南寧地鐵1號(hào)線列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行模式下列車(chē)停車(chē)精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚文舉

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530029,南寧∥高級(jí)工程師)

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南寧地鐵1號(hào)線列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行模式下列車(chē)停車(chē)精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚文舉

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530029,南寧∥高級(jí)工程師)

以南寧地鐵1號(hào)線ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)模式下列車(chē)停車(chē)精度為研究對(duì)象,以停車(chē)精度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù),通過(guò)對(duì)ATO制動(dòng)力和電空制動(dòng)配合兩個(gè)方面進(jìn)行分析,找出了停車(chē)精度不準(zhǔn)的根本原因。進(jìn)行了ATO模式停車(chē)精度的優(yōu)化設(shè)計(jì),并在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,南寧地鐵1號(hào)線ATO模式下列車(chē)停車(chē)精度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可行,列車(chē)停車(chē)精度得到了較大的提高。

列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行; 停車(chē)精度; 制動(dòng); 電空轉(zhuǎn)換

Author′s address Nanning Metro Group Co.,Ltd.,530029,Nanning,China

南寧地鐵1號(hào)線是南寧市東西向的骨干線,其列車(chē)為B型車(chē)6輛編組,運(yùn)營(yíng)時(shí)采用列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行(ATO)模式,由車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)列車(chē)起動(dòng)、加速、制動(dòng)及精確停車(chē)。該線自2016年初開(kāi)展正線信號(hào)調(diào)試及綜合聯(lián)調(diào)以來(lái),發(fā)現(xiàn)列車(chē)在ATO模式下的停車(chē)精度普遍存在欠標(biāo)現(xiàn)象,且多數(shù)欠標(biāo)在15～30 cm之間。列車(chē)沖標(biāo)或欠標(biāo)都將造成列車(chē)與屏蔽門(mén)的對(duì)位不匹配。對(duì)位誤差若超過(guò)一定范圍(±40 cm)，則會(huì)造成列車(chē)車(chē)門(mén)與屏蔽門(mén)無(wú)法聯(lián)動(dòng)打開(kāi),需要從ATO模式降級(jí)為人工模式倒車(chē)或前行,從而影響乘客的上下車(chē)速度；尤其是在客流高峰期將有可能造成列車(chē)滯留站臺(tái)時(shí)間超過(guò)規(guī)定時(shí)間,進(jìn)而影響列車(chē)的運(yùn)營(yíng),嚴(yán)重時(shí)造成列車(chē)晚點(diǎn)[1]。一般情況下,列車(chē)在ATO模式下,停車(chē)精度在50 cm范圍內(nèi)時(shí),正確率為99.998%;停車(chē)精度在30 cm范圍內(nèi)時(shí),正確率為99.99%[2]。

1 ATO模式停車(chē)精度調(diào)查

為了統(tǒng)計(jì)停車(chē)精度情況,隨機(jī)選擇T05、T06和T09號(hào)列車(chē)進(jìn)行ATO模式下的列車(chē)停車(chē)精度測(cè)試。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 列車(chē)ATO模式下不同列車(chē)的停車(chē)精度情況統(tǒng)計(jì) cm

由表1可見(jiàn),所測(cè)試的列車(chē)普遍存在欠標(biāo)的問(wèn)題,但停車(chē)精度離散性較大,在停車(chē)精度正值范圍內(nèi)有較大冗余,而在停車(chē)精度負(fù)值范圍內(nèi)接近臨界值(30 cm)。隨著列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的變化(載荷變化、閘瓦磨耗、外部干擾等),極易造成列車(chē)欠標(biāo)超出規(guī)定范圍,從而影響運(yùn)營(yíng)。因此,對(duì)列車(chē)停車(chē)精度的優(yōu)化顯得尤為重要。

