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(jí)工程師)

深圳地鐵2號(hào)線(以下簡稱“2號(hào)線”)全長35.7 km，共設(shè)29座車站，車輛為A型車，采用4動(dòng)2拖的6節(jié)編組形式。列車在正線運(yùn)營時(shí)采用ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式，由信號(hào)系統(tǒng)全程控制列車的起動(dòng)加速、惰行及制動(dòng)停車，在不觸發(fā)ATP(列車自動(dòng)防護(hù))緊急制動(dòng)功能的前提下，可實(shí)現(xiàn)精確對標(biāo)停車[1-2]。

2號(hào)線車輛的牽引設(shè)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(luò)及制動(dòng)系統(tǒng)保持一致。T 240車從2017年載客運(yùn)營以來， ATO模式對標(biāo)正常，鮮有沖標(biāo)或欠標(biāo)的情況發(fā)生。但在2020年4月信號(hào)廠家更新程序后，T 240車第1次上線載客運(yùn)營就在海上世界站、僑鄉(xiāng)站、東角頭站等車站發(fā)生沖標(biāo)現(xiàn)象，且沖標(biāo)距離均超過50 cm，導(dǎo)致站臺(tái)門、車門均未能及時(shí)打開。但是，經(jīng)過同樣信號(hào)廠家更新后的龐巴迪牽引系統(tǒng)車輛并未發(fā)生沖標(biāo)現(xiàn)象。經(jīng)了解，在此次信號(hào)更新前，個(gè)別車輛偶爾出現(xiàn)過沖標(biāo)、欠標(biāo)現(xiàn)象，針對此情況，信號(hào)廠家對相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)并優(yōu)化，但全程試驗(yàn)采用裝有龐巴迪牽引系統(tǒng)的車輛進(jìn)行，所有與車輛相關(guān)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(luò)及制動(dòng)系統(tǒng)在此期間均未升級(jí)，因此，初步判定車輛沖標(biāo)是由于不同制造商生產(chǎn)的牽引系統(tǒng)在性能上有所差異導(dǎo)致。

本文以T 240車沖標(biāo)為實(shí)例，分析了ATO對標(biāo)停車的基本原理，重點(diǎn)對牽引系統(tǒng)可能引起對標(biāo)不準(zhǔn)的原因進(jìn)行了深入剖析，并提出相應(yīng)的整改措施。

1 ATO對標(biāo)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(shí)際速度、實(shí)際減速度及車輛所處位置等信息，將計(jì)算出不同級(jí)位的制動(dòng)指令通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給車輛。車輛根據(jù)制動(dòng)指令值，計(jì)算出此時(shí)所需的總制動(dòng)力，由電制動(dòng)或空氣制動(dòng)執(zhí)行總制動(dòng)力，從而實(shí)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(huì)針對每個(gè)站點(diǎn)設(shè)置1條列車運(yùn)行控制曲線。在理想情況下，車輛的實(shí)際速度完全跟隨設(shè)置的目標(biāo)參考速度。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，通常信號(hào)系統(tǒng)在建立ATO控制模型時(shí)，將整個(gè)過程分為參考速度控制、減速度控制、牽引指令和制動(dòng)指令計(jì)算3個(gè)部分[2-3]。其中：參考速度控制指通過設(shè)置車輛目標(biāo)速度，并與車輛實(shí)際速度進(jìn)行對比，控制兩者間的差值，從而使得車輛實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)可以跟隨上目標(biāo)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(yùn)行阻力、車輛對指令的響應(yīng)速度及制動(dòng)性能差異等因素引起的車輛目標(biāo)減速度與實(shí)際減速度偏差；牽引指令和制動(dòng)指令計(jì)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(dòng)模式轉(zhuǎn)換次數(shù)等實(shí)際的運(yùn)用需求，計(jì)算生成可用且滿足運(yùn)營要求的車輛控制指令。

2 列車在ATO模式下沖標(biāo)的可能原因

2.1 響應(yīng)不及時(shí)

