列車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)理論分析與處置研究

徐玉寶

（南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210021）

0 引言

城市軌道交通運(yùn)營(yíng)對(duì)列車在站臺(tái)對(duì)標(biāo)停車精度和準(zhǔn)確率有嚴(yán)格的要求，在±0.50 m 范圍內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)到99.999 8%；在±0.30 m 范圍內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)到99.995%。精確對(duì)標(biāo)停車準(zhǔn)確度一直是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，要達(dá)到如此高的準(zhǔn)確度需要的不僅是信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車定位和ATO（Automatic Train Operation，列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)）曲線的完美控制，更要求車輛牽引制動(dòng)能夠做好相應(yīng)匹配。

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在的對(duì)標(biāo)問(wèn)題主要表現(xiàn)為列車以ATO 模式進(jìn)入站臺(tái)后沖標(biāo)或欠標(biāo)（超出±50 cm 的范圍）。所謂沖標(biāo)，是指列車在站臺(tái)區(qū)對(duì)標(biāo)站臺(tái)門(mén)停車時(shí)過(guò)沖停車點(diǎn)，使列車中心超過(guò)站臺(tái)門(mén)中心點(diǎn)50 cm，導(dǎo)致列車無(wú)法進(jìn)站開(kāi)門(mén)，嚴(yán)重時(shí)可能存在冒進(jìn)信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)。欠標(biāo)是指列車中心還未到達(dá)站臺(tái)中心點(diǎn)即停車，一般將停車后距站臺(tái)中心超過(guò)50 cm 認(rèn)為欠標(biāo)。在列車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)時(shí)，列車將無(wú)?？縔ES，車門(mén)不能自動(dòng)打開(kāi)。一般需要進(jìn)行二次對(duì)標(biāo)找到停車點(diǎn)再手動(dòng)開(kāi)門(mén)，影響行車效率，在城市軌道高水平運(yùn)營(yíng)中已經(jīng)成為一個(gè)重要制約因素。目前行業(yè)內(nèi)部在列車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的處置是一個(gè)難點(diǎn)，在用的各系統(tǒng)均有此問(wèn)題，雖然進(jìn)行了大量的處置分析和系統(tǒng)升級(jí)，但是對(duì)標(biāo)問(wèn)題隨著運(yùn)營(yíng)的持續(xù)再次凸現(xiàn)出來(lái)。本文通過(guò)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，探討對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的若干影響因素，提出了以VCS（Vehicle Characteristic Simulate，車輛特性模擬）測(cè)試方法檢測(cè)車輛牽引制動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)化車輛氣制動(dòng)接管時(shí)機(jī)以及車載VOBC（Vehicle On-Board Controller，車載控制器）對(duì)標(biāo)方案，解決列車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)問(wèn)題。

1 技術(shù)分析

一種典型的CBTC（Communication Based Train Control，基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)）控制級(jí)精確定位停車原理是車載VOBC 根據(jù)停車點(diǎn)和列車的常用制動(dòng)力、線路參數(shù)、列車位置等計(jì)算ATO 的停車曲線，在站臺(tái)區(qū)域設(shè)置多個(gè)應(yīng)答器以進(jìn)一步提高列車的位置精確度。列車經(jīng)過(guò)地面信標(biāo)，車載VOBC 位于車底的T（ITransponder Interrogator，應(yīng)答器詢問(wèn)器）天線（圖1），不停地監(jiān)測(cè)和讀取地面信標(biāo)的信息，感應(yīng)到的信標(biāo)信息將傳回車載VOBC，控制器比對(duì)當(dāng)前計(jì)算位置和實(shí)際位置，如果計(jì)算位置在合理范圍內(nèi)，當(dāng)前計(jì)算位置將被重置為實(shí)際位置實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前需要精確停車的速度。為了進(jìn)一步保證停車精度，在列車停車點(diǎn)設(shè)置接近盤(pán)，在車底安裝接近盤(pán)感應(yīng)器，接近盤(pán)和感應(yīng)器的設(shè)置確保列車停準(zhǔn)時(shí)，接近盤(pán)的感應(yīng)器與地面的接近盤(pán)正好對(duì)齊，使列車在停穩(wěn)后落在停車窗±30 cm 以內(nèi)。

