莞惠城際動(dòng)車組自動(dòng)駕駛制動(dòng)施加優(yōu)化研究

袁水平

（中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司惠州電務(wù)段，廣東惠州 516023）

莞惠城際鐵路從惠州市小金口至東莞市望牛墩，線路主要呈東西走向，全長101 km，設(shè)18個(gè)車站，列車運(yùn)營最高速度200 km/h。莞惠城際在用的列控車載設(shè)備主要有300T+ATO、200C+ATO和200k+ATO 3種型號(hào)。目前莞惠城際列車在自動(dòng)駕駛運(yùn)營過程中，存在制動(dòng)方式施加不合理空氣制動(dòng)補(bǔ)償引起的閘片可使用壽命較短問題。閘片磨損不僅提高運(yùn)營成本，閘片的頻繁更換，列車的停車維修次數(shù)增加導(dǎo)致作業(yè)勞效增加，大大降低莞惠城際鐵路運(yùn)營能力。因此有必要對(duì)列車自動(dòng)駕駛制動(dòng)方式優(yōu)化，減少自動(dòng)駕駛列車的制動(dòng)沖擊，提高閘片的使用壽命，降低作業(yè)人員作業(yè)過程的強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。

1 列車運(yùn)行過程制動(dòng)沖擊較大原因分析

莞惠城際列車自動(dòng)駕駛（Automatic Train Operation，ATO）在列車自動(dòng)防護(hù)（Automatic Train Protection，ATP）限速防護(hù)下，提供啟動(dòng)、加速、巡航、惰行、制動(dòng)、停車等多種工況的控制時(shí)，結(jié)合動(dòng)車組牽引和制動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)牽引控制和制動(dòng)控制的合理分配。

莞惠城際列車在制動(dòng)（司機(jī)使用制動(dòng)手柄或者ATO施加制動(dòng)信號(hào)）時(shí)，車輛優(yōu)先響應(yīng)并采用電制動(dòng)，司機(jī)或者ATO在高速下施加大于等于常用制動(dòng)量的制動(dòng)指令時(shí)，由于高速下電制動(dòng)力發(fā)揮有限，車輛需通過施加空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充，列車的運(yùn)行速度越高，由動(dòng)能通過閘片轉(zhuǎn)化為熱能的熱量越大，對(duì)閘片損傷較大，列車運(yùn)行過程制動(dòng)沖擊明顯。

為進(jìn)一步減少因ATO施加制動(dòng)不合理，制動(dòng)沖擊較大引起的列車閘片磨損情況，結(jié)合莞惠城際列車的運(yùn)行場(chǎng)景分析，ATO施加較大制動(dòng)導(dǎo)致列車頻繁施加空氣制動(dòng)主要發(fā)生于以下情況。

1）列車在減速區(qū)或者過道岔區(qū)大制動(dòng)減速

列車在高速運(yùn)行過程，前方存在過岔限速或者站臺(tái)限速等，由于線路坡度以及限速變化等因素，ATO施加制動(dòng)減速的調(diào)速空間有限，導(dǎo)致ATO施加較大制動(dòng)快速減速的情況，空氣制動(dòng)補(bǔ)償，制動(dòng)沖擊較大。

2）起伏坡道、下坡區(qū)段巡航過程頻繁施加制動(dòng)

ATO通過施加并切換牽引、惰行、制動(dòng)指令，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控列車在起伏坡道、下坡道的運(yùn)行速度，由于列車牽引、制動(dòng)響應(yīng)延時(shí)等因素影響，導(dǎo)致ATO施加大制動(dòng)轉(zhuǎn)惰行、惰行轉(zhuǎn)大制動(dòng)情況。列車在起伏坡道或者下坡區(qū)段運(yùn)行過程中減速，若ATO施加較大制動(dòng)，制動(dòng)量施加的平穩(wěn)性較差。

3）分相區(qū)施加制動(dòng)

列車在分相區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于線路條件變化或者前方限速等因素，ATO需施加制動(dòng)減速，車輛采用空氣制動(dòng)減速，制動(dòng)沖擊較大。

4）部分自動(dòng)駕駛設(shè)備接收ATP防護(hù)限速延時(shí)較大

部分自動(dòng)駕駛設(shè)備接收ATP限速延時(shí)較大（延時(shí)2 s），ATP限速在下降的過程中，ATO無法及時(shí)施加制動(dòng)，等ATO收到ATP限速信息時(shí)，需施加較大制動(dòng)進(jìn)行減速。

2 結(jié)合自動(dòng)駕駛運(yùn)行場(chǎng)景制動(dòng)方式優(yōu)化方法

列車在高速運(yùn)行施加較大制動(dòng)時(shí)，易發(fā)生空氣制動(dòng)自動(dòng)補(bǔ)償，為進(jìn)一步減小列車的空氣制動(dòng)施加頻次，提高制動(dòng)施加的平穩(wěn)性，針對(duì)自動(dòng)駕駛運(yùn)行的場(chǎng)景進(jìn)行局部運(yùn)行控制優(yōu)化。

2.1 ATO減速制動(dòng)優(yōu)化

2.1.1 制動(dòng)切換舒適度約束

如圖1所示，ATO預(yù)判列車需要減速時(shí)，提前減速并留有足夠的速度可調(diào)區(qū)間，來保證逐級(jí)制動(dòng)施加進(jìn)行控速，且相鄰施加制動(dòng)級(jí)位的沖擊率需滿足舒適度約束。在ATO可調(diào)整速度較寬裕的情況下，動(dòng)態(tài)修改沖擊約束條件，保證制動(dòng)切換的平緩性。

