列車對標不準理論分析與處置研究

徐玉寶

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 210021）

0 引言

城市軌道交通運營對列車在站臺對標停車精度和準確率有嚴格的要求，在±0.50 m 范圍內準確率達到99.999 8%；在±0.30 m 范圍內準確率達到99.995%。精確對標停車準確度一直是個難點問題，要達到如此高的準確度需要的不僅是信號系統對列車定位和ATO（Automatic Train Operation，列車自動運行系統）曲線的完美控制，更要求車輛牽引制動能夠做好相應匹配。

在實際運營中存在的對標問題主要表現為列車以ATO 模式進入站臺后沖標或欠標（超出±50 cm 的范圍）。所謂沖標，是指列車在站臺區對標站臺門停車時過沖停車點，使列車中心超過站臺門中心點50 cm，導致列車無法進站開門，嚴重時可能存在冒進信號的風險。欠標是指列車中心還未到達站臺中心點即停車，一般將停車后距站臺中心超過50 cm 認為欠標。在列車對標不準時，列車將無停靠YES，車門不能自動打開。一般需要進行二次對標找到停車點再手動開門，影響行車效率，在城市軌道高水平運營中已經成為一個重要制約因素。目前行業內部在列車對標不準的處置是一個難點，在用的各系統均有此問題，雖然進行了大量的處置分析和系統升級，但是對標問題隨著運營的持續再次凸現出來。本文通過對信號系統的理論分析和現場測試數據進行研究，探討對標不準的若干影響因素，提出了以VCS（Vehicle Characteristic Simulate，車輛特性模擬）測試方法檢測車輛牽引制動狀態，優化車輛氣制動接管時機以及車載VOBC（Vehicle On-Board Controller，車載控制器）對標方案，解決列車對標不準問題。

1 技術分析

一種典型的CBTC（Communication Based Train Control，基于通信的列車自動控制系統）控制級精確定位停車原理是車載VOBC 根據停車點和列車的常用制動力、線路參數、列車位置等計算ATO 的停車曲線，在站臺區域設置多個應答器以進一步提高列車的位置精確度。列車經過地面信標，車載VOBC 位于車底的T（ITransponder Interrogator，應答器詢問器）天線（圖1），不停地監測和讀取地面信標的信息，感應到的信標信息將傳回車載VOBC，控制器比對當前計算位置和實際位置，如果計算位置在合理范圍內，當前計算位置將被重置為實際位置實時計算出當前需要精確停車的速度。為了進一步保證停車精度，在列車停車點設置接近盤，在車底安裝接近盤感應器，接近盤和感應器的設置確保列車停準時，接近盤的感應器與地面的接近盤正好對齊，使列車在停穩后落在停車窗±30 cm 以內。

圖1 列車車底終端設備示意

精確對標控制末端通過列車緩行以探測該接近盤，在接近傳感器檢測到接近盤時，就向VOBC 發出一個對位信號，此時VOBC 會施加制動，控制列車停在停車點。在列車為零速度狀態后，VOBC 施加制動命令。接近傳感器安裝在TC1 的轉向架機框上，用來檢測安裝在軌旁的接近盤。當接近傳感器檢測到接近盤時，信號由低電平變為高電平，VOBC 在接收到此信號后，才會給列車提供停靠YES。當MAU（Movement Authority Unit，運動控制單元）接收到VOBC 發送的PSD（Platform Screen Doors，屏蔽門）使能請求時，MAU 檢查命令打開PSD 的使能狀態，MAU確認列車報告列車的位置，包含了列車頭部到尾部的完整信息，完全在數據庫定義的站臺區域內停準和停止通過后，MAU 將接收并使能VOBC 請求的PSD 打開請求并轉發給聯鎖，聯鎖接收到有效的PSD 打開命令后使PSD 打開命令繼電器勵磁，同時使關閉命令繼電器失磁。停站時間結束，司機請求車門關閉。VOBC檢測到關閉請求后將發送關門命令給MAU，MAU 接收關門命令并轉發給聯鎖進行關閉PSD 操作，如果VOBC 檢測到車門關閉且鎖閉狀態后也會發送使能失效命令給MAU。在此精確停車過程中包含了接近傳感器的精確探測，系統數據庫中對站臺區定位信標以及接近盤的位置信息以及車輛制動狀態的效能。

通過以上分析，造成對標不準可能的原因有：①接近傳感器高度偏差造成的沖標；②系統軟件及數據庫配置造成的對標不準；③車輛系統的響應問題造成的對標不準。

2 現場測試

2.1 針對接近傳感器高度偏差造成的沖標

接近盤是安裝在軌旁停車窗的金屬板，長度為1 m，其中心為停車窗的中點，接近傳感器的探測距離約120 mm，安裝高度距離柜面約115 mm，安裝要求如圖2 所示。隨著距離的增加探測有效性遞減，當超過一定距離后，探測功能丟失。因此當接近傳感器高度增加時，將造成列車沖標的概率增加。

圖2 列車接近傳感器安裝高度

為了深入研究，選取南京地鐵S1 號線為研究對象，在測試前對全線所有列車接近傳感器高度進行測量，全部調整為（120±3）mm。對于部分故障頻發的列車，及時調整感應高度，嘗試更換硬件并在試車線進行測試驗證，由此造成的對標不準故障數減少。

