廣州地鐵3號線B1型聯(lián)掛列車對標不準問題分析與應對

梁偉祺 魏 剛

廣州地鐵3號線目前使用的ATC信號系統(tǒng)為Seltrac S40移動閉塞系統(tǒng)，由系統(tǒng)管理中心（SMC）、車輛控制中心 （VCC）、車站控制器（STC）及車載控制器 （VOBC）組成，4個子系統(tǒng)相互配合，為ATC信號系統(tǒng)提供了列車自動監(jiān)控（ATS）、列車自動駕駛 （ATO）和列車自動防護功能 （ATP），保證列車和乘客的安全，實現(xiàn)列車快速、高密度、有序運行的功能。

在上述的4個子系統(tǒng)中，VOBC由于在線使用數(shù)量較多，并且與車輛系統(tǒng)存在接口關(guān)系，因此發(fā)生的問題和故障也較多。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，VOBC和車輛接口故障主要為B1型聯(lián)掛列車對標不準，主要體現(xiàn)在列車沖標上。2013年4月沖標次數(shù)為118次，平均每天約有4次。

面對較高的列車沖標情況，本文將對VOBC系統(tǒng)進行簡單介紹，深入分析B1型聯(lián)掛列車對標不準問題，并且提出相應的應對措施和措施成效分析。

1 VOBC系統(tǒng)的組成與功能分析

VOBC系統(tǒng)作為車輛系統(tǒng)的一部分，在實現(xiàn)列車自動控制功能中十分重要。一列B1型聯(lián)掛列車共設置4套VOBC系統(tǒng)，一列B 2／B 4列車共設置2套VOBC系統(tǒng)。一套完整的VOBC系統(tǒng)包括機架設備和外圍設備。

VOBC系統(tǒng)在各單元和外圍設備的協(xié)調(diào)工作下，可實現(xiàn)下述功能。

1．通過收發(fā)報文與VCC通信。VOBC系統(tǒng)通過安裝在轉(zhuǎn)向架上的接收天線和發(fā)送天線與VCC通信，將列車的相關(guān)信息發(fā)到VCC系統(tǒng)，如列車當前位置、速度、運行方向等，并接收VCC系統(tǒng)發(fā)來的命令。

2．模式選擇。VOBC系統(tǒng)為列車的運行提供了ATC模式和人工模式，司機可根據(jù)運營需要，選擇適當?shù)哪Ｊ竭\行列車。

3．列車測速及定位。在正線運行中，VOBC系統(tǒng)根據(jù)環(huán)線交叉點信息和測速發(fā)電機的信息，計算當前列車的位置。根據(jù)環(huán)線交叉點信息的定位，稱之為粗略定位；根據(jù)測速發(fā)電機信息的定位，稱之為精確定位。

4．ATP／ATO功能。VOBC系統(tǒng)監(jiān)控列車各種狀態(tài)信息，確保列車安全地運行，同時根據(jù)VCC系統(tǒng)發(fā)來的命令以及當前列車狀態(tài)，控制列車的牽引、制動和車門開關(guān)。

2 B1型聯(lián)掛列車對標不準原因分析

廣州地鐵3號線開通初期，使用40列3節(jié)編組的B1型列車，實現(xiàn)快速、高密度的行車組織。隨著3號線客流量的快速增大，從2010年4月開始進行了編組改造，將40列3節(jié)編組的B1型車聯(lián)掛成為20列6節(jié)編組的B1型聯(lián)掛車，并組織上線運營。由此，3號線列車對標不準故障開始逐漸增多，并且主要體現(xiàn)在列車沖標問題上。從2010年12月至2014年12月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，共發(fā)生對標不準的故障數(shù)為4098次，其中沖標的故障次數(shù)為3758次，占總數(shù)的92%，欠標的次數(shù)為340次，占總數(shù)的8%。

由于3號線列車運營模式是基于ATP保護下的ATO模式，只有在故障情況時才轉(zhuǎn)為ATP保護下的司機人工駕駛模式，因此這里主要探討列車在ATO模式下的列車沖標問題。又因列車的ATO功能由VOBC負責提供，因此在對沖標問題的原因進行探討前，還需要對VOBC的控車模式進行簡單分析，了解其控車模式是否能應對列車ATO進站對標停車時的速度控制要求。

2．1 VOBC ASC原理分析

列車以ATO模式運行時，由VOBC根據(jù)閉環(huán)控制原理，通過參考VCC系統(tǒng)給出的推薦速度，以及收集列車加速度和實際速度，控制列車的牽引／制動，以決定當前列車速度。

在Seltrac S40系統(tǒng)中，VOBC按照自動列車速度控制原理 （ASC）對列車進行控制，在考慮各種限制條件下，如乘客舒適度、安全速度限制、制動率、列車性能等，以實現(xiàn)在最短時間內(nèi)到達列車后續(xù)目標停車點。

