空氣制動(dòng)預(yù)壓力對(duì)全自動(dòng)駕駛地鐵列車精準(zhǔn)停車影響的分析

廖紹輝，姚風(fēng)龍，楊東，韓宇

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春130062）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通的發(fā)展，近幾年來(lái)，各大城市嘗試開通全自動(dòng)駕駛列車。2016年底開通的香港南港島線是正式運(yùn)營(yíng)的GOA4（Grades of Automation 4）等級(jí)的全自動(dòng)無(wú)人駕駛線路，隨后2017年開通的北京燕房線及2020年底開通的成都軌道交通9號(hào)線等也是按照全自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)。為了提高運(yùn)營(yíng)效率，對(duì)全自動(dòng)駕駛列車停車精準(zhǔn)度提出了更高的要求。雖然列車通常設(shè)置對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)、自動(dòng)調(diào)整等功能，但是一次性對(duì)標(biāo)成功對(duì)運(yùn)營(yíng)效率的提高是顯而易見的。而地鐵列車最后的停車階段，通常是由電制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合完成，由于在電制動(dòng)退出空氣制動(dòng)力接管時(shí)，很難按照理論的電-空制動(dòng)力曲線進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)換。空氣制動(dòng)接管時(shí)有一定的延時(shí)性，最終影響精準(zhǔn)停車。本文對(duì)提前施加空氣制動(dòng)預(yù)壓力對(duì)停車精度的影響進(jìn)行分析研究，得出了良好的匹配關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)列車的精確停車。

1 全自動(dòng)對(duì)標(biāo)模式原理

在全自動(dòng)駕駛模式（FAM）下，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)列車的實(shí)施速度、加減速度曲線及列車位置，自動(dòng)輸出動(dòng)態(tài)的速度曲線，并控制列車運(yùn)行速度。按列車的時(shí)間狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整牽引、制動(dòng)指令及級(jí)位，實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)運(yùn)行。列車網(wǎng)絡(luò)正常情況下，信號(hào)系統(tǒng)車載裝置（VOBC）將牽引制動(dòng)指令及級(jí)位發(fā)送給列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCMS），再由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將相應(yīng)的指令及級(jí)位送牽引和制動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的牽引和制動(dòng)來(lái)控制車輛的精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)，通常情況下對(duì)全自動(dòng)駕駛對(duì)標(biāo)精度要求為：列車客室車門中心線與站臺(tái)屏蔽門中心的距離在±300 mm以內(nèi)。

2 列車制動(dòng)分析

地鐵列車的制動(dòng)模式分為空氣制動(dòng)和電制動(dòng)兩種：1）空氣制動(dòng)需要通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)向架的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置施加制動(dòng)力，受制于制動(dòng)缸充氣、排氣性能的影響，有一定的延遲性。在停車階段如果控制誤差較大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)停車精度的準(zhǔn)確控制。2）電制動(dòng)是通過(guò)控制電子元器件的通斷，利用電動(dòng)機(jī)工況轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制動(dòng)效果，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果較好，更容易實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過(guò)程的精準(zhǔn)控制[1]。

在列車低速停車階段，通常是由電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的混合完成列車制動(dòng)，最后由空氣制動(dòng)停車，空氣制動(dòng)接管電制動(dòng)的及時(shí)性直接決定了對(duì)標(biāo)的準(zhǔn)確精度。

2.1 電空制動(dòng)混合

在低速范圍內(nèi)，停車制動(dòng)階段被激活，制動(dòng)控制單元（BCU）接收牽引控制單元（TCU）發(fā)送的停車制動(dòng)指令（電制動(dòng)衰減信號(hào)），控制空氣制動(dòng)施加。通常情況下，當(dāng)速度降到設(shè)定值（約8 km/h）時(shí)，牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動(dòng)衰減信號(hào)，經(jīng)短暫延時(shí)（通常設(shè)置為400 ms），牽引系統(tǒng)控制電制動(dòng)以設(shè)定的斜率（如1.0 m/s3）退出，如圖1所示的t0～t1時(shí)刻曲線。BCU接收到任何電制動(dòng)衰減信號(hào)置位后，空氣制動(dòng)按比例增加（如1.0 m/s3），如圖1所示的t1～t2時(shí)刻曲線。

正常情況下，當(dāng)速度低于0.5 km/h時(shí)，且非牽引工況下，如果制動(dòng)級(jí)位高于保持制動(dòng)級(jí)位，BCU按照制動(dòng)級(jí)位施加空氣制動(dòng)；如果制動(dòng)級(jí)位低于保持制動(dòng)級(jí)位，BCU按照設(shè)計(jì)的保持制動(dòng)級(jí)位施加空氣制動(dòng)（考慮沖擊限制）。電空制動(dòng)混合示意圖如圖1所示。

圖1 電空混合制動(dòng)示意圖

2.2 影響列車對(duì)標(biāo)的主要因素

影響列車對(duì)標(biāo)的主要因素是停車階段制動(dòng)系統(tǒng)的跟隨性和信號(hào)系統(tǒng)控車的準(zhǔn)確性。在列車高速階段，電制動(dòng)的響應(yīng)速度因其是對(duì)電子元器件進(jìn)行控制，響應(yīng)速度通常比較快，可以較好地跟隨信號(hào)系統(tǒng)的控車策略；空氣制動(dòng)系統(tǒng)因其特有的機(jī)械特性，跟隨性稍顯不足。

