南寧地鐵1號線列車自動運行模式下列車停車精度優化設計

譚文舉

(南寧軌道交通集團有限責任公司,530029,南寧∥高級工程師)

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南寧地鐵1號線列車自動運行模式下列車停車精度優化設計

譚文舉

(南寧軌道交通集團有限責任公司,530029,南寧∥高級工程師)

以南寧地鐵1號線ATO(列車自動運行)模式下列車停車精度為研究對象,以停車精度的統計數據為依據,通過對ATO制動力和電空制動配合兩個方面進行分析,找出了停車精度不準的根本原因。進行了ATO模式停車精度的優化設計,并在實際運營線路上進行了測試驗證。測試結果表明,南寧地鐵1號線ATO模式下列車停車精度的優化設計方案可行,列車停車精度得到了較大的提高。

列車自動運行; 停車精度; 制動; 電空轉換

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

南寧地鐵1號線是南寧市東西向的骨干線,其列車為B型車6輛編組,運營時采用列車自動運行(ATO)模式,由車載信號系統控制實現列車起動、加速、制動及精確停車。該線自2016年初開展正線信號調試及綜合聯調以來,發現列車在ATO模式下的停車精度普遍存在欠標現象,且多數欠標在15～30 cm之間。列車沖標或欠標都將造成列車與屏蔽門的對位不匹配。對位誤差若超過一定范圍(±40 cm)，則會造成列車車門與屏蔽門無法聯動打開,需要從ATO模式降級為人工模式倒車或前行,從而影響乘客的上下車速度；尤其是在客流高峰期將有可能造成列車滯留站臺時間超過規定時間,進而影響列車的運營,嚴重時造成列車晚點[1]。一般情況下,列車在ATO模式下,停車精度在50 cm范圍內時,正確率為99.998%;停車精度在30 cm范圍內時,正確率為99.99%[2]。

1 ATO模式停車精度調查

為了統計停車精度情況,隨機選擇T05、T06和T09號列車進行ATO模式下的列車停車精度測試。統計結果如表1所示。

表1 列車ATO模式下不同列車的停車精度情況統計 cm

由表1可見,所測試的列車普遍存在欠標的問題,但停車精度離散性較大,在停車精度正值范圍內有較大冗余,而在停車精度負值范圍內接近臨界值(30 cm)。隨著列車運行狀態的變化(載荷變化、閘瓦磨耗、外部干擾等),極易造成列車欠標超出規定范圍,從而影響運營。因此,對列車停車精度的優化顯得尤為重要。

2 列車ATO控制精確停車原理分析

ATO模式主要通過給出不同級位的牽引或制動指令,實現對列車加減加速度的控制,在不觸發ATP(列車自動保護)“緊急制動”的前提下,實現站內的精確停站以及運行過程中的平穩和舒適[3-4]。目前ATO控制采用的控制算法主要有經典控制算法(包括各種改進的PID(比例積分微分)算法)、參數自適應控制算法、智能控制算法、集成智能控制算法[7]。南寧地鐵1號線的ATO控制系統采用的是滑模變結構控制算法[8-9]。這種算法對于制動停車過程中的各擾動因素,包括車輛制動特性的差異以及電制動與空氣制動的過程轉換，都可以視為一種攝動。滑模控制器對這種攝動可以有很強的魯棒性。南寧地鐵1號線ATO控制系統具有兩種控制模式:目標參考速度曲線控制，實際速度曲線控制。

2.1 目標參考速度曲線控制

目標參考速度曲線控制為滑模控制,是主要針對列車目標速度與目標的距離進行的控制,具有很強的魯棒性,能補償列車運行參數較之正常參數一定范圍的偏離,對于離散性較大的列車具有很好的控制性能。基于滑模控制技術的ATO控制原理圖如圖1所示。