ATO模式下，信號(hào)系統(tǒng)為施令者，車輛的牽引、制動(dòng)系統(tǒng)為命令的最終執(zhí)行者。在進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換、需求減速度變換時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)需將相關(guān)信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)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(dòng)力。由于各系統(tǒng)間的傳輸延時(shí)及各系統(tǒng)的執(zhí)行周期延時(shí)，導(dǎo)致信號(hào)需求與車輛實(shí)際輸出存在一定的響應(yīng)延時(shí)。為此，信號(hào)系統(tǒng)的ATO列車控制模型中設(shè)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(shí)間設(shè)為Td，Td根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)與車輛匹配試驗(yàn)確定，如圖2所示。

當(dāng)車輛實(shí)際減速度響應(yīng)延時(shí)小于Td時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)認(rèn)為車輛已跟隨上需求減速度，不需要調(diào)節(jié)；反之，則認(rèn)為車輛并未達(dá)到需求減速度，需要對需求減速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。若停車距離長，在經(jīng)過幾個(gè)調(diào)節(jié)周期后，實(shí)際減速度可逐漸跟隨上估算減速度，此時(shí)可較準(zhǔn)確對標(biāo)。但當(dāng)停車距離不夠長時(shí)，實(shí)際減速度在未跟隨上估算減速度時(shí)就已到達(dá)停車區(qū)域，此種情況極易引起對標(biāo)不準(zhǔn)，如圖3所示。

圖2 信號(hào)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(shí)際減速度響應(yīng)滯后引起沖標(biāo)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(zhuǎn)速采集及系統(tǒng)控制等誤差，牽引系統(tǒng)實(shí)際輸出的電制動(dòng)力與理論值間會(huì)存在一定偏差，電制動(dòng)力的不一致最終將反應(yīng)到車輛減速上。另外，車輛的輪徑差也會(huì)引起電制動(dòng)力偏差。整車的電制動(dòng)力與電機(jī)轉(zhuǎn)矩、輪徑的關(guān)系如下：

Fa=2nkTm/(DηB)

(1)

式中：

Fa——整車電制動(dòng)力；

n——整車牽引電機(jī)個(gè)數(shù)；

k——齒輪傳動(dòng)比；

Tm——電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；

D——車輪直徑；

ηB——制動(dòng)工況齒輪傳動(dòng)效率。

車輛的長時(shí)間運(yùn)營會(huì)導(dǎo)致各個(gè)軸輪徑值存在一定的差異，但只要輪徑值在合理范圍之內(nèi)，通過實(shí)際輪徑值調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，則可使得整車電制動(dòng)力在不同輪徑下保持一致。然而，輪徑值計(jì)算通常由參考輪徑、參考速度及自身電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)校驗(yàn)得到，參考輪徑輸入錯(cuò)誤或校驗(yàn)出錯(cuò)均會(huì)引起校驗(yàn)輪徑值偏離實(shí)際值，進(jìn)而導(dǎo)致輸出的電制動(dòng)力不準(zhǔn)確。

在同一需求下，由于空氣制動(dòng)力與電制動(dòng)力存在差異性，在部分牽引逆變器被切除的情況下，整個(gè)制動(dòng)過程由電制動(dòng)、空氣制動(dòng)兩者混合進(jìn)行制動(dòng)，此種情況也會(huì)導(dǎo)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(dòng)減速度偏差。當(dāng)該偏差大于信號(hào)系統(tǒng)允許的最大偏差時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)即使持續(xù)采取調(diào)節(jié)措施，也會(huì)引起車輛沖標(biāo)，如圖4所示。