圖1 列車車底終端設(shè)備示意

精確對(duì)標(biāo)控制末端通過(guò)列車緩行以探測(cè)該接近盤(pán)，在接近傳感器檢測(cè)到接近盤(pán)時(shí)，就向VOBC 發(fā)出一個(gè)對(duì)位信號(hào)，此時(shí)VOBC 會(huì)施加制動(dòng)，控制列車停在停車點(diǎn)。在列車為零速度狀態(tài)后，VOBC 施加制動(dòng)命令。接近傳感器安裝在TC1 的轉(zhuǎn)向架機(jī)框上，用來(lái)檢測(cè)安裝在軌旁的接近盤(pán)。當(dāng)接近傳感器檢測(cè)到接近盤(pán)時(shí)，信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，VOBC 在接收到此信號(hào)后，才會(huì)給列車提供?？縔ES。當(dāng)MAU（Movement Authority Unit，運(yùn)動(dòng)控制單元）接收到VOBC 發(fā)送的PSD（Platform Screen Doors，屏蔽門(mén)）使能請(qǐng)求時(shí)，MAU 檢查命令打開(kāi)PSD 的使能狀態(tài)，MAU確認(rèn)列車報(bào)告列車的位置，包含了列車頭部到尾部的完整信息，完全在數(shù)據(jù)庫(kù)定義的站臺(tái)區(qū)域內(nèi)停準(zhǔn)和停止通過(guò)后，MAU 將接收并使能VOBC 請(qǐng)求的PSD 打開(kāi)請(qǐng)求并轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖，聯(lián)鎖接收到有效的PSD 打開(kāi)命令后使PSD 打開(kāi)命令繼電器勵(lì)磁，同時(shí)使關(guān)閉命令繼電器失磁。停站時(shí)間結(jié)束，司機(jī)請(qǐng)求車門(mén)關(guān)閉。VOBC檢測(cè)到關(guān)閉請(qǐng)求后將發(fā)送關(guān)門(mén)命令給MAU，MAU 接收關(guān)門(mén)命令并轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖進(jìn)行關(guān)閉PSD 操作，如果VOBC 檢測(cè)到車門(mén)關(guān)閉且鎖閉狀態(tài)后也會(huì)發(fā)送使能失效命令給MAU。在此精確停車過(guò)程中包含了接近傳感器的精確探測(cè)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)站臺(tái)區(qū)定位信標(biāo)以及接近盤(pán)的位置信息以及車輛制動(dòng)狀態(tài)的效能。

通過(guò)以上分析，造成對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)可能的原因有：①接近傳感器高度偏差造成的沖標(biāo)；②系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)配置造成的對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)；③車輛系統(tǒng)的響應(yīng)問(wèn)題造成的對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 針對(duì)接近傳感器高度偏差造成的沖標(biāo)

接近盤(pán)是安裝在軌旁停車窗的金屬板，長(zhǎng)度為1 m，其中心為停車窗的中點(diǎn)，接近傳感器的探測(cè)距離約120 mm，安裝高度距離柜面約115 mm，安裝要求如圖2 所示。隨著距離的增加探測(cè)有效性遞減，當(dāng)超過(guò)一定距離后，探測(cè)功能丟失。因此當(dāng)接近傳感器高度增加時(shí)，將造成列車沖標(biāo)的概率增加。

圖2 列車接近傳感器安裝高度

為了深入研究，選取南京地鐵S1 號(hào)線為研究對(duì)象，在測(cè)試前對(duì)全線所有列車接近傳感器高度進(jìn)行測(cè)量，全部調(diào)整為（120±3）mm。對(duì)于部分故障頻發(fā)的列車，及時(shí)調(diào)整感應(yīng)高度，嘗試更換硬件并在試車線進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，由此造成的對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)故障數(shù)減少。

2.2 針對(duì)系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)配置造成的對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)

