劉 洋

（天津地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，助理工程師，天津 300222）

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通技術(shù)飛速發(fā)展，由于城市軌道交通具有快速、準(zhǔn)時(shí)、安全、舒適的特點(diǎn)，很多大中型城市已經(jīng)建立了多條城市軌道交通線路〔1〕。隨著CBTC（Communication Based Train Control System，基于無(wú)線通信的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)）技術(shù)廣泛運(yùn)用于城市軌道交通系統(tǒng)中，很多城市的城軌列車(chē)都以ATO（Automatic Train Operation，列車(chē)自動(dòng)駕駛）模式運(yùn)行，以降低司機(jī)的工作強(qiáng)度，保證列車(chē)高效運(yùn)行〔2〕。

然而在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，由于列車(chē)以ATO模式運(yùn)行，司機(jī)并不參與進(jìn)站停車(chē)的操作，所以ATO系統(tǒng)需要自動(dòng)控制列車(chē)在進(jìn)站時(shí)準(zhǔn)確地?？吭谡九_(tái)旁，使乘客能夠順利上下車(chē)〔3〕。由于目前城軌的列車(chē)運(yùn)營(yíng)密度較大，如果列車(chē)進(jìn)站停車(chē)位置不精確，會(huì)直接影響到列車(chē)的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。而且在有屏蔽門(mén)的車(chē)站，列車(chē)停車(chē)位置不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致列車(chē)與車(chē)站屏蔽門(mén)不能精確對(duì)位，影響乘客順利上下車(chē)〔4，5〕。

本文根據(jù)目前天津地鐵二號(hào)線的系統(tǒng)工作原理以及列車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀況，針對(duì)列車(chē)ATO模式如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)站精確停車(chē)問(wèn)題進(jìn)行探討，并對(duì)列車(chē)未精確停車(chē)故障進(jìn)行分析并提出解決方案。

1 ATO系統(tǒng)的停車(chē)控制原理

車(chē)站精確停車(chē)功能是信號(hào)ATO子系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，實(shí)現(xiàn)這一功能需要的控制過(guò)程為：

1）列 車(chē) 通 過(guò) VATP（Vehicle Automatic Train Protection，車(chē)載列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）設(shè)備來(lái)測(cè)量列車(chē)的行駛速度。在列車(chē)行駛過(guò)程中，安裝在車(chē)軸上的測(cè)速電機(jī)和安裝在列車(chē)底部的多普勒雷達(dá)，均可以用來(lái)測(cè)量列車(chē)行駛的速度，保證速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2）列車(chē)通過(guò)安裝在列車(chē)底部的信標(biāo)讀取器讀取設(shè)置在沿線區(qū)間中軌旁信標(biāo)的信息來(lái)完成列車(chē)的精確定位功能。信標(biāo)是一種包含有“位置數(shù)據(jù)”的裝置，其工作頻率是2.4 GHz，向VATC（Vehicle Automatic Train Control，車(chē)載列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)）提供區(qū)域ID、列車(chē)區(qū)段位移等信息。

3）VATP的線路數(shù)據(jù)庫(kù)中擁有各地面信標(biāo)的位置，根據(jù)信標(biāo)的信息，VATP能知道列車(chē)在線路上的位置，并與測(cè)速系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)列車(chē)的精確定位。然后將信息通過(guò)TWC（Train to Wayside，軌旁通信）子系統(tǒng)向 RATP（Region Automatic Train Protection，區(qū)域列車(chē)自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)）發(fā)送位置報(bào)告。RATO（Region Automatic Train Operation，區(qū)域列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)）通過(guò)RATP間接地接收來(lái)自列車(chē)的信息，當(dāng)列車(chē)沿路線行駛時(shí)，不斷讀取信標(biāo)，定期更新并報(bào)告其位置的信息。

