài)下的手動駕駛模式時，保持制動的施加由車輛控制單元VCU根據(jù)列車自身所處狀態(tài)進行精確控制；當(dāng)車輛網(wǎng)絡(luò)故障時制動控制單元自行決定保持制動的時間。具體如下：

2.1.1 ATO模式下保持制動施加

當(dāng)列車處于ATO控車模式下，保持制動施加控制由信號系統(tǒng)施行。

當(dāng)滿足以下三個條件中任一條時，信號系統(tǒng)會將保持制動施加指令通過列車控制單元VCU發(fā)送給制動控制單元BCU，以施加保持制動：

（1）信號系統(tǒng)對列車運行狀態(tài)進行判斷。當(dāng)檢測到此時列車處于零速狀態(tài)且車載信號系統(tǒng)ATC沒有發(fā)出牽引指令，ATC將保持制動施加指令通過數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送至列車控制單元VCU，VCU接收到信號系統(tǒng)發(fā)送過來的保持制動施加指令后再次轉(zhuǎn)發(fā)給制動控制單元，最終由制動控制單元施加保持制動。

（2）信號系統(tǒng)對列車運行狀態(tài)進行判斷。當(dāng)檢測到此時列車處于零速狀態(tài)且車載信號系統(tǒng)ATC沒有發(fā)出牽引指令，此時可能由于網(wǎng)絡(luò)鏈路存在的問題通訊中斷，ATC的保持制動施加指令沒有及時下發(fā)或者列車控制單元VCU沒能準確轉(zhuǎn)發(fā)，但此時制動控制單元已檢測列車處于零速狀態(tài)且沒有收到牽引指令，如果時間長達2 s仍未收到保持制動施加指令，制動系統(tǒng)自行施加保持制動。

（3）信號系統(tǒng)對列車運行狀態(tài)進行判斷。當(dāng)檢測到此時列車處于零速狀態(tài)且車載信號系統(tǒng)ATC沒有發(fā)出牽引指令，此時列車控制單元VCU檢測到列車所施加的常用制動力大于最大常用制動力的70%，制動控制單元自行施加保持制動。

控制邏輯如圖3所示。

圖3 ATO模式下保持制動施加控制邏輯Fig.3 Holding brake control logic in ATO mode

2.1.2 人工駕駛模式下保持制動施加

當(dāng)車載ATP處于切除狀態(tài)列車處于人工駕駛模式時，制動控制單元檢測到列車處于零速狀態(tài)且此時列車施控器沒有發(fā)出牽引指令，制動控制單元自行施加保持制動。具體邏輯如圖4所示。

圖4 人工駕駛模式下保持制動施加控制邏輯Fig.4 Holding brake control logic in manual mode

在網(wǎng)絡(luò)正常狀態(tài)下，列車的零速和牽引制動狀態(tài)均通過硬線給到列車控制單元VCU，VCU基于此通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送保持制動施加指令給到制動控制單元，制動控制單元收到施加指令后施加保持制動；當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)故障，人工操作列車進入緊急牽引或者備用模式，此時制動控制單元自行判斷列車是否處于零速狀態(tài)，并通過硬線判斷是否有牽引指令，當(dāng)此兩條件都滿足時自行施加保持制動。

2.2 保持制動緩解控制

列車在啟動過程中，需考慮在坡道上的啟動，基于第一節(jié)分析可知，當(dāng)Fhold+FT＞Tg+f時，即列車牽引力和保持制動力之和大于列車自身重力在坡道上的分量與阻力之和時，列車開始獲得加速度，并在牽引力施加方向上動車。若列車在緩解保持制動過程中對保持制動力Fhold控制不好，導(dǎo)致Fhold+FT＜Tg+f，抑或列車在坡道啟動過程中施加牽引力不足，導(dǎo)致Fhold+FT＜Tg+f，保持制動力與牽引力之和不足以克服列車的下滑力，導(dǎo)致列車發(fā)生后溜。因而對保持制動緩解策略的研究顯得尤為重要，目前主流的控制策略主要可以分為以下兩大類：一類是收到緩解指令后，繼續(xù)等待（延時或者速度達到某個值），當(dāng)條件滿足后立即緩解保持制動［8］；另一類是收到緩解指令后開始按一定邏輯（牽引力建立過程）開始逐步進行緩解，具體介紹如下。

2.2.1 根據(jù)列車速度進行緩解

制動控制單元對列車狀態(tài)進行實時檢測，當(dāng)檢測到列車收到來自網(wǎng)絡(luò)或者硬線的牽引指令，并且此時沒有收到網(wǎng)絡(luò)和硬線的制動指令，允許列車先行動車，待列車速度大于1.5 km/h時，制動控制單元緩解保持制動。具體緩解邏輯如圖5所示。

