廣州地鐵六號線L3型車架修后沖標故障分析

刁滿佳，代秀秀，楊丹楓

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510310）

0 引言

地鐵車輛沖標是指列車在ATO模式運行條件下，由車輛信號系統控制車輛進站停車過程中，超出車站的指定停車區間，稱為沖標。當列車停在車站停車區間內的停車點，車輛已檢測到零速且施加制動，信號設備發出開門允許授權，授權列車打開正確側車門；當列車停車超出車站的停車區間，車載信號接收超出信號機的范圍，即使在零速且施加制動的情況下，車門可能無法正常打開，需通過司機進行手動對標，影響列車運行效率，極易造成列車晚點［1］。廣州地鐵6號線L3型車檢測列車停穩在停車點±50 cm范圍均可正常實現屏蔽門與車門聯動，一旦列車停穩后距離停車點超出50 cm，屏蔽門與車門無法聯動，繼而出現沖標故障。

列車沖標是列車運行時常發生的問題，其往往與列車的制動系統和車輛與信號系統的接口問題相關。羅曦春等［1］從車輛制動控制等方面闡述了列車沖標的可能原因，并以沖標實例展開分析。羅慶［2］通過對廣州地鐵4號線沖標問題的分析，得出直線電機車型感應板的不連續性是造成列車沖標的原因之一，并提出了改進措施。列車沖標是一個復雜的系統問題，其與車輛控制系統、制動系統、信號系統、輪徑值與系統的匹配性、制動施加的磨合性、信號傳輸延時及軌旁設備等因素息息相關，而頻繁的沖標故障對行車組織也帶來一定的壓力［3－5］。陳寧寧等［6］及劉明［7］分別從車地通信雙通道冗余防護系統的研究和基于列車自動控制曲線研究沖標防護系統方面開展對列車沖標故障防范措施的研究。

1 對標原理分析

在正線ATO運行進站對標期間，由信號系統給出牽引制動的0～10 V電壓的模擬量信號，經過列車控制及診斷系統（TMS）的模／數轉換及處理后，以網絡的方式傳遞到牽引系統的門控單元（DCU）和制動系統（ECU）。在停穩對標的第一階段，當列車速度小于6 km／h的情況下，由制動指令和電制動有效信號發起，然后空氣制動開始逐漸取代電制動。在第二階段，空氣制動完全取代電制動，所施加的制動力滿足制動需求和沖動限制。在第三階段，當保持制動信號有效、制動施加以及保持制動確保列車能停在斜坡上而不倒溜。當列車停在車站停車窗內的停車點，車輛已檢測到零速且實施制動，信號設備發出開門允許授權，授權列車打開正確側車門；如果包括列車運行對標過程錯過停車點超出允許范圍，信號設備不發出開門授權；六號線L3型車檢測列車停穩在停車點±50 cm范圍均可正常實現屏蔽門與車門聯動，一旦列車停穩后距離停車點超出50 cm，屏蔽門與車門無法聯動，繼而出現沖標故障。

2 原因分析

故障發生后，廣州地鐵聯合車輛和信號專業從車輛電制動功能、車輛氣制動功能、車輛進站期間電制動與氣制動配合、信號控制、車輛與信號接口配合幾個方面調查，分析造成車輛ATO進站沖標的故障原因。

2.1 電制動功能核查

檢查故障時刻車輛監控數據，牽引系統無故障，列車電制動功能無異常，將架修后故障沖標車的電制動部件互換到其他正常列車后故障未轉移，互換后原對標正常列車上線運營對標準確無故障，故障沖標車上線運營仍有沖標現象，判斷L3型車架修后電制動相關部件無異常。

2.2 氣制動功能核查

試車線按壓SBUCO按鈕切除車輛電制動驗證純氣制動功能，測量10組以上純氣制動工況下100%常用制動及快速制動的減速度和制動距離，數據如表1所示，各項數值均在正常范圍內，判斷L3型車架修后列車純氣制動功能無異常。

