地鐵列車保持制動控制邏輯分析和運用

曾東亮

(成都地鐵運營有限公司， 成都 610051)

城市地鐵列車制動功能包括了常用制動、緊急制動、保持制動和停放制動等，主要采用電-空混合制動的方式。常用制動又分為電制動和空氣制動，由列車制動系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)協(xié)同控制完成。電制動由牽引系統(tǒng)按照一定的制動功率需求進行控制，正常情況下，將機械能轉(zhuǎn)化為電能后，以再生制動的方式反饋至供電網(wǎng)絡，若電網(wǎng)吸收能力不足時，以電阻制動的方式將電能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在制動電阻上，電制動具有較為良好的控制斜率和指令跟隨性，是列車制動的優(yōu)先選擇。空氣制動由制動系統(tǒng)根據(jù)制動力的需求和制動指令的類別進行控制，常用制動指令時，若電制動力不足則進行空氣制動補償。緊急制動、保持制動指令時，完全由空氣制動實現(xiàn)。停放制動是空氣制動的一種特殊制動方式，充風時緩解，排風后施加。

保持制動是列車制動的一項常用且重要的功能，是完全的空氣制動。主要在列車停穩(wěn)后以及坡道啟動前進行有效防溜保護。當列車在線路平直道、彎道以及超過30‰坡道上停車、啟動時不會發(fā)生溜車現(xiàn)象，從而避免了因溜車可能造成的列車退行、沖突、碰撞等問題，保障人員、設備、建筑等安全。

1 主要性能

1.1 性能指標

列車制動系統(tǒng)(含緊急制動、保持制動、常用制動、停放制動)具有故障導向安全的特點，使用微機控制的直通式系統(tǒng)，通常采用車控、架控等方式。

按照標準、規(guī)范及用戶需求，制動系統(tǒng)在不同的制動工況下控制列車進行平穩(wěn)減速、停車直至列車完全停穩(wěn)后的防溜保護。一般情況下，常用制動減速度≥1.0 m/s2,緊急制動減速度≥1.2 m/s2，另外，為確保列車乘坐舒適度，常用制動縱向沖擊率通?？刂圃凇?.75 m/s2范圍內(nèi)。

列車施加保持制動時，將制動力控制在常用制動力的30%～70%之間，不同的設計平臺，其保持制動力的選擇有所不同。總的來說，保持制動力必須確保列車即便是超員狀態(tài)下也能在線路最大坡道(≥30‰)上停穩(wěn)及啟動不溜車，同時滿足特殊情況下空車(AW0)救援重車(AW3)的需求。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

列車保持制動是空氣制動的一種，主要通過機械摩擦制動的方式。由安裝在列車車下的空氣壓縮機提供壓縮空氣，推動閘瓦(踏面制動)或閘片(盤形制動)發(fā)揮作用產(chǎn)生制動力，達到列車減速或防溜保護的目的。其系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、總風缸、制動風缸、精密調(diào)壓閥、逆止閥、電磁閥、空氣制動管路、單元制動器及微機控制單元、壓力傳感器、速度傳感器等構(gòu)成。

圖1 列車制動系統(tǒng)組成示意圖

1.3 控制結(jié)構(gòu)

列車保持制動的通常分為信號系統(tǒng)集中控制和車輛控制兩種結(jié)構(gòu)。其中車輛控制又分為網(wǎng)絡系統(tǒng)集中控制、制動系統(tǒng)集中控制、牽引系統(tǒng)控制、應急運行控制4種類型。

由于不同設計平臺所提供的列車保持制動設計理念、控制邏輯、功能參數(shù)有所差異，若同一個城市的多個項目地鐵列車存在多個不同的制動系統(tǒng)，在實際的運營過程中可能出現(xiàn)一些差異，文中將重點選取部分有代表性的實例進行深入分析，探討更為優(yōu)化的解決方案。

2 常見問題分析

2.1 列車每站到站停車時欠標

主要現(xiàn)象：某地鐵7號線在空載試運行期間，列車在每個車站停車時均發(fā)生欠標問題，且伴隨較大的慣性，后對正線全部列車運行狀態(tài)進行排查，確認均存在相同現(xiàn)象，屬于批量問題。