圖4 減速度偏差引起沖標(biāo)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(huì)使輪軌間的可用黏著降低。當(dāng)輸出制動(dòng)力大于最大可用黏著力時(shí)，車輛將發(fā)生滑行。為防止滑行進(jìn)一步加深，需快速降低制動(dòng)力，以恢復(fù)黏著[5]。與制動(dòng)系統(tǒng)相比，牽引系統(tǒng)檢測更為靈敏、動(dòng)作更迅速。通常在黏著降低時(shí)，牽引系統(tǒng)比制動(dòng)系統(tǒng)更先檢測到車輛的滑行狀態(tài)并進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)發(fā)送滑行標(biāo)志位給制動(dòng)系統(tǒng)，防止制動(dòng)系統(tǒng)因電制動(dòng)力不足而進(jìn)行空補(bǔ)。當(dāng)滑行標(biāo)志位時(shí)間超過3～5 s時(shí)，空氣制動(dòng)切除電制動(dòng)進(jìn)行停車。這樣做的目的在于在空氣制動(dòng)模式下所有軸均可施加制動(dòng)力，而電制動(dòng)只能在動(dòng)軸上施加制動(dòng)力，車輛要得到同樣的減速度，空氣制動(dòng)較電制動(dòng)黏著需求更小。在相同的黏著條件下空氣制動(dòng)距離更短，制動(dòng)更安全。

但在ATO模式下，信號(hào)系統(tǒng)并不知道軌面的具體情況。即使軌面條件惡劣，信號(hào)系統(tǒng)依然按照正常模式進(jìn)行制動(dòng)停車，在預(yù)留制動(dòng)距離不足時(shí)也會(huì)引起沖標(biāo)現(xiàn)象，如圖5所示。

2.4 低速停車過程中電制動(dòng)和空氣制動(dòng)間的配合不平滑

異步牽引電機(jī)由于轉(zhuǎn)差率的存在及低速轉(zhuǎn)矩的控制精度問題，在低速停車過程中需電制動(dòng)和空氣制動(dòng)互相配合(以下簡稱“電空配合”)。當(dāng)車輛速度減小到一定值時(shí)，網(wǎng)絡(luò)或牽引系統(tǒng)將發(fā)送電制動(dòng)衰退指令。由于牽引系統(tǒng)較制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)快，牽引系統(tǒng)在得到電制動(dòng)衰退信號(hào)后延時(shí)幾百毫秒后(具體延時(shí)時(shí)間由試驗(yàn)效果確定)退出，空氣制動(dòng)接收到衰退信號(hào)后立刻按照固定斜率增加制動(dòng)力。

圖5 因車輛滑行引起沖標(biāo)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(gè)過程中，整車制動(dòng)力(電制動(dòng)力加空氣制動(dòng)力)保持不變。但延時(shí)時(shí)間設(shè)置不恰當(dāng)、制動(dòng)力上升/下降的斜率不一致，以及空氣制動(dòng)力與電制動(dòng)力的差異性，都可能使得整車制動(dòng)力在電空配合過程中產(chǎn)生波動(dòng)。車輛實(shí)際減速度隨之發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)波動(dòng)范圍大于信號(hào)系統(tǒng)允許限值時(shí)，認(rèn)為此時(shí)車輛減速度大于需求值，進(jìn)而采取減小制動(dòng)需求的調(diào)節(jié)措施也會(huì)引起對標(biāo)不準(zhǔn)，如圖6所示。

圖6 低速電空配合引起沖標(biāo)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(biāo)的原因分析及整改措施

根據(jù)以上牽引系統(tǒng)引起沖標(biāo)的幾個(gè)原因，逐條對案例車輛進(jìn)行查找分析。查看當(dāng)天沖標(biāo)時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)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(biāo)；各軸輪徑校驗(yàn)值與實(shí)際測量值間的差異小于1 mm，在合理范圍之內(nèi)；而且，牽引電機(jī)組合試驗(yàn)時(shí)所有速度點(diǎn)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍均在±5%以內(nèi)，亦滿足要求。如圖7所示，以2號(hào)線的海上世界站為例，分析信號(hào)沖標(biāo)站點(diǎn)的停車數(shù)據(jù)。低速電空配合下車輛減速度波動(dòng)較小，滿足需求，但在惰行轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，車輛實(shí)際減速度滯后于信號(hào)估算減速度，響應(yīng)不及時(shí)，信號(hào)隨即進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)。