造成對(duì)標(biāo)問(wèn)題的第2 種原因是車載數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤以及軌行區(qū)精確對(duì)標(biāo)設(shè)備安裝位置偏差。靜態(tài)線路數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)描述了行駛區(qū)段，定義了列車的控制運(yùn)行方向，行駛區(qū)段可以是單向的也可以是雙向的。VOBC 通過(guò)安裝在車輪輪軸上的速度傳感器從VOBC 的ATP（Automatic Train Protection，列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫(kù)里定義的2 個(gè)指定應(yīng)答器之間自動(dòng)確定車輪直徑（補(bǔ)償車輪磨損），進(jìn)行校準(zhǔn)操作。當(dāng)列車通過(guò)這2 個(gè)應(yīng)答器，車下的應(yīng)答器天線讀到應(yīng)答器使VOBC 比較由速度傳感器實(shí)際測(cè)得的距離與數(shù)據(jù)庫(kù)中的距離，比較確定實(shí)際車輪直徑。確認(rèn)位置的前提條件是TI 天線和速度傳感器都能正常工作。如果兩者在限定的誤差內(nèi)，列車的位置便確定，而且列車的確切位置及方向也能被辨認(rèn)出來(lái)。對(duì)應(yīng)于每個(gè)檢測(cè)到的應(yīng)答器，VOBC 將調(diào)整定位不確定性偏差。在2 個(gè)應(yīng)答器之間，列車位置由輸入的轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)而確定。MAU 根據(jù)VOBC 報(bào)告的列車位置并與數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的站臺(tái)信息做比較，以驗(yàn)證使能命令。VOBC 基于其數(shù)據(jù)庫(kù)和軌旁設(shè)備提供的信息確定ATO 停車點(diǎn)。如果VOBC 報(bào)告“停站”，站臺(tái)門(mén)使能命令被激活，有效的使能命令會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)給聯(lián)鎖。

在上述論述過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)列車的定位信息依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)中的定義數(shù)據(jù)，如果定義的數(shù)據(jù)有偏差，勢(shì)必導(dǎo)致列車無(wú)法精確定位而導(dǎo)致對(duì)標(biāo)偏差。對(duì)此委托供貨商對(duì)車載信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)再次核對(duì)和配置，同時(shí)在對(duì)標(biāo)問(wèn)題較多的正方中路站、翔宇路北站及翔宇路南站對(duì)信標(biāo)及接近盤(pán)間距進(jìn)行復(fù)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)以岔尖為標(biāo)準(zhǔn)，偏差均在正常范圍內(nèi)（定測(cè)以站臺(tái)中心為標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)測(cè)以岔尖為標(biāo)準(zhǔn)），數(shù)據(jù)無(wú)異常。

2.3 針對(duì)車輛系統(tǒng)的響應(yīng)問(wèn)題造成的對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)

在排除了前面兩個(gè)問(wèn)題之后，最終影響列車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的就只有與車輛系統(tǒng)的制動(dòng)技術(shù)接口，通過(guò)ATO 停站精度測(cè)試及車輛VCS 性能測(cè)試，檢查車輛系統(tǒng)對(duì)不同級(jí)位的響應(yīng)狀態(tài)，進(jìn)一步研究對(duì)標(biāo)的影響因素。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)車輛電空轉(zhuǎn)換性能明顯下降，直接影響了ATO 精確對(duì)標(biāo)停車。測(cè)試結(jié)果如圖3 所示，圖中方波信號(hào)為車載VOBC 輸出的Effort 等級(jí)，與之匹配的是列車的響應(yīng)加速度，正值代表當(dāng)前輸出牽引命令，負(fù)值則為制動(dòng)命令，表示列車當(dāng)前正在減速。

