廖紹輝，姚風(fēng)龍，楊東，韓宇

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

0 引言

隨著國內(nèi)城市軌道交通的發(fā)展，近幾年來，各大城市嘗試開通全自動駕駛列車。2016年底開通的香港南港島線是正式運營的GOA4（Grades of Automation 4）等級的全自動無人駕駛線路，隨后2017年開通的北京燕房線及2020年底開通的成都軌道交通9號線等也是按照全自動駕駛設(shè)計運營。為了提高運營效率，對全自動駕駛列車停車精準(zhǔn)度提出了更高的要求。雖然列車通常設(shè)置對標(biāo)不準(zhǔn)、自動調(diào)整等功能，但是一次性對標(biāo)成功對運營效率的提高是顯而易見的。而地鐵列車最后的停車階段，通常是由電制動和空氣制動混合完成，由于在電制動退出空氣制動力接管時，很難按照理論的電-空制動力曲線進行精確的轉(zhuǎn)換?？諝庵苿咏庸軙r有一定的延時性，最終影響精準(zhǔn)停車。本文對提前施加空氣制動預(yù)壓力對停車精度的影響進行分析研究，得出了良好的匹配關(guān)系，最終實現(xiàn)列車的精確停車。

1 全自動對標(biāo)模式原理

在全自動駕駛模式（FAM）下，信號系統(tǒng)根據(jù)列車的實施速度、加減速度曲線及列車位置，自動輸出動態(tài)的速度曲線，并控制列車運行速度。按列車的時間狀態(tài)動態(tài)調(diào)整牽引、制動指令及級位，實現(xiàn)列車的自動運行。列車網(wǎng)絡(luò)正常情況下，信號系統(tǒng)車載裝置（VOBC）將牽引制動指令及級位發(fā)送給列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCMS），再由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將相應(yīng)的指令及級位送牽引和制動系統(tǒng)，實時調(diào)整輸出的牽引和制動來控制車輛的精準(zhǔn)對標(biāo)，通常情況下對全自動駕駛對標(biāo)精度要求為：列車客室車門中心線與站臺屏蔽門中心的距離在±300 mm以內(nèi)。

2 列車制動分析

地鐵列車的制動模式分為空氣制動和電制動兩種：1）空氣制動需要通過安裝在轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動裝置施加制動力，受制于制動缸充氣、排氣性能的影響，有一定的延遲性。在停車階段如果控制誤差較大，難以實現(xiàn)對停車精度的準(zhǔn)確控制。2）電制動是通過控制電子元器件的通斷，利用電動機工況轉(zhuǎn)換實現(xiàn)制動效果，動態(tài)調(diào)節(jié)效果較好，更容易實現(xiàn)制動過程的精準(zhǔn)控制[1]。

在列車低速停車階段，通常是由電制動和空氣制動的混合完成列車制動，最后由空氣制動停車，空氣制動接管電制動的及時性直接決定了對標(biāo)的準(zhǔn)確精度。

2.1 電空制動混合

在低速范圍內(nèi)，停車制動階段被激活，制動控制單元（BCU）接收牽引控制單元（TCU）發(fā)送的停車制動指令（電制動衰減信號），控制空氣制動施加。通常情況下，當(dāng)速度降到設(shè)定值（約8 km/h）時，牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動衰減信號，經(jīng)短暫延時（通常設(shè)置為400 ms），牽引系統(tǒng)控制電制動以設(shè)定的斜率（如1.0 m/s3）退出，如圖1所示的t0～t1時刻曲線。BCU接收到任何電制動衰減信號置位后，空氣制動按比例增加（如1.0 m/s3），如圖1所示的t1～t2時刻曲線。

正常情況下，當(dāng)速度低于0.5 km/h時，且非牽引工況下，如果制動級位高于保持制動級位，BCU按照制動級位施加空氣制動；如果制動級位低于保持制動級位，BCU按照設(shè)計的保持制動級位施加空氣制動（考慮沖擊限制）。電空制動混合示意圖如圖1所示。

圖1 電空混合制動示意圖

2.2 影響列車對標(biāo)的主要因素

影響列車對標(biāo)的主要因素是停車階段制動系統(tǒng)的跟隨性和信號系統(tǒng)控車的準(zhǔn)確性。在列車高速階段，電制動的響應(yīng)速度因其是對電子元器件進行控制，響應(yīng)速度通常比較快，可以較好地跟隨信號系統(tǒng)的控車策略；空氣制動系統(tǒng)因其特有的機械特性，跟隨性稍顯不足。

