北京地鐵5號(hào)線調(diào)整ATO及制動(dòng)系統(tǒng)控制策略

龐 濤

北京地鐵5號(hào)線自2007年開通列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）運(yùn)營(yíng)后，列車自動(dòng)駕駛 （ATO）功能一直處于調(diào)試狀態(tài)。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，在正線吸能裝置未投入使用的情況下，電制動(dòng)不穩(wěn)定并隨機(jī)出現(xiàn)“電制動(dòng)－空氣制動(dòng)”頻繁切換，使列車綜合制動(dòng)性能欠佳，導(dǎo)致ATO停車不準(zhǔn)。經(jīng)過深入研究，最終通過修改ATO控車策略、優(yōu)化制動(dòng)軟件，實(shí)現(xiàn)ATO精確停車。

1 ATO控車方式

北京地鐵5號(hào)線車載ATO子系統(tǒng)利用正線ATO地面環(huán)路定位，通過測(cè)試電機(jī)完成測(cè)速、測(cè)距；利用ATO環(huán)路交叉點(diǎn)的零電位進(jìn)行里程校準(zhǔn)，并通過 “輪徑校正開關(guān)粗調(diào)＋內(nèi)置補(bǔ)償參數(shù)微調(diào)”的方式，實(shí)現(xiàn)輪徑補(bǔ)償，提高測(cè)速及測(cè)距的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。相對(duì)移動(dòng)閉塞系統(tǒng) （CBTC）而言，ATO控車方式為：①地面ATP子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)室內(nèi)外設(shè)備互相獨(dú)立，不存在數(shù)據(jù)連接；②車載ATP子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)安裝在同一機(jī)柜，但控制模塊互相獨(dú)立 （背板傳輸數(shù)據(jù)）、定位方式不同，具有較強(qiáng)的獨(dú)立性；③車載ATO子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸為 “地面→車上”單向進(jìn)行。

ATP子系統(tǒng)提供安全防護(hù)，是ATO子系統(tǒng)能夠正常工作的基礎(chǔ)。ATO子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)控制方式及步驟為：①讀取列車信息、檢查設(shè)備狀態(tài)；②讀取定位信息、線路信息；③讀取遠(yuǎn)程發(fā)送的控車指令，如運(yùn)行等級(jí)、跳停等；④根據(jù)定位信息及外部輸入的控車命令控制列車運(yùn)行速度；⑤計(jì)算預(yù)期加速度，并以此進(jìn)行控車。

北京地鐵5號(hào)線ATO控車方式及關(guān)系如圖1所示。

2 實(shí)現(xiàn)ATO精確停車的解決方案

為了實(shí)現(xiàn)ATO精確停車，需具備精確的距離測(cè)量精度，以線性度、響應(yīng)性良好的制動(dòng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，主要從優(yōu)化ATO控車方式，改善制動(dòng)系統(tǒng)綜合性能2方面入手。

2．1 針對(duì)ATO控車方式的調(diào)整

北京地鐵5號(hào)線最初ATO控車策略中，列車進(jìn)站停車是基于0．8m／s2的主體制動(dòng)率，在此過程中若ATO請(qǐng)求的制動(dòng)率頻繁變化，則要求制動(dòng)系統(tǒng)有良好的線性度、響應(yīng)性。但因地面吸能裝置未投入使用，接觸軌網(wǎng)壓劇烈變化，導(dǎo)致隨機(jī)出現(xiàn)“電制動(dòng)－空氣制動(dòng)”的切換，造成制動(dòng)系統(tǒng)綜合輸出的線性度較差。如 “電－空制動(dòng)切換”發(fā)生時(shí)，距離標(biāo)準(zhǔn)停車位置較近，則ATO難以完成有效調(diào)整，從而導(dǎo)致停車精度較差。

圖1 ATO控車關(guān)系示意圖

鑒于此種情況，通過修改ATO核心控制軟件，將列車控制策略轉(zhuǎn)變?yōu)?“階梯式控制”，從而使制動(dòng)率變化更為平滑，減小制動(dòng)率突變所帶來的響應(yīng)延時(shí)，增加ATO控制精準(zhǔn)度。經(jīng)過4個(gè)版本近百次數(shù)據(jù)調(diào)整，最終將ATO停車分為4個(gè)階段，每個(gè)階段配置不同的制動(dòng)率，如圖2所示。

圖2 最終版ATO控車策略示意圖

2．2 針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能的調(diào)整

北京地鐵5號(hào)線在城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)，雖然率先提出 “全電制動(dòng)停車”的概念，但鑒于種種原因，地面吸能未能投入使用。為此針對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)做如下優(yōu)化。

2．2．1 空氣制動(dòng)軟件優(yōu)化

城市軌道交通系統(tǒng)中，列車制動(dòng)方式包括空氣制動(dòng)及電制動(dòng)2種，其中空氣制動(dòng) （也叫摩擦制動(dòng)）是基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)。在前期測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，最初版本的空氣制動(dòng)軟件對(duì)各制動(dòng)指令的相應(yīng)曲線線性度較差，制動(dòng)率呈現(xiàn)馬鞍形曲線。如圖3所示。