4）RATO 向 VATO（Vehicle Automatic Train Operation，區(qū)域列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)）發(fā)送列車(chē)的進(jìn)路和目的地等信息。VATO確定列車(chē)的當(dāng)前位置、速度和列車(chē)的目標(biāo)?？课恢弥g的距離，使用這一距離來(lái)編制車(chē)站停車(chē)減速曲線。車(chē)站停車(chē)曲線見(jiàn)圖1所示。

圖1 車(chē)站停車(chē)曲線示意圖

2 影響停車(chē)精度的主要因素

在進(jìn)站停車(chē)階段，影響列車(chē)精確停車(chē)的因素有很多，如電空制動(dòng)的切換速度，列車(chē)制動(dòng)的參數(shù)等等。而在信號(hào)系統(tǒng)本身，主要影響列車(chē)停車(chē)精度的因素有以下3個(gè)方面。

2.1 列車(chē)速度測(cè)量的精確性 精確地測(cè)量出列車(chē)的瞬時(shí)速度和加速度，是提高站停精度的一個(gè)重要的因素。由于車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)主要根據(jù)列車(chē)的運(yùn)行速度和加速度來(lái)確定牽引或制動(dòng)的選擇，并繪制列車(chē)運(yùn)行曲線，所以就需要運(yùn)用測(cè)速電機(jī)和多普勒雷達(dá)準(zhǔn)確地測(cè)量出列車(chē)的速度，保證列車(chē)運(yùn)行曲線的準(zhǔn)確性，從而保證列車(chē)的站停精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 列車(chē)位置定位的精確性 列車(chē)位置定位的精確性是影響站停精度的第二個(gè)重要因素。如果不能對(duì)列車(chē)目前的位置進(jìn)行精確定位，是無(wú)法通過(guò)算法預(yù)估出列車(chē)的停車(chē)位置的，而列車(chē)定位是依靠軌旁信標(biāo)和車(chē)載信標(biāo)讀取器共同完成的，所以信標(biāo)的布置密度、信標(biāo)中數(shù)據(jù)的正確性以及信標(biāo)讀取器的可靠性便成了列車(chē)定位的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.3 車(chē)載ATO系統(tǒng)軟件的算法 即使列車(chē)的速度和定位都足夠準(zhǔn)確，如果軟件算法不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致繪制的運(yùn)行曲線不夠精確，也不能保證列車(chē)停車(chē)的精確性。因此車(chē)載ATO系統(tǒng)軟件的算法是否科學(xué)是另一個(gè)影響站停精度的因素，

3 ATO站臺(tái)精確停車(chē)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上所述的ATO系統(tǒng)的停車(chē)控制原理及影響列車(chē)進(jìn)站停車(chē)精度的因素分析，需要通過(guò)以下3個(gè)方面的設(shè)計(jì)，使天津地鐵2號(hào)線列車(chē)滿足車(chē)站停車(chē)精度在±0.3 m范圍內(nèi)99.995%概率，±0.5 m范圍內(nèi)99.999 8%概率的要求。

3.1 提高測(cè)量列車(chē)速度的準(zhǔn)確性 在列車(chē)進(jìn)站停車(chē)的過(guò)程中，由于列車(chē)會(huì)進(jìn)入制動(dòng)工況，而制動(dòng)時(shí)會(huì)造成列車(chē)車(chē)輪的打滑和空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致測(cè)速電機(jī)測(cè)出的列車(chē)速度誤差很大。為此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，使VATC設(shè)備能在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，將采集到的測(cè)速電機(jī)輸入的速度數(shù)據(jù)與多普勒雷達(dá)輸入的速度數(shù)據(jù)不斷相互比較，當(dāng)這2個(gè)組件測(cè)得的速度數(shù)據(jù)差距超過(guò)了允許的差異范圍時(shí)，VATC會(huì)自行判斷車(chē)輛處于滑動(dòng)或空轉(zhuǎn)的狀態(tài)并會(huì)屏蔽掉測(cè)速電機(jī)的數(shù)據(jù)，默認(rèn)多普勒雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)正確。這樣，就可以保證系統(tǒng)能夠采集到準(zhǔn)確的列車(chē)速度信息，并通過(guò)算法繪制出更精確的速度曲線。