1）停車階段空氣制動系統(tǒng)的跟隨性。車輛在低速進入停車階段時，如果電空轉(zhuǎn)換匹配出現(xiàn)瑕疵，牽引控制單元輸出的電制動衰減信號存在延時不足，出現(xiàn)牽引控制單元電制動力減少時，空氣制動沒有做出及時的響應(yīng)和補充電制動力的不足，導(dǎo)致列車獲得的總制動力減少，出現(xiàn)車輛沖標(biāo)情況。王鵬[2]在廣州地鐵5號線對此做過相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)車輛自動模式（ATO）下，在乘客大流量時頻繁發(fā)生停車不準(zhǔn)，原因是車輛低速工況下電空制動混合配合不好導(dǎo)致。路象群[3]在廣州地鐵A2型車項目發(fā)現(xiàn)牽引控制單元電制動力衰減與空氣制動上升期間約1 s，該過程在車輛自動模式（ATO）時是無法實現(xiàn)列車制動力調(diào)整的，電制動力的衰減和空氣制動力的上升的匹配關(guān)系顯得尤為重要，若匹配不當(dāng)則會出現(xiàn)過制動或制動力不足的情況，導(dǎo)致列車停車不準(zhǔn)。牟平[4]發(fā)現(xiàn)在哈爾濱地鐵1號線車輛電制動的延時退出對電空制動混合的影響，因空氣制動系統(tǒng)從收到制動指令到建立空氣制動力的時間需要400 ms左右，牽引控制單元電制動力的延遲衰減時間要與空氣制動系統(tǒng)制動力的建立時間匹配，才能實現(xiàn)電空轉(zhuǎn)換的平緩過渡，理想的電空轉(zhuǎn)換如圖1所示。

為了彌補空氣制動系統(tǒng)機械響應(yīng)較慢的不足，在列車到達設(shè)定速度時，對制動缸施加預(yù)壓力，以縮短空氣制動的響應(yīng)時間，提高其跟隨性能，盡可能實現(xiàn)電空制動的平滑過渡。

2）信號系統(tǒng)控車的準(zhǔn)確性。信號系統(tǒng)控車的準(zhǔn)確性主要取決于對列車位置、速度的準(zhǔn)確獲取和控制算法的精準(zhǔn)性。

本文主要分析電空制動混合過程中空氣制動系統(tǒng)的跟隨性對精準(zhǔn)停車的影響。

3 案列分析

3.1 空氣制動預(yù)壓力分析

以某全自動駕駛地鐵項目為例，對空氣制動預(yù)壓力在列車精準(zhǔn)停車方面影響進行分析。該項目是A型不銹鋼車項目，軸重不大于17 t，空氣制動采用輪盤制動型式。通常手動駕駛列車情況下，為了縮短空氣制動在電制動和空氣轉(zhuǎn)換階段的響應(yīng)時間，空氣制動預(yù)壓力設(shè)定值在0.02～0.04 MPa之間。李潔等[5]為了縮短空氣制動控制單元（BCU）的響應(yīng)時間，在制動工況時，當(dāng)列車速度小于12 km/h時，設(shè)定BCU自動施加預(yù)壓力（0.035 MPa左右），響應(yīng)時間的提升得到較好的結(jié)果。采用踏面制動單元的成都軌道交通2號線采用空氣制動預(yù)壓力0.02 MPa，實現(xiàn)了較好的列車自動控制模式（ATO）的對標(biāo)性能[6]。測試案例在2012年設(shè)計階段停車控制階段空氣制動預(yù)壓力策略如下：在列車速度達到20 km/h時，空氣制動系統(tǒng)施加0.03 MPa的預(yù)壓力，以縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

列車自動駕駛系統(tǒng)在測試階段，列車出現(xiàn)欠標(biāo)的情況時有發(fā)生，在空載期間，發(fā)生欠標(biāo)的次數(shù)逐漸增加。正式商業(yè)運營一周后，整條線路一次性停車欠標(biāo)的次數(shù)從10次逐漸增加。據(jù)統(tǒng)計，每輛車都曾發(fā)生過一次性停車欠標(biāo)現(xiàn)象。

