地铁列车站台精确停车辅助系统研究

尤星达 朱琳

摘  要：随着轨道交通管理技术与手段提升与加强，更加提倡运营管理与行车组织精细化管理。列车停靠的精确度直接影响列车运行组织的质量和安全性，也影响乘客乘车的舒适性。文章分析了列车停站误差原因，创新性地提出了一种地铁列车站台精确停车的辅助系统，分别针对ATO模式和手动模式下的列车停靠问题给出了相应的解决方案。当列车处于ATO模式，系统在列车制动模块中充分考虑因乘客上下车而动态变化的车厢质量;当列车处于手动驾驶模式，在站台上设置辅助进站引导系统，根据列车运行位置与速度，及时向司机显示最佳进站速度（定速点）。通过以上两个解决方案，实现辅助地铁列车站台精确停车，从而减少列车延误风险。

关键词：地铁列车;辅助停站;精确定位;系统构建

中图分类号：F570    文献标识码：A

Abstract： With the improvement and strengthening of rail transit management technology and means， operation management and fine management of traffic organization are more advocated. The accuracy of train parking directly affects the quality and safety of the train operation organization， as well as the comfort of passengers. This paper analyzes the causes of train stop error， creatively puts forward an auxiliary system for accurate parking of subway train platform， and gives the corresponding solutions to the problem of train parking in ATO mode and manual mode respectively. When the train is in ATO mode， the system fully considers the dynamic change of carriage quality due to passengers getting on and off passengers in the train braking module; when the train is in manual driving mode， an auxiliary station entry guidance system is set on the platform， and the best entering speed （fixed speed point） is displayed to the driver in time according to the running position and speed of the train. Through the above two solutions， the accurate parking of the auxiliary subway train platform can be realized， thus the risk of train delay can be reduced.

Key words： subway train; auxiliary stop; accurate positioning; system construction

0  引  言

城市軌道交通车辆普遍采用自动驾驶模式（ATO），自动实现列车的牵引和制动，在保证列车高效运行的同时，能够降低司机的工作强度。ATO系统的核心功能之一便是站台自动停车，为了实现这个功能，ATO系统需要车载计算机、信号系统、轨道信标等部件共同完成速度计算、制动力分配等操作，而在实际停站过程中，列车速度计算准确性不高，停车偏差时有发生。例如，广州地铁5号线列车在客流高峰期间经常出现停车偏差达到了0.5m，迫使列车不得不后退重新对标[1]，这将直接影响列车的准点运行。与此同时，由于车站站台基本都配备了屏蔽门系统，这就要求ATO系统在实现站台自动停车时尽可能准确地对标屏蔽门的中心线，才能实现精确停车。

同样，当列车处于手动驾驶模式，也必须保证一定的停车精度。列车司机只有将列车车门和站台屏蔽门准确对标，才能最大程度减少上下车乘客的冲突，降低列车延误风险。因此，构建一种能够辅助地铁列车站台精确停车的系统就显得尤为重要。

1  地铁列车对标停车误差分析

通常，地铁列车进站停车不准确分为“超停”和“欠停”两种。一般来说“超停”指实际停车位置超出停车标0.5m以上，“欠停”指地铁列车实际停车位置未到停车标0.5m以内[2]，总之“超停”和“欠停”都是地铁列车对标停车不准的表现，都会在一定程度上影响地铁运营。本文通过查阅报告、阅读文献，对站台停车误差原因进行归纳分析，为精确停车系统的构建提供思路。

1.1  ATO模式停车误差分析

（1）速度检测不准确

当地铁列车处于ATO模式，ATO系统根据实时反馈的列车速度和列车位置信息计算实际速度与推荐速度之间的差值，得到所需的制动指令值并传输给列车制动模块，如果需要列车精确对标停车，则需要时刻跟踪一条恒定制动率的制动曲线，完成制动，从而把车停在最准确的位置[1]。但在列车实际运行时，易受到一些因素影响，导致速度检测准确度降低，检测速度与列车实际速度之间存在一定偏差，例如列车车厢质量并不是一个恒定的值，从整条正线来看，随着乘客到站上下车，车厢质量处在一个动态变化的状态，而列车制动曲线难以随车厢质量的变化实时更新，这就导致列车制动的实际减速度高于或低于理论减速度，最终导致站台对标停车产生误差。