1）停車階段空氣制動(dòng)系統(tǒng)的跟隨性。車輛在低速進(jìn)入停車階段時(shí)，如果電空轉(zhuǎn)換匹配出現(xiàn)瑕疵，牽引控制單元輸出的電制動(dòng)衰減信號(hào)存在延時(shí)不足，出現(xiàn)牽引控制單元電制動(dòng)力減少時(shí)，空氣制動(dòng)沒有做出及時(shí)的響應(yīng)和補(bǔ)充電制動(dòng)力的不足，導(dǎo)致列車獲得的總制動(dòng)力減少，出現(xiàn)車輛沖標(biāo)情況。王鵬[2]在廣州地鐵5號(hào)線對(duì)此做過(guò)相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)車輛自動(dòng)模式（ATO）下，在乘客大流量時(shí)頻繁發(fā)生停車不準(zhǔn)，原因是車輛低速工況下電空制動(dòng)混合配合不好導(dǎo)致。路象群[3]在廣州地鐵A2型車項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)牽引控制單元電制動(dòng)力衰減與空氣制動(dòng)上升期間約1 s，該過(guò)程在車輛自動(dòng)模式（ATO）時(shí)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)力調(diào)整的，電制動(dòng)力的衰減和空氣制動(dòng)力的上升的匹配關(guān)系顯得尤為重要，若匹配不當(dāng)則會(huì)出現(xiàn)過(guò)制動(dòng)或制動(dòng)力不足的情況，導(dǎo)致列車停車不準(zhǔn)。牟平[4]發(fā)現(xiàn)在哈爾濱地鐵1號(hào)線車輛電制動(dòng)的延時(shí)退出對(duì)電空制動(dòng)混合的影響，因空氣制動(dòng)系統(tǒng)從收到制動(dòng)指令到建立空氣制動(dòng)力的時(shí)間需要400 ms左右，牽引控制單元電制動(dòng)力的延遲衰減時(shí)間要與空氣制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力的建立時(shí)間匹配，才能實(shí)現(xiàn)電空轉(zhuǎn)換的平緩過(guò)渡，理想的電空轉(zhuǎn)換如圖1所示。

為了彌補(bǔ)空氣制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械響應(yīng)較慢的不足，在列車到達(dá)設(shè)定速度時(shí)，對(duì)制動(dòng)缸施加預(yù)壓力，以縮短空氣制動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間，提高其跟隨性能，盡可能實(shí)現(xiàn)電空制動(dòng)的平滑過(guò)渡。

2）信號(hào)系統(tǒng)控車的準(zhǔn)確性。信號(hào)系統(tǒng)控車的準(zhǔn)確性主要取決于對(duì)列車位置、速度的準(zhǔn)確獲取和控制算法的精準(zhǔn)性。

本文主要分析電空制動(dòng)混合過(guò)程中空氣制動(dòng)系統(tǒng)的跟隨性對(duì)精準(zhǔn)停車的影響。

3 案列分析

3.1 空氣制動(dòng)預(yù)壓力分析

以某全自動(dòng)駕駛地鐵項(xiàng)目為例，對(duì)空氣制動(dòng)預(yù)壓力在列車精準(zhǔn)停車方面影響進(jìn)行分析。該項(xiàng)目是A型不銹鋼車項(xiàng)目，軸重不大于17 t，空氣制動(dòng)采用輪盤制動(dòng)型式。通常手動(dòng)駕駛列車情況下，為了縮短空氣制動(dòng)在電制動(dòng)和空氣轉(zhuǎn)換階段的響應(yīng)時(shí)間，空氣制動(dòng)預(yù)壓力設(shè)定值在0.02～0.04 MPa之間。李潔等[5]為了縮短空氣制動(dòng)控制單元（BCU）的響應(yīng)時(shí)間，在制動(dòng)工況時(shí)，當(dāng)列車速度小于12 km/h時(shí)，設(shè)定BCU自動(dòng)施加預(yù)壓力（0.035 MPa左右），響應(yīng)時(shí)間的提升得到較好的結(jié)果。采用踏面制動(dòng)單元的成都軌道交通2號(hào)線采用空氣制動(dòng)預(yù)壓力0.02 MPa，實(shí)現(xiàn)了較好的列車自動(dòng)控制模式（ATO）的對(duì)標(biāo)性能[6]。測(cè)試案例在2012年設(shè)計(jì)階段停車控制階段空氣制動(dòng)預(yù)壓力策略如下：在列車速度達(dá)到20 km/h時(shí)，空氣制動(dòng)系統(tǒng)施加0.03 MPa的預(yù)壓力，以縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在測(cè)試階段，列車出現(xiàn)欠標(biāo)的情況時(shí)有發(fā)生，在空載期間，發(fā)生欠標(biāo)的次數(shù)逐漸增加。正式商業(yè)運(yùn)營(yíng)一周后，整條線路一次性停車欠標(biāo)的次數(shù)從10次逐漸增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每輛車都曾發(fā)生過(guò)一次性停車欠標(biāo)現(xiàn)象。