2 列車(chē)ATO控制精確停車(chē)原理分析

ATO模式主要通過(guò)給出不同級(jí)位的牽引或制動(dòng)指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)加減加速度的控制,在不觸發(fā)ATP(列車(chē)自動(dòng)保護(hù))“緊急制動(dòng)”的前提下,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)的精確停站以及運(yùn)行過(guò)程中的平穩(wěn)和舒適[3-4]。目前ATO控制采用的控制算法主要有經(jīng)典控制算法(包括各種改進(jìn)的PID(比例積分微分)算法)、參數(shù)自適應(yīng)控制算法、智能控制算法、集成智能控制算法[7]。南寧地鐵1號(hào)線的ATO控制系統(tǒng)采用的是滑模變結(jié)構(gòu)控制算法[8-9]。這種算法對(duì)于制動(dòng)停車(chē)過(guò)程中的各擾動(dòng)因素,包括車(chē)輛制動(dòng)特性的差異以及電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的過(guò)程轉(zhuǎn)換，都可以視為一種攝動(dòng)?；？刂破鲗?duì)這種攝動(dòng)可以有很強(qiáng)的魯棒性。南寧地鐵1號(hào)線ATO控制系統(tǒng)具有兩種控制模式:目標(biāo)參考速度曲線控制，實(shí)際速度曲線控制。

2.1 目標(biāo)參考速度曲線控制

目標(biāo)參考速度曲線控制為滑?？刂?是主要針對(duì)列車(chē)目標(biāo)速度與目標(biāo)的距離進(jìn)行的控制,具有很強(qiáng)的魯棒性,能補(bǔ)償列車(chē)運(yùn)行參數(shù)較之正常參數(shù)一定范圍的偏離,對(duì)于離散性較大的列車(chē)具有很好的控制性能?；诨？刂萍夹g(shù)的ATO控制原理圖如圖1所示。

圖1 基于滑?？刂萍夹g(shù)的ATO控制原理圖

2.2 實(shí)際速度曲線控制

實(shí)際速度曲線控制的目的是為增加乘客舒適度，并獲得可駕駛性、平滑駕駛性和停車(chē)精確性,其加速度、減速度和沖擊率都被控制為限制值和可行值。實(shí)際列車(chē)控制當(dāng)中存在模型誤差(牽引制動(dòng)延時(shí))，以及坡度、阻力、列車(chē)離散度(列車(chē)性能差異性)等因素對(duì)控車(chē)命令造成的偏差干擾。鑒于目標(biāo)參考速度曲線控制的輸出結(jié)果無(wú)法直接用于實(shí)際的ATO駕駛命令當(dāng)中,因此在ATO實(shí)際控制曲線中還引入了史密斯補(bǔ)償控制模型去控制并矯正相關(guān)誤差,如圖2所示。

圖2 史密斯補(bǔ)償控制模型原理圖

2.3 控制邏輯分析

由ATO控制原理分析可知,列車(chē)的制動(dòng)級(jí)位和加(減)速度的準(zhǔn)確控制是確保列車(chē)精確停站的兩大重要因素。而列車(chē)的牽引和制動(dòng)系統(tǒng)是列車(chē)加(減)速度控制的直接環(huán)節(jié),列車(chē)的制動(dòng)特性理想化的模型通常會(huì)用一個(gè)帶滯后的慣性系統(tǒng)來(lái)描述[5]。而實(shí)際上,由文獻(xiàn)[5]可知,牽引系統(tǒng)電制動(dòng)響應(yīng)快、跟隨性較好,空氣制動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)慢、跟隨性較差,如果電空轉(zhuǎn)換不當(dāng),便可能影響列車(chē)停車(chē)精度。

