城市軌道交通 ATO 停車精度改進分析

任培勇

（南京恩瑞特實業有限公司，江蘇南京 211106）

1 引言

列車自動運行（ATO）子系統一般采用高可靠性的冗余硬件結構和軟件設計，采用均質棒列車模型對列車速度實現實時預測和閉環控制，確保列車運行的準點性、節能性和舒適性，實現精確停車。ATO系統是在列車自動防護（ATP）子系統的安全防護下，根據列車自動監控（ATS）子系統提供的運營信息自動控制列車運行，保證列車能夠精確停車（停在±0.3 m范圍內的概率為99.995%）。在某信號系統調試過程中，多列車陸續發生了以ATO模式進站欠標和沖標的問題。針對此問題，文章結合車輛各專業進行多方面分析、優化和調整，提出整體改進方案。

2 停車精度影響因素分析

2.1 調試初期停車精度統計

調試前期，通過對ATO停車欠標、沖標情況進行統計和分析，發現停在±0.3 m范圍內的概率僅為86.6549%，不滿足指標要求。經分析，影響ATO停車精度的原因主要包括：車輛閘瓦磨合不到位、電空轉換參數不合理、氣制動參數不合理、線路附加阻力不確定、ATO測量減速度偏差較大和ATO控制算法不完備等。

2.2 車輛制動性能

車輛系統制動性能的穩定性是ATO精確停車的前提，下面從整體制動響應、制動電空轉換過程、純氣制動響應等方面對車輛制動系統的制動性能展開分析。

（1）整體制動響應。列車100%級位對應的制動減速度應為1.0 m/s2，當ATO輸出80%的級位時，期望減速度為0.8 m/s2，而實際列車響應的減速度偏大（實測值為1.03 m/s2），容易造成對位停車欠標，如圖1所示。經分析，出現該情況的原因為閘瓦磨合不到位。

圖1 整體制動響應示意圖（改進前）

（2）制動電空轉換過程。由圖2可知，電制動力在8 km/h左右開始退出，且電制動力退出斜率較大（列車超員工況下為4×82 500 N/s）；但此時氣制動響應偏慢，導致制動響應不及時，容易造成沖標。

圖2 制動電空轉換-電制動退出過程示意圖（改進前）

（3）純氣制動響應。通過對圖3中速度傳感器（MVU）測量減速度的分析可知，在車輛由電空混合制動轉為純氣制動時，響應的制動減速度偏大（計算得到最大制動減速度可達1.59 m/s2），使得列車速度迅速下降，而氣制動本身響應較慢，在最后停車階段不能及時響應ATO調整后的小級位，導致列車停車欠標。

圖3 純氣制動響應示意圖（改進前）

2.3 線路條件

通過對實際運行數據進行統計，發現ATO的停車精度會因站臺的差異存在統一超前或滯后的情況，由此可推斷站臺線路坡度配置數據與實際存在偏差。

2.4 信號系統

（1）減速度測量異常。由于信號車載設備使用的測速雷達補償較大，低速時雷達測量減速度產生波動會引起MVU測量減速度異常（產生延時較小的減速度），而ATO采用了ATP減速度（延時較大的減速度），從而導致沖標，如圖4所示。

圖4 MVU測量減速度示意圖（改進前）

（2）ATO控制方式。ATO在停車階段控制級位變化幅度較大，導致控車平穩性欠佳，在一定程度上影響了停車精度，如圖5所示。

圖5 ATO停車階段級位輸出示意圖（改進前）

3 改進措施

3.1 制動性能的改進

（1）閘瓦磨合。通過對所有列車進行充分的閘瓦磨合試驗，閘瓦充分磨合后的車輛整體制動響應如圖6所示。由圖可知，經過充分磨合后的閘瓦制動響應性能滿足要求。

圖6 整體制動響應（閘瓦充分磨合后）

（2）電空轉換參數調整。對車輛網絡管理系統進行參數調整，將ATO模式下電空轉換起始速度從8 km/h修改為4 km/h，同時將電制動退出延時時間由340 ms修改為560 ms，改進后的電控轉換制動響應如圖7所示。由圖可知，經過參數調整后的電控轉換制動響應性能滿足要求。確保車輛制動性能與其他列車保持較好的一致性；同時建議車輛系統整體考慮減小30%和40%固定級位下的恒定減速度偏差；目前所有的數據統計和分析都是基于空載（AW0）下進行的，需車輛確認重載（AW2）和滿載（AW3）情況下制動特性是否與AW0有較好的一致性，避免后續因載重的差異引起停車精度的偏離。車輛制動系統據此建議進行了參數調整，將預壓力施加速度點從8 km/h更改至10 km/h，電空混合過程中，氣制動力值從75%削減至70%。改進后，低速氣制動響應值基本滿足要求。