經(jīng)分析可能是施加預(yù)壓力后，閘片與制動(dòng)盤之間產(chǎn)生了一定的制動(dòng)力。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，空載工況下預(yù)壓力大約產(chǎn)生0.07 m/s2的減速度，大約占空載制動(dòng)力的6%（約8 kN）。由于列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)預(yù)壓力產(chǎn)生的氣壓制動(dòng)力進(jìn)行了補(bǔ)償，因此初始設(shè)置的制動(dòng)需求被認(rèn)為是不準(zhǔn)確的。在混合制動(dòng)后，列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)必須重新修正制動(dòng)需求，導(dǎo)致列車出現(xiàn)對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的欠標(biāo)現(xiàn)象。針對(duì)以上情況，首先對(duì)空氣制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

3.2 空氣制動(dòng)控制壓力精準(zhǔn)度測(cè)定

在列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)出不同制動(dòng)級(jí)位的情況，對(duì)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試工況如下：制動(dòng)級(jí)位4%，列車空載工況下制動(dòng)力約6.8 kN；制動(dòng)級(jí)位5%，制動(dòng)控制單元需輸出約0.03 MPa的壓縮空氣，試驗(yàn)結(jié)果表明引起0.07 m/s2的減速度，如上文所述；制動(dòng)級(jí)位為0時(shí)，制動(dòng)力也為0。在車輛速度超過(guò)20 km/h時(shí)，按如下制動(dòng)級(jí)位順序進(jìn)行測(cè)試：20%→30%→40%→30%，檢測(cè)制動(dòng)缸壓力，每3 s改變一次制動(dòng)級(jí)位需求。在車輛速度小于20 km/h時(shí)，施加20%制動(dòng)級(jí)位，測(cè)量制動(dòng)缸壓力。

測(cè)試結(jié)果如表1所示，測(cè)試結(jié)果完全符合空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表1 控制壓力精度的測(cè)試結(jié)果 MPa

3.3 制動(dòng)緩解的時(shí)間測(cè)試

前期測(cè)試軟件空氣制動(dòng)系統(tǒng)施加和緩解按沖擊滿足0.8 m/s3設(shè)定。在新版測(cè)試軟件中，通過(guò)增大釋放沖擊率到1.0 m/s3，在空載特定工況下，測(cè)試結(jié)果顯示最大常用制動(dòng)緩解的時(shí)間縮短約20%。在一定程度上，可以提高響應(yīng)速度，但是影響較小。王亮等[7]在調(diào)整南寧軌道交通1號(hào)線停車精度時(shí)，曾采用過(guò)增大沖擊到1.2 m/s3的方案，對(duì)特定項(xiàng)目產(chǎn)生了積極的影響。經(jīng)評(píng)估，案例項(xiàng)目未采取增大沖擊率進(jìn)行調(diào)整的方案。

以上測(cè)試表明，空氣制動(dòng)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。但是在電空制動(dòng)混合后，因空氣制動(dòng)系統(tǒng)的緩解響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)制動(dòng)力過(guò)大，但是已沒有足夠時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致欠標(biāo)頻率的增加。

3.4 空氣制動(dòng)系統(tǒng)預(yù)壓力值設(shè)置的修正

與列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的控制策略相協(xié)調(diào)，并通過(guò)現(xiàn)車測(cè)試，將空氣制動(dòng)系統(tǒng)預(yù)壓力由0.030 MPa調(diào)整為0.021 MPa，保持之前設(shè)定的制動(dòng)系統(tǒng)施加和緩解沖擊率為0.8 m/s3。正線現(xiàn)場(chǎng)空載測(cè)試獲得良好的停車精度，在全部多輪測(cè)試中，停車精度（客室車門中心線與站臺(tái)屏蔽門中心線距離）均在±250 mm以內(nèi)，未出現(xiàn)停車不準(zhǔn)現(xiàn)象，完全滿足全自動(dòng)駕駛對(duì)停車精度的要求。

預(yù)壓力的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖2所示，軟件設(shè)定值為0.021 MPa，現(xiàn)車實(shí)測(cè)值為0.014 MPa，符合空氣制動(dòng)控制精度要求。

圖2 預(yù)壓力現(xiàn)車實(shí)測(cè)值

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)電空混合制動(dòng)原理分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得空氣制動(dòng)系統(tǒng)預(yù)壓力的合理設(shè)定值，為全自動(dòng)駕駛列車的精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)停車提供了有力的參考依據(jù)；2）合理設(shè)置預(yù)壓力，提高空氣制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間；減小或忽略因預(yù)壓力帶來(lái)的額外制動(dòng)力對(duì)停車精度的影響；3）提出的合理空氣制動(dòng)預(yù)壓力設(shè)定值，可以作為全自動(dòng)駕駛列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置預(yù)壓力的參考值使用，縮短全自動(dòng)無(wú)人駕駛車輛項(xiàng)目對(duì)標(biāo)調(diào)試周期。