問題分析：根據(jù)列車運行數(shù)據(jù)信息，綜合信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在列車啟動運行，加速，制動減速，直至進站前的所有控制指令及運行數(shù)據(jù)正常，列車完全響應了信號的牽引和制動控制指令，制動級位輸出符合制動減速度的設計要求。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，列車在停穩(wěn)前約2 s內(nèi)減速至約1 km/h，制動系統(tǒng)自動快速輸出了70%的保持制動級位指令，直至列車停穩(wěn)。

圖2 某地7號線列車進站欠標運行數(shù)據(jù)示意圖

根據(jù)7號線列車制動系統(tǒng)采用網(wǎng)絡系統(tǒng)集中控制、應急運行備用控制的特點，進一步分析：

列車網(wǎng)絡系統(tǒng)正常時，保持制動施加及緩解均由網(wǎng)絡系統(tǒng)控制，條件具備時，網(wǎng)絡系統(tǒng)控制列車完成保持制動施加及緩解。該方案有利于整車控制，可同時采集多種列車運行數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)控制提供更為高效合理的判斷依據(jù)，對網(wǎng)絡系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高。

圖3 保持制動網(wǎng)絡集中控制邏輯示意圖

列車進站時，車輛根據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)出的制動級位指令控制列車制動減速，并向網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送車輛速度信息，列車速度降低至1 km/h以下時(通常為≤0.5 km/h)，制動系統(tǒng)自動發(fā)出保持制動施加指令，車輛施加保持制動，保持制動力相當于當前列車載荷常用制動力的70%。

列車啟動時，網(wǎng)絡系統(tǒng)首先向牽引和制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來自車載信號控制器或司機控制器發(fā)出的牽引指令，牽引系統(tǒng)輸出牽引功率并將牽引力數(shù)據(jù)反饋至網(wǎng)絡系統(tǒng)。當列車牽引力大于列車下溜力時，網(wǎng)絡系統(tǒng)向制動系統(tǒng)發(fā)送保持制動緩解指令，列車緩解保持制動并啟動運行。

在本案例中，7號線列車進站欠標且存在較大慣性的原因在于，列車進站減速至1.0 km/h運行速度時，制動系統(tǒng)施加了相當于常用制動70%的保持制動力(該保持制動力在設計聯(lián)絡階段確定)，遠大于信號系統(tǒng)發(fā)送的制動級位指令，減速度值超出了信號系統(tǒng)的設計曲線，又不受信號系統(tǒng)控制指令約束，使列車在極短時間內(nèi)以大制動力制動并停車，造成欠標及沖動。

明確原因后，車輛及信號系統(tǒng)共同制定整改措施，在原有控制邏輯的基礎(chǔ)上，將保持制動施加時機調(diào)整至制動工況下列車運行速度<0.5 km/h，將保持制動力由常用制動力的70%下調(diào)至50%。修改后，列車進站停車精確度和平穩(wěn)度均明顯改善，防溜保護滿足設計要求。

2.2 列車保持制動無法緩解

主要現(xiàn)象：某地7號線在運營期間，列車發(fā)生2節(jié)動車無法牽引的嚴重故障，同時列車網(wǎng)絡系統(tǒng)通訊中斷。當值列車司機隔離了網(wǎng)絡系統(tǒng)，嘗試以應急運行模式動車，列車無法啟動，保持制動無法緩解。

問題分析：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，故障列車為6輛編組列車，每3節(jié)車為一個動力單元，當日運營期間，發(fā)生牽引系統(tǒng)一個動力單元的主控車輛微機控制單元內(nèi)部板卡短路故障，導致該單元牽引系統(tǒng)控制電源跳閘，進一步擴大了故障影響范圍。該單元兩節(jié)車牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊中斷，系統(tǒng)判斷列車發(fā)生嚴重通訊故障，施加了緊急制動。

故障發(fā)生后，當值司機首先判斷為列車網(wǎng)絡系統(tǒng)故障，按照故障應急處置程序切除了列車ATP，并隔離列車網(wǎng)絡系統(tǒng)，轉(zhuǎn)入應急運行模式(后備模式)，列車保持制動力增加(為常用制動70%的制動力)。在此模式下列車啟動前，需要同時克服載荷下溜力、輪軌摩擦力等反向力，并牽引列車啟動加速，當運行速度>1.0 km/h時，制動系統(tǒng)才能緩解保持制動并啟動運行。

