譚文舉

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530029,南寧∥高級(jí)工程師)

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南寧地鐵1號(hào)線列車自動(dòng)運(yùn)行模式下列車停車精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚文舉

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530029,南寧∥高級(jí)工程師)

以南寧地鐵1號(hào)線ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式下列車停車精度為研究對(duì)象,以停車精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù),通過對(duì)ATO制動(dòng)力和電空制動(dòng)配合兩個(gè)方面進(jìn)行分析,找出了停車精度不準(zhǔn)的根本原因。進(jìn)行了ATO模式停車精度的優(yōu)化設(shè)計(jì),并在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,南寧地鐵1號(hào)線ATO模式下列車停車精度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行,列車停車精度得到了較大的提高。

列車自動(dòng)運(yùn)行; 停車精度; 制動(dòng); 電空轉(zhuǎn)換

Author′s address Nanning Metro Group Co.,Ltd.,530029,Nanning,China

南寧地鐵1號(hào)線是南寧市東西向的骨干線,其列車為B型車6輛編組,運(yùn)營(yíng)時(shí)采用列車自動(dòng)運(yùn)行(ATO)模式,由車載信號(hào)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)列車起動(dòng)、加速、制動(dòng)及精確停車。該線自2016年初開展正線信號(hào)調(diào)試及綜合聯(lián)調(diào)以來,發(fā)現(xiàn)列車在ATO模式下的停車精度普遍存在欠標(biāo)現(xiàn)象,且多數(shù)欠標(biāo)在15～30 cm之間。列車沖標(biāo)或欠標(biāo)都將造成列車與屏蔽門的對(duì)位不匹配。對(duì)位誤差若超過一定范圍(±40 cm)，則會(huì)造成列車車門與屏蔽門無法聯(lián)動(dòng)打開,需要從ATO模式降級(jí)為人工模式倒車或前行,從而影響乘客的上下車速度；尤其是在客流高峰期將有可能造成列車滯留站臺(tái)時(shí)間超過規(guī)定時(shí)間,進(jìn)而影響列車的運(yùn)營(yíng),嚴(yán)重時(shí)造成列車晚點(diǎn)[1]。一般情況下,列車在ATO模式下,停車精度在50 cm范圍內(nèi)時(shí),正確率為99.998%;停車精度在30 cm范圍內(nèi)時(shí),正確率為99.99%[2]。

1 ATO模式停車精度調(diào)查

為了統(tǒng)計(jì)停車精度情況,隨機(jī)選擇T05、T06和T09號(hào)列車進(jìn)行ATO模式下的列車停車精度測(cè)試。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 列車ATO模式下不同列車的停車精度情況統(tǒng)計(jì) cm

由表1可見,所測(cè)試的列車普遍存在欠標(biāo)的問題,但停車精度離散性較大,在停車精度正值范圍內(nèi)有較大冗余,而在停車精度負(fù)值范圍內(nèi)接近臨界值(30 cm)。隨著列車運(yùn)行狀態(tài)的變化(載荷變化、閘瓦磨耗、外部干擾等),極易造成列車欠標(biāo)超出規(guī)定范圍,從而影響運(yùn)營(yíng)。因此,對(duì)列車停車精度的優(yōu)化顯得尤為重要。

2 列車ATO控制精確停車原理分析

ATO模式主要通過給出不同級(jí)位的牽引或制動(dòng)指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)列車加減加速度的控制,在不觸發(fā)ATP(列車自動(dòng)保護(hù))“緊急制動(dòng)”的前提下,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的精確停站以及運(yùn)行過程中的平穩(wěn)和舒適[3-4]。目前ATO控制采用的控制算法主要有經(jīng)典控制算法(包括各種改進(jìn)的PID(比例積分微分)算法)、參數(shù)自適應(yīng)控制算法、智能控制算法、集成智能控制算法[7]。南寧地鐵1號(hào)線的ATO控制系統(tǒng)采用的是滑模變結(jié)構(gòu)控制算法[8-9]。這種算法對(duì)于制動(dòng)停車過程中的各擾動(dòng)因素,包括車輛制動(dòng)特性的差異以及電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的過程轉(zhuǎn)換，都可以視為一種攝動(dòng)?；？刂破鲗?duì)這種攝動(dòng)可以有很強(qiáng)的魯棒性。南寧地鐵1號(hào)線ATO控制系統(tǒng)具有兩種控制模式:目標(biāo)參考速度曲線控制，實(shí)際速度曲線控制。

2.1 目標(biāo)參考速度曲線控制

目標(biāo)參考速度曲線控制為滑?？刂?是主要針對(duì)列車目標(biāo)速度與目標(biāo)的距離進(jìn)行的控制,具有很強(qiáng)的魯棒性,能補(bǔ)償列車運(yùn)行參數(shù)較之正常參數(shù)一定范圍的偏離,對(duì)于離散性較大的列車具有很好的控制性能。基于滑模控制技術(shù)的ATO控制原理圖如圖1所示。