3.2 提高列車(chē)定位的準(zhǔn)確性 由于列車(chē)定位是靠列車(chē)讀取沿線信標(biāo)的信息來(lái)完成對(duì)位置的確定的，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要通過(guò)2個(gè)方面來(lái)提高列車(chē)定位的準(zhǔn)確性：一是提高信標(biāo)內(nèi)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以幫助列車(chē)更精確的定位，使VATC可以繪制更準(zhǔn)確的停車(chē)曲線；二是在所有車(chē)站的接近區(qū)段以更高的密度設(shè)置信標(biāo)，有助于修正停車(chē)距離的誤差，完成精確停車(chē)的目標(biāo)。

3.3 改進(jìn)軟件算法 在軟件設(shè)計(jì)中，ATO通過(guò)確定目標(biāo)巡航速度來(lái)確定控制算法。最初將目標(biāo)巡航速度設(shè)置到一個(gè)偏移值（正常是3～5km/h），該值低于ATP強(qiáng)制執(zhí)行的保證乘坐質(zhì)量的限速。該偏移值提供了防止列車(chē)超速的緩沖，可以通過(guò)調(diào)整該偏移值來(lái)達(dá)到要求的運(yùn)行間隔。當(dāng)列車(chē)以更低的保證乘坐質(zhì)量的限速進(jìn)入線路區(qū)段時(shí)，在距離前方區(qū)段足夠遠(yuǎn)的地點(diǎn)，目標(biāo)巡航速度降低到低于下一個(gè)保證乘坐質(zhì)量限速的偏移值，以此來(lái)控制列車(chē)的速度，并且在列車(chē)到達(dá)下一區(qū)段之前，將列車(chē)速度減速到下一目標(biāo)速度。也可以根據(jù)超出情況的緊急制動(dòng)曲線調(diào)整該距離，防止出現(xiàn)超速情況。

每當(dāng)目標(biāo)巡航速度變更時(shí)，控制算法按照程序控制的加速度和沖擊率，向上（加速）或向下（減速）調(diào)節(jié)速度，直至控制速度到達(dá)目標(biāo)巡航速度為止。

當(dāng)列車(chē)進(jìn)入計(jì)劃停車(chē)站時(shí)，便將控制速度合并到停車(chē)曲線中。列車(chē)在進(jìn)站停車(chē)過(guò)程中的速度、加速度與距離的曲線關(guān)系見(jiàn)圖2所示。

圖2 車(chē)站停車(chē)速度、加速度與位置的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵ATO模式站臺(tái)精確停車(chē)一直是國(guó)內(nèi)外信號(hào)系統(tǒng)中重要的一環(huán)，是關(guān)乎地鐵安全運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)。本文介紹了地鐵ATO模式站臺(tái)停車(chē)的控制過(guò)程和影響精確停車(chē)的因素，給出了天津地鐵2號(hào)線實(shí)現(xiàn)精確停車(chē)的方法。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)這3方面的設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)正線的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，可以保證站停精度在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，從而確保了列車(chē)運(yùn)行的安全性和可靠性。

〔1〕王鵬飛，樊貴新，王新海等.城軌車(chē)輛在ATO模式下停車(chē)精度問(wèn)題的分析與探討〔J〕.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31（6）：77-79，87.

〔2〕王道敏.ATO站臺(tái)精確停車(chē)功能實(shí)現(xiàn)的制約因素分析〔J〕.城軌交通，2012，9（4）：41-43，61.

〔3〕黎曉東.地鐵列車(chē)精確停車(chē)技術(shù)的應(yīng)用〔J〕.交通電氣，2005，24（9）：101-103

〔4〕禹宏鵬.城軌列車(chē)停車(chē)位置不精確的原因及對(duì)策〔J〕.城市軌道交通研究，2008，（9）：28-30.

〔5〕唐濤，黃良驥.列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)控制算法綜述〔J〕.鐵道學(xué)報(bào)，2003，25（2）：98-102.