（2）制动系统限制

地铁列车制动系统包括电制动和空气制动两种方式。正常情况下，地铁列车优先采用电制动，其次是空气制动，当电制动不足时，由空气制动弥补剩余部分制动力。在列车日常运行时若多次采用电阻制动会导致制动电阻温度快速升高，影响控制停车，而频繁进行空气制动也会导致闸瓦等部件摩擦系数减小，降低减速度，最终影响列车制动效果[2]。

综上，虽然ATO系统会根据列车的速度、位置信息等生成的速度曲线来控制列车的进站停车，但是实际情况下仍然会由于速度检测不准确、制动系统受限等因素影响而出现停车不准确的情况，而造成速度检测不准确的一个重要原因就是每次列车进站时的车厢质量不一样，按照牛顿经典力学理论，惯性只和其质量有关，与其运动状态和速度均无关，质量越大，惯性越大，运动状态就越难改变，换句话说，车厢内的乘客越多，列车刹车就越难控制（特别是早晚高峰期，如果按照300人一节车厢，一个人平均60kg，一节车厢的重量就比空载时增加了144吨）。因此，当列车处于自动驾驶模式，将列车的质量作为变量考虑进ATO系统的制动模块，根据列车惯性的大小选择提前一些刹车或者延后刹车就显得很有必要。

1.2  手动模式停车误差分析

虽然ATO系统已经在地铁列车中普及，但作为列车的核心，在特定的时间，如周末，列车司机仍然会被安排进行手动驾驶，当列车处于手动驾驶状态时，列车司机必须根据个人经验完成停车，而通常情况下手动驾驶很难实现列车精确对位，需要累积多年的行车经验才能实现。如果司机对列车进站速度掌握不好，很容易开不到指定停车位置或者将列车开出站台，这些情况都易造成运营延误，极大影响整条线路甚至整个线网的运行计划。

因此，要想在手动模式下完成精确停车，尽可能地对标站台中心线，必须依靠长期驾驶、累积经验、定期培训并总结经验，这样方能完成精确停车的任务。但如今国内轨道交通行业发展迅速，司机群体中的相当一部分为年轻司机，驾驶经验不足，难以保证在手动模式下能及时制动、精确对标站台中心线。由此，在站台的合适位置设置多级降速标识（定速点），根据列车的位置与速度，及时向司机显示最佳进站速度，便能够很好地解决列车手动驾驶模式下进站精确停车的问题。

2  精确停车辅助系统逻辑设计

上文分别对ATO模式和手动模式两种情况下的停站误差进行了分析。考虑两种行车模式下的精确停车需求，进行辅助停车系统的逻辑设计，为后文从物理层面实现系统设计提供逻辑基础。

精确停车辅助系统逻辑图如图1所示，该辅助系统根据地铁列车的两种运行模式分为两个不同的子系统，每个子系统对应一种列车运行模式并提供相应的辅助功能：子系统1对应ATO模式，其主要功能是为ATO系统提供车厢质量的变化情况，从物理学的角度来看，惯性是保持物体现有状态的一种固有属性，这种属性也代表了物体运动状态改变的难易程度，我们通常利用物体的质量来衡量其惯性，质量越大，惯性越大，物体的运动状态越难改变，通过子系统1对车厢质量变化的监测，考虑列车惯性因素，帮助制动模块选择制动时间和分配制动力;子系统2对应手动驾驶模式，其主要功能是为驾驶员提供进站引导，车站内计算机通过分析历史列车进站数据，找出准确对标停车情况下的进站速度，求平均值并作为最佳进站速度，提醒驾驶员以该速度进站并对标停车，两个子系统互为补充，当其中一个子系统处于运行状态时，另一个子系统则自动休眠，通过该机制，实现辅助地铁列车站台精确停车的目标。

