北京地铁5号线调整ATO及制动系统控制策略

庞 涛

北京地铁5号线自2007年开通列车自动防护（ATP）运营后，列车自动驾驶 （ATO）功能一直处于调试状态。调试过程中发现，在正线吸能装置未投入使用的情况下，电制动不稳定并随机出现“电制动－空气制动”频繁切换，使列车综合制动性能欠佳，导致ATO停车不准。经过深入研究，最终通过修改ATO控车策略、优化制动软件，实现ATO精确停车。

1 ATO控车方式

北京地铁5号线车载ATO子系统利用正线ATO地面环路定位，通过测试电机完成测速、测距；利用ATO环路交叉点的零电位进行里程校准，并通过 “轮径校正开关粗调＋内置补偿参数微调”的方式，实现轮径补偿，提高测速及测距的准确性和自适应性。相对移动闭塞系统 （CBTC）而言，ATO控车方式为：①地面ATP子系统、ATO子系统室内外设备互相独立，不存在数据连接；②车载ATP子系统、ATO子系统安装在同一机柜，但控制模块互相独立 （背板传输数据）、定位方式不同，具有较强的独立性；③车载ATO子系统数据传输为 “地面→车上”单向进行。

ATP子系统提供安全防护，是ATO子系统能够正常工作的基础。ATO子系统实现列车自动控制方式及步骤为：①读取列车信息、检查设备状态；②读取定位信息、线路信息；③读取远程发送的控车指令，如运行等级、跳停等；④根据定位信息及外部输入的控车命令控制列车运行速度；⑤计算预期加速度，并以此进行控车。

北京地铁5号线ATO控车方式及关系如图1所示。

2 实现ATO精确停车的解决方案

为了实现ATO精确停车，需具备精确的距离测量精度，以线性度、响应性良好的制动系统为基础，主要从优化ATO控车方式，改善制动系统综合性能2方面入手。

2．1 针对ATO控车方式的调整

北京地铁5号线最初ATO控车策略中，列车进站停车是基于0．8m／s2的主体制动率，在此过程中若ATO请求的制动率频繁变化，则要求制动系统有良好的线性度、响应性。但因地面吸能装置未投入使用，接触轨网压剧烈变化，导致随机出现“电制动－空气制动”的切换，造成制动系统综合输出的线性度较差。如 “电－空制动切换”发生时，距离标准停车位置较近，则ATO难以完成有效调整，从而导致停车精度较差。

图1 ATO控车关系示意图

鉴于此种情况，通过修改ATO核心控制软件，将列车控制策略转变为 “阶梯式控制”，从而使制动率变化更为平滑，减小制动率突变所带来的响应延时，增加ATO控制精准度。经过4个版本近百次数据调整，最终将ATO停车分为4个阶段，每个阶段配置不同的制动率，如图2所示。

图2 最终版ATO控车策略示意图

2．2 针对制动系统性能的调整

北京地铁5号线在城市轨道交通领域内，虽然率先提出 “全电制动停车”的概念，但鉴于种种原因，地面吸能未能投入使用。为此针对制动系统做如下优化。

2．2．1 空气制动软件优化

城市轨道交通系统中，列车制动方式包括空气制动及电制动2种，其中空气制动 （也叫摩擦制动）是基础制动系统。在前期测试过程中发现，最初版本的空气制动软件对各制动指令的相应曲线线性度较差，制动率呈现马鞍形曲线。如图3所示。

图3 旧版空气制动软件特性示意图

制动系统专家优化调整了空气制动的核心控制参数，并发布新版空气制动软件，极大地改善了空气制动线性度。实测结果见图4。

图4 新版空气制动软件特性示意图

由图4可以看出，新版空气制动软件无论在紧急制动、最大常用制动还是中间制动级位，其实际响应的线性度较好 （图中圈所示），从而确保了新版空气制动能够满足要求。

2．2．2 电牵引／制动软件优化

1．提高电制动主动切换空气制动的速度阈值。在制动系统初始设计中，当速度降低到3km／h左右，列车将主动由电制动切换到空气制动。考虑到空气制动固有延时等因素，新版电制动软件中将该主动切换点提高到8km／h，如图5所示。修改后极大降低了ATO停车前低速运行时“电－空制动切换”对停车精度的影响，为最终实现ATO精确停车提供了基本条件保障。

图5 调整电空制动切换点示意图

2．优化 “电－空制动”主动转换的控制策略。具体修改方式是将电制动扭矩电流缩减限位值T与再生扭矩电流R进行比较，在T－R＝200A时（原始设计为T－R＝0A），由VVVF逆变器传送到EBCU单元的电制动反馈信号逐渐停止，使得空气制动提前开始启动。如图6所示。

图6 调整空气制动启动时机示意图

修改后使得列车在停车前低速运行的阶段内，如由电制动切换到空气制动时，综合制动力基本保持不变。

3．修改电制动扭矩电流设置。根据北京地铁5号线空气制动系统理论模型，气缸BC压力启动延时为0．4s，BC压力由0上升到100%需2s（按均匀变化考虑）。假定列车按照1．00m／s2的平均减速度由80km／h （22．2m／s）制动停车，根据速度公式Vt＝V0＋at可知列车停车用时22．2s。考虑到空气制动存在制动力过冲及回归现象，可将列车制动过程示意如图7所示。

图7 电制动扭矩电路修改示意图

BC压延时导致空气制动力不足的量为图7中阴影S的面积，即S＝0．4s×1＋ （2s×1／2）＝1．4。如采用瞬间提高空气制动力补足空气制动延时影响的方式，则图7中超出预期值的阴影S′与阴影S面积需相等，即S＝S′。将阴影S′等效为X×19．8s的长方形S″，则S″＝X×19．8s＝1．4。由此可知X ＝0．07，也即瞬间提高的空气制动力是原来的1．07倍。为实现此目标，需将电制动的扭矩电流增大1．07倍，同时考虑到制动闸瓦等因素影响，可将电制动扭矩电流增大到1．10倍。

3 总结

站台精确停车是ATO系统核心功能，也是工程实施中的难点。在短时间内无法改变外界环境的情况下，信号专业、车辆专业之间深入合作，通过优化ATO控车方式，调整制动软件配置参数，最终将北京地铁5号线ATO停车精度基本控制在±30cm之内，超过±50cm的情况基本消除，具备投入载客运营的条件。目前，北京地铁5号线ATO已经通过行业专家评审，并已载客运营，效果良好。

［1］ EN 1352－1Railway applications－Braking－Mass transit brake systems－Part 1：Performance requirements．

［2］ EN 1352－1Railway applications－Braking－Mass transit brake systems－Part2：Methods of test．

［3］ 郑理华 ．基于 CTCS－2－200C的城际列控车载ATP总体技术方案的研究与实现［J］．铁道通信信号，2014（12）：9－12．

［4］ 史增树，崔金芳．ATO系统在城际铁路中的应用方案研究［J］．铁道通信信号，2013（增刊）：30－32．