圖3 VCS 測(cè)試中電空轉(zhuǎn)換加速度波動(dòng)情況

在VCS 測(cè)試中，當(dāng)Effort 級(jí)位為68.7%時(shí)，在電空轉(zhuǎn)換階段，減速度經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)態(tài)值后先減小到-0.653 m/s2，隨后迅速增大至-0.927 m/s2，整個(gè)過(guò)程中列車減速度波動(dòng)值約為0.27 m/s2；當(dāng)Effort 級(jí)位為60.5%時(shí)，在電空轉(zhuǎn)換階段，減速度經(jīng)過(guò)一段穩(wěn)態(tài)值后先是減小到-0.532 m/s2，隨后增大至-0.797 m/s2，整個(gè)過(guò)程中列車減速度波動(dòng)值約為0.26 m/s2；當(dāng)Effort 級(jí)位為51.5%時(shí)，在電空轉(zhuǎn)換階段，減速度先是減小到-0.495 m/s2，隨后增大到-0.698 m/s2，整個(gè)過(guò)程中列車減速度波動(dòng)值約為0.20 m/s2。

從上述分析可知，在不同的Effort 級(jí)位下發(fā)生電空轉(zhuǎn)換時(shí)，其制動(dòng)力的變化均大于0.18 m/s2，嚴(yán)重的甚至達(dá)到0.27 m/s2。車輛與車載信號(hào)系統(tǒng)之間的接口要求如圖4 所示，明確提出“不管當(dāng)前列車的速度值大小，不管當(dāng)前列車系統(tǒng)的運(yùn)行條件是什么（如列車牽引電壓），制動(dòng)的混合應(yīng)能保證制動(dòng)力的變化不大于0.1 m/s2，同時(shí)制動(dòng)的混合應(yīng)在0.8 s 內(nèi)完成”。顯然，根據(jù)目前ATO 測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，車輛發(fā)生電空轉(zhuǎn)換時(shí)制動(dòng)力的波動(dòng)并未達(dá)到技術(shù)要求。

圖4 車輛與車載信號(hào)系統(tǒng)之間的接口技術(shù)要求

車輛制動(dòng)在停站控制方式上先采用電空結(jié)合的方式，高速工況下優(yōu)先使用電制動(dòng)，通過(guò)施加反向電動(dòng)扭矩，實(shí)現(xiàn)列車由高速工況向低速工況的過(guò)渡。由于電制動(dòng)在制動(dòng)的末端制動(dòng)效果下降，因此當(dāng)車速接近6 km/h 時(shí)氣制動(dòng)接管并迅速降低列車速度，帶來(lái)良好的制動(dòng)效果。但是由于技術(shù)和設(shè)備原因，在電空轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在接管不平滑和波動(dòng)現(xiàn)象。因此，在車輛制動(dòng)供貨商提前了氣制動(dòng)接管時(shí)機(jī)后，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)分析：車輛牽引制動(dòng)性能在參數(shù)調(diào)整后列車發(fā)生電空轉(zhuǎn)換時(shí)列車減速度的波動(dòng)得到了改善，尤其是在Effort 級(jí)位為40%～70%時(shí)，改善效果顯著；Effort 級(jí)位為80%時(shí)，雖然列車的電空轉(zhuǎn)換減速度波動(dòng)值仍然較大，但是對(duì)比未修改前還是有一定的改善效果。通過(guò)后續(xù)修改，最終測(cè)試結(jié)果滿足要求。

圖5 改善后VCS 測(cè)試中電空轉(zhuǎn)換加速度波動(dòng)情況

3 結(jié)論

隨著列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，列車電空轉(zhuǎn)換性能會(huì)有一定的下降，車載信號(hào)系統(tǒng)的精確對(duì)標(biāo)停車建立在可靠的牽引制動(dòng)性能之上，如果列車在制動(dòng)過(guò)程中，其電空轉(zhuǎn)換過(guò)渡差異過(guò)大，轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則必然導(dǎo)致列車對(duì)標(biāo)偏差。當(dāng)電客車制動(dòng)的混合不能保證制動(dòng)力的變化不大于0.1 m/s2，制動(dòng)的混合不能在0.8 s內(nèi)完成車輛與車載信號(hào)系統(tǒng)之間的技術(shù)接口要求時(shí)，將會(huì)表現(xiàn)為頻繁的欠標(biāo)。在處理列車對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的問(wèn)題方面，需要聯(lián)合車輛牽引制動(dòng)優(yōu)先測(cè)試列車電空轉(zhuǎn)換狀態(tài)，在確保其正常的情況下再排查信號(hào)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)停車機(jī)制。