天津地鐵2號線列車ATO模式下精確停車的實現

劉 洋

（天津地鐵運營有限公司，助理工程師，天津 300222）

近年來，我國城市軌道交通技術飛速發展，由于城市軌道交通具有快速、準時、安全、舒適的特點，很多大中型城市已經建立了多條城市軌道交通線路〔1〕。隨著CBTC（Communication Based Train Control System，基于無線通信的列車自動控制系統）技術廣泛運用于城市軌道交通系統中，很多城市的城軌列車都以ATO（Automatic Train Operation，列車自動駕駛）模式運行，以降低司機的工作強度，保證列車高效運行〔2〕。

然而在實際的運行過程中，由于列車以ATO模式運行，司機并不參與進站停車的操作，所以ATO系統需要自動控制列車在進站時準確地停靠在站臺旁，使乘客能夠順利上下車〔3〕。由于目前城軌的列車運營密度較大，如果列車進站停車位置不精確，會直接影響到列車的準點運行。而且在有屏蔽門的車站，列車停車位置不準確，會導致列車與車站屏蔽門不能精確對位，影響乘客順利上下車〔4，5〕。

本文根據目前天津地鐵二號線的系統工作原理以及列車實際運行狀況，針對列車ATO模式如何實現進站精確停車問題進行探討，并對列車未精確停車故障進行分析并提出解決方案。

1 ATO系統的停車控制原理

車站精確停車功能是信號ATO子系統的一項重要功能，實現這一功能需要的控制過程為：

1）列 車 通 過 VATP（Vehicle Automatic Train Protection，車載列車自動防護系統）設備來測量列車的行駛速度。在列車行駛過程中，安裝在車軸上的測速電機和安裝在列車底部的多普勒雷達，均可以用來測量列車行駛的速度，保證速度測量的準確性。

2）列車通過安裝在列車底部的信標讀取器讀取設置在沿線區間中軌旁信標的信息來完成列車的精確定位功能。信標是一種包含有“位置數據”的裝置，其工作頻率是2.4 GHz，向VATC（Vehicle Automatic Train Control，車載列車自動控制系統）提供區域ID、列車區段位移等信息。

3）VATP的線路數據庫中擁有各地面信標的位置，根據信標的信息，VATP能知道列車在線路上的位置，并與測速系統一起實現列車的精確定位。然后將信息通過TWC（Train to Wayside，軌旁通信）子系統向 RATP（Region Automatic Train Protection，區域列車自動防護系統）發送位置報告。RATO（Region Automatic Train Operation，區域列車自動運行系統）通過RATP間接地接收來自列車的信息，當列車沿路線行駛時，不斷讀取信標，定期更新并報告其位置的信息。

4）RATO 向 VATO（Vehicle Automatic Train Operation，區域列車自動運行系統）發送列車的進路和目的地等信息。VATO確定列車的當前位置、速度和列車的目標停靠位置之間的距離，使用這一距離來編制車站停車減速曲線。車站停車曲線見圖1所示。

圖1 車站停車曲線示意圖

2 影響停車精度的主要因素

在進站停車階段，影響列車精確停車的因素有很多，如電空制動的切換速度，列車制動的參數等等。而在信號系統本身，主要影響列車停車精度的因素有以下3個方面。

2.1 列車速度測量的精確性 精確地測量出列車的瞬時速度和加速度，是提高站停精度的一個重要的因素。由于車載信號系統主要根據列車的運行速度和加速度來確定牽引或制動的選擇，并繪制列車運行曲線，所以就需要運用測速電機和多普勒雷達準確地測量出列車的速度，保證列車運行曲線的準確性，從而保證列車的站停精度達到標準。

2.2 列車位置定位的精確性 列車位置定位的精確性是影響站停精度的第二個重要因素。如果不能對列車目前的位置進行精確定位，是無法通過算法預估出列車的停車位置的，而列車定位是依靠軌旁信標和車載信標讀取器共同完成的，所以信標的布置密度、信標中數據的正確性以及信標讀取器的可靠性便成了列車定位的關鍵點。