由于故障車牽引系統(tǒng)損失了一個動力單元，列車牽引能力下降50%，緩解保持制動需要較大牽引力且維持較長時間，司機按照常規(guī)模式及慣例是沒有辦法啟動列車的。

圖4 某地7號線列車應急運行控制框圖

進一步分析確認，本次故障是一次因列車牽引系統(tǒng)部件故障，并造成了該系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)的疊加故障，在使用應急運行后備模式時，列車保持制動力增大，列車牽引性能下降，無法正常動車，一步擴大了故障影響。

應急運行后備模式下，列車保持制動的控制特點為：

當列車網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障導致系統(tǒng)無法運行時，列車與信號系統(tǒng)之間、車輛各系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)顯示及監(jiān)控、列車控制等功能均失效，保持制動網(wǎng)絡集中控制功能也無法使用，為確保列車可以繼續(xù)運行，要求列車具備保持制動應急運行后備控制功能。

在應急運行后備控制模式下，列車的控制指令通過硬線方式傳遞，保持制動施加及緩解的控制同樣通過司機控制器于牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)之間的硬線接口以及系統(tǒng)內(nèi)嵌軟件功能來實現(xiàn)。

圖5 應急運行控制邏輯示意圖

列車制動時，保持制動的施加由車輛制動系統(tǒng)微機控制單元進行自主控制。制動系統(tǒng)接收到來自于司控器發(fā)出的硬線制動指令及級位指令，控制列車進行制動減速，列車以完全空氣制動的方式施加制動，系統(tǒng)檢測到列車運行速度低于1.0 km/h時(通常為0.5 km/h)，保持制動自動施加，70%的保持制動力一次性到位。

列車啟動時，在應急運行控制模式下，司機操作司機控制器至牽引級位，牽引命令和牽引級位指令通過硬線分別傳輸至車輛牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)輸出響應的牽引功率。當牽引力完全克服列車保持制動力，列車將啟動運行。車輛制動系統(tǒng)檢測到列車速度超過0.5 km/h后，自行緩解保持制動，列車持續(xù)運行。

在本案例中，列車未能緩解保持制動，造成無法運行的主要原因包括兩個方面。一是列車牽引系統(tǒng)故障，損失1個單元2節(jié)動車的牽引動力，相當于列車牽引力降低50%。二是因牽引系統(tǒng)故障造成網(wǎng)絡系統(tǒng)故障，列車只能以應急運行后備控制模式駕駛，在該模式下，保持制動力比正常模式增加了20%，保持制動力明顯增大。當兩種情況同時出現(xiàn)時，牽引力無法在短時間內(nèi)克服保持制動力。在本案例多個故障疊加的情況下，故障應急處置更為復雜，其對運營的影響進一步擴大。

明確原因后，經(jīng)車輛設計單位評估，對應急運行后備控制模式下的保持制動設計方案進行優(yōu)化，重新校核保持制動設計參數(shù)，將應急運行模式下的保持制動力下調(diào)至50%，同時在列車上加裝了保持制動強迫緩解功能，在緊急情況下，可操作強迫緩解切除保持制動，相關(guān)設計的變化通過操作手冊的方式提供用戶參考使用。地鐵運營公司也針對該情況優(yōu)化完善了司機操作規(guī)范，明確了列車在應急運行后備控制模式下的司機須應急處置流程。

3 常見控制方案

除上述案例分析中采取的保持制動控制方案外，常見的還有信號系統(tǒng)集中控制、車輛制動系統(tǒng)集中控制、牽引系統(tǒng)集中控制等方案。

3.1 信號系統(tǒng)集中控制方案

信號系統(tǒng)集中控制時，列車保持制動的施加及緩解指令均來自信號系統(tǒng)。在運行過程中，車載信號設備根據(jù)運行圖，向車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送牽引、制動指令和級位指令，車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)向其反饋包括列車運行速度、運行工況等車輛運行數(shù)據(jù)，當滿足保持制動施加或緩解條件時，車載信號設備向網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)出保持制動施加或緩解指令，網(wǎng)絡系統(tǒng)將指令傳輸至全列牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)執(zhí)行。

