CBTC系統(tǒng)列車進站停車欠標問題分析

摘要 當前城市軌道交通信號系統(tǒng)普遍使用CBTC系統(tǒng)控制列車運行，實現(xiàn)了列車自動駕駛載客運營。列車進站停車時ATO子系統(tǒng)會根據(jù)列車運行速度曲線自動控制列車停在準確位置。當列車停車位置不準時，列車車門和屏蔽門將無法打開，影響線路的正常運營。文章對某線列車進站停車的欠標問題進行了分析研究，旨在提高列車運行安全，保證運營效率。

關鍵詞 CBTC；停車；列車運行控制系統(tǒng)

中圖分類號 U284 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0019-03

0 引言

某線一CBTC（Communication Based Train Control，基于無線通信的列車運行控制）列車在運營期間采用自動駕駛模式，多次出現(xiàn)進站停車欠標現(xiàn)象，導致列車車門和屏蔽門無法正常打開，影響乘客上下車，對運營產(chǎn)生不良影響。該文將對列車進站停車的欠標問題進行分析研究。

1 CBTC系統(tǒng)概述

CBTC系統(tǒng)是一個支持移動閉塞的列車運行控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)信號系統(tǒng)相比，CBTC系統(tǒng)擺脫了通過地面軌道電路設備判別列車占用閉塞分區(qū)與否的束縛，突破了固定閉塞的局限性，為實現(xiàn)移動閉塞提供了可能。目前，CBTC系統(tǒng)充分利用無線通信傳輸手段，實時列車與地面間的雙向通信聯(lián)絡，使得后續(xù)列車可以及時了解前方列車運行的實際間隔，通過計算即可給出后續(xù)列車的最佳制動曲線，提高了區(qū)間通行能力。由于車地間通信信息量的加大，地面可以實時地向車載信號設備傳遞車輛運行前方線路的限速情況，指導列車按線路限制條件運行，大大提高了列車運行的安全性。目前，CBTC系統(tǒng)已廣泛應用于國內(nèi)城市軌道交通線路[1]。

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)主要包括列車自動防護系統(tǒng)ATP子系統(tǒng)、列車自動駕駛ATO子系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控ATS子系統(tǒng)、聯(lián)鎖CBI子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信DCS系統(tǒng)等。ATP子系統(tǒng)主要完成對列車的安全防護功能；ATO子系統(tǒng)在ATP的防護下，對列車當前運行速度進行計算（計算牽引力、制動力），并且通過輸出牽引制動、牽引切除等指令，對列車速度進行控制；ATS子系統(tǒng)是CBTC的上層管理系統(tǒng)，是為控制和管理全線運營而設計，是整個城市軌道交通信號系統(tǒng)的指揮中樞；數(shù)據(jù)通信DCS系統(tǒng)為各系統(tǒng)之間，以及車地之間建立通信；聯(lián)鎖CBI子系統(tǒng)負責傳統(tǒng)聯(lián)鎖功能的安全執(zhí)行。

2 CBTC系統(tǒng)控制原理

CBTC系統(tǒng)主要依靠控制列車速度和位置實現(xiàn)列車的運行控制，防護列車運行安全，其控制原理如圖1所示：

列車的超速防護主要由CBTC系統(tǒng)的ATP子系統(tǒng)完成。ATP子系統(tǒng)，即列車超速防護或列車運行速度監(jiān)督，是防止列車超速運行、保證行車安全的系統(tǒng)，是CBTC系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。

ATP子系統(tǒng)對列車速度的防護主要依靠移動授權的生成。所謂移動授權（Movement Authority， MA）是指列車按照給定的運行方向，被授權進入和通過的一部分軌道區(qū)段，即列車可以運行的線路。移動授權由地面設備ZC（Zone Controller， 區(qū)域控制器）結合列車當前位置和前面列車位置，以及安全距離生成。ZC生成移動授權并將其利用DCS系統(tǒng)發(fā)送至車載設備，以維持列車的運行間隔，并通過計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)提供安全防護。

CBTC系統(tǒng)車載設備接收到ZC發(fā)送的移動授權信息后，基于此信息結合本車位置，計算速度防護曲線。CBTC系統(tǒng)的速度防護方式主要是采用目標-距離模式曲線監(jiān)控列車的實際運行速度，該方式下的車載系統(tǒng)需要生成三條速度曲線，如圖2所示。車載系統(tǒng)根據(jù)各種條件的限制，計算列車當前的推薦速度曲線、常用制動速度曲線和緊急制動速度曲線。當列車實際速度超出推薦速度曲線時，車載設備會發(fā)出預警音，同時輸出較低的常用制動等級，進而控制列車減速。當列車實際速度超出常用制動速度曲線時，車載設備將輸出最大的常用制動等級控制列車減速。當列車實際速度超出緊急制動速度曲線時，列車將輸出緊急制動直至停車。

CBTC系統(tǒng)在列車運行控制方面具有其獨特優(yōu)勢，通過軌旁應答器設備和車載測速定位設備，實時檢查列車位置且精度更高，其依賴于區(qū)域控制器，結合計算機聯(lián)鎖信息生成的移動授權信息更精確，對列車控制的準確度也會更高。

