曾凡飛 張佳波 劉天宇 張新宇 邸 峰

(中車青島四方車輛研究所有限公司， 266111， 青島∥第一作者， 高級工程師)

深圳地鐵2號線(以下簡稱“2號線”)全長35.7 km，共設29座車站，車輛為A型車，采用4動2拖的6節(jié)編組形式。列車在正線運營時采用ATO(列車自動運行)模式，由信號系統(tǒng)全程控制列車的起動加速、惰行及制動停車，在不觸發(fā)ATP(列車自動防護)緊急制動功能的前提下，可實現(xiàn)精確對標停車[1-2]。

2號線車輛的牽引設備除T 240車采用自主化牽引系統(tǒng)外，其他車輛均采用龐巴迪牽引系統(tǒng)，所有車輛的網(wǎng)絡及制動系統(tǒng)保持一致。T 240車從2017年載客運營以來， ATO模式對標正常，鮮有沖標或欠標的情況發(fā)生。但在2020年4月信號廠家更新程序后，T 240車第1次上線載客運營就在海上世界站、僑鄉(xiāng)站、東角頭站等車站發(fā)生沖標現(xiàn)象，且沖標距離均超過50 cm，導致站臺門、車門均未能及時打開。但是，經(jīng)過同樣信號廠家更新后的龐巴迪牽引系統(tǒng)車輛并未發(fā)生沖標現(xiàn)象。經(jīng)了解，在此次信號更新前，個別車輛偶爾出現(xiàn)過沖標、欠標現(xiàn)象，針對此情況，信號廠家對相關控制參數(shù)進行了試驗并優(yōu)化，但全程試驗采用裝有龐巴迪牽引系統(tǒng)的車輛進行，所有與車輛相關的控制參數(shù)都是基于龐巴迪牽引系統(tǒng)特性確定。車輛的網(wǎng)絡及制動系統(tǒng)在此期間均未升級，因此，初步判定車輛沖標是由于不同制造商生產的牽引系統(tǒng)在性能上有所差異導致。

本文以T 240車沖標為實例，分析了ATO對標停車的基本原理，重點對牽引系統(tǒng)可能引起對標不準的原因進行了深入剖析，并提出相應的整改措施。

1 ATO對標停車的基本原理

圖1為ATO模式控制模型示意圖。ATO系統(tǒng)根據(jù)反饋得到的車輛實際速度、實際減速度及車輛所處位置等信息，將計算出不同級位的制動指令通過網(wǎng)絡傳輸給車輛。車輛根據(jù)制動指令值，計算出此時所需的總制動力，由電制動或空氣制動執(zhí)行總制動力，從而實現(xiàn)對車輛的減速控制。

圖1 ATO模式控制模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of ATO mode control model

ATO會針對每個站點設置1條列車運行控制曲線。在理想情況下，車輛的實際速度完全跟隨設置的目標參考速度。為了實現(xiàn)此目標，通常信號系統(tǒng)在建立ATO控制模型時，將整個過程分為參考速度控制、減速度控制、牽引指令和制動指令計算3個部分[2-3]。其中：參考速度控制指通過設置車輛目標速度，并與車輛實際速度進行對比，控制兩者間的差值，從而使得車輛實際的運行狀態(tài)可以跟隨上目標速度；減速度控制的目的是通過閉環(huán)控制去校正因線路坡度、運行阻力、車輛對指令的響應速度及制動性能差異等因素引起的車輛目標減速度與實際減速度偏差；牽引指令和制動指令計算指在指令最終輸出前，綜合考慮車輛沖擊率限制及牽引、制動模式轉換次數(shù)等實際的運用需求，計算生成可用且滿足運營要求的車輛控制指令。

2 列車在ATO模式下沖標的可能原因

2.1 響應不及時

ATO模式下，信號系統(tǒng)為施令者，車輛的牽引、制動系統(tǒng)為命令的最終執(zhí)行者。在進行模式轉換、需求減速度變換時，信號系統(tǒng)需將相關信息發(fā)送給網(wǎng)絡，網(wǎng)絡再發(fā)送給車輛的牽引系統(tǒng)。牽引系統(tǒng)接收到信息后，按照沖擊率限制輸出電制動力。由于各系統(tǒng)間的傳輸延時及各系統(tǒng)的執(zhí)行周期延時，導致信號需求與車輛實際輸出存在一定的響應延時。為此，信號系統(tǒng)的ATO列車控制模型中設置了估算車輛減速度a2，用于閉環(huán)控制。將a2滯后于需求減速度a1的時間設為Td，Td根據(jù)信號系統(tǒng)與車輛匹配試驗確定，如圖2所示。