圖1 列車減速制動(dòng)優(yōu)化Fig.1 Optimization of train deceleration and braking

2.1.2 側(cè)向過道岔提前減速

如圖2所示，在經(jīng)過道岔側(cè)向線路運(yùn)行時(shí)，ATO按照道岔限速下浮一定速度通過，提高ATO控速的可調(diào)空間，減少不必要的較大制動(dòng)發(fā)生。

圖2 側(cè)向過道岔提前減速優(yōu)化Fig.2 Optimization of passing a switch with deceleration in advance on the siding

2.2 分相區(qū)運(yùn)行ATO不施加制動(dòng)

自動(dòng)過分相主斷斷開與閉合，ATO結(jié)合分相區(qū)位置預(yù)判是否需提前減速（不能低于過分相區(qū)最小運(yùn)行速度）。若無需提前減速，根據(jù)ATP斷主斷的時(shí)機(jī)緩慢撤銷牽引控制。若預(yù)判需要減速，提前追加制動(dòng)減速，保證分相區(qū)內(nèi)惰行通過，減小空氣制動(dòng)施加的可能性，當(dāng)離開分相區(qū)后，緩慢恢復(fù)至正常牽引制動(dòng)施加。減速運(yùn)行過分相優(yōu)化過程如圖3所示。

圖3 減速運(yùn)行過分相優(yōu)化Fig.3 Optimization of passing neutral zone in deceleration operation

2.3 起伏坡道、下坡道巡航調(diào)速增加可浮動(dòng)速度窗

針對(duì)起伏坡道以及下坡道減速運(yùn)行優(yōu)化，可參考列車減速制動(dòng)優(yōu)化方法，通過提前減速并留有足夠的速度可調(diào)區(qū)間保證逐級(jí)制動(dòng)施加控速；針對(duì)起伏坡道以及下坡道巡航過程，可將ATO的巡航階段增至牽引巡航、巡航以及巡航制動(dòng)3個(gè)狀態(tài)，如圖4所示。參考速度曲線增加可浮動(dòng)速度窗ΔV，允許在一定范圍內(nèi)速度的波動(dòng)，通過增加巡航狀態(tài)控制量變化的緩和程度，減少牽引制動(dòng)的切換輸出頻率，在平緩坡度或者短小上坡區(qū)段，處于巡航階段，盡量采用惰行或者小牽引的方式，減少制動(dòng)的輸出，在起伏坡道以及下坡道，通過增大可浮動(dòng)速度窗ΔV，減少惰行制動(dòng)的切換頻次。

圖4 起伏坡道、下坡道巡航優(yōu)化Fig.4 Optimization of cruise on undulating and downhill ramps

2.4 增加防護(hù)限速預(yù)估（限速信息傳輸延時(shí)）

在既有的設(shè)備配置條件下，減小車載ATO設(shè)備與ATP設(shè)備通信周期的難度較大，為進(jìn)一步優(yōu)化制動(dòng)平穩(wěn)性，ATO需根據(jù)ATP限速曲線的變化對(duì)ATP曲線的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估，從而盡可能在ATP減速時(shí)提前施加制動(dòng)減速，防止不必要的大制動(dòng)施加。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

列車在運(yùn)行過程中，若ATO施加制動(dòng)不合理，導(dǎo)致列車響應(yīng)制動(dòng)沖擊較大，隨著運(yùn)行里程增加，動(dòng)車閘片磨耗速度加劇，莞惠城際動(dòng)車組以閘片最大磨損厚度18 mm作為閘片失效以及更換閘片的判斷依據(jù)，以閘片更換前使用該閘片列車走行公里數(shù)表示閘片使用壽命，作為對(duì)ATO施加制動(dòng)的沖擊以及舒適性優(yōu)化的判斷條件。本試驗(yàn)以莞惠某動(dòng)車02位動(dòng)車閘片作為跟蹤統(tǒng)計(jì)目標(biāo)，優(yōu)化方案于2021年6月應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，02位閘片更換列車持續(xù)運(yùn)行的公里數(shù)如表1所示。

表1 莞惠城際某動(dòng)車02位閘片更換列車持續(xù)運(yùn)行公里數(shù)Tab.1 Continuous running kilometers of an EMU on the Dongguan-Huizhou intercity after replacement of brake pad at position 02

優(yōu)化前、后02位閘片更換列車持續(xù)運(yùn)行平均公里數(shù)如表2所示。優(yōu)化后莞惠某動(dòng)車組02位閘片平均壽命約為87 946.5 km，未優(yōu)化前動(dòng)車組閘片壽命約為47 239.5 km。對(duì)比上述數(shù)據(jù)，優(yōu)化后動(dòng)車組02位閘片壽命較未優(yōu)化前整體平均提高86.17%，ATO施加制動(dòng)導(dǎo)致的制動(dòng)沖擊明顯改善。

表2 優(yōu)化前后02位閘片更換列車持續(xù)運(yùn)行平均公里數(shù)Tab.2 The average kilometers of continuous running train with 02-position brake pad replaced before and after optimization

4 結(jié)論

本文對(duì)莞惠城際列車運(yùn)行過程ATO施加制動(dòng)導(dǎo)致的制動(dòng)沖擊較大原因分析，針對(duì)線路條件、特殊場(chǎng)景（分相區(qū)、減速區(qū)、岔區(qū)）等情況下ATO制動(dòng)施加不平穩(wěn)性、施加大制動(dòng)，導(dǎo)致磨閘較多的問題，提出ATO制動(dòng)施加方式局部優(yōu)化方法，并將優(yōu)化方案應(yīng)用于莞惠城際列車ATO設(shè)備，對(duì)優(yōu)化前后閘瓦使用壽命對(duì)比，該優(yōu)化顯著提高莞惠城際ATO施加制動(dòng)的制動(dòng)沖擊。