在ASC中，共有8種工作模式，實際使用模式為7種，分別在列車運行過程中的不同情況下使用，詳見圖1。

圖1 ASC中工作模式原理圖

1．模式①，巡航模式。VOBC輸出牽引力牽引列車，讓列車實際速度迅速貼近推薦速度。

2．模式②，制動模式。當VOBC實測列車速度大于VPAR2，進入制動模式，VOBC根據(jù)推薦速度的下降，輸出相應的制動力，讓列車實際速度跟隨推薦速度下降。

3．模式③，備用，暫未使用。

4．模式④，泊車模式。列車最后停下來的0．6m前，進入該模式，VOBC施加最大的制動力讓列車停穩(wěn)。

5．模式⑤，啟動模式。VOBC慢慢提升牽引力的輸出，直至列車氣制動緩解，列車開始動車。當實測列車速度大于3km／h時，退出該模式并進入巡航模式。

6．模式⑥，停車模式。當列車實際速度降至4～5km／h，并且實際速度低于推薦速度時會進入該模式。此時VOBC會減少制動力的輸出，讓實際速度跟隨推薦速度。

7．模式⑦，目標速度模式。當VCC在列車運行的前方區(qū)域設置了目標速度，并且VPAR2小于目標速度，列車在接近前方限速區(qū)域時，就會進入該模式。

8．模式⑧，惰行模式。VOBC不輸出牽引或者制動力，列車處于惰行狀態(tài)并且慢慢減速，當軌道坡度在－2%～1%之間，VOBC實測列車速度大于42．5km／h，并且 ｜V推薦速度－VVOBC實測速度｜＜0．25km／h進入惰行模式。

注意：VPAR1、VPAR2、VPAR3分別為 VOBC綜合考慮目標停車點、制動率、當前坡度和系統(tǒng)補償值因素，計算出來的速度預測值，其中VPAR1考慮的情況最差。

上述7種ASC運行模式中，和列車進站對標相關(guān)的模式有制動模式、停車模式和泊車模式。這3種模式已經(jīng)包含了列車進站對標時，有可能出現(xiàn)的超速沖標或者速度不足欠標。如果出現(xiàn)超速情況，VOBC會進入制動模式，繼續(xù)增大制動力，讓列車實際速度降下來貼近推薦速度；如果出現(xiàn)速度不足，VOBC會進入停車模式，減少制動力，讓列車實際速度提升貼近推薦速度。因此在列車的牽引／制動系統(tǒng)能夠按照VOBC輸出的牽引／制動模擬量執(zhí)行情況下，列車基本不會出現(xiàn)對標不準的情況。

2．2 原因分析

從2014年8月底，信號專業(yè)、車輛專業(yè)及相關(guān)供貨商開始對B1型聯(lián)掛列車2122車進行沖標數(shù)據(jù)捕捉工作，經(jīng)過深入分析，目前得出關(guān)于3號線B1型聯(lián)掛列車沖標問題的基本確認：

1．進站對標大約5km／h時，VOBC施加制動力，但是車輛系統(tǒng)沒有及時響應VOBC的制動力要求，造成列車超速沖標。

圖2分別記錄了2122車在珠江新城上行站臺沖標及正常對標的數(shù)據(jù)，通過對比，即可發(fā)現(xiàn)在5km／h左右VOBC施加制動力 （模擬量絕對值增大），但是車輛系統(tǒng)沒有及時響應VOBC的制動力要求，并且車輛系統(tǒng)輸出的制動力 （列車加速度絕對值減少）略有減少，詳見圖2中黑圈部分。

圖2 2122車在珠江新城上行站臺對標數(shù)據(jù)

2．車輛系統(tǒng)電制動施加延時為512ms，不滿足信號和車輛接口文件要求的 “車輛電制動的響應時間小于400ms”。

3．通過對比分析沖標的B1型聯(lián)掛列車與正常的B1型聯(lián)掛列車對標的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)列車沖標時電氣轉(zhuǎn)換前后總制動力變化與正常對標的相比變化較大，主要體現(xiàn)為電氣轉(zhuǎn)換前后總車輛系統(tǒng)制動力減少較大，此時VOBC輸出的制動模擬量無減小現(xiàn)象，因此電氣轉(zhuǎn)換前后總制動力的減小與VOBC輸出的制動模擬量無關(guān)。

在2014年8月23日，車輛專業(yè)捕捉了2122車在番禺廣場上行站臺沖標時，電氣轉(zhuǎn)換后車輛系統(tǒng)總制動力的變化，通過對比電氣轉(zhuǎn)換前后總制動力數(shù)值，發(fā)現(xiàn)總車輛系統(tǒng)制動力減少較大，電氣轉(zhuǎn)換前總制動力為156．28N，電氣轉(zhuǎn)換后總制動力降為83．374N。

