徐玉寶

（南京地鐵運營有限責(zé)任公司，江蘇南京 210021）

0 引言

城市軌道交通運營對列車在站臺對標(biāo)停車精度和準(zhǔn)確率有嚴格的要求，在±0.50 m 范圍內(nèi)準(zhǔn)確率達到99.999 8%；在±0.30 m 范圍內(nèi)準(zhǔn)確率達到99.995%。精確對標(biāo)停車準(zhǔn)確度一直是個難點問題，要達到如此高的準(zhǔn)確度需要的不僅是信號系統(tǒng)對列車定位和ATO（Automatic Train Operation，列車自動運行系統(tǒng)）曲線的完美控制，更要求車輛牽引制動能夠做好相應(yīng)匹配。

在實際運營中存在的對標(biāo)問題主要表現(xiàn)為列車以ATO 模式進入站臺后沖標(biāo)或欠標(biāo)（超出±50 cm 的范圍）。所謂沖標(biāo)，是指列車在站臺區(qū)對標(biāo)站臺門停車時過沖停車點，使列車中心超過站臺門中心點50 cm，導(dǎo)致列車無法進站開門，嚴重時可能存在冒進信號的風(fēng)險。欠標(biāo)是指列車中心還未到達站臺中心點即停車，一般將停車后距站臺中心超過50 cm 認為欠標(biāo)。在列車對標(biāo)不準(zhǔn)時，列車將無?？縔ES，車門不能自動打開。一般需要進行二次對標(biāo)找到停車點再手動開門，影響行車效率，在城市軌道高水平運營中已經(jīng)成為一個重要制約因素。目前行業(yè)內(nèi)部在列車對標(biāo)不準(zhǔn)的處置是一個難點，在用的各系統(tǒng)均有此問題，雖然進行了大量的處置分析和系統(tǒng)升級，但是對標(biāo)問題隨著運營的持續(xù)再次凸現(xiàn)出來。本文通過對信號系統(tǒng)的理論分析和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行研究，探討對標(biāo)不準(zhǔn)的若干影響因素，提出了以VCS（Vehicle Characteristic Simulate，車輛特性模擬）測試方法檢測車輛牽引制動狀態(tài)，優(yōu)化車輛氣制動接管時機以及車載VOBC（Vehicle On-Board Controller，車載控制器）對標(biāo)方案，解決列車對標(biāo)不準(zhǔn)問題。

1 技術(shù)分析

一種典型的CBTC（Communication Based Train Control，基于通信的列車自動控制系統(tǒng)）控制級精確定位停車原理是車載VOBC 根據(jù)停車點和列車的常用制動力、線路參數(shù)、列車位置等計算ATO 的停車曲線，在站臺區(qū)域設(shè)置多個應(yīng)答器以進一步提高列車的位置精確度。列車經(jīng)過地面信標(biāo)，車載VOBC 位于車底的T（ITransponder Interrogator，應(yīng)答器詢問器）天線（圖1），不停地監(jiān)測和讀取地面信標(biāo)的信息，感應(yīng)到的信標(biāo)信息將傳回車載VOBC，控制器比對當(dāng)前計算位置和實際位置，如果計算位置在合理范圍內(nèi)，當(dāng)前計算位置將被重置為實際位置實時計算出當(dāng)前需要精確停車的速度。為了進一步保證停車精度，在列車停車點設(shè)置接近盤，在車底安裝接近盤感應(yīng)器，接近盤和感應(yīng)器的設(shè)置確保列車停準(zhǔn)時，接近盤的感應(yīng)器與地面的接近盤正好對齊，使列車在停穩(wěn)后落在停車窗±30 cm 以內(nèi)。

圖1 列車車底終端設(shè)備示意

精確對標(biāo)控制末端通過列車緩行以探測該接近盤，在接近傳感器檢測到接近盤時，就向VOBC 發(fā)出一個對位信號，此時VOBC 會施加制動，控制列車停在停車點。在列車為零速度狀態(tài)后，VOBC 施加制動命令。接近傳感器安裝在TC1 的轉(zhuǎn)向架機框上，用來檢測安裝在軌旁的接近盤。當(dāng)接近傳感器檢測到接近盤時，信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，VOBC 在接收到此信號后，才會給列車提供?？縔ES。當(dāng)MAU（Movement Authority Unit，運動控制單元）接收到VOBC 發(fā)送的PSD（Platform Screen Doors，屏蔽門）使能請求時，MAU 檢查命令打開PSD 的使能狀態(tài)，MAU確認列車報告列車的位置，包含了列車頭部到尾部的完整信息，完全在數(shù)據(jù)庫定義的站臺區(qū)域內(nèi)停準(zhǔn)和停止通過后，MAU 將接收并使能VOBC 請求的PSD 打開請求并轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖，聯(lián)鎖接收到有效的PSD 打開命令后使PSD 打開命令繼電器勵磁，同時使關(guān)閉命令繼電器失磁。停站時間結(jié)束，司機請求車門關(guān)閉。VOBC檢測到關(guān)閉請求后將發(fā)送關(guān)門命令給MAU，MAU 接收關(guān)門命令并轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖進行關(guān)閉PSD 操作，如果VOBC 檢測到車門關(guān)閉且鎖閉狀態(tài)后也會發(fā)送使能失效命令給MAU。在此精確停車過程中包含了接近傳感器的精確探測，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中對站臺區(qū)定位信標(biāo)以及接近盤的位置信息以及車輛制動狀態(tài)的效能。

