通过优化信号系统ATO 控车策略提升地铁6 编组列车旅行速度的研究分析

陈辉绚，任 福，李海波

(呼和浩特市地铁运营有限公司，呼和浩特 010000)

随着社会经济的发展和城市化水平的提高，城市交通压力越来越大，使得城市轨道交通发展速度越来越快，主要城市都有了相对完善的轨道交通系统，极大缓解了地面交通压力[1]。本文介绍了影响轨道交通运输效率中一个重要因素：旅行速度。旅行速度不仅是城市轨道交通全线运输能力的基础，也是城市轨道交通运营组织的关键一环。在工程设计阶段，旅行速度是确定车站配线、验算信号系统设计能力和确定列车运营组织方式的重要依据。列车在线路的旅行速度能力不仅受线路车站布置等影响，同时也受信号控制方式、车辆性能、线路限速、列车运行方案、列车停站时间等条件的制约。本文主要研究6B 编组列车在呼和浩特1 号线旅行速度达到36 km/h 为目标情况下的线路条件、车辆性能、停站时间等因素。

1 线路介绍

本文选取呼和浩特1 号线西二环站至坝堰（机场）站为分析案例，研究6 编组B 型列车在该条件下达到36 km/h 旅行速度的可行性。线路布置示意图如图1 所示。

1.1 线路参数信息

线路速度参数信息如表1 所示。

表1 线路速度参数Tab.1 Line speed parameters

1.2 信号系统参数

研究采用的信号系统性能参数如表2 所示。

表2 信号系统性能参数Tab.2 Performance parameters of signal system

1.3 车辆性能参数

本次研究采用了6 编组B 型车性能参数，如表3 所示。

表3 车辆性能参数Tab.3 Vehicle performance parameters

2 旅行速度过程分析及计算

2.1 信号系统ATO 控车介绍

自动列车驾驶（automatic train operation，ATO）[2]，主要功能有：①ATO 自动完成对列车的启动、牵引和制动等动作的控制，以较高的速度进行行车控制作业，精准高效地将乘客送往目的地；②ATO 按照运行图控制列车运行，控制列车运行的加速度、减速度、冲击率，保证乘客的乘车舒适度。

ATO 系统牵引/制动流程如图2 所示。

图2 ATO 系统牵引/制动流程Fig.2 Flow chart of ATO system traction/braking

在城市轨道交通系统内，当列车处于ATO 模式时，列车的牵引/制动指令是由ATO 控制发出的。若要在一定限度内调整控车过程的速度曲线，必须从研究ATO 在整个旅行过程中的牵引/制动命令的特点和规律入手。

2.2 旅行速度过程

根据分析整个旅行过程的时间，根据每个阶段的运动过程不同，来着重分析影响旅行速度的重要因素。

整个旅行过程可划分为2 个主要阶段：运行阶段和停站作业阶段。其中运行阶段分为启动牵引阶段、区间巡航阶段、进站制动阶段。整个阶段共同组成一个由A 站上车，B 站下车的旅行过程。

通过统计整个运行过程与停站作业的时间，根据距离，最终计算得到该条件下的线路旅行速度。

2.3 旅行速度过程分析

整个过程可划分为2 个主要阶段：运行阶段和停站作业阶段，整个过程均是这2 个阶段在不同的线路条线下进行重复。

2.3.1 运行阶段

A 站台发车列车启动开始计时，列车由车站起动、驶出站台、区间巡航、驶入站台、停稳站台，是一个整体的运动过程（包括了列车从停稳状态丢失至列车运行至下一站台且恢复停稳状态）。整体过程中列车走行过程包括起动加速、匀速运动和制动减速3 个阶段。

启动加速阶段：主要包括ATO 施加固定牵引力以克服保持制动使列车速度由0 km/h 加速至固定速度（如2 km/h）、列车速度在ATO 控制下由该固定速度（如2 km/h）加速至站台区域限速下的推荐速度、列车驶离站台区域后列车速度在ATO 控制下加速至区间线路限速下的推荐速度。

匀速运动阶段：主要包括在ATO 控制下的列车速度围绕着在区间线路限速下的推荐速度进行巡航，直到列车进入制动减速阶段。巡航时，当列车速度小于推荐速度一定值后，ATO 控制列车施加牵引；当列车速度加速大于推荐速度一定值后，ATO控制列车惰性。

制动减速阶段：主要包括列车在ATO 控制下根据系统配置的停车制动力计算出进站停车的速度/距离曲线，从而ATO 系统实时计算出应该在何时进入制动减速阶段，根据计算出进入制动减速阶段的点，至列车驶入站台固定停车点停稳。

