广州地铁3号线列车ATO模式对标原理及异常故障分析

魏晓婷

(广州地铁集团有限公司， 广东广州 510000)



广州地铁3号线列车ATO模式对标原理及异常故障分析

魏晓婷

(广州地铁集团有限公司， 广东广州 510000)

广州地铁3号线列车在采用自动驾驶模式(ATO)时，时常出现停车对标异常的故障。以广州地铁3号线为例，通过分析列车ATO模式对标的原理，讲解制动过程中电空制动的配合方式，以具体案例为依据，剖析产生对标异常故障的具体原因，并提出切实有效的解决方案。

广州地铁3号线； ATO； 电空制动； 对标异常

广州地铁3号线呈南北走向，从南到北依次贯穿番禺区、海珠区、天河区和白云区，是广州城市公共交通的主干线，日均客流量超过90万，高峰行车间隔为3 min 30 s，同时车站站台均配置了屏蔽门系统。如此大客流、高密度的运营对列车的停车精度提出了更高的要求。为了准点高效运营，3号线列车采用自动驾驶模式(ATO)，即无需司机操作，由车载设备控制列车的启动、加速、巡航、惰行、制动及精准停车。

列车停车精度异常直接缩减了乘客上、下车通道的宽度，影响乘客上、下列车的速度，延长列车停站时间，严重情况下容易导致列车晚点运行。因此，3号线列车在招标合同中对列车停车精度提出了明确要求：列车由信号设备控制，且以ATO模式运行时，在所有车站的停车精度要求如下：±300 mm以内，大于99.99%；±500 mm以内，大于99.9998%

1　ATO模式对标原理

ATO模式下，信号系统(简称VOBC)根据列车的实时速度值、加速度曲线以及到站的距离值，自动计算出动态的速度曲线，并由此时给出列车运行的推荐速度，同时输出牵引、制动命令及指令值，控制列车按照预定速度运行。通过实时对比实际速度与推荐速度之间的差值，动态调整指令值的大小，实现停车精度的准确控制。广州地铁3号线站台配备屏蔽门，因此要求具有较高的停车精度。

列车接收到信号系统发出的牵引制动指令后，由列车控制单元VCU将指令转换为模拟量后送至牵引及制动系统。列车的制动模式分为气制动和电制动两种。

气制动需要通过制动夹钳施加，受制于气缸充、放气以及夹钳动作固有的机械延迟，响应时间具有延时性，因此难以实现对停车精度的准确控制。

电制动是通过控制电力电子器件的通断，利用电机工况转换实现制动效果，动态调节效果较好，更容易实现制动过程的精准控制，因此若制动全过程均使用电制动，将更有利于列车准确对标，电制动亦可分为再生制动和电阻制动两种。列车优先进行再生制动，当网压高于某个特定值(如1 850 V)，或牵引系统线路电压低于接触网电压而无法进行再生制动时则进行电阻制动。

1.1再生制动

再生制动亦称之为反馈制动，是一种常见的车辆制动方式，通过将牵引电机的电动机工况转变为发动机工况，将列车的动能转换为电能，电能通过受电弓反馈给供电接触网，可供其他相邻运行的列车使用。再生制动过程要确保牵引系统与接触网连接，理想状态下可控制列车直至停止状态，停稳后施加气制动保持列车处于静止状态。图1为典型的再生制动的控制过程。

当牵引系统收到VCU发出的制动命令后，开始执行再生制动。图1详细表述了再生制动的全过程，ED-Brake为电制动力曲线图(即图中蓝色线)，EP-Brake为气制动曲线图(即图中红色线)，0～t1期间输出恒定的制动力，使列车速度逐步下降，t1时刻速度下降至一定数值后电制动力开始逐渐减小，t2时刻列车速度接近0.5 km/h，制动系统发出停车制动命令，气制动力逐步上升，由于气制动固有的延时特性，此时停车制动仍属于建立期间，未真正施加停车制动，t3时刻列车速度为0，t4时刻施加停车制动，电制动完全退出。再生制动时电能回馈畅通，电能可以全部回馈给接触网，因此再生制动可以制动列车到接近停车(即t2时刻，列车速度为0.5 km/h)。列车接近停稳时，再生制动因电机停止转动而消失，为了确保列车停稳，制动系统开始施加气制动。