2.2 針對系統軟件及數據庫配置造成的對標不準

造成對標問題的第2 種原因是車載數據庫數據錯誤以及軌行區精確對標設備安裝位置偏差。靜態線路數據庫詳細描述了行駛區段，定義了列車的控制運行方向，行駛區段可以是單向的也可以是雙向的。VOBC 通過安裝在車輪輪軸上的速度傳感器從VOBC 的ATP（Automatic Train Protection，列車自動保護系統）數據庫里定義的2 個指定應答器之間自動確定車輪直徑（補償車輪磨損），進行校準操作。當列車通過這2 個應答器，車下的應答器天線讀到應答器使VOBC 比較由速度傳感器實際測得的距離與數據庫中的距離，比較確定實際車輪直徑。確認位置的前提條件是TI 天線和速度傳感器都能正常工作。如果兩者在限定的誤差內，列車的位置便確定，而且列車的確切位置及方向也能被辨認出來。對應于每個檢測到的應答器，VOBC 將調整定位不確定性偏差。在2 個應答器之間，列車位置由輸入的轉速計信號而確定。MAU 根據VOBC 報告的列車位置并與數據庫中定義的站臺信息做比較，以驗證使能命令。VOBC 基于其數據庫和軌旁設備提供的信息確定ATO 停車點。如果VOBC 報告“停站”，站臺門使能命令被激活，有效的使能命令會被轉發給聯鎖。

在上述論述過程中，發現列車的定位信息依賴于數據庫中的定義數據，如果定義的數據有偏差，勢必導致列車無法精確定位而導致對標偏差。對此委托供貨商對車載信號系統數據庫再次核對和配置，同時在對標問題較多的正方中路站、翔宇路北站及翔宇路南站對信標及接近盤間距進行復測，現場以岔尖為標準，偏差均在正常范圍內（定測以站臺中心為標準，復測以岔尖為標準），數據無異常。

2.3 針對車輛系統的響應問題造成的對標不準

在排除了前面兩個問題之后，最終影響列車對標不準的就只有與車輛系統的制動技術接口，通過ATO 停站精度測試及車輛VCS 性能測試，檢查車輛系統對不同級位的響應狀態，進一步研究對標的影響因素。

根據測試結果發現車輛電空轉換性能明顯下降，直接影響了ATO 精確對標停車。測試結果如圖3 所示，圖中方波信號為車載VOBC 輸出的Effort 等級，與之匹配的是列車的響應加速度，正值代表當前輸出牽引命令，負值則為制動命令，表示列車當前正在減速。

圖3 VCS 測試中電空轉換加速度波動情況

在VCS 測試中，當Effort 級位為68.7%時，在電空轉換階段，減速度經過一段穩態值后先減小到-0.653 m/s2，隨后迅速增大至-0.927 m/s2，整個過程中列車減速度波動值約為0.27 m/s2；當Effort 級位為60.5%時，在電空轉換階段，減速度經過一段穩態值后先是減小到-0.532 m/s2，隨后增大至-0.797 m/s2，整個過程中列車減速度波動值約為0.26 m/s2；當Effort 級位為51.5%時，在電空轉換階段，減速度先是減小到-0.495 m/s2，隨后增大到-0.698 m/s2，整個過程中列車減速度波動值約為0.20 m/s2。

從上述分析可知，在不同的Effort 級位下發生電空轉換時，其制動力的變化均大于0.18 m/s2，嚴重的甚至達到0.27 m/s2。車輛與車載信號系統之間的接口要求如圖4 所示，明確提出“不管當前列車的速度值大小，不管當前列車系統的運行條件是什么（如列車牽引電壓），制動的混合應能保證制動力的變化不大于0.1 m/s2，同時制動的混合應在0.8 s 內完成”。顯然，根據目前ATO 測試數據可以看出，車輛發生電空轉換時制動力的波動并未達到技術要求。

圖4 車輛與車載信號系統之間的接口技術要求

車輛制動在停站控制方式上先采用電空結合的方式，高速工況下優先使用電制動，通過施加反向電動扭矩，實現列車由高速工況向低速工況的過渡。由于電制動在制動的末端制動效果下降，因此當車速接近6 km/h 時氣制動接管并迅速降低列車速度，帶來良好的制動效果。但是由于技術和設備原因，在電空轉換過程中存在接管不平滑和波動現象。因此，在車輛制動供貨商提前了氣制動接管時機后，測試結果如圖5 所示，通過數據分析：車輛牽引制動性能在參數調整后列車發生電空轉換時列車減速度的波動得到了改善，尤其是在Effort 級位為40%～70%時，改善效果顯著；Effort 級位為80%時，雖然列車的電空轉換減速度波動值仍然較大，但是對比未修改前還是有一定的改善效果。通過后續修改，最終測試結果滿足要求。

圖5 改善后VCS 測試中電空轉換加速度波動情況

3 結論

隨著列車運營時間的增加，列車電空轉換性能會有一定的下降，車載信號系統的精確對標停車建立在可靠的牽引制動性能之上，如果列車在制動過程中，其電空轉換過渡差異過大，轉換時間過長，則必然導致列車對標偏差。當電客車制動的混合不能保證制動力的變化不大于0.1 m/s2，制動的混合不能在0.8 s內完成車輛與車載信號系統之間的技術接口要求時，將會表現為頻繁的欠標。在處理列車對標不準的問題方面，需要聯合車輛牽引制動優先測試列車電空轉換狀態，在確保其正常的情況下再排查信號系統對標停車機制。