ATO模式下,在列車(chē)停車(chē)或減速時(shí)信號(hào)系統(tǒng)需要給車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)輸出制動(dòng)級(jí)位。信號(hào)系統(tǒng)并不區(qū)分是列車(chē)在減速過(guò)程中采用電制動(dòng)還是空氣制動(dòng)。在進(jìn)行ATO數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)時(shí),信號(hào)系統(tǒng)要與車(chē)輛系統(tǒng)進(jìn)行一次聯(lián)合調(diào)試,其目的是確保無(wú)論列車(chē)采用電制動(dòng)還是空氣制動(dòng),其信號(hào)系統(tǒng)輸出的制動(dòng)級(jí)位均產(chǎn)生同樣的制動(dòng)效果。也就是在信號(hào)系統(tǒng)輸出恒定的制動(dòng)級(jí)位時(shí),車(chē)輛的電制動(dòng)和空氣制動(dòng)以及電空轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)減速度不會(huì)有較大變化,制動(dòng)曲線是比較平緩的。

3 停車(chē)精度優(yōu)化設(shè)計(jì)

在信號(hào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試階段,列車(chē)的停車(chē)精度與試運(yùn)營(yíng)時(shí)期列車(chē)停車(chē)精度是不完全相同的。動(dòng)態(tài)調(diào)試階段列車(chē)的載荷為固定的空車(chē)載荷,通過(guò)控制系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)優(yōu)化調(diào)整,制動(dòng)減速度曲線較為平穩(wěn),可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)制動(dòng)級(jí)位指令的跟隨。試運(yùn)營(yíng)階段列車(chē)受載荷、閘瓦磨耗及外部因素的影響,各列車(chē)制動(dòng)曲線存在較大差異,部分列車(chē)在低速情況下存在制動(dòng)減速度突然增大的情況,這些列車(chē)在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)ATC制動(dòng)級(jí)位的準(zhǔn)確跟隨。本文在列車(chē)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下,分別從制動(dòng)力(制動(dòng)級(jí)位)和電空制動(dòng)配合兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

為了提高ATO模式下的停車(chē)精度,由信號(hào)、車(chē)輛、牽引、制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商聯(lián)合對(duì)列車(chē)的制動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。信號(hào)系統(tǒng)要求車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地響應(yīng)制動(dòng)指令,從而保證停車(chē)精度就在零值很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

3.1 制動(dòng)力對(duì)停車(chē)精度的影響

基于70%的制動(dòng)力對(duì)應(yīng)的減速度最接近于ATO的停站策略這一原則,故對(duì)列車(chē)的停車(chē)精度離散性較小的T05號(hào)列車(chē)和T09號(hào)列車(chē)分別以35 km/h和55 km/h施加恒定70%的制動(dòng)級(jí)位制動(dòng)。調(diào)試結(jié)果如圖3所示：T05號(hào)列車(chē)在8 km/h以下的速度時(shí),減速度基本趨于平穩(wěn),并未出現(xiàn)制動(dòng)力突然增大的尖峰,電空轉(zhuǎn)換過(guò)程平滑穩(wěn)定;T09號(hào)列車(chē)具有平穩(wěn)的制動(dòng)減速度,未出現(xiàn)制動(dòng)力突然增大的尖峰,電空轉(zhuǎn)換過(guò)程平滑穩(wěn)定。對(duì)比信號(hào)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)試期間列車(chē)在恒定制動(dòng)率下的表征,可以看出T05和T09號(hào)列車(chē)的制動(dòng)曲線差別較小。

由此可知,在制動(dòng)減速曲線比較平穩(wěn)情況下,ATO系統(tǒng)停車(chē)精度離散性也比較小,停車(chē)精度表現(xiàn)為較為固定的系統(tǒng)性偏差。出現(xiàn)這種系統(tǒng)性偏差的原因主要是T05和T09號(hào)列車(chē)與動(dòng)態(tài)調(diào)試所用車(chē)輛的制動(dòng)特性存在一些差異,而ATO系統(tǒng)參數(shù)是按調(diào)試車(chē)輛進(jìn)行優(yōu)化的,對(duì)車(chē)輛的參數(shù)變化范圍適應(yīng)性不夠。動(dòng)態(tài)調(diào)試所用車(chē)輛經(jīng)過(guò)高負(fù)荷的制動(dòng)型式試驗(yàn),正常運(yùn)用時(shí),閘瓦的磨合及與踏面的貼合情況會(huì)有所差異,會(huì)造成摩擦系數(shù)在一段時(shí)間內(nèi)偏大。在車(chē)輛經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)用后,其制動(dòng)特性會(huì)逐漸恢復(fù)到正常的狀態(tài),按動(dòng)態(tài)調(diào)試所用車(chē)輛優(yōu)化的ATO參數(shù)可能就不能適應(yīng)車(chē)輛的正常運(yùn)用的狀態(tài)。對(duì)于這種情況，可以通過(guò)再次調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù)來(lái)解決。