图1　再生制动过程中电制动与气制动的配合

1.2电阻制动

当再生制动产生的能量不能被接触网吸收时，制动时产生的能量通过制动电阻消耗掉，称之为电阻制动。制动过程中是将牵引电机的动能转换为制动电阻的热能，属于不可逆的能量转换模式。牵引系统一旦检测到接触网无法吸收反馈的能量时，控制断开与接触网的连接，开启电阻制动功能。广州地铁3号线列车制动电阻采用自然风冷模式，依靠列车运行过程中产生的风量将制动电阻的热能带走。当减速度过大(即制动力过大)或列车速度较低(即风量较小)时，自然风无法及时将热量散失，制动电阻温度持续升高，当温度达到制动电阻的温度限定值时，由于制动电阻无法继续散失热量，从而导致制动率下降。当电制动开始下降而无法满足总的制动力要求时，需要通过气制动加以补偿。VCU将总制动力及电制动力的值送至EBCU，两个力的差值即作为气制动力值的大小。由于气制动固有的机械延迟，导致电空转换过程中制动力精度较差，难以实现制动的准确控制。若此过程发生在列车接近停车阶段，列车停车精度异常的情况更加明显。

图2为典型的电阻制动控制过程。其中蓝色为电制动(ED-Bremse)曲线，红色为气制动(EP-Bremse)曲线。0～t1期间输出恒定的制动力，t0时刻列车控制单元(VCU)向EBCU(制动控制单元)发送停车制动请求命令(请求施加气制动的命令)，此时EBCU控制制动单元施加气制动，t0～t1为气制动延迟施加的时间，t1时刻为电阻制动能够达到的最大制动力时刻，电制动力逐渐下降，与此同时，气制动建立完成并逐步施加，t2时刻VCU控制电阻制动全部关闭，完全由气制动实现制动控制，列车速度进一步降低，t3时刻速度下降至1 km/h且EBCU在已经施加的气制动基础上，进一步增大气制动力，至t4时刻气制动力已达到停车制动力的大小，此时列车施加停车制动使列车完全停稳。

2　影响停车精度的主要因素

列车进站停车阶段，影响列车停车精度的主要因素有两方面，即制动系统跟随性是否良好以及车载信号系统控制的准确性。

2.1制动系统跟随性

车载信号系统根据列车实际速度及实际加速度实时调推荐速度和牵引制动模拟量的大小。通常影响跟随性的因素为电空制动的切换。分析可知，电制动动态调节效果较好，气制动则较差，因此制动过程中气制动过多介入，或电空制动切换速度设置不当，便可能影响制动系统的跟随性，最终影响停车精度。

图2　电阻制动过程中电制动与气制动的配合

2.2信号系统控制的准确性

ATO模式下列车进站过程中主要受制于车载信号设备，其控制的准确性是影响停车精度的关键性因素。影响控制指令的主要因素有以下几方面：

(1)测速的准确性。信号系统通过测速电机和多普勒雷达准确的测量出列车的速度和加速度，并以此为依据确定牵引或制动的选择及指令值的大小，并绘制出列车运行曲线，实现对列车速度的实时监控，达到精确停车的标准。

(2)列车位置定位的准确性。列车定位是通过轨道旁信号标志和车载信号标志读取器共同完成，如果不能对列车目前的位置进行精确定位，则无法通过算法预估列车的停车位置，所以这也是影响停车精度的关键因素。

(3)车载ATO系统软件的算法。即使列车的速度和定位都能满足要求，如果软件算法不当，会导致绘制的运行曲线不够准确，从而出现频繁调节牵引制动模拟量的情况，影响列车停车精度。

3　故障案例分析

信号系统实时采集以下参数：推荐速度、实际速度、加速度及VOBC输出的牵引制动模拟量，实现列车准确对标的精确控制，其中推荐速度为信号系统综合列车所处的位置及当前实际速度值等因素，计算出来的目标速度值。加速度曲线可直观反映列车对VOBC输出的牵引制动模拟量的响应情况，各参数在图3、图4中的对应曲线为：

图3为停车精度正常情况下的各参数曲线，从图中可知，列车速度能完全贴合推荐速度，也证明了信号系统控制较为精准，制动系统响应性能较好。

图3　停车精度正常时信号系统的采集数据

图4为停车精度异常时的各参数曲线图，可大致分为4个阶段进行分析。第1阶段由于制动系统响应较差，信号系统输出了最大模拟量，但制动系统并未按此要求响应，导致列车实际速度大于推荐速度。进入第2阶段后，制动系统开始响应信号系统输出要求，按最大加速度要求制动，速度逐步下降。第3阶段后，实际速度已经逐步贴近推荐速度，信号系统认为列车速度已经得到有效控制，开始减小模拟量的输出，但是由于传输的固有延迟，制动系统并未立刻响应信号系统输出的要求，仍以最大加速度制动。至第4阶段，制动系统才开始响应信号系统输出模拟量减小的要求，加速度逐渐减小，实际速度逐步超出推荐速度，此时信号系统增大模拟量的输出，要求列车以最大加速度制动，但制动系统并未按要求响应，最终导致列车冲标。