(1)保持制動施加

首先，運用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行籌資管理和控制?；I資對于企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營規(guī)模的擴大具有重要的意義，但是籌資也會給企業(yè)的經(jīng)營帶來一定的財務風險，而運用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以在一定程度上降低這種風險。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)可以收集到更多的籌資信息，扭轉(zhuǎn)在籌資中過度依賴借貸資金的模式，使得籌資渠道得到拓展。通過利用數(shù)據(jù)信息平臺進行資本市場信息的收集，再進行深入的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析，從而為企業(yè)通過債轉(zhuǎn)股、重組合并等方式進行籌資提供科學的依據(jù)，使得企業(yè)的財務決策更加科學化，提高財務內(nèi)控管理的效果。

信號控制車輛的自動駕駛模式(如FAM、AM等模式)下，當車輛狀態(tài)正常時，車載信號設備向列車發(fā)送制動指令，列車開始制動減速，當信號系統(tǒng)檢測到列車速度降低至1 km/h以下時(通常為≤0.5 km/h)，向車輛發(fā)送保持制動施加指令，列車停穩(wěn)，保持制動施加，保持制動力相當于當前列車載荷所需的常用制動力的30%～70%。

圖6 信號系統(tǒng)集中控制邏輯示意圖

(2)保持制動緩解

信號控制車輛的自動駕駛模式(如FAM、AM等模式)下，當車輛等設備狀態(tài)正常時，信號系統(tǒng)向列車發(fā)送牽引指令，牽引系統(tǒng)輸出牽引功率，并實時計算牽引力大小。當牽引力克服列車下溜力達到一定值時，經(jīng)車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)向車載信號系統(tǒng)發(fā)送牽引力OK信號，信號系統(tǒng)判斷有效后，向車輛發(fā)送保持制動緩解指令，車輛制動系統(tǒng)檢測到牽引指令和保持制動緩解指令，緩解保持制動，列車啟動運行。

(3)主要特點

采用信號系統(tǒng)集中控制方案，列車保持制動和常用制動的轉(zhuǎn)換時機(即保持制動施加的速度值)由信號系統(tǒng)控制，可根據(jù)列車速度、控車曲線等信息實時調(diào)整，可有效提高列車運行效率，減少停車瞬間的慣性，有利于改善停車精度和乘坐舒適度。該方案對信號系統(tǒng)、車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性要求極高，同時增加信號系統(tǒng)和車輛之間的接口，設計難度相對較大。

3.2 車輛制動系統(tǒng)集中控制

車輛制動系統(tǒng)集中控制的設計方案中，所有列車常用制動、緊急制動、保持制動等相關(guān)功能控制均由車輛制動系統(tǒng)完成。主要根據(jù)牽引系統(tǒng)及制動系統(tǒng)反饋的包括列車運行速度、列車運行工況、牽引或制動級位指令等列車運行數(shù)據(jù)、命令進行保持制動控制，當條件具備時，由制動系統(tǒng)直接控制列車施加或緩解保持制動。

(1)保持制動施加

制動系統(tǒng)集中控制模式下，列車以任意模式運行(如FAM、AM、CM、EUM等模式)，制動系統(tǒng)根據(jù)車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送的制動指令和級位指令控制列車制動減速。當檢測到列車速度降低至1 km/h以下時(通常為≤0.5 km/h)，施加保持制動，保持制動力相當于當前列車載荷常用制動力的30%～70%。

圖7 制動系統(tǒng)集中控制邏輯示意圖

制動系統(tǒng)集中控制模式下，列車以任意模式運行(如FAM、AM、CM、EUM等模式)，網(wǎng)絡系統(tǒng)向牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)來自信號系統(tǒng)或司機控制器發(fā)送的制動指令和級位指令，牽引系統(tǒng)輸出牽引功率并實時計算牽引力大小，當牽引力達到克服列車下溜力的一定值時，制動系統(tǒng)緩解保持制動，列車啟動運行。

(3)主要特點

制動系統(tǒng)根據(jù)列車牽引、制動工況及速度等信息控制列車保持制動的施加及緩解，更為直接。該控制模式增加了制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)間的接口，與信號控制指令的跟隨性較差。

3.3 牽引系統(tǒng)控制

牽引系統(tǒng)控制設計方案中，所有列車常用制動、緊急制動、保持制動施加等控制仍由制動系統(tǒng)完成，保持制動緩解由牽引系統(tǒng)控制，通過硬線向制動系統(tǒng)傳輸保持制動緩解指令緩解保持制動。