圖1 基于滑?？刂萍夹g(shù)的ATO控制原理圖

2.2 實(shí)際速度曲線控制

實(shí)際速度曲線控制的目的是為增加乘客舒適度，并獲得可駕駛性、平滑駕駛性和停車精確性,其加速度、減速度和沖擊率都被控制為限制值和可行值。實(shí)際列車控制當(dāng)中存在模型誤差(牽引制動(dòng)延時(shí))，以及坡度、阻力、列車離散度(列車性能差異性)等因素對(duì)控車命令造成的偏差干擾。鑒于目標(biāo)參考速度曲線控制的輸出結(jié)果無法直接用于實(shí)際的ATO駕駛命令當(dāng)中,因此在ATO實(shí)際控制曲線中還引入了史密斯補(bǔ)償控制模型去控制并矯正相關(guān)誤差,如圖2所示。

圖2 史密斯補(bǔ)償控制模型原理圖

2.3 控制邏輯分析

由ATO控制原理分析可知,列車的制動(dòng)級(jí)位和加(減)速度的準(zhǔn)確控制是確保列車精確停站的兩大重要因素。而列車的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)是列車加(減)速度控制的直接環(huán)節(jié),列車的制動(dòng)特性理想化的模型通常會(huì)用一個(gè)帶滯后的慣性系統(tǒng)來描述[5]。而實(shí)際上,由文獻(xiàn)[5]可知,牽引系統(tǒng)電制動(dòng)響應(yīng)快、跟隨性較好,空氣制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)慢、跟隨性較差,如果電空轉(zhuǎn)換不當(dāng),便可能影響列車停車精度。

ATO模式下,在列車停車或減速時(shí)信號(hào)系統(tǒng)需要給車輛的制動(dòng)系統(tǒng)輸出制動(dòng)級(jí)位。信號(hào)系統(tǒng)并不區(qū)分是列車在減速過程中采用電制動(dòng)還是空氣制動(dòng)。在進(jìn)行ATO數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)時(shí),信號(hào)系統(tǒng)要與車輛系統(tǒng)進(jìn)行一次聯(lián)合調(diào)試,其目的是確保無論列車采用電制動(dòng)還是空氣制動(dòng),其信號(hào)系統(tǒng)輸出的制動(dòng)級(jí)位均產(chǎn)生同樣的制動(dòng)效果。也就是在信號(hào)系統(tǒng)輸出恒定的制動(dòng)級(jí)位時(shí),車輛的電制動(dòng)和空氣制動(dòng)以及電空轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)減速度不會(huì)有較大變化,制動(dòng)曲線是比較平緩的。

3 停車精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在信號(hào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試階段,列車的停車精度與試運(yùn)營(yíng)時(shí)期列車停車精度是不完全相同的。動(dòng)態(tài)調(diào)試階段列車的載荷為固定的空車載荷,通過控制系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)優(yōu)化調(diào)整,制動(dòng)減速度曲線較為平穩(wěn),可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)ATC(列車自動(dòng)控制)制動(dòng)級(jí)位指令的跟隨。試運(yùn)營(yíng)階段列車受載荷、閘瓦磨耗及外部因素的影響,各列車制動(dòng)曲線存在較大差異,部分列車在低速情況下存在制動(dòng)減速度突然增大的情況,這些列車在低速時(shí)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)ATC制動(dòng)級(jí)位的準(zhǔn)確跟隨。本文在列車運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下,分別從制動(dòng)力(制動(dòng)級(jí)位)和電空制動(dòng)配合兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

為了提高ATO模式下的停車精度,由信號(hào)、車輛、牽引、制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商聯(lián)合對(duì)列車的制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。信號(hào)系統(tǒng)要求車輛的制動(dòng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地響應(yīng)制動(dòng)指令,從而保證停車精度就在零值很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.1 制動(dòng)力對(duì)停車精度的影響

基于70%的制動(dòng)力對(duì)應(yīng)的減速度最接近于ATO的停站策略這一原則,故對(duì)列車的停車精度離散性較小的T05號(hào)列車和T09號(hào)列車分別以35 km/h和55 km/h施加恒定70%的制動(dòng)級(jí)位制動(dòng)。調(diào)試結(jié)果如圖3所示：T05號(hào)列車在8 km/h以下的速度時(shí),減速度基本趨于平穩(wěn),并未出現(xiàn)制動(dòng)力突然增大的尖峰,電空轉(zhuǎn)換過程平滑穩(wěn)定;T09號(hào)列車具有平穩(wěn)的制動(dòng)減速度,未出現(xiàn)制動(dòng)力突然增大的尖峰,電空轉(zhuǎn)換過程平滑穩(wěn)定。對(duì)比信號(hào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試期間列車在恒定制動(dòng)率下的表征,可以看出T05和T09號(hào)列車的制動(dòng)曲線差別較小。