综上所述，制动系统响应性能会导致信号系统调整控制要求，但是信号系统也未综合考虑响应的固有延迟，低速情况下仍然反复调整输出模拟量，必然会导致列车冲标。

图4　停车精度异常时信号系统的采集数据

3号线要求的对标精度为±500 mm，若列车停车精度超出规定范围后，车载信号系统将无法输出开门指令，车门与屏蔽门均无法自动打开。严重情况下需人工操作重新对标，往往容易造成列车晚点运行。列车正常对标情况下，列车控制单元VCU记录的数据如图5所示，相关的信号代表的含义为：

1)$VREF：列车速度值；

10)$FIEFG1：激活端三节列车电制动力实际值；

11)$FIEFG2：非激活端三节列车电制动力实际值；

13)$FIMFG1：激活端三节列车气制动力实际值；

14)$FIMFG2：非激活端三节列车气制动力实际值；

制动缓解情况下，制动力为零，负值越大表示制动力越大。从图5可知，当列车速度达到0.764 4 km/h时，电制动力开始逐步减弱，气制动补偿以保证总制动力符合要求，这种情况下再生制动充分发挥了作用，停车制动过程控制准确，因此达到了准确对标的要求。

一旦电制动转换为电阻制动模式时，通常会导致气制动过早介入，由于制动控制系统的跟随性较差，满足不了精确对标的要求。以2015年4月21日捕捉的一起冲标故障为例，分析异常对标的原因。从图6中可知，当列车速度降低至5.589 3 km/h时，电制动力开始减弱，气制动逐步施加，由于电空转换时，气制力施加延迟，且调节性能较差，总制动力未达到预定要求，最终导致列车冲标。

为了进一步验证气制动提前介入是引起列车冲标的原因，利用制动系统(EBCU)采集的数据做深入的分析，所采集的数据如图7所示，当列车速度降低至7 km/h时，牵引系统向制动系统发出“stopping brake request”命令(图中黄色竖线对应位置)，此时电制动开始逐步减弱，根据气制动计算值，气制动应立刻补充因电制动力减小而削减的制动力。实际情况并非如此，气制动实际值相对理论计算值延迟，且气制动力比预期小，随着电制动力快速减弱，气制动力补偿较为缓慢，未达到快速补偿总制动力的目的，总制动距离增加。

列车施加气制动时，由于排出制动风缸压缩空气及夹钳动作需要一定时间，通常制动系统从接收命令至气制动建立起来，需要至少400 ms，因此为了电空转换时保证总制动力不变，通常要求电制动延迟退出，应充分考虑气制动施加所需的固有时间。

图5　ATO停车精度正常时气制动介入时间数据

图6　ATO停车精度异常时气制动介入时间数据

图7　列车对标精度异常时制动系统数据

综上所述，气制动提前介入情况下，若电制动退出时机设置不合理，气制动未能及时补偿因电制动退出削减的制动力，必将会导致列车冲标。

4　结束语

为了解决车辆制动响应延迟问题，可从两方面入手，一方面增加电制动延迟退出功能，弥补气制动延迟施加带来的制动力减弱问题，另一方面优化气制动施加条件，即当列车速度低于一定值时(如10 km/h)，气制动施加预压力，制动夹钳预先动作，缩短气制动建立时间，一旦电制动退出，气制动可立刻予以补偿。因此车辆设计阶段需充分考虑这两方面因素，确保制动跟随性能良好。

列车停车异常是一直困扰地铁列车车辆与信号接口的重大疑难问题，只有车辆及信号系统协同解决，方能充分保证列车停车精度满足要求。

[1]广州市轨道交通三号线车辆采购招标文件 GXTC-0205009-2[Z].

[2]西门子(中国)有限公司.Guangzhou Metro Line 3 Functional Specification Drive and Brake Control[Z].北京：西门子(中国)有限公司，2004.

Stop Benchmarking Principle and Fault Analysis of ATO Mode for Guangzhou Metro Line 3 Train

WEIXiaoting

(Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510000 Guangdong, China)

The failure of stop benchmarking anomaly in ATO mode often occurred in the train of Guangzhou metro line 3. Taking the train of Guangzhou metro line 3 as an example, this paper analyzes the benchmarking principle of ATO mode, introduces the braking process of electric pneumatic braking, dissects the fault reason of stop benchmarking abnormally based on the specific case, and puts forward the effective solutions.

Guangzhou metro line 3; ATO; electro pneumatic brake; stop benchmarking anomaly

1008-7842 (2016) 02-0112-04

��)女，助理工程师(

2015-11-30)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.27