3  系统组成与工作方式

3.1  系统组成

如图2、图3所示，一种辅助地铁列车站台精确停车系统，该系统总共分为两个子系统，子系统1适用于列车处于ATO自动驾驶模式的情况，该系统设置在每节车厢内部的站立区和座位上，首先通过压力传感器测量车厢内所有乘客的质量数据，接着通过Wifi装置与车载计算机进行信息传输，把所测得的车厢质量信息实时反馈给ATO系统，由ATO系统制动模块根据列车总质量信息修正下一站的制动时机与制动力分配。

子系统2适用于列车处于手动驾驶模式的情况，当ATO系统失效或必须进行手动驾驶时，列车司机只能凭自己的行车经验以及站台上的停车标志对位停车，能够实现精准对位的概率远不及自动驾驶模式（ATO），因此在站台屏蔽门靠近轨道一侧设置三级降速标识（定速点），标识上显示的是车站计算机根据历史数据计算得出的最优进站速度，以供驾驶员参考。该装置由三个LED显示屏（1，2，3）组成，分别位于站台的前端、中端和末端，每个LED显示屏（1，2，3）下方连接了一个Wifi装置，能够接收车站内计算机发送的速度信息，以供显示屏显示。装置的高度与驾驶舱两侧的窗户基本持平，有利于司机在进站过程中确认其显示的最佳车速。

3.2  工作方式

辅助停车系统具体工作方式：首先根据列车的驾驶模式做出辅助停车系统选择，当列车处于自动驾驶模式（ATO）时，子系统1开启，子系统2处于休眠状态;相应的，当列车处于手动驾驶模式时，子系统2开启，子系统1处于休眠状态。

在ATO模式下，子系统1开启，从正线的首站开始，车厢内乘客质量测量装置（压力传感器+Wifi装置）实时记录下列车内乘客的质量，加上列车自身的质量，通过Wifi信号将信息反馈给 ATO系统，系统根据列车质量情况，在下一站停车之前修正制动时机和制动力的分配，从而实现站台精确停车。

在手动驾驶模式下，子系统2开启，从正线的首站开始，在列车进站前，站内计算机通过Wifi装置告知LED显示屏（1，2，3）对应位置显示的最佳进站车速。当司机经过每个显示屏时，根据屏幕显示的最佳车速，提高或降低进站速度，从而实现在手动模式下的站台精确停车。

4  结束语

本文所构建的地铁列车站台精确停车辅助系统是基于地铁列车停站存在误差所提出的，并针对ATO模式和手动驾驶模式分别给出了相应的解决方案，两种情况下的子系统共同构成了完整的精确停车系统。在子系统1中，提出把列车动态质量变化作为变量考虑进制动系统中;在子系统2中，提出了在站台设置三级降速标识（定速点），以辅助列车司机准确停站，最大程度地提高了列车停站精度，从根源处减少甚至杜绝“超停”或“欠停”情况的发生。

由于当前国内外对于列车驾驶辅助系统研究较多[3]，而对于列车站台精确停车系统研究较少，希望通过本文能够丰富该领域的研究，为实现两种模式下列车站台精确停车提供可能，从而减少运营延误。

参考文献：

[1] 王鹏. 地铁列车ATO模式对标停车不准故障分析[J]. 铁道机车车辆，2015，35（1）：118-120.

[2] 王鹏飞，樊贵新，王新海，等. 城轨车辆在ATO模式下停车精度问题的分析与探讨[J]. 铁道机车车辆，2011，31（6）：77-79，87.

[3] 劉浩. 列车驾驶辅助系统研究[D]. 北京：北京交通大学（硕士学位论文），2014.