表1 40 km／h初速度時不同工況下切除電制動純氣制動的制動距離測試

2.3 列車進站期間電制動與氣制動配合情況核查

通過分析沖標前的電制動與氣制動ER數據，在沖標故障前，由信號系統給出制動模擬量信號以后，當車輛執行電制動至車輛速度下降約至6 km／h，此時進入停穩對標的第一階段，氣制動開始補充，電制動以一定斜率下降；在第二階段，列車速度約為3 km／h時，電制動完全由氣制動取代，電制動力退出；第三階段，保壓制動有效，此時列車對標準確停穩。保持制動確保列車能停在斜坡上而不倒溜，如圖1所示，判斷列車進站電制動與氣制動配合無異常。

圖1 電制動退出

2.4 信號控制方面核查

故障發生后，信號專業下載數據檢查信號相關ATO參數正常，為進一步排除信號設備問題，將對標有關的CBS（編碼里程計和信標天線接口管理）板，cmP（核心處理板）板與其他正常無故障車對換，并更新信號速度傳感器，后續跟蹤故障車上線運營時仍出現沖標故障，故障未消除，判斷信號控制無異常。

2.5 車輛與信號接口配合

通過查看故障時刻車輛與信號接口數據可知，信號控制車輛牽引制動模擬量與車輛實際收到的牽引制動模擬量存在固有500 ms網絡延時，由于延時存在，會導致信號與車輛接口控制精度誤差偏大，列車高速度段同樣存在車輛速度線跟隨不佳現象，見圖2。

圖2 信號與車輛接口數據

在車輛克諾爾控制系統停車對標階段控制邏輯中，列車速度下降到3 km／h電制動完全退出后，氣制動只按30%級位執行，以避免停車前減速率過大給乘客產生沖擊感，提高乘客舒適度，如圖3所示。但是通過查看信號控制數據細節，在純氣制動階段克諾爾制動系統只按30%級位執行（圖3），雖然此時信號系統已給出最大控制制動模擬量（圖2），仍然出現了對標良好車與沖標故障車在純氣制動階段（3 km／h以下）列車實際速度與信號推薦速度均存在偏離的情況，由此可知，六號線的車輛與信號系統存在固有匹配缺陷。對于純氣制動階段克諾爾制動系統只執行30%級位的固有控制邏輯設計，六號線信號系統并沒有進行相應的控制配合設計，致使在設計源頭上就存在一定程度車輛系統與信號系統的控制配合不佳的影響。

圖3 氣制動系統數據

另經查詢制動距離的標準文件進行計算，3 km／h車速的情況下純氣制動階段100%級位與30%級位的制動距離偏差最大可達72 cm。詳細計算如下。

（1）3 km／h車速100%制動級位的制動距離計算

制動減速率分配為：

制動等效減速率為：

等效延遲響應時間為：

平均減速率為：

制動距離為：

（2）3 km／h車速30%制動級位的制動距離計算

制動減速率分配為：

制動等效減速率為：

等效延遲響應時間為：

平均減速率為：

制動距離為：

另通過信號控制數據，如圖4所示，六號線信號系統在車輛速度與列車度存在偏差時，輸出控制車輛系統的控制制動模擬量以一定斜率上升至模擬量最大值的60%～70%，此時車輛速度與信號推薦速度在一個較寬泛的時間段逐漸貼合，對比其他線路信號控制系統100%補償修正，六號線信號系統在補償修正輸出級位低于其他信號系統，對車輛配合響應提出更高要求。

圖4 沖標故障信號數據

對于特殊沖標故障車，如L3－019020車，在分析其沖標故障期間的信號數據發現（圖4），在列車停穩對標前，車輛實際速度為10 km／h左右，信號系統推薦減速度大于車輛實際減速度（減速度為負值，比較其絕對值），此時由于車輛減速度未能達到信號推薦值，信號系統應該增大制動模擬量，而如圖4所示，信號控制制動模擬量卻存在一個下降趨勢，對比正常對標的06083084車，如圖5所示，由于車輛實際減速度大于信號推薦減速度，信號控制制動模擬量存在下降趨勢為正常邏輯，由此推測，在車輛實際減速度與信號推薦減速度存在偏差時，信號控制制動的不穩定性對車輛系統與信號系統的匹配產生了一定偏差。而在電制動退出氣制動補充階段（車速3 km／h），由于信號控制模擬量下降再以最大斜率上升至最大值，即信號系統輸出控制制動模擬量存在列車最后停車階段由下降到急劇上升過程，氣制動隨之響應需要一定時間（約0.5 s），此過程也對車輛氣制動執行響應配合存在一定影響。