2.3 車載ATO系統軟件的算法 即使列車的速度和定位都足夠準確，如果軟件算法不當，會導致繪制的運行曲線不夠精確，也不能保證列車停車的精確性。因此車載ATO系統軟件的算法是否科學是另一個影響站停精度的因素，

3 ATO站臺精確停車的實現

根據以上所述的ATO系統的停車控制原理及影響列車進站停車精度的因素分析，需要通過以下3個方面的設計，使天津地鐵2號線列車滿足車站停車精度在±0.3 m范圍內99.995%概率，±0.5 m范圍內99.999 8%概率的要求。

3.1 提高測量列車速度的準確性 在列車進站停車的過程中，由于列車會進入制動工況，而制動時會造成列車車輪的打滑和空轉，導致測速電機測出的列車速度誤差很大。為此在實際設計過程中，使VATC設備能在列車運行過程中，將采集到的測速電機輸入的速度數據與多普勒雷達輸入的速度數據不斷相互比較，當這2個組件測得的速度數據差距超過了允許的差異范圍時，VATC會自行判斷車輛處于滑動或空轉的狀態并會屏蔽掉測速電機的數據，默認多普勒雷達測得的數據正確。這樣，就可以保證系統能夠采集到準確的列車速度信息，并通過算法繪制出更精確的速度曲線。

3.2 提高列車定位的準確性 由于列車定位是靠列車讀取沿線信標的信息來完成對位置的確定的，所以在實際設計過程中，主要通過2個方面來提高列車定位的準確性：一是提高信標內寫入數據的準確性，以幫助列車更精確的定位，使VATC可以繪制更準確的停車曲線；二是在所有車站的接近區段以更高的密度設置信標，有助于修正停車距離的誤差，完成精確停車的目標。

3.3 改進軟件算法 在軟件設計中，ATO通過確定目標巡航速度來確定控制算法。最初將目標巡航速度設置到一個偏移值（正常是3～5km/h），該值低于ATP強制執行的保證乘坐質量的限速。該偏移值提供了防止列車超速的緩沖，可以通過調整該偏移值來達到要求的運行間隔。當列車以更低的保證乘坐質量的限速進入線路區段時，在距離前方區段足夠遠的地點，目標巡航速度降低到低于下一個保證乘坐質量限速的偏移值，以此來控制列車的速度，并且在列車到達下一區段之前，將列車速度減速到下一目標速度。也可以根據超出情況的緊急制動曲線調整該距離，防止出現超速情況。

每當目標巡航速度變更時，控制算法按照程序控制的加速度和沖擊率，向上（加速）或向下（減速）調節速度，直至控制速度到達目標巡航速度為止。

當列車進入計劃停車站時，便將控制速度合并到停車曲線中。列車在進站停車過程中的速度、加速度與距離的曲線關系見圖2所示。

圖2 車站停車速度、加速度與位置的關系曲線圖

4 結束語

地鐵ATO模式站臺精確停車一直是國內外信號系統中重要的一環，是關乎地鐵安全運營的一個重點環節。本文介紹了地鐵ATO模式站臺停車的控制過程和影響精確停車的因素，給出了天津地鐵2號線實現精確停車的方法。實驗證明，通過這3方面的設計，并經過正線的調試和實驗，測試結果滿足設計要求，可以保證站停精度在標準之內，從而確保了列車運行的安全性和可靠性。

〔1〕王鵬飛，樊貴新，王新海等.城軌車輛在ATO模式下停車精度問題的分析與探討〔J〕.鐵道機車車輛，2011，31（6）：77-79，87.

〔2〕王道敏.ATO站臺精確停車功能實現的制約因素分析〔J〕.城軌交通，2012，9（4）：41-43，61.

〔3〕黎曉東.地鐵列車精確停車技術的應用〔J〕.交通電氣，2005，24（9）：101-103

〔4〕禹宏鵬.城軌列車停車位置不精確的原因及對策〔J〕.城市軌道交通研究，2008，（9）：28-30.

〔5〕唐濤，黃良驥.列車自動駕駛系統控制算法綜述〔J〕.鐵道學報，2003，25（2）：98-102.