由此可知,在制動(dòng)減速曲線比較平穩(wěn)情況下,ATO系統(tǒng)停車精度離散性也比較小,停車精度表現(xiàn)為較為固定的系統(tǒng)性偏差。出現(xiàn)這種系統(tǒng)性偏差的原因主要是T05和T09號(hào)列車與動(dòng)態(tài)調(diào)試所用車輛的制動(dòng)特性存在一些差異,而ATO系統(tǒng)參數(shù)是按調(diào)試車輛進(jìn)行優(yōu)化的,對(duì)車輛的參數(shù)變化范圍適應(yīng)性不夠。動(dòng)態(tài)調(diào)試所用車輛經(jīng)過高負(fù)荷的制動(dòng)型式試驗(yàn),正常運(yùn)用時(shí),閘瓦的磨合及與踏面的貼合情況會(huì)有所差異,會(huì)造成摩擦系數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)偏大。在車輛經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)用后,其制動(dòng)特性會(huì)逐漸恢復(fù)到正常的狀態(tài),按動(dòng)態(tài)調(diào)試所用車輛優(yōu)化的ATO參數(shù)可能就不能適應(yīng)車輛的正常運(yùn)用的狀態(tài)。對(duì)于這種情況，可以通過再次調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù)來解決。

注：橫坐標(biāo)負(fù)值表示列車已用時(shí)間；正值表示列車將用時(shí)間圖3 恒定70%的制動(dòng)級(jí)位制動(dòng)調(diào)試

3.2 電空制動(dòng)配合對(duì)停車精度的影響

對(duì)停車精度離散性較大的T06號(hào)列車分別進(jìn)行了恒定100%的制動(dòng)級(jí)位和恒定70%的制動(dòng)級(jí)位兩種情況的調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如圖4所示,T06號(hào)列車在70%恒定制動(dòng)級(jí)位停車和100%恒定制動(dòng)級(jí)位停車相同,在6 km/h時(shí)減速度出現(xiàn)向下的尖峰,在1.62 km/h時(shí)尖峰達(dá)到最大。為了進(jìn)一步研究該現(xiàn)象,對(duì)其他列車進(jìn)行了同樣的測(cè)試,結(jié)果均在6 km/h時(shí)減速度出現(xiàn)了制動(dòng)力增大的尖峰。

針對(duì)列車的停車精度離散性較大的列車在6 km/h時(shí)減速度出現(xiàn)突然增大的問題,經(jīng)各方研究,很可能是電制動(dòng)和空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)化過程不平穩(wěn),導(dǎo)致在電空轉(zhuǎn)換過程中的制動(dòng)力突然增大。

為驗(yàn)證上述推測(cè),首先對(duì)牽引系統(tǒng)做出調(diào)整,調(diào)整牽引系統(tǒng)電空轉(zhuǎn)換時(shí)電制動(dòng)撤出的斜率及延時(shí),重新測(cè)試了70%恒定級(jí)位制動(dòng)時(shí)的減速度曲線。測(cè)試結(jié)果如圖5所示：在7 km/h時(shí)就出現(xiàn)了制動(dòng)力增大的情況；在5～0 km/h的空氣制動(dòng)控制過程,制動(dòng)力又趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值為-0.98 m/s2,比電制動(dòng)控制階段的-0.84 m/s2要大0.14 m/s2。由此可知,制動(dòng)力增大的尖峰不是電制動(dòng)造成的,而有可能是在同一制動(dòng)級(jí)位下,空氣制動(dòng)力比電制動(dòng)力大造成的。

注：橫坐標(biāo)負(fù)值表示列車已用時(shí)間；正值表示列車將用時(shí)間圖4 T06號(hào)列車制動(dòng)減速度調(diào)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述觀點(diǎn),將整列車的電制動(dòng)全部切除,完全由空氣制動(dòng)控制,再次測(cè)試70%恒定級(jí)位制動(dòng)時(shí)的減速度曲線。測(cè)試結(jié)果如圖6a)所示：在同一制動(dòng)級(jí)位下,空氣制動(dòng)控制時(shí)的減速度要比電制動(dòng)大的多。因此,為使同一制動(dòng)級(jí)位下空氣制動(dòng)力與電制動(dòng)的制動(dòng)力一致,在ATO模式下將空氣制動(dòng)力的在原有基礎(chǔ)上削減10%,重新測(cè)試70%恒定制動(dòng)級(jí)位的ATO停車曲線。測(cè)試結(jié)果如圖6b)所示：減速度在6 km/h的尖峰有所減小,且在5～0 km/h過程中的減速度和電制動(dòng)控制時(shí)的減速度已很接近。