圖5 對標良好信號數據

核查沖標故障信號數據，在6－3 km／h以下電－空氣制動轉換時，如圖6所示，就開始發生信號推薦與車輛實際速度開始偏離，導致沖標故障出現，且由于L3型車架修期間，根據維修規程要求［8］，采用整列車的新輪，閘片與制動盤非原位匹配裝車，雖然通過以上測試數據可知，車輛的制動性能滿足規程及廠家標準值，但制動執行部件仍需要一個磨合過程以進一步提高制動性能，進而與信號系統達到更高的匹配程度，因此沖標故障與氣制動系統的閘片與盤之間摩擦力偏低有一定關聯。綜上調查分析可知，L3型車架修后上線運營發生沖標是由于信號與車輛控制誤差較大、3 km／h速度以下制動系統固定級位30%偏低、閘片與制動盤之間摩擦力偏低（架修后的閘片與盤仍處于磨合期）等疊加因素導致的故障發生，詳細分析如下：

圖6 故障時刻電空制動轉換點速度曲線

（1）新列車制造時存在一定控制固有誤差，信號與車輛控制接口跟隨不佳現象，與L型車非架大修質保車輛同樣存在偶發性對標不穩定現象有密切關系；

（2）由于六號線車輛系統與信號系統各自的設計特性，對于3 km／h車速以下車輛，制動系統只執行30%制動力級位的固有控制邏輯設計，信號系統并沒有進行相應的控制配合設計，導致列車進站對標低速時，信號系統對車輛速度的控制擬合較差；

（3）六號線信號系統在車輛速度與信號推薦速度出現偏差時給出的修正補償級位（制動模擬量）低于其他信號系統（其他線路為100%），導致電空混合制動階段制動車輛速度與信號推薦速度擬合度差，引起沖標現象；

（4）車輛減速度與信號推薦減速偏差時，信號控制制動存在不穩定性（正常非沖標車輛制動模擬信號穩步快速提升，沖標車輛制動模擬信號波動提升），導致車輛速度與信號推薦速度無法擬合，引起沖標現象；

（5）氣制動系統的閘片與盤之間摩擦力偏低，導致6－3－0 km以下處于電－空轉換過程，車輛速度曲線與信號推薦速度曲線開始偏離，出現沖標故障。

3 處理措施

處理措施如下。

（1）鑒于六號線制動與信號廠家溝通后，通過調整優化軟件以補償兩個系統的配合誤差，在后續運用過程的配合效果仍存在不確定性，且修改軟件產生的人力物力損耗費用較高，現階段未進行制動與信號系統軟件的優化調整。

（2）架修期間，已通過提高車輛制動閘片與制動盤的裝車選配平整度標準，對單個閘片凹凸不平整深度超過0.4 mm的進行旋切或打磨平整，同時為保證同一側閘片的平整性，需對兩片同時旋切或打磨；另對于制動盤，需檢查盤環面跳動（測量位置為盤環面中部距車軸中心約200 mm處）小于0.5 mm，盤轂端面跳動小于或等于0.1 mm。通過以上措施提高制動盤與閘片的裝車標準，提升車輛氣制動磨合效率與氣制動性能。

（3）架修調試期間，通過細化正線對標參數的管理，即后續L3型車架修后，如尾班車對標數據超出零標30 cm以上超出20%站點列車，需增加1次尾班車切除電制使用純氣制動的磨合調試作業，以提高車輛磨合效率，進而改善車輛與信號系統的接口匹配性能。

4 結束語

在聯合車輛、信號專業開展交流分析后，通過修改軟件提升信號系統與車輛制動系統配合度，以及優化車輛制動與信號控制系統自身軟件固有誤差的整改措施，不作為L3型車架修后沖標故障的首選處理措施。現階段已通過提高車輛制動閘片與制動盤的裝車平整度標準，以及增加對車輛與信號系統配合不佳，特殊列車增加尾班車切除電制動磨合閘片作業，已解決L3型車架修后沖標故障問題，六號線L3型車架修后上線運營對標正常，有效保證了地鐵運營服務質量。