圖3 舊版空氣制動(dòng)軟件特性示意圖

制動(dòng)系統(tǒng)專家優(yōu)化調(diào)整了空氣制動(dòng)的核心控制參數(shù)，并發(fā)布新版空氣制動(dòng)軟件，極大地改善了空氣制動(dòng)線性度。實(shí)測(cè)結(jié)果見圖4。

圖4 新版空氣制動(dòng)軟件特性示意圖

由圖4可以看出，新版空氣制動(dòng)軟件無論在緊急制動(dòng)、最大常用制動(dòng)還是中間制動(dòng)級(jí)位，其實(shí)際響應(yīng)的線性度較好 （圖中圈所示），從而確保了新版空氣制動(dòng)能夠滿足要求。

2．2．2 電牽引／制動(dòng)軟件優(yōu)化

1．提高電制動(dòng)主動(dòng)切換空氣制動(dòng)的速度閾值。在制動(dòng)系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)中，當(dāng)速度降低到3km／h左右，列車將主動(dòng)由電制動(dòng)切換到空氣制動(dòng)?？紤]到空氣制動(dòng)固有延時(shí)等因素，新版電制動(dòng)軟件中將該主動(dòng)切換點(diǎn)提高到8km／h，如圖5所示。修改后極大降低了ATO停車前低速運(yùn)行時(shí)“電－空制動(dòng)切換”對(duì)停車精度的影響，為最終實(shí)現(xiàn)ATO精確停車提供了基本條件保障。

圖5 調(diào)整電空制動(dòng)切換點(diǎn)示意圖

2．優(yōu)化 “電－空制動(dòng)”主動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制策略。具體修改方式是將電制動(dòng)扭矩電流縮減限位值T與再生扭矩電流R進(jìn)行比較，在T－R＝200A時(shí)（原始設(shè)計(jì)為T－R＝0A），由VVVF逆變器傳送到EBCU單元的電制動(dòng)反饋信號(hào)逐漸停止，使得空氣制動(dòng)提前開始啟動(dòng)。如圖6所示。

圖6 調(diào)整空氣制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)機(jī)示意圖

修改后使得列車在停車前低速運(yùn)行的階段內(nèi)，如由電制動(dòng)切換到空氣制動(dòng)時(shí)，綜合制動(dòng)力基本保持不變。

3．修改電制動(dòng)扭矩電流設(shè)置。根據(jù)北京地鐵5號(hào)線空氣制動(dòng)系統(tǒng)理論模型，氣缸BC壓力啟動(dòng)延時(shí)為0．4s，BC壓力由0上升到100%需2s（按均勻變化考慮）。假定列車按照1．00m／s2的平均減速度由80km／h （22．2m／s）制動(dòng)停車，根據(jù)速度公式Vt＝V0＋at可知列車停車用時(shí)22．2s?？紤]到空氣制動(dòng)存在制動(dòng)力過沖及回歸現(xiàn)象，可將列車制動(dòng)過程示意如圖7所示。

圖7 電制動(dòng)扭矩電路修改示意圖

BC壓延時(shí)導(dǎo)致空氣制動(dòng)力不足的量為圖7中陰影S的面積，即S＝0．4s×1＋ （2s×1／2）＝1．4。如采用瞬間提高空氣制動(dòng)力補(bǔ)足空氣制動(dòng)延時(shí)影響的方式，則圖7中超出預(yù)期值的陰影S′與陰影S面積需相等，即S＝S′。將陰影S′等效為X×19．8s的長(zhǎng)方形S″，則S″＝X×19．8s＝1．4。由此可知X ＝0．07，也即瞬間提高的空氣制動(dòng)力是原來的1．07倍。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，需將電制動(dòng)的扭矩電流增大1．07倍，同時(shí)考慮到制動(dòng)閘瓦等因素影響，可將電制動(dòng)扭矩電流增大到1．10倍。

3 總結(jié)

站臺(tái)精確停車是ATO系統(tǒng)核心功能，也是工程實(shí)施中的難點(diǎn)。在短時(shí)間內(nèi)無法改變外界環(huán)境的情況下，信號(hào)專業(yè)、車輛專業(yè)之間深入合作，通過優(yōu)化ATO控車方式，調(diào)整制動(dòng)軟件配置參數(shù)，最終將北京地鐵5號(hào)線ATO停車精度基本控制在±30cm之內(nèi)，超過±50cm的情況基本消除，具備投入載客運(yùn)營(yíng)的條件。目前，北京地鐵5號(hào)線ATO已經(jīng)通過行業(yè)專家評(píng)審，并已載客運(yùn)營(yíng)，效果良好。

［1］ EN 1352－1Railway applications－Braking－Mass transit brake systems－Part 1：Performance requirements．

［2］ EN 1352－1Railway applications－Braking－Mass transit brake systems－Part2：Methods of test．

［3］ 鄭理華 ．基于 CTCS－2－200C的城際列控車載ATP總體技術(shù)方案的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．鐵道通信信號(hào)，2014（12）：9－12．

［4］ 史增樹，崔金芳．ATO系統(tǒng)在城際鐵路中的應(yīng)用方案研究［J］．鐵道通信信號(hào)，2013（增刊）：30－32．