動(dòng)態(tài)調(diào)試一般比較關(guān)注制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)和最大常用制動(dòng)的減速度特性,所以動(dòng)態(tài)調(diào)試時(shí)通常是最大常用制動(dòng)工況的電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的配合參數(shù)會(huì)調(diào)整得比較好。而ATO模式下,60%到70%的制動(dòng)率使用得更多,60%到70%制動(dòng)率的控制特性對(duì)ATO的停車精度影響很大,而在制動(dòng)系統(tǒng)型式試驗(yàn)時(shí)往往對(duì)比關(guān)注不夠。因此,從ATO制動(dòng)的需求出發(fā),制動(dòng)系統(tǒng)不僅需要滿足緊急制動(dòng)和最大常用制動(dòng)的減速度要求,還需要在60%到70%的制動(dòng)率時(shí)能有比較平穩(wěn)的控制特性。

圖6 T06號(hào)列車制動(dòng)削減前后的減速度調(diào)試

3.3 停車精度優(yōu)化方案驗(yàn)證

停車精度優(yōu)化后,對(duì)T05、T06、T09號(hào)列車進(jìn)行ATO停站精度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。

表2 停車精度優(yōu)化后ATO模式下不同列車的停車精度情況統(tǒng)計(jì) cm

由表2可以看出,列車停車精度得到了較大的提高。據(jù)此可得出結(jié)論:① 制動(dòng)減速曲線在電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換后制動(dòng)減速度差異較大時(shí),停車精度離散性也會(huì)較大,可通過調(diào)整空氣制動(dòng)力,保持列車在電空制動(dòng)轉(zhuǎn)化過程中制動(dòng)力或減速度不產(chǎn)生突變,可以減小列車在ATO模式下停車精度的離散性;② 制動(dòng)減速曲線比較平穩(wěn)情況下,ATO系統(tǒng)停車精度離散性也比較小,停車精度表現(xiàn)為較為固定的系統(tǒng)性偏差,這種情況可通過調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù),改善ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性,從而提高停車精度。

4 結(jié)語

南寧地鐵1號(hào)線ATO模式下列車停車精度存在一定偏差；對(duì)其制動(dòng)力和電空制動(dòng)配合進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)停車精度離散較大的列車進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),問題的根本原因在于電空轉(zhuǎn)換時(shí)空氣制動(dòng)力較大所致。為此,將空氣制動(dòng)力在原有的基礎(chǔ)上削減了10%?？諝庵苿?dòng)力削減后列車停車精度的離散性大為減小。在停車離散精度較小的列車上,通過調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù),改善了ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性,從而提高了停車精度。

[1] 王鵬.地鐵列車ATO模式對(duì)標(biāo)停車不準(zhǔn)故障分析[J].鐵道機(jī)車車輛,2015,35(1):118-120.

[2] 王道敏.ATO站臺(tái)精確停車功能實(shí)現(xiàn)的制約因素分析[J].鐵道通信信號(hào)工程技術(shù),2012,9(4):41-43.

[3] 王鵬飛,樊貴新,王新海，等.城軌車輛在ATO模式下停車精度問題的分析與探討[J].鐵道機(jī)車車輛,2011,31(6):77-79.

[4] 張強(qiáng),陳德旺,于振宇.城市軌道交通ATO系統(tǒng)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)[J].都市快軌交通,2011,24(4):26-29.

[5] 魏曉婷.廣州地鐵3號(hào)線列車ATO模式對(duì)標(biāo)原理及異常故障分析[J].鐵道機(jī)車車輛,2016，36(2):112-115.

[6] 于振宇,陳德旺.城軌列車制動(dòng)模型及參數(shù)辨識(shí)[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,33(10):37-40.

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

[8] 高為柄.變結(jié)構(gòu)控制理論基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,1990.

[9] 陳志梅,王貞艷,張井崗.滑模變結(jié)構(gòu)控制理論及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2012.

Optimized Design of the Stopping Precision in ATO Mode on Nanning Metro Line 1

TAN Wenju

Focusing on the stopping precision in ATO mode on Nanning metro Line 1, the statistical data are used to analyze the ATO brake force, the coordination of electrical dynamic and pneumatic braking, and the main reasons for the inaccurate stopping precision are detected. Then, an optimal design for stopping precision in ATO mode is conducted, which is verified on the actual operating lines. The test results show that the optimal design for stopping precision in ATO mode on Nanning metro Line 1 is feasible, and the stopping precision has been greatly improved.

automatic train operation(ATO); stopping precision; braking; electrical pneumatic transition

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.011

2017-01-06)