經(jīng)分析可能是施加預(yù)壓力后，閘片與制動盤之間產(chǎn)生了一定的制動力。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，空載工況下預(yù)壓力大約產(chǎn)生0.07 m/s2的減速度，大約占空載制動力的6%（約8 kN）。由于列車自動駕駛系統(tǒng)已經(jīng)對預(yù)壓力產(chǎn)生的氣壓制動力進行了補償，因此初始設(shè)置的制動需求被認(rèn)為是不準(zhǔn)確的。在混合制動后，列車自動駕駛系統(tǒng)必須重新修正制動需求，導(dǎo)致列車出現(xiàn)對標(biāo)不準(zhǔn)的欠標(biāo)現(xiàn)象。針對以上情況，首先對空氣制動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行測定。

3.2 空氣制動控制壓力精準(zhǔn)度測定

在列車自動駕駛系統(tǒng)發(fā)出不同制動級位的情況，對空氣制動系統(tǒng)的性能進行測試，測試工況如下：制動級位4%，列車空載工況下制動力約6.8 kN；制動級位5%，制動控制單元需輸出約0.03 MPa的壓縮空氣，試驗結(jié)果表明引起0.07 m/s2的減速度，如上文所述；制動級位為0時，制動力也為0。在車輛速度超過20 km/h時，按如下制動級位順序進行測試：20%→30%→40%→30%，檢測制動缸壓力，每3 s改變一次制動級位需求。在車輛速度小于20 km/h時，施加20%制動級位，測量制動缸壓力。

測試結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果完全符合空氣制動系統(tǒng)設(shè)計要求。

表1 控制壓力精度的測試結(jié)果 MPa

3.3 制動緩解的時間測試

前期測試軟件空氣制動系統(tǒng)施加和緩解按沖擊滿足0.8 m/s3設(shè)定。在新版測試軟件中，通過增大釋放沖擊率到1.0 m/s3，在空載特定工況下，測試結(jié)果顯示最大常用制動緩解的時間縮短約20%。在一定程度上，可以提高響應(yīng)速度，但是影響較小。王亮等[7]在調(diào)整南寧軌道交通1號線停車精度時，曾采用過增大沖擊到1.2 m/s3的方案，對特定項目產(chǎn)生了積極的影響。經(jīng)評估，案例項目未采取增大沖擊率進行調(diào)整的方案。

以上測試表明，空氣制動系統(tǒng)符合設(shè)計要求。但是在電空制動混合后，因空氣制動系統(tǒng)的緩解響應(yīng)時間過長，列車自動駕駛系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)制動力過大，但是已沒有足夠時間進行調(diào)整，導(dǎo)致欠標(biāo)頻率的增加。

3.4 空氣制動系統(tǒng)預(yù)壓力值設(shè)置的修正

與列車自動駕駛系統(tǒng)的控制策略相協(xié)調(diào)，并通過現(xiàn)車測試，將空氣制動系統(tǒng)預(yù)壓力由0.030 MPa調(diào)整為0.021 MPa，保持之前設(shè)定的制動系統(tǒng)施加和緩解沖擊率為0.8 m/s3。正線現(xiàn)場空載測試獲得良好的停車精度，在全部多輪測試中，停車精度（客室車門中心線與站臺屏蔽門中心線距離）均在±250 mm以內(nèi)，未出現(xiàn)停車不準(zhǔn)現(xiàn)象，完全滿足全自動駕駛對停車精度的要求。

預(yù)壓力的實測結(jié)果如圖2所示，軟件設(shè)定值為0.021 MPa，現(xiàn)車實測值為0.014 MPa，符合空氣制動控制精度要求。

圖2 預(yù)壓力現(xiàn)車實測值

4 結(jié)語

1）通過對電空混合制動原理分析和現(xiàn)場試驗驗證，獲得空氣制動系統(tǒng)預(yù)壓力的合理設(shè)定值，為全自動駕駛列車的精準(zhǔn)對標(biāo)停車提供了有力的參考依據(jù)；2）合理設(shè)置預(yù)壓力，提高空氣制動系統(tǒng)的響應(yīng)時間；減小或忽略因預(yù)壓力帶來的額外制動力對停車精度的影響；3）提出的合理空氣制動預(yù)壓力設(shè)定值，可以作為全自動駕駛列車空氣制動系統(tǒng)設(shè)置預(yù)壓力的參考值使用，縮短全自動無人駕駛車輛項目對標(biāo)調(diào)試周期。