通過以上分析，造成對標(biāo)不準(zhǔn)可能的原因有：①接近傳感器高度偏差造成的沖標(biāo)；②系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫配置造成的對標(biāo)不準(zhǔn)；③車輛系統(tǒng)的響應(yīng)問題造成的對標(biāo)不準(zhǔn)。

2 現(xiàn)場測試

2.1 針對接近傳感器高度偏差造成的沖標(biāo)

接近盤是安裝在軌旁停車窗的金屬板，長度為1 m，其中心為停車窗的中點，接近傳感器的探測距離約120 mm，安裝高度距離柜面約115 mm，安裝要求如圖2 所示。隨著距離的增加探測有效性遞減，當(dāng)超過一定距離后，探測功能丟失。因此當(dāng)接近傳感器高度增加時，將造成列車沖標(biāo)的概率增加。

圖2 列車接近傳感器安裝高度

為了深入研究，選取南京地鐵S1 號線為研究對象，在測試前對全線所有列車接近傳感器高度進行測量，全部調(diào)整為（120±3）mm。對于部分故障頻發(fā)的列車，及時調(diào)整感應(yīng)高度，嘗試更換硬件并在試車線進行測試驗證，由此造成的對標(biāo)不準(zhǔn)故障數(shù)減少。

2.2 針對系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫配置造成的對標(biāo)不準(zhǔn)

造成對標(biāo)問題的第2 種原因是車載數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)錯誤以及軌行區(qū)精確對標(biāo)設(shè)備安裝位置偏差。靜態(tài)線路數(shù)據(jù)庫詳細描述了行駛區(qū)段，定義了列車的控制運行方向，行駛區(qū)段可以是單向的也可以是雙向的。VOBC 通過安裝在車輪輪軸上的速度傳感器從VOBC 的ATP（Automatic Train Protection，列車自動保護系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫里定義的2 個指定應(yīng)答器之間自動確定車輪直徑（補償車輪磨損），進行校準(zhǔn)操作。當(dāng)列車通過這2 個應(yīng)答器，車下的應(yīng)答器天線讀到應(yīng)答器使VOBC 比較由速度傳感器實際測得的距離與數(shù)據(jù)庫中的距離，比較確定實際車輪直徑。確認位置的前提條件是TI 天線和速度傳感器都能正常工作。如果兩者在限定的誤差內(nèi)，列車的位置便確定，而且列車的確切位置及方向也能被辨認出來。對應(yīng)于每個檢測到的應(yīng)答器，VOBC 將調(diào)整定位不確定性偏差。在2 個應(yīng)答器之間，列車位置由輸入的轉(zhuǎn)速計信號而確定。MAU 根據(jù)VOBC 報告的列車位置并與數(shù)據(jù)庫中定義的站臺信息做比較，以驗證使能命令。VOBC 基于其數(shù)據(jù)庫和軌旁設(shè)備提供的信息確定ATO 停車點。如果VOBC 報告“停站”，站臺門使能命令被激活，有效的使能命令會被轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖。

在上述論述過程中，發(fā)現(xiàn)列車的定位信息依賴于數(shù)據(jù)庫中的定義數(shù)據(jù)，如果定義的數(shù)據(jù)有偏差，勢必導(dǎo)致列車無法精確定位而導(dǎo)致對標(biāo)偏差。對此委托供貨商對車載信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫再次核對和配置，同時在對標(biāo)問題較多的正方中路站、翔宇路北站及翔宇路南站對信標(biāo)及接近盤間距進行復(fù)測，現(xiàn)場以岔尖為標(biāo)準(zhǔn)，偏差均在正常范圍內(nèi)（定測以站臺中心為標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)測以岔尖為標(biāo)準(zhǔn)），數(shù)據(jù)無異常。

2.3 針對車輛系統(tǒng)的響應(yīng)問題造成的對標(biāo)不準(zhǔn)

