列车对标不准理论分析与处置研究

徐玉宝

（南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 210021）

0 引言

城市轨道交通运营对列车在站台对标停车精度和准确率有严格的要求，在±0.50 m 范围内准确率达到99.999 8%；在±0.30 m 范围内准确率达到99.995%。精确对标停车准确度一直是个难点问题，要达到如此高的准确度需要的不仅是信号系统对列车定位和ATO（Automatic Train Operation，列车自动运行系统）曲线的完美控制，更要求车辆牵引制动能够做好相应匹配。

在实际运营中存在的对标问题主要表现为列车以ATO 模式进入站台后冲标或欠标（超出±50 cm 的范围）。所谓冲标，是指列车在站台区对标站台门停车时过冲停车点，使列车中心超过站台门中心点50 cm，导致列车无法进站开门，严重时可能存在冒进信号的风险。欠标是指列车中心还未到达站台中心点即停车，一般将停车后距站台中心超过50 cm 认为欠标。在列车对标不准时，列车将无停靠YES，车门不能自动打开。一般需要进行二次对标找到停车点再手动开门，影响行车效率，在城市轨道高水平运营中已经成为一个重要制约因素。目前行业内部在列车对标不准的处置是一个难点，在用的各系统均有此问题，虽然进行了大量的处置分析和系统升级，但是对标问题随着运营的持续再次凸现出来。本文通过对信号系统的理论分析和现场测试数据进行研究，探讨对标不准的若干影响因素，提出了以VCS（Vehicle Characteristic Simulate，车辆特性模拟）测试方法检测车辆牵引制动状态，优化车辆气制动接管时机以及车载VOBC（Vehicle On-Board Controller，车载控制器）对标方案，解决列车对标不准问题。

1 技术分析

一种典型的CBTC（Communication Based Train Control，基于通信的列车自动控制系统）控制级精确定位停车原理是车载VOBC 根据停车点和列车的常用制动力、线路参数、列车位置等计算ATO 的停车曲线，在站台区域设置多个应答器以进一步提高列车的位置精确度。列车经过地面信标，车载VOBC 位于车底的T（ITransponder Interrogator，应答器询问器）天线（图1），不停地监测和读取地面信标的信息，感应到的信标信息将传回车载VOBC，控制器比对当前计算位置和实际位置，如果计算位置在合理范围内，当前计算位置将被重置为实际位置实时计算出当前需要精确停车的速度。为了进一步保证停车精度，在列车停车点设置接近盘，在车底安装接近盘感应器，接近盘和感应器的设置确保列车停准时，接近盘的感应器与地面的接近盘正好对齐，使列车在停稳后落在停车窗±30 cm 以内。

图1 列车车底终端设备示意

精确对标控制末端通过列车缓行以探测该接近盘，在接近传感器检测到接近盘时，就向VOBC 发出一个对位信号，此时VOBC 会施加制动，控制列车停在停车点。在列车为零速度状态后，VOBC 施加制动命令。接近传感器安装在TC1 的转向架机框上，用来检测安装在轨旁的接近盘。当接近传感器检测到接近盘时，信号由低电平变为高电平，VOBC 在接收到此信号后，才会给列车提供停靠YES。当MAU（Movement Authority Unit，运动控制单元）接收到VOBC 发送的PSD（Platform Screen Doors，屏蔽门）使能请求时，MAU 检查命令打开PSD 的使能状态，MAU确认列车报告列车的位置，包含了列车头部到尾部的完整信息，完全在数据库定义的站台区域内停准和停止通过后，MAU 将接收并使能VOBC 请求的PSD 打开请求并转发给联锁，联锁接收到有效的PSD 打开命令后使PSD 打开命令继电器励磁，同时使关闭命令继电器失磁。停站时间结束，司机请求车门关闭。VOBC检测到关闭请求后将发送关门命令给MAU，MAU 接收关门命令并转发给联锁进行关闭PSD 操作，如果VOBC 检测到车门关闭且锁闭状态后也会发送使能失效命令给MAU。在此精确停车过程中包含了接近传感器的精确探测，系统数据库中对站台区定位信标以及接近盘的位置信息以及车辆制动状态的效能。

通过以上分析，造成对标不准可能的原因有：①接近传感器高度偏差造成的冲标；②系统软件及数据库配置造成的对标不准；③车辆系统的响应问题造成的对标不准。

2 现场测试

2.1 针对接近传感器高度偏差造成的冲标

接近盘是安装在轨旁停车窗的金属板，长度为1 m，其中心为停车窗的中点，接近传感器的探测距离约120 mm，安装高度距离柜面约115 mm，安装要求如图2 所示。随着距离的增加探测有效性递减，当超过一定距离后，探测功能丢失。因此当接近传感器高度增加时，将造成列车冲标的概率增加。

图2 列车接近传感器安装高度

为了深入研究，选取南京地铁S1 号线为研究对象，在测试前对全线所有列车接近传感器高度进行测量，全部调整为（120±3）mm。对于部分故障频发的列车，及时调整感应高度，尝试更换硬件并在试车线进行测试验证，由此造成的对标不准故障数减少。