當車輛實際減速度響應延時小于Td時，信號系統(tǒng)認為車輛已跟隨上需求減速度，不需要調節(jié)；反之，則認為車輛并未達到需求減速度，需要對需求減速度進行調節(jié)。若停車距離長，在經(jīng)過幾個調節(jié)周期后，實際減速度可逐漸跟隨上估算減速度，此時可較準確對標。但當停車距離不夠長時，實際減速度在未跟隨上估算減速度時就已到達停車區(qū)域，此種情況極易引起對標不準，如圖3所示。

圖2 信號系統(tǒng)估算車輛減速度示意圖Fig.2 Schematic diagram of vehicle deceleration estimated by signaling system

圖3 實際減速度響應滯后引起沖標示意圖Fig.3 Schematic diagram of stop mark exceeding caused by actual deceleration response delay

2.2 減速度不匹配

由于電流采集、轉速采集及系統(tǒng)控制等誤差，牽引系統(tǒng)實際輸出的電制動力與理論值間會存在一定偏差，電制動力的不一致最終將反應到車輛減速上。另外，車輛的輪徑差也會引起電制動力偏差。整車的電制動力與電機轉矩、輪徑的關系如下：

Fa=2nkTm/(DηB)

(1)

式中：

Fa——整車電制動力；

n——整車牽引電機個數(shù)；

k——齒輪傳動比；

Tm——電機輸出轉矩；

D——車輪直徑；

ηB——制動工況齒輪傳動效率。

車輛的長時間運營會導致各個軸輪徑值存在一定的差異，但只要輪徑值在合理范圍之內，通過實際輪徑值調節(jié)電機輸出轉矩，則可使得整車電制動力在不同輪徑下保持一致。然而，輪徑值計算通常由參考輪徑、參考速度及自身電機轉速等參數(shù)校驗得到，參考輪徑輸入錯誤或校驗出錯均會引起校驗輪徑值偏離實際值，進而導致輸出的電制動力不準確。

在同一需求下，由于空氣制動力與電制動力存在差異性，在部分牽引逆變器被切除的情況下，整個制動過程由電制動、空氣制動兩者混合進行制動，此種情況也會導致車輛減速度與理論值不能完全匹配[4]。

以上幾種情況都可能引起制動減速度偏差。當該偏差大于信號系統(tǒng)允許的最大偏差時，信號系統(tǒng)即使持續(xù)采取調節(jié)措施，也會引起車輛沖標，如圖4所示。

圖4 減速度偏差引起沖標示意圖Fig.4 Schematic diagram of stop mark exceeding caused by deceleration deviation

2.3 車輛滑行

雨、雪、霜、霧、落葉等外界條件均會使輪軌間的可用黏著降低。當輸出制動力大于最大可用黏著力時，車輛將發(fā)生滑行。為防止滑行進一步加深，需快速降低制動力，以恢復黏著[5]。與制動系統(tǒng)相比，牽引系統(tǒng)檢測更為靈敏、動作更迅速。通常在黏著降低時，牽引系統(tǒng)比制動系統(tǒng)更先檢測到車輛的滑行狀態(tài)并進行調節(jié)，同時發(fā)送滑行標志位給制動系統(tǒng)，防止制動系統(tǒng)因電制動力不足而進行空補。當滑行標志位時間超過3～5 s時，空氣制動切除電制動進行停車。這樣做的目的在于在空氣制動模式下所有軸均可施加制動力，而電制動只能在動軸上施加制動力，車輛要得到同樣的減速度，空氣制動較電制動黏著需求更小。在相同的黏著條件下空氣制動距離更短，制動更安全。

但在ATO模式下，信號系統(tǒng)并不知道軌面的具體情況。即使軌面條件惡劣，信號系統(tǒng)依然按照正常模式進行制動停車，在預留制動距離不足時也會引起沖標現(xiàn)象，如圖5所示。

2.4 低速停車過程中電制動和空氣制動間的配合不平滑

異步牽引電機由于轉差率的存在及低速轉矩的控制精度問題，在低速停車過程中需電制動和空氣制動互相配合(以下簡稱“電空配合”)。當車輛速度減小到一定值時，網(wǎng)絡或牽引系統(tǒng)將發(fā)送電制動衰退指令。由于牽引系統(tǒng)較制動系統(tǒng)響應快，牽引系統(tǒng)在得到電制動衰退信號后延時幾百毫秒后(具體延時時間由試驗效果確定)退出，空氣制動接收到衰退信號后立刻按照固定斜率增加制動力。

圖5 因車輛滑行引起沖標示意圖Fig.5 Schematic diagram of stop mark exceeding caused by vehicle sliding

理論上在電空配合的整個過程中，整車制動力(電制動力加空氣制動力)保持不變。但延時時間設置不恰當、制動力上升/下降的斜率不一致，以及空氣制動力與電制動力的差異性，都可能使得整車制動力在電空配合過程中產生波動。車輛實際減速度隨之發(fā)生波動，當波動范圍大于信號系統(tǒng)允許限值時，認為此時車輛減速度大于需求值，進而采取減小制動需求的調節(jié)措施也會引起對標不準，如圖6所示。