注：橫坐標(biāo)負(fù)值表示列車(chē)已用時(shí)間；正值表示列車(chē)將用時(shí)間圖3 恒定70%的制動(dòng)級(jí)位制動(dòng)調(diào)試

3.2 電空制動(dòng)配合對(duì)停車(chē)精度的影響

對(duì)停車(chē)精度離散性較大的T06號(hào)列車(chē)分別進(jìn)行了恒定100%的制動(dòng)級(jí)位和恒定70%的制動(dòng)級(jí)位兩種情況的調(diào)試。調(diào)試結(jié)果如圖4所示,T06號(hào)列車(chē)在70%恒定制動(dòng)級(jí)位停車(chē)和100%恒定制動(dòng)級(jí)位停車(chē)相同,在6 km/h時(shí)減速度出現(xiàn)向下的尖峰,在1.62 km/h時(shí)尖峰達(dá)到最大。為了進(jìn)一步研究該現(xiàn)象,對(duì)其他列車(chē)進(jìn)行了同樣的測(cè)試,結(jié)果均在6 km/h時(shí)減速度出現(xiàn)了制動(dòng)力增大的尖峰。

針對(duì)列車(chē)的停車(chē)精度離散性較大的列車(chē)在6 km/h時(shí)減速度出現(xiàn)突然增大的問(wèn)題,經(jīng)各方研究,很可能是電制動(dòng)和空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程不平穩(wěn),導(dǎo)致在電空轉(zhuǎn)換過(guò)程中的制動(dòng)力突然增大。

為驗(yàn)證上述推測(cè),首先對(duì)牽引系統(tǒng)做出調(diào)整,調(diào)整牽引系統(tǒng)電空轉(zhuǎn)換時(shí)電制動(dòng)撤出的斜率及延時(shí),重新測(cè)試了70%恒定級(jí)位制動(dòng)時(shí)的減速度曲線。測(cè)試結(jié)果如圖5所示：在7 km/h時(shí)就出現(xiàn)了制動(dòng)力增大的情況；在5～0 km/h的空氣制動(dòng)控制過(guò)程,制動(dòng)力又趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值為-0.98 m/s2,比電制動(dòng)控制階段的-0.84 m/s2要大0.14 m/s2。由此可知,制動(dòng)力增大的尖峰不是電制動(dòng)造成的,而有可能是在同一制動(dòng)級(jí)位下,空氣制動(dòng)力比電制動(dòng)力大造成的。

注：橫坐標(biāo)負(fù)值表示列車(chē)已用時(shí)間；正值表示列車(chē)將用時(shí)間圖4 T06號(hào)列車(chē)制動(dòng)減速度調(diào)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述觀點(diǎn),將整列車(chē)的電制動(dòng)全部切除,完全由空氣制動(dòng)控制,再次測(cè)試70%恒定級(jí)位制動(dòng)時(shí)的減速度曲線。測(cè)試結(jié)果如圖6a)所示：在同一制動(dòng)級(jí)位下,空氣制動(dòng)控制時(shí)的減速度要比電制動(dòng)大的多。因此,為使同一制動(dòng)級(jí)位下空氣制動(dòng)力與電制動(dòng)的制動(dòng)力一致,在ATO模式下將空氣制動(dòng)力的在原有基礎(chǔ)上削減10%,重新測(cè)試70%恒定制動(dòng)級(jí)位的ATO停車(chē)曲線。測(cè)試結(jié)果如圖6b)所示：減速度在6 km/h的尖峰有所減小,且在5～0 km/h過(guò)程中的減速度和電制動(dòng)控制時(shí)的減速度已很接近。