圖8 牽引系統(tǒng)控制邏輯示意圖

(1)保持制動施加

牽引系統(tǒng)控制模式下，保持制動施加控制可采用信號控制、網(wǎng)絡控制、制動控制等方案。

(2)保持制動緩解

牽引系統(tǒng)控制模式下，列車以任意模式運行(如FAM、AM、CM、EUM等模式)，網(wǎng)絡系統(tǒng)向牽引和制動系統(tǒng)發(fā)送來自車載信號控制器或司機控制器發(fā)出的制動指令和級位指令，牽引系統(tǒng)輸出功率并實時計算牽引力大小，當牽引力達到克服列車下溜力的一定值時，通過硬線方式直接向制動系統(tǒng)輸出保持制動緩解指令，制動系統(tǒng)緩解保持制動，列車啟動運行。

(3)主要特點

該模式下，牽引系統(tǒng)僅控制保持制動緩解的時機，因指令傳輸方式為硬線，更為可靠，不易出現(xiàn)指令誤發(fā)的情況，且不受網(wǎng)絡系統(tǒng)故障的影響。但相對增加了牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)之間的硬線接口。

4 優(yōu)化和改進構(gòu)想

保持制動是列車制動系統(tǒng)的重要功能，不同平臺、品牌的設計理念不盡相同，根據(jù)實際運用經(jīng)驗，本文進一步分析研究相關(guān)設計方案優(yōu)化的可行性。在開展列車保持制動控制方案設計時，除安全導向原則之外，還應充分考慮設計標準、用戶需求以及實際運用中的經(jīng)驗。因此，建議列車保持制動功能設計時考慮如下優(yōu)化方案：

4.1 合理設計保持制動力大小

保持制動力的大小應遵循適當原則，設計時需要充分評估列車質(zhì)量大小、線路坡道及不同載荷下的救援需求等方面因素。特別是應急運行后備控制模式時，保持制動力結(jié)合最大載荷下的列車下溜力、輪軌摩擦力所需制動力，并預留一定安全裕量，避免出現(xiàn)應急運行時無法緩解保持制動的情況。

4.2 優(yōu)化保持制動緩解控制邏輯

根據(jù)網(wǎng)絡正常模式和應急運行模式分別進行保持制動的緩解邏輯設計。當網(wǎng)絡正常時，由網(wǎng)絡系統(tǒng)綜合列車載荷、下溜力以及保持制動力數(shù)據(jù)進行緩解控制。當網(wǎng)絡故障時，制動系統(tǒng)檢測的持續(xù)的硬線牽引指令，且超過3 s時，制動系統(tǒng)直接緩解保持制動。

4.3 保留極端工況下的應急處置功能

如列車發(fā)生動力丟失≤1/2且網(wǎng)絡故障等多重故障時，在系統(tǒng)中保留應對極端工況的功能，如強迫緩解等，并在相關(guān)用戶手冊、操作手冊、維護手冊等文件中予以明確，必要時還應組織用戶進行專門的培訓。

4.4 保留有條件的強迫緩解功能

如列車發(fā)生單節(jié)車制動不緩解或全列車保持制動不緩解的情況時，列車保留有條件的強迫緩解功能，通過在控制電路中的電氣設計，確保該功能可在確保行車安全的情況下進行操作，達到應急處理的目的，減少故障造成的影響。

5 結(jié)束語

列車制動系統(tǒng)是行車安全的重要保障，保持制動作為制動系統(tǒng)的重要功能之一，是以空氣動力為驅(qū)動的制動方式之一。隨著城市軌道交通飛速發(fā)展，制動系統(tǒng)功能日益完善，安全性越來越好，實用性越來越強。有時，不同的用戶對同一種系統(tǒng)的功能、性能要求也不盡相同，但總體的原則仍然是以安全為導向的。經(jīng)過長時間的現(xiàn)場運用，逐步暴露出了保持制動功能存在設計標準不統(tǒng)一、前瞻性研究不足等問題，需要用戶、設計單位、設備生產(chǎn)商等長期結(jié)合現(xiàn)場運用情況，不斷優(yōu)化系統(tǒng)設計，制定一整套合理、完善的設計方案。制動系統(tǒng)的功能完善和提升不是一蹴而就的，要保障列車在現(xiàn)場運用的可靠性，除了設備本身外，還需制定一套完善的操作規(guī)范，充分預想可能發(fā)生的問題并制定可行高效的應急應對方案，同時組織做好相關(guān)崗位的培訓學習，確保執(zhí)行落地。