廣州地鐵3號線B1型聯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信號系統為Seltrac S40移動閉塞系統，由系統管理中心（SMC）、車輛控制中心 （VCC）、車站控制器（STC）及車載控制器 （VOBC）組成，4個子系統相互配合，為ATC信號系統提供了列車自動監控（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，實現列車快速、高密度、有序運行的功能。

在上述的4個子系統中，VOBC由于在線使用數量較多，并且與車輛系統存在接口關系，因此發生的問題和故障也較多。數據統計顯示，VOBC和車輛接口故障主要為B1型聯掛列車對標不準，主要體現在列車沖標上。2013年4月沖標次數為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系統進行簡單介紹，深入分析B1型聯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系統的組成與功能分析

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

VOBC系統在各單元和外圍設備的協調工作下，可實現下述功能。

1．通過收發報文與VCC通信。VOBC系統通過安裝在轉向架上的接收天線和發送天線與VCC通信，將列車的相關信息發到VCC系統，如列車當前位置、速度、運行方向等，并接收VCC系統發來的命令。

2．模式選擇。VOBC系統為列車的運行提供了ATC模式和人工模式，司機可根據運營需要，選擇適當的模式運行列車。

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

4．ATP／ATO功能。VOBC系統監控列車各種狀態信息，確保列車安全地運行，同時根據VCC系統發來的命令以及當前列車狀態，控制列車的牽引、制動和車門開關。

2 B1型聯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節編組的B1型列車，實現快速、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節編組的B1型車聯掛成為20列6節編組的B1型聯掛車，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，并且主要體現在列車沖標問題上。從2010年12月至2014年12月的數據統計顯示，共發生對標不準的故障數為4098次，其中沖標的故障次數為3758次，占總數的92%，欠標的次數為340次，占總數的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根據閉環控制原理，通過參考VCC系統給出的推薦速度，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，以實現在最短時間內到達列車后續目標停車點。

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。

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的模式有制動模式、停車模式和泊車模式。這3種模式已經包含了列車進站對標時，有可能出現的超速沖標或者速度不足欠標。如果出現超速情況，VOBC會進入制動模式，繼續增大制動力，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／制動系統能夠按照VOBC輸出的牽引／制動模擬量執行情況下，列車基本不會出現對標不準的情況。

2．2 原因分析

從2014年8月底，信號專業、車輛專業及相關供貨商開始對B1型聯掛列車2122車進行沖標數據捕捉工作，經過深入分析，目前得出關于3號線B1型聯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據，通過對比，即可發現在5km／h左右VOBC施加制動力 （模擬量絕對值增大），但是車輛系統沒有及時響應VOBC的制動力要求，并且車輛系統輸出的制動力 （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據

2．車輛系統電制動施加延時為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型聯掛列車與正常的B1型聯掛列車對標的數據，發現列車沖標時電氣轉換前后總制動力變化與正常對標的相比變化較大，主要體現為電氣轉換前后總車輛系統制動力減少較大，此時VOBC輸出的制動模擬量無減小現象，因此電氣轉換前后總制動力的減小與VOBC輸出的制動模擬量無關。

在2014年8月23日，車輛專業捕捉了2122車在番禺廣場上行站臺沖標時，電氣轉換后車輛系統總制動力的變化，通過對比電氣轉換前后總制動力數值，發現總車輛系統制動力減少較大，電氣轉換前總制動力為156．28N，電氣轉換后總制動力降為83．374N。

4．通過對比B1型聯掛列車和B2／B4型列車進站對標數據，發現聯掛后的B1型列車進站對標停車階段車輛系統總制動力有2個先減少后增大的過程。

5．停車階段車輛系統電空混合配合存在問題，需調整。

6．車輛氣制動施加延時時間不穩定，氣制動施加由車輛系統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。

3 采取措施及成效

在研究B1型聯掛列車沖標原因過程中，信號和車輛專業共同細化了列車沖標統計表格，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據進行統計，跟蹤每天的列車沖標情況，按階段進行數據透視，分析出相關規律，提出相應整治措施。目前比較有成效的4種措施為：

1．對所有聯掛B1型列車調大一檔輪徑補償值。信號系統計算的輪對輪徑值大于列車實際輪對輪徑值，在信號系統目標停車點距離一定的情況下，列車實際行駛距離縮短。經過多次的數據計算和測試，調大一檔輪徑補償值后，在最極限的情況下，對系統精確定位造成不大于0．3m的誤差，當VOBC經過一個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網絡和WTB網絡轉換時間較長的問題，同時考慮上行區域沖標比下行區域嚴重等，對沖標嚴重B1型聯掛列車實行切換主用VOBC至面向番廣方向列車上。經過信號專業和車輛專業雙方對車載VOBC和車輛VCU關于ATO控車的接口關系圖的共同研究分析，判斷B1型聯掛車激活車頭與主用VOBC不在同一側時，車輛MVB網絡和WTB網絡通信協議轉換所需時間，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．對沖標高發站臺區域進行油污清理。

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，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月開始執行，第2種措施從2013年7月初開始執行，根據2013年的B1型列車沖標數據統計，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由最多的151次，下降且平穩維持在70次。第4種措施于2015年2月在2122車開始執行跟蹤，更換進口閘片后，平均每天沖標次數下降至0．1次。

4 總結

B1型聯掛列車對標不準故障，主要體現為列車沖標，通過原理分析，將車輛響應延時細化為車輛系統WTB網絡和MVB網絡轉換延時。通過更換參數變量捕捉沖標數據，分析發現沖標列車電氣轉換后車輛系統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措施研究深入，最終通過采取對車載VOBC系統調大一檔輪徑補償值、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。

本文提出的應對措施雖然對于降低B1型聯掛列車沖標有一定作用，但考慮B1型聯掛車沖標原因在于車輛系統電氣轉換后總制動力不足，因此要從根本上解決必須從車輛系統入手，后續的研究方向主要是信號專業、車輛專業、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．

［2］ 何宗華，汪松滋，何其光．城市軌道交通通信信號系統運行與維修［M］．北京：中國建筑工業出版社，2006：223－238，279－280．

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