4．通過對比B1型聯(lián)掛列車和B2／B4型列車進站對標數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)聯(lián)掛后的B1型列車進站對標停車階段車輛系統(tǒng)總制動力有2個先減少后增大的過程。

5．停車階段車輛系統(tǒng)電空混合配合存在問題，需調(diào)整。

6．車輛氣制動施加延時時間不穩(wěn)定，氣制動施加由車輛系統(tǒng)EP2002閥控制，其固定機械特性延時范圍在200～400ms，實際與車輛實際管路布置有關(guān)。

3 采取措施及成效

在研究B1型聯(lián)掛列車沖標原因過程中，信號和車輛專業(yè)共同細化了列車沖標統(tǒng)計表格，增加了噴油列車、列車打滑、主用VOBC、激活車頭的考慮，并且使用細化后的表格對基礎數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，跟蹤每天的列車沖標情況，按階段進行數(shù)據(jù)透視，分析出相關(guān)規(guī)律，提出相應整治措施。目前比較有成效的4種措施為：

1．對所有聯(lián)掛B1型列車調(diào)大一檔輪徑補償值。信號系統(tǒng)計算的輪對輪徑值大于列車實際輪對輪徑值，在信號系統(tǒng)目標停車點距離一定的情況下，列車實際行駛距離縮短。經(jīng)過多次的數(shù)據(jù)計算和測試，調(diào)大一檔輪徑補償值后，在最極限的情況下，對系統(tǒng)精確定位造成不大于0．3m的誤差，當VOBC經(jīng)過一個25m的交叉點后，會對精確定位進行重新校正。

2．針對主用VOBC和激活車頭不在同一車時，MVB網(wǎng)絡和WTB網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換時間較長的問題，同時考慮上行區(qū)域沖標比下行區(qū)域嚴重等，對沖標嚴重B1型聯(lián)掛列車實行切換主用VOBC至面向番廣方向列車上。經(jīng)過信號專業(yè)和車輛專業(yè)雙方對車載VOBC和車輛VCU關(guān)于ATO控車的接口關(guān)系圖的共同研究分析，判斷B1型聯(lián)掛車激活車頭與主用VOBC不在同一側(cè)時，車輛MVB網(wǎng)絡和WTB網(wǎng)絡通信協(xié)議轉(zhuǎn)換所需時間，較在同一個車頭時需要更長時間，在一定程度上影響車輛響應時間。

3．對沖標高發(fā)站臺區(qū)域進行油污清理。

4．更換整輛列車輪對制動盤閘片。氣制動供貨商克諾爾提供的進口閘片能提供較好的摩擦系數(shù)，當列車在氣制動介入的情況下進行對標停車時能提供所需的制動力。

上述第1、3種措施從2013年5月開始執(zhí)行，第2種措施從2013年7月初開始執(zhí)行，根據(jù)2013年的B1型列車沖標數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采取措施后2013年的沖標上升趨勢得到遏制，平均每月的沖標次數(shù)由最多的151次，下降且平穩(wěn)維持在70次。第4種措施于2015年2月在2122車開始執(zhí)行跟蹤，更換進口閘片后，平均每天沖標次數(shù)下降至0．1次。

4 總結(jié)

B1型聯(lián)掛列車對標不準故障，主要體現(xiàn)為列車沖標，通過原理分析，將車輛響應延時細化為車輛系統(tǒng)WTB網(wǎng)絡和MVB網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換延時。通過更換參數(shù)變量捕捉?jīng)_標數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)沖標列車電氣轉(zhuǎn)換后車輛系統(tǒng)總制動力減少較大的問題。從沖標原因研究，逐步向降低沖標次數(shù)措施研究深入，最終通過采取對車載VOBC系統(tǒng)調(diào)大一檔輪徑補償值、切換主用VOBC至面向番廣方向列車上、軌道油污清理和更換列車制動盤閘片等措施，有效降低B1列車沖標次數(shù)。

本文提出的應對措施雖然對于降低B1型聯(lián)掛列車沖標有一定作用，但考慮B1型聯(lián)掛車沖標原因在于車輛系統(tǒng)電氣轉(zhuǎn)換后總制動力不足，因此要從根本上解決必須從車輛系統(tǒng)入手，后續(xù)的研究方向主要是信號專業(yè)、車輛專業(yè)、氣制動供貨商三方共同研究，增加預壓力，讓氣制動力提早施加，以滿足列車對標停車時的制動力要求。

［1］ 廣州市地下鐵道總公司．廣州地鐵三號線車載設備維護手冊［S］．2008，6．

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［3］ 張沖．城軌交通車載控制器定位技術(shù)的研究［D］．成都：西南交通大學，2011：4－16．