2 ATO子系統(tǒng)停車控制原理

ATO子系統(tǒng)是CBTC系統(tǒng)的自動駕駛子系統(tǒng)，是實現(xiàn)列車運行控制的關鍵系統(tǒng)之一。在ATP子系統(tǒng)的安全防護下，根據(jù)ATS子系統(tǒng)提供的信息自動控制列車運行，完成列車的自動運行控制等功能。

列車進站停車功能是ATO子系統(tǒng)的核心功能之一，也是衡量列車運行效果的重要指標。若列車停車不準，將導致列車車門和屏蔽門無法正常打開。為保證列車停車位置準確，屏蔽門正常開啟，城市軌道交通要求ATO實現(xiàn)的停車精度：保證列車停在±0.3 m范圍內(nèi)的概率為99.995%[2]。

列車在正常運營期間的主要駕駛模式為自動駕駛。ATO在控制列車停車的過程中，除依靠自主定位方式外，對于停車位置的檢查還依靠車站布置應答器，為列車提供精確的定位信息，以控制列車精確停車，如圖3所示：

在列車停車階段，車輛制動系統(tǒng)采用電空混合制動方式配合ATO實施制動停車。由于電制動在列車低速運行時難以按照ATO指令信息，穩(wěn)定輸出足夠的制動力，因此列車使用空氣制動完全替代電制動，故而列車在進站停車時會存在一個電制動和空氣制動的轉(zhuǎn)換過程。當列車速度為0時，ATO子系統(tǒng)將輸出保持制動命令給列車的制動系統(tǒng)，以讓其保持制動停車狀態(tài)，防止溜車。

3 ATO停車欠標問題分析

（1）故障現(xiàn)象

某線一列車以自動駕駛模式進入車站停車，但自動停車后欠標1 m[3]，超出系統(tǒng)允許停車誤差范圍30 cm，導致列車車門和屏蔽門無法打開，乘客無法下車，對運營造成不良影響。

（2）原因分析

值班人員查看了列車進站期間的運行數(shù)據(jù)，包括列車允許速度和實際運行速度，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示該車實際停車準確，應答器通信正常，并未出現(xiàn)丟失應答器的現(xiàn)象。ATO控制列車正常停車時的速度曲線圖如圖4所示，其中spd表示該周期實際車速，EBI表示ATP計算的最高限速，sbi表示ATO計算的目標速度。

從圖4可以看出，正常情況下列車實際車速下降與ATO目標速度下降基本一致。列車制動加減速度需要ATO子系統(tǒng)和列車制動系統(tǒng)的完美配合，才能保證停站的精度。分析列車停車期間的減速度值如圖5所示，可以看出車速下降規(guī)律與ATO期望的減速度基本一致（減速度為負數(shù)，值越大則表明該周期速度減少越多）。

對欠標列車停車期間的運行數(shù)據(jù)進行分析，繪制曲線圖如圖6所示。從圖中可以看出ATO開始精確停車時，其輸出制動期望列車降速，但列車降速延遲較大，ATO一直在調(diào)節(jié)制動輸出，但車輛降速延遲一直較大。

（3）欠標問題分析結果

地鐵車輛一般采用電空混合的制動方式，但空氣制動方式不能保證列車加速減速的平穩(wěn)性，而且需要在制動后的一定時間內(nèi)進行充風，難以滿足ATO自動停車過程中對列車速度的頻繁調(diào)整，因此ATO子系統(tǒng)通常使用電制動控制列車減速。電制動退出和空氣制動的補償由車輛系統(tǒng)進行控制，但存在一個短時間的動態(tài)交換過程。在ATO輸出制動指令不變的情況下，理論上電制動和空氣制動的控制效果應與期望效果保持一致。

在ATO精確停車階段，該列車的EBI、spd都正常，但降速異常。通過分析停車階段ATO期望減速度和列車實際減速度發(fā)現(xiàn)：ATO開始精確停車時，ATO目標速度一直下降，但列車實際降速延遲較大，導致最終無法停準，其原因可能是系統(tǒng)響應時間過長或者物理特性的變化，造成電制動的退出和空氣制動的補償不能完全按照理論值執(zhí)行，使車輛制動系統(tǒng)響應過慢且車輛施加制動力與ATO期望相差過大。

4 結論

針對ATO駕駛頻繁出現(xiàn)列車進站停車欠標的問題，信號部門需及時聯(lián)系系統(tǒng)廠商，對所有上線運營列車的ATO停車精度進行重新調(diào)試驗證，及時更新系統(tǒng)版本。同時，應與車輛部門做好協(xié)調(diào)，及時掌握列車制動性能變化和制動系統(tǒng)故障問題，配合車輛部門做好ATO對列車制動系統(tǒng)的控制性能檢查。

參考文獻

[1]馮浩楠.以列車為中心自主控制系統(tǒng)研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2023（12）：97-106.

[2]黃璞，張琨，杜慶.城市軌道交通列車自動控制停站舒適度研究[J].城市軌道交通研究，2023（6）：39-43+49.

[3]張振.電制動到零情況下的ATO精確停車[J].自動化應用，2023（22）：20-22.

收稿日期：2024-07-13

作者簡介：張甲強（1989—），男，本科，工程師，研究方向：軌道交通信號與控制。

基金項目：校級教改項目“軌道交通運營基礎”（23JG2128）。