圖7 電空轉換階段制動響應示意圖（改進后）

3.2 ATO 控制優化

（3）氣制動參數調整。為解決氣制動性能較差導致列車停車精度不滿足指標要求的問題，同時進一步提高和確保所有列車的整體停車精度，對車輛提出以下建議：對車輛制動性能較差的列車進行調查分析和處理，

3.2.1 增加線路特性補償

根據不同站臺的線路條件差異，進行線路附加阻力減速度差異性補償，增加配置文件并對ATO相關控制方案進行優化。增加線路特性補償后，列車減速度跟隨性有較好提升，如圖8所示。

圖8 列車減速度跟隨性提升示意圖

3.2.2 優化測速補償參數

在列車低速運行時，減小測速雷達測量減速度的補償參數，使ATO控制使用的測量減速度始終為延時較小的MVU測量減速度。補償處理后，使用的測量減速度精度有所提升，如圖9所示。

圖9 MVU測量減速度示意圖（改進后）

3.2.3 優化 ATO 控制算法

根據上文的解決方案，在車輛專業和測速測距系統優化和調整后，對ATO停車控制策略進行了優化。整體控制策略采用減速度“模糊預測比例積分控制器（PI） +恒量約束”的控制算法，具體控制過程如下。

（1）當速度v≥16.5 km/h時。目標制動減速度為0.78 m/s2，車輛最大制動減速度限定為1.15 m/s2。

（2）當6.5 km/h＜v＜16.5 km/h時。目標制動減速度為0.54 m/s2，車輛最大制動減速度限定為1.15 m/s2；當列車到站臺停車點的距離小于8 m時，車輛最大制動減速度限定為0.54 m/s2，車輛最小制動減速度限定為0.35 m/s2，同時進行線路附加阻力減速度差異性補償。

（3）當4.8 km/h＜v≤6.5 km/h時。車輛最大響應制動減速度設置為恒定值1.15 m/s2，恒量約束減速度輸出值（根據速度和距離查表確定，保證輸出級位在35.1%～43.5%范圍內）。

（4）當0 km/h＜v≤4.8 km/h時。車輛最大響應制動減速度根據預測速度線性差值計算得到（1.15～1.48 m/s2），ATO輸出減速度通過結合速度和距離計算獲取，恒量約束幅值為0.017 6 m/s2。

（5）當列車到站臺停車點的距離小于60 cm時。車輛最大響應制動減速度根據預測速度線性差值計算得到（1.15～1.48 m/s2），ATO輸出減速度為恒定值0.8 m/s2。控車算法優化后的ATO控制級位如圖10所示，可見控車的平穩性得到了較大提升。

圖10 ATO控制級位示意圖（改進后）

4 改進效果

經過持續改進，以上調整策略取得了良好效果， 實際運營中ATO在站臺的停車誤差滿足在±30 cm范圍內的概率不小于99.995%、在±50 cm范圍內的概率不小于99.999 8%的停車精度要求，如圖11所示。

圖11 停車精度統計結果

改進后，ATO子系統不僅能夠自動控制列車在實體站站內精確停車，同時ATO子系統也可實現列車在折返線和停車線的精確停車。

列車進站時，在進站停車過程中，考慮到運行舒適度與行車效率，ATO子系統計算出高效且沖擊率較小的一次性制動曲線，同時進站過程中采用一次連續制動模式制動至目標停車點，中途制動不緩解。

列車到站精確停車后，ATO子系統輸出保持制動命令至車輛，由車輛施加保持制動，防止溜車的發生。停站過程中，若列車處于自動駕駛模式（AM）下，則ATO子系統將持續輸出保持制動命令。

列車啟動后，ATO子系統在輸出牽引命令及級位時取消保持制動命令的輸出，保持制動的真正緩解由車輛負責，即ATO子系統取消保持制動命令輸出時，車輛并不會立即緩解保持制動，而是在保證牽引力足以控制列車前進時才真正緩解保持制動。

5 結論

ATO無法定位停車是城市軌道交通信號系統調試過程中的常見問題，ATO的停車精度受車輛制動電空轉換執行情況、氣制動性能、測速精度、線路條件以及ATO控車策略的多重影響。發生ATO定位停車不準的問題時，需結合現場運行數據對影響停車精度的因素進行多方面分析排查及協調改進，以達到較好的停車效果。

此改進方案已在南昌地鐵3號線信號系統ATO中得到了應用，此方案能夠有效解決項目中停車精度欠佳的問題，為后續此線路的高效運營奠定了基礎；同時，通過對信號ATO系統調試工作的研究，為今后新建設和改造項目中ATO系統的應用提供參考。