動(dòng)態(tài)調(diào)試一般比較關(guān)注制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)和最大常用制動(dòng)的減速度特性,所以動(dòng)態(tài)調(diào)試時(shí)通常是最大常用制動(dòng)工況的電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的配合參數(shù)會(huì)調(diào)整得比較好。而ATO模式下,60%到70%的制動(dòng)率使用得更多,60%到70%制動(dòng)率的控制特性對(duì)ATO的停車(chē)精度影響很大,而在制動(dòng)系統(tǒng)型式試驗(yàn)時(shí)往往對(duì)比關(guān)注不夠。因此,從ATO制動(dòng)的需求出發(fā),制動(dòng)系統(tǒng)不僅需要滿足緊急制動(dòng)和最大常用制動(dòng)的減速度要求,還需要在60%到70%的制動(dòng)率時(shí)能有比較平穩(wěn)的控制特性。

圖6 T06號(hào)列車(chē)制動(dòng)削減前后的減速度調(diào)試

3.3 停車(chē)精度優(yōu)化方案驗(yàn)證

停車(chē)精度優(yōu)化后,對(duì)T05、T06、T09號(hào)列車(chē)進(jìn)行ATO停站精度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。

表2 停車(chē)精度優(yōu)化后ATO模式下不同列車(chē)的停車(chē)精度情況統(tǒng)計(jì) cm

由表2可以看出,列車(chē)停車(chē)精度得到了較大的提高。據(jù)此可得出結(jié)論:① 制動(dòng)減速曲線在電空制動(dòng)轉(zhuǎn)換后制動(dòng)減速度差異較大時(shí),停車(chē)精度離散性也會(huì)較大,可通過(guò)調(diào)整空氣制動(dòng)力,保持列車(chē)在電空制動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程中制動(dòng)力或減速度不產(chǎn)生突變,可以減小列車(chē)在ATO模式下停車(chē)精度的離散性;② 制動(dòng)減速曲線比較平穩(wěn)情況下,ATO系統(tǒng)停車(chē)精度離散性也比較小,停車(chē)精度表現(xiàn)為較為固定的系統(tǒng)性偏差,這種情況可通過(guò)調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù),改善ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性,從而提高停車(chē)精度。

4 結(jié)語(yǔ)

南寧地鐵1號(hào)線ATO模式下列車(chē)停車(chē)精度存在一定偏差；對(duì)其制動(dòng)力和電空制動(dòng)配合進(jìn)行了分析,并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)停車(chē)精度離散較大的列車(chē)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),問(wèn)題的根本原因在于電空轉(zhuǎn)換時(shí)空氣制動(dòng)力較大所致。為此,將空氣制動(dòng)力在原有的基礎(chǔ)上削減了10%?？諝庵苿?dòng)力削減后列車(chē)停車(chē)精度的離散性大為減小。在停車(chē)離散精度較小的列車(chē)上,通過(guò)調(diào)整ATO系統(tǒng)參數(shù),改善了ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性,從而提高了停車(chē)精度。

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Optimized Design of the Stopping Precision in ATO Mode on Nanning Metro Line 1

TAN Wenju

Focusing on the stopping precision in ATO mode on Nanning metro Line 1, the statistical data are used to analyze the ATO brake force, the coordination of electrical dynamic and pneumatic braking, and the main reasons for the inaccurate stopping precision are detected. Then, an optimal design for stopping precision in ATO mode is conducted, which is verified on the actual operating lines. The test results show that the optimal design for stopping precision in ATO mode on Nanning metro Line 1 is feasible, and the stopping precision has been greatly improved.

automatic train operation(ATO); stopping precision; braking; electrical pneumatic transition

U 231.6

10.16037/j.1007-869x.2017.05.011

2017-01-06)