圖1 基于滑模控制技術的ATO控制原理圖

2.2 實際速度曲線控制

實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。實際列車控制當中存在模型誤差(牽引制動延時)，以及坡度、阻力、列車離散度(列車性能差異性)等因素對控車命令造成的偏差干擾。鑒于目標參考速度曲線控制的輸出結果無法直接用于實際的ATO駕駛命令當中,因此在ATO實際控制曲線中還引入了史密斯補償控制模型去控制并矯正相關誤差,如圖2所示。

圖2 史密斯補償控制模型原理圖

2.3 控制邏輯分析

由ATO控制原理分析可知,列車的制動級位和加(減)速度的準確控制是確保列車精確停站的兩大重要因素。而列車的牽引和制動系統是列車加(減)速度控制的直接環節,列車的制動特性理想化的模型通常會用一個帶滯后的慣性系統來描述[5]。而實際上,由文獻[5]可知,牽引系統電制動響應快、跟隨性較好,空氣制動系統響應慢、跟隨性較差,如果電空轉換不當,便可能影響列車停車精度。

ATO模式下,在列車停車或減速時信號系統需要給車輛的制動系統輸出制動級位。信號系統并不區分是列車在減速過程中采用電制動還是空氣制動。在進行ATO數據設計時,信號系統要與車輛系統進行一次聯合調試,其目的是確保無論列車采用電制動還是空氣制動,其信號系統輸出的制動級位均產生同樣的制動效果。也就是在信號系統輸出恒定的制動級位時,車輛的電制動和空氣制動以及電空轉換時產生的制動減速度不會有較大變化,制動曲線是比較平緩的。

3 停車精度優化設計

在信號系統動態調試階段,列車的停車精度與試運營時期列車停車精度是不完全相同的。動態調試階段列車的載荷為固定的空車載荷,通過控制系統和牽引系統的參數經優化調整,制動減速度曲線較為平穩,可以較好地實現對ATC(列車自動控制)制動級位指令的跟隨。試運營階段列車受載荷、閘瓦磨耗及外部因素的影響,各列車制動曲線存在較大差異,部分列車在低速情況下存在制動減速度突然增大的情況,這些列車在低速時無法實現對ATC制動級位的準確跟隨。本文在列車運營狀態下,分別從制動力(制動級位)和電空制動配合兩個方面進行優化。

為了提高ATO模式下的停車精度,由信號、車輛、牽引、制動系統供應商聯合對列車的制動參數進行了優化設計。信號系統要求車輛的制動系統可以穩定地響應制動指令,從而保證停車精度就在零值很小的范圍內波動。

3.1 制動力對停車精度的影響

基于70%的制動力對應的減速度最接近于ATO的停站策略這一原則,故對列車的停車精度離散性較小的T05號列車和T09號列車分別以35 km/h和55 km/h施加恒定70%的制動級位制動。調試結果如圖3所示：T05號列車在8 km/h以下的速度時,減速度基本趨于平穩,并未出現制動力突然增大的尖峰,電空轉換過程平滑穩定;T09號列車具有平穩的制動減速度,未出現制動力突然增大的尖峰,電空轉換過程平滑穩定。對比信號系統動態調試期間列車在恒定制動率下的表征,可以看出T05和T09號列車的制動曲線差別較小。

由此可知,在制動減速曲線比較平穩情況下,ATO系統停車精度離散性也比較小,停車精度表現為較為固定的系統性偏差。出現這種系統性偏差的原因主要是T05和T09號列車與動態調試所用車輛的制動特性存在一些差異,而ATO系統參數是按調試車輛進行優化的,對車輛的參數變化范圍適應性不夠。動態調試所用車輛經過高負荷的制動型式試驗,正常運用時,閘瓦的磨合及與踏面的貼合情況會有所差異,會造成摩擦系數在一段時間內偏大。在車輛經過一段時間的運用后,其制動特性會逐漸恢復到正常的狀態,按動態調試所用車輛優化的ATO參數可能就不能適應車輛的正常運用的狀態。對于這種情況，可以通過再次調整ATO系統參數來解決。