圖6 低速電空配合引起沖標示意圖Fig.6 Schematic diagram of stop mark exceeding caused by electro-pneumatic braking at low speed

3 案例列車沖標的原因分析及整改措施

根據(jù)以上牽引系統(tǒng)引起沖標的幾個原因，逐條對案例車輛進行查找分析。查看當天沖標時刻網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，T 240車并未發(fā)生滑行，首先排除因滑行引起沖標；各軸輪徑校驗值與實際測量值間的差異小于1 mm，在合理范圍之內；而且，牽引電機組合試驗時所有速度點轉矩波動范圍均在±5%以內，亦滿足要求。如圖7所示，以2號線的海上世界站為例，分析信號沖標站點的停車數(shù)據(jù)。低速電空配合下車輛減速度波動較小，滿足需求，但在惰行轉制動時，車輛實際減速度滯后于信號估算減速度，響應不及時，信號隨即進行大幅度調節(jié)。

圖7 T 240車在2號線海上世界站沖標的波形圖Fig.7 Waveform diagram of train stop mark exceeding at Sea World Station of Metro Line 2

由圖7可知，響應不及時是T 240車對標不準的關鍵問題。在信號程序升級時，依據(jù)龐巴迪牽引系統(tǒng)特性對延時時間及減速度偏差限值做了調整，調整后的要求更加精細、嚴苛。分析T 240車的自主化牽引程序，查找出響應不及時的原因為：①自主化牽引系統(tǒng)沖擊率限制始終為0.75 m/s3，但信號在ATO模式下沖擊率限制增大到0.90 m/s3；②自主化牽引系統(tǒng)回到惰行模式后電機不帶勵磁、封鎖逆變器脈沖，當惰行轉制動時，需重新勵磁并增加制動力，由此導致響應速度較慢。

同時發(fā)現(xiàn)自主化牽引系統(tǒng)對電制動力進行了20個級位劃分，若需求制動力在5%范圍內變化，牽引系統(tǒng)不做響應。由于信號系統(tǒng)在ATO模式下為無級位調節(jié)，需求制動力在最大限制范圍內均可能出現(xiàn)，實際減速度與需求減速度可能不匹配，因此級位劃分也是引起沖標的一個原因。

針對自主化牽引系統(tǒng)在惰行轉制動時響應速度問題，本文分別在帶勵磁與不帶勵磁兩種工況下進行了對比試驗，如圖8所示。

由圖8可知：與惰行帶勵磁工況下相比，惰行不帶勵磁工況下制動力上升階段實際輸出的制動力較小，車輛實際減速度響應較慢，從接收到制動信息到車輛開始真正減速，延時約為0.3 s。因此，針對此次信號升級后T 240車沖標采取的措施有：① 對自主化牽引系統(tǒng)進行程序升級，將ATO模式下沖擊率限制增大到0.9 m/s3；② 車輛在惰行時牽引電機依然保持帶勵磁工況；③ 取消電制動力的級位劃分。

a) 帶勵磁試驗下的波形

b) 不帶勵磁試驗下的波形圖8 帶勵磁與不帶勵磁2種試驗工況下牽引系統(tǒng)惰行 轉制動的波形對比

4 試驗驗證

自主化牽引程序升級后，將T 240車在正線上進行了試驗驗證，本文選取之前發(fā)生沖標過的海上世界站，對整改后列車對標情況進行波形分析，如圖9所示。由圖9可知：T 240車在惰行轉制動過程中，實際減速度與信號估算減速度幾乎重合，響應

圖9 整改后T 240車在2號線海上世界站的對標波形圖

及時；實際減速度波動減小、跟隨性良好；信號調節(jié)幅度較小；車輛運行平穩(wěn)，對標準確。T 240車在空載試驗及后續(xù)載客運營過程中，采用ATO模式對標，均滿足停車精度±30 cm的要求。

5 結語

列車在ATO模式的對標涉及信號系統(tǒng)，以及車輛系統(tǒng)的網(wǎng)絡、牽引、制動等多方面，與線路條件也存在一定的關系。任一系統(tǒng)出現(xiàn)問題，或系統(tǒng)之間的配合不恰當，均會引起對標不準的現(xiàn)象。此現(xiàn)象存在一定的隨機性，通常只是在某個或幾個車站出現(xiàn)，其原因較復雜。每條線路在運營過程中或多或少都遇到過該類問題，如想在前期設計階段根本上解決該問題，難度較大。只能盡量將以往線路出現(xiàn)的問題進行總結，在線路開通前的試驗階段進行充分的匹配試驗，以減少后期正式運營時列車沖標、欠標的發(fā)生。

本文以牽引系統(tǒng)為對象，對牽引系統(tǒng)可能引起對標不準的幾個原因進行了深入剖析。針對案例列車沖標現(xiàn)象進行問題查找分析，并對解決措施進行了相關試驗驗證，對ATO模式下列車對標不準分析有一定的參考作用。