在排除了前面兩個問題之后，最終影響列車對標(biāo)不準(zhǔn)的就只有與車輛系統(tǒng)的制動技術(shù)接口，通過ATO 停站精度測試及車輛VCS 性能測試，檢查車輛系統(tǒng)對不同級位的響應(yīng)狀態(tài)，進一步研究對標(biāo)的影響因素。

根據(jù)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)車輛電空轉(zhuǎn)換性能明顯下降，直接影響了ATO 精確對標(biāo)停車。測試結(jié)果如圖3 所示，圖中方波信號為車載VOBC 輸出的Effort 等級，與之匹配的是列車的響應(yīng)加速度，正值代表當(dāng)前輸出牽引命令，負值則為制動命令，表示列車當(dāng)前正在減速。

圖3 VCS 測試中電空轉(zhuǎn)換加速度波動情況

在VCS 測試中，當(dāng)Effort 級位為68.7%時，在電空轉(zhuǎn)換階段，減速度經(jīng)過一段穩(wěn)態(tài)值后先減小到-0.653 m/s2，隨后迅速增大至-0.927 m/s2，整個過程中列車減速度波動值約為0.27 m/s2；當(dāng)Effort 級位為60.5%時，在電空轉(zhuǎn)換階段，減速度經(jīng)過一段穩(wěn)態(tài)值后先是減小到-0.532 m/s2，隨后增大至-0.797 m/s2，整個過程中列車減速度波動值約為0.26 m/s2；當(dāng)Effort 級位為51.5%時，在電空轉(zhuǎn)換階段，減速度先是減小到-0.495 m/s2，隨后增大到-0.698 m/s2，整個過程中列車減速度波動值約為0.20 m/s2。

從上述分析可知，在不同的Effort 級位下發(fā)生電空轉(zhuǎn)換時，其制動力的變化均大于0.18 m/s2，嚴重的甚至達到0.27 m/s2。車輛與車載信號系統(tǒng)之間的接口要求如圖4 所示，明確提出“不管當(dāng)前列車的速度值大小，不管當(dāng)前列車系統(tǒng)的運行條件是什么（如列車牽引電壓），制動的混合應(yīng)能保證制動力的變化不大于0.1 m/s2，同時制動的混合應(yīng)在0.8 s 內(nèi)完成”。顯然，根據(jù)目前ATO 測試數(shù)據(jù)可以看出，車輛發(fā)生電空轉(zhuǎn)換時制動力的波動并未達到技術(shù)要求。

圖4 車輛與車載信號系統(tǒng)之間的接口技術(shù)要求

車輛制動在停站控制方式上先采用電空結(jié)合的方式，高速工況下優(yōu)先使用電制動，通過施加反向電動扭矩，實現(xiàn)列車由高速工況向低速工況的過渡。由于電制動在制動的末端制動效果下降，因此當(dāng)車速接近6 km/h 時氣制動接管并迅速降低列車速度，帶來良好的制動效果。但是由于技術(shù)和設(shè)備原因，在電空轉(zhuǎn)換過程中存在接管不平滑和波動現(xiàn)象。因此，在車輛制動供貨商提前了氣制動接管時機后，測試結(jié)果如圖5 所示，通過數(shù)據(jù)分析：車輛牽引制動性能在參數(shù)調(diào)整后列車發(fā)生電空轉(zhuǎn)換時列車減速度的波動得到了改善，尤其是在Effort 級位為40%～70%時，改善效果顯著；Effort 級位為80%時，雖然列車的電空轉(zhuǎn)換減速度波動值仍然較大，但是對比未修改前還是有一定的改善效果。通過后續(xù)修改，最終測試結(jié)果滿足要求。

圖5 改善后VCS 測試中電空轉(zhuǎn)換加速度波動情況

3 結(jié)論

隨著列車運營時間的增加，列車電空轉(zhuǎn)換性能會有一定的下降，車載信號系統(tǒng)的精確對標(biāo)停車建立在可靠的牽引制動性能之上，如果列車在制動過程中，其電空轉(zhuǎn)換過渡差異過大，轉(zhuǎn)換時間過長，則必然導(dǎo)致列車對標(biāo)偏差。當(dāng)電客車制動的混合不能保證制動力的變化不大于0.1 m/s2，制動的混合不能在0.8 s內(nèi)完成車輛與車載信號系統(tǒng)之間的技術(shù)接口要求時，將會表現(xiàn)為頻繁的欠標(biāo)。在處理列車對標(biāo)不準(zhǔn)的問題方面，需要聯(lián)合車輛牽引制動優(yōu)先測試列車電空轉(zhuǎn)換狀態(tài)，在確保其正常的情況下再排查信號系統(tǒng)對標(biāo)停車機制。