圖7 T 240車在2號(hào)線海上世界站沖標(biāo)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(yīng)不及時(shí)是T 240車對標(biāo)不準(zhǔn)的關(guān)鍵問題。在信號(hào)程序升級(jí)時(shí)，依據(jù)龐巴迪牽引系統(tǒng)特性對延時(shí)時(shí)間及減速度偏差限值做了調(diào)整，調(diào)整后的要求更加精細(xì)、嚴(yán)苛。分析T 240車的自主化牽引程序，查找出響應(yīng)不及時(shí)的原因?yàn)椋孩僮灾骰癄恳到y(tǒng)沖擊率限制始終為0.75 m/s3，但信號(hào)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(jī)不帶勵(lì)磁、封鎖逆變器脈沖，當(dāng)惰行轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)，需重新勵(lì)磁并增加制動(dòng)力，由此導(dǎo)致響應(yīng)速度較慢。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)自主化牽引系統(tǒng)對電制動(dòng)力進(jìn)行了20個(gè)級(jí)位劃分，若需求制動(dòng)力在5%范圍內(nèi)變化，牽引系統(tǒng)不做響應(yīng)。由于信號(hào)系統(tǒng)在ATO模式下為無級(jí)位調(diào)節(jié)，需求制動(dòng)力在最大限制范圍內(nèi)均可能出現(xiàn)，實(shí)際減速度與需求減速度可能不匹配，因此級(jí)位劃分也是引起沖標(biāo)的一個(gè)原因。

針對自主化牽引系統(tǒng)在惰行轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)響應(yīng)速度問題，本文分別在帶勵(lì)磁與不帶勵(lì)磁兩種工況下進(jìn)行了對比試驗(yàn)，如圖8所示。

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

a) 帶勵(lì)磁試驗(yàn)下的波形

b) 不帶勵(lì)磁試驗(yàn)下的波形圖8 帶勵(lì)磁與不帶勵(lì)磁2種試驗(yàn)工況下牽引系統(tǒng)惰行 轉(zhuǎn)制動(dòng)的波形對比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

自主化牽引程序升級(jí)后，將T 240車在正線上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，本文選取之前發(fā)生沖標(biāo)過的海上世界站，對整改后列車對標(biāo)情況進(jìn)行波形分析，如圖9所示。由圖9可知：T 240車在惰行轉(zhuǎn)制動(dòng)過程中，實(shí)際減速度與信號(hào)估算減速度幾乎重合，響應(yīng)

圖9 整改后T 240車在2號(hào)線海上世界站的對標(biāo)波形圖

及時(shí)；實(shí)際減速度波動(dòng)減小、跟隨性良好；信號(hào)調(diào)節(jié)幅度較小；車輛運(yùn)行平穩(wěn)，對標(biāo)準(zhǔn)確。T 240車在空載試驗(yàn)及后續(xù)載客運(yùn)營過程中，采用ATO模式對標(biāo)，均滿足停車精度±30 cm的要求。

5 結(jié)語

列車在ATO模式的對標(biāo)涉及信號(hào)系統(tǒng)，以及車輛系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動(dòng)等多方面，與線路條件也存在一定的關(guān)系。任一系統(tǒng)出現(xiàn)問題，或系統(tǒng)之間的配合不恰當(dāng)，均會(huì)引起對標(biāo)不準(zhǔn)的現(xiàn)象。此現(xiàn)象存在一定的隨機(jī)性，通常只是在某個(gè)或幾個(gè)車站出現(xiàn)，其原因較復(fù)雜。每條線路在運(yùn)營過程中或多或少都遇到過該類問題，如想在前期設(shè)計(jì)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(jìn)行總結(jié)，在線路開通前的試驗(yàn)階段進(jìn)行充分的匹配試驗(yàn)，以減少后期正式運(yùn)營時(shí)列車沖標(biāo)、欠標(biāo)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(biāo)不準(zhǔn)的幾個(gè)原因進(jìn)行了深入剖析。針對案例列車沖標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行問題查找分析，并對解決措施進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，對ATO模式下列車對標(biāo)不準(zhǔn)分析有一定的參考作用。