注：橫坐標負值表示列車已用時間；正值表示列車將用時間圖3 恒定70%的制動級位制動調試

3.2 電空制動配合對停車精度的影響

對停車精度離散性較大的T06號列車分別進行了恒定100%的制動級位和恒定70%的制動級位兩種情況的調試。調試結果如圖4所示,T06號列車在70%恒定制動級位停車和100%恒定制動級位停車相同,在6 km/h時減速度出現向下的尖峰,在1.62 km/h時尖峰達到最大。為了進一步研究該現象,對其他列車進行了同樣的測試,結果均在6 km/h時減速度出現了制動力增大的尖峰。

針對列車的停車精度離散性較大的列車在6 km/h時減速度出現突然增大的問題,經各方研究,很可能是電制動和空氣制動轉化過程不平穩,導致在電空轉換過程中的制動力突然增大。

為驗證上述推測,首先對牽引系統做出調整,調整牽引系統電空轉換時電制動撤出的斜率及延時,重新測試了70%恒定級位制動時的減速度曲線。測試結果如圖5所示：在7 km/h時就出現了制動力增大的情況；在5～0 km/h的空氣制動控制過程,制動力又趨于穩定,穩定值為-0.98 m/s2,比電制動控制階段的-0.84 m/s2要大0.14 m/s2。由此可知,制動力增大的尖峰不是電制動造成的,而有可能是在同一制動級位下,空氣制動力比電制動力大造成的。

注：橫坐標負值表示列車已用時間；正值表示列車將用時間圖4 T06號列車制動減速度調試

為了進一步驗證上述觀點,將整列車的電制動全部切除,完全由空氣制動控制,再次測試70%恒定級位制動時的減速度曲線。測試結果如圖6a)所示：在同一制動級位下,空氣制動控制時的減速度要比電制動大的多。因此,為使同一制動級位下空氣制動力與電制動的制動力一致,在ATO模式下將空氣制動力的在原有基礎上削減10%,重新測試70%恒定制動級位的ATO停車曲線。測試結果如圖6b)所示：減速度在6 km/h的尖峰有所減小,且在5～0 km/h過程中的減速度和電制動控制時的減速度已很接近。

動態調試一般比較關注制動系統的緊急制動和最大常用制動的減速度特性,所以動態調試時通常是最大常用制動工況的電制動與空氣制動的配合參數會調整得比較好。而ATO模式下,60%到70%的制動率使用得更多,60%到70%制動率的控制特性對ATO的停車精度影響很大,而在制動系統型式試驗時往往對比關注不夠。因此,從ATO制動的需求出發,制動系統不僅需要滿足緊急制動和最大常用制動的減速度要求,還需要在60%到70%的制動率時能有比較平穩的控制特性。

圖6 T06號列車制動削減前后的減速度調試

3.3 停車精度優化方案驗證

停車精度優化后,對T05、T06、T09號列車進行ATO停站精度測試,結果如表2所示。

表2 停車精度優化后ATO模式下不同列車的停車精度情況統計 cm

由表2可以看出,列車停車精度得到了較大的提高。據此可得出結論:① 制動減速曲線在電空制動轉換后制動減速度差異較大時,停車精度離散性也會較大,可通過調整空氣制動力,保持列車在電空制動轉化過程中制動力或減速度不產生突變,可以減小列車在ATO模式下停車精度的離散性;② 制動減速曲線比較平穩情況下,ATO系統停車精度離散性也比較小,停車精度表現為較為固定的系統性偏差,這種情況可通過調整ATO系統參數,改善ATO系統的適應性,從而提高停車精度。

4 結語

南寧地鐵1號線ATO模式下列車停車精度存在一定偏差；對其制動力和電空制動配合進行了分析,并進行了優化設計。在對停車精度離散較大的列車進行研究時發現,問題的根本原因在于電空轉換時空氣制動力較大所致。為此,將空氣制動力在原有的基礎上削減了10%。空氣制動力削減后列車停車精度的離散性大為減小。在停車離散精度較小的列車上,通過調整ATO系統參數,改善了ATO系統的適應性,從而提高了停車精度。

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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)