圖5 保持制動緩解控制-速度Fig.5 Holding brake relief control-Speed

列車能在坡道上動車，并且能加速到1.5 km/h，表明此時列車在啟動過程中牽引力與保持制動力之和已經(jīng)克服了列車的重力下滑分量，列車不會發(fā)生坡道溜車，此時緩解保持制動是安全的。

2.2.2 延時緩解

列車在坡道啟動過程中制動控制單元一直施加固定級位的保持制動，此時列車牽引已經(jīng)建立，且牽引力在列車靜止?fàn)顟B(tài)下持續(xù)增大，F(xiàn)hold+FT＞Tg+f，2 s后立即緩解保持制動，此時已經(jīng)施加出來的牽引力FT＞Tg+f，能夠克服列車的下滑力。具體緩解邏輯如圖6所示。

圖6 保持制動緩解控制-延時Fig.6 Holding brake relief control-Delay

2.2.3 按牽引力值進行緩解

為防止保持制動在緩解過程中發(fā)生溜車，牽引系統(tǒng)在收到牽引命令后，經(jīng)過一定時間內(nèi)如1.5 s，將牽引力上升到某一固定值X，此力值足以克服列車自身重力在坡道上的下滑分量，此時保持制動開始緩解，牽引力將保持在X不變，待保持制動力完全消失后并延時一段時間（T2）后牽引力按實際需求值執(zhí)行。關(guān)于保持制動緩解過程如圖7所示（圖中X，T1，T2均在實際調(diào)試期間確認）。

圖7 保持制動緩解控制-按力值Fig.7 Holding brake relief control-Force

2.2.4 牽引制動按不同斜率進行緩解

為防止在保持制動緩解過程中，發(fā)生后溜的風(fēng)險，制動系統(tǒng)在收到牽引命令且無制動指令后，開始以0.5 m/s3的斜率撤銷保持制動力，同時牽引系統(tǒng)將以0.75 m/s3的斜率建立牽引力，在此過程中牽引力上升的斜率始終大于保持制動力下降的斜率，保證在撤銷過程中Fhold+FT＞Tg+f；當(dāng)保持制動完全撤銷時，F(xiàn)T＞Tg+f，其牽引力足以克服列車自身重力在坡道上的下滑分量。其控制時序如圖8所示。

2.2.5 小 結(jié)

對于以上4種保持制動的緩解策略，各有利弊，其優(yōu)缺點對比如表2所示。

按速度和延時緩解策略，控制邏輯簡單，效果可靠，但是在保持制動力撤出的瞬間，導(dǎo)致整車等效牽引力會發(fā)生突變導(dǎo)致列車加速度躍變，引發(fā)列車啟動期間的沖動［9-10］，可能會影響乘客舒適性體驗。按牽引力值和按斜率緩解保持制動控制策略中，控制方案較為復(fù)雜，相關(guān)控制參數(shù)需在正線調(diào)試階段反復(fù)試驗測試以固化參數(shù)，調(diào)試周期長，其在啟動過程中，由于牽引力逐步建立，而保持制動力是緩慢撤銷的，此消彼長列車所獲得的等效牽引力逐漸提升加速度沒有跳變，車輛啟動平穩(wěn)，但是在人工駕駛啟動初期需要手動輸出較大級位牽引，以保證牽引系統(tǒng)輸出的牽引力能夠在保持制動完全退出的情況下足以克服列車自身重力在坡道上的下滑分量。保持制動的這兩類控制策略各有利弊，在實際運用過程中需根據(jù)運營習(xí)慣及車輛運用環(huán)境加以選用。

3 結(jié)束語

本文通過對ATO模式和人工駕駛模式保持制動施加控制策略，以及對按列車速度進行緩解、延時緩解、按牽引力值進行緩解、牽引制動按不同斜率進行緩解4種不同緩解控制策略進行分析研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）無論是ATO控車還是人工駕駛其觸發(fā)條件都相同，只是發(fā)出施加指令的來源不同，ATO控車下信號系統(tǒng)直接輸出保持制動施加指令給制動控制單元，人工駕駛模式則是由VCU發(fā)送保持制動施加指令給制動控制單元或由制動控制單元自行判斷施加；

（2）對于保持制動緩解控制策略而言，不同策略需根據(jù)城市運用實際情況和車輛的軟硬件配置進行綜合考慮。其中按不同斜率進行緩解，列車啟動平穩(wěn)可使乘客獲得較為舒適的乘坐體驗。