2.2 针对系统软件及数据库配置造成的对标不准

造成对标问题的第2 种原因是车载数据库数据错误以及轨行区精确对标设备安装位置偏差。静态线路数据库详细描述了行驶区段，定义了列车的控制运行方向，行驶区段可以是单向的也可以是双向的。VOBC 通过安装在车轮轮轴上的速度传感器从VOBC 的ATP（Automatic Train Protection，列车自动保护系统）数据库里定义的2 个指定应答器之间自动确定车轮直径（补偿车轮磨损），进行校准操作。当列车通过这2 个应答器，车下的应答器天线读到应答器使VOBC 比较由速度传感器实际测得的距离与数据库中的距离，比较确定实际车轮直径。确认位置的前提条件是TI 天线和速度传感器都能正常工作。如果两者在限定的误差内，列车的位置便确定，而且列车的确切位置及方向也能被辨认出来。对应于每个检测到的应答器，VOBC 将调整定位不确定性偏差。在2 个应答器之间，列车位置由输入的转速计信号而确定。MAU 根据VOBC 报告的列车位置并与数据库中定义的站台信息做比较，以验证使能命令。VOBC 基于其数据库和轨旁设备提供的信息确定ATO 停车点。如果VOBC 报告“停站”，站台门使能命令被激活，有效的使能命令会被转发给联锁。

在上述论述过程中，发现列车的定位信息依赖于数据库中的定义数据，如果定义的数据有偏差，势必导致列车无法精确定位而导致对标偏差。对此委托供货商对车载信号系统数据库再次核对和配置，同时在对标问题较多的正方中路站、翔宇路北站及翔宇路南站对信标及接近盘间距进行复测，现场以岔尖为标准，偏差均在正常范围内（定测以站台中心为标准，复测以岔尖为标准），数据无异常。

2.3 针对车辆系统的响应问题造成的对标不准

在排除了前面两个问题之后，最终影响列车对标不准的就只有与车辆系统的制动技术接口，通过ATO 停站精度测试及车辆VCS 性能测试，检查车辆系统对不同级位的响应状态，进一步研究对标的影响因素。

根据测试结果发现车辆电空转换性能明显下降，直接影响了ATO 精确对标停车。测试结果如图3 所示，图中方波信号为车载VOBC 输出的Effort 等级，与之匹配的是列车的响应加速度，正值代表当前输出牵引命令，负值则为制动命令，表示列车当前正在减速。

图3 VCS 测试中电空转换加速度波动情况

在VCS 测试中，当Effort 级位为68.7%时，在电空转换阶段，减速度经过一段稳态值后先减小到-0.653 m/s2，随后迅速增大至-0.927 m/s2，整个过程中列车减速度波动值约为0.27 m/s2；当Effort 级位为60.5%时，在电空转换阶段，减速度经过一段稳态值后先是减小到-0.532 m/s2，随后增大至-0.797 m/s2，整个过程中列车减速度波动值约为0.26 m/s2；当Effort 级位为51.5%时，在电空转换阶段，减速度先是减小到-0.495 m/s2，随后增大到-0.698 m/s2，整个过程中列车减速度波动值约为0.20 m/s2。

从上述分析可知，在不同的Effort 级位下发生电空转换时，其制动力的变化均大于0.18 m/s2，严重的甚至达到0.27 m/s2。车辆与车载信号系统之间的接口要求如图4 所示，明确提出“不管当前列车的速度值大小，不管当前列车系统的运行条件是什么（如列车牵引电压），制动的混合应能保证制动力的变化不大于0.1 m/s2，同时制动的混合应在0.8 s 内完成”。显然，根据目前ATO 测试数据可以看出，车辆发生电空转换时制动力的波动并未达到技术要求。

图4 车辆与车载信号系统之间的接口技术要求

车辆制动在停站控制方式上先采用电空结合的方式，高速工况下优先使用电制动，通过施加反向电动扭矩，实现列车由高速工况向低速工况的过渡。由于电制动在制动的末端制动效果下降，因此当车速接近6 km/h 时气制动接管并迅速降低列车速度，带来良好的制动效果。但是由于技术和设备原因，在电空转换过程中存在接管不平滑和波动现象。因此，在车辆制动供货商提前了气制动接管时机后，测试结果如图5 所示，通过数据分析：车辆牵引制动性能在参数调整后列车发生电空转换时列车减速度的波动得到了改善，尤其是在Effort 级位为40%～70%时，改善效果显著；Effort 级位为80%时，虽然列车的电空转换减速度波动值仍然较大，但是对比未修改前还是有一定的改善效果。通过后续修改，最终测试结果满足要求。

图5 改善后VCS 测试中电空转换加速度波动情况

3 结论

随着列车运营时间的增加，列车电空转换性能会有一定的下降，车载信号系统的精确对标停车建立在可靠的牵引制动性能之上，如果列车在制动过程中，其电空转换过渡差异过大，转换时间过长，则必然导致列车对标偏差。当电客车制动的混合不能保证制动力的变化不大于0.1 m/s2，制动的混合不能在0.8 s内完成车辆与车载信号系统之间的技术接口要求时，将会表现为频繁的欠标。在处理列车对标不准的问题方面，需要联合车辆牵引制动优先测试列车电空转换状态，在确保其正常的情况下再排查信号系统对标停车机制。