2.3.2 停站作业阶段

停站作业从列车进站在停车点停稳开始计时，由列车停稳至车门打开、车门打开至车门关闭、车门关闭至司机室门关好、司机室门光好至列车启动组成。其中包含了信号、车辆系统响应时间，车门、站台门动作时间，司机瞭望、确认、按压ATO 启动按钮时间。

列车停稳至车门打开时间主要分为

（1）系统判断停稳的条件是列车速度低于13 cm/s，时长达到1 s；

（2）系统判断零速至系统输出开门使能时间为2.4 s；

（3）门使能有效到自动开门命令发出的延时0.4 s；

（4）开门命令发出至车门打开时间为0.8 s。

时间总计为1 s+2.4 s+0.4 s+0.8 s=4.6 s

车门打开至车门关闭时间：该时间为乘客上下车时间，以实际需求为准，不做分析优化。

车门关闭至司机室门关好主要分为

（1）站台门关闭状态检查时间2 s；

（2）车门与站台门空隙检查时间2 s；

（3）司机室门关闭时间（司机室门为手动门）1.5 s。

该部分时间需司机进行把控，该时间经验取值为2 s+2 s+1.5 s=5.5 s。

司机室门管好至列车启动主要分为

（1）司机室门关好至司机按压ATO 启动按钮时间，该部分时间需司机进行把控，该时间经验取值为2.5 s；

（2）司机按压ATO 启动按钮，持续按压时间为0.2 s；

（3）车辆接收到信号系统启动命令至速度不为零时间，根据系统日志分析为2.6 s；

时间总计为2.5 s+0.2 s+2.6 s=5.3 s

2.4 旅行速度计算

通过统计以上在ATO 模式下的站间运行总时间与非终端站停站作业总时间，根据距离，最终计算得到该条件下的线路旅行速度[3]，呼和浩特1 号线旅行速度统计如表4 所示。

表4 呼和浩特1 号线旅行速度统计表Tab.4 Travel speed statistics table of Hohhot line 1

3 旅行速度提升的优化

通过采集现场实测数据与设计ATO 控制参数进行对比，对旅行速度偏差进行深入分析，找出偏差原因，确定如下改进措施：①提高出站阶段ATO初始启动加速度；②提高出站阶段ATO 牵引至巡航阶段加速度变化率；③优化站台限速范围；④优化区间匀速运动阶段的ATO 速度波动；⑤进站减速阶段加大ATO 停车制动率；⑥优化开门时间。

3.1 提高出站阶段ATO 初始启动加速度

建议提高出站阶段初始启动加速度，增大启动阶段输出的牵引百分比（从35%提升至50%，对应电流模拟量由8.9 mA 提升至11 mA），使车辆响应突破保持制动动车时间减少。

3.2 提高出站阶段ATO 牵引至巡航阶段加速度变化率

信号系统通过模拟量电路（电流环）向车辆发送牵引电流值，控制列车加速度的大小。通过调整ATO 牵引模拟量每周期增加的电流值，保证冲击率不超过0.75 m/s3情况下，将牵引阶段模拟量每周期变化量由0.5 mA 改为1.0 mA，经计算修改前后的冲击率约为0.2 m/s3和0.4 m/s3，使列车在出站阶段尽快加速至巡航速度。

3.3 优化站台限速范围

通过优化站台限速范围提升旅行速度：将以进站计轴至出站计轴整个计轴区段范围按站台限速配置，改为精确到以站台有效端到站台有效端范围按站台限速配置。能够在满足土建限制条件的前提下，缩短限速区域的大小，使得列车在进出站过程中能够更晚减速到站台限速，更早加速到线路限速，起到提高旅行速度的作用。站台限速范围优化示意图如图3 所示。

图3 站台限速范围优化示意图Fig.3 Schematic diagram for optimization of platform speed limit range

3.4 优化区间匀速运动阶段的ATO 速度波动

分析现场运行数据，在线路条件允许时，列车最高运行速度为80 km/h，当前系统配置使得车速达到77 km/h 时停止输出牵引力，在区间巡航速度波动范围控制在77～80 km/h。调整相关系统配置后，使得在车速达到79 km/h 时停止输出牵引力，在区间巡航速度波动范围控制在79～81 km/h。

3.5 进站减速阶段加大ATO 停车制动率

现场使用的停车制动率为0.47 m/s2提高至0.68 m/s2。停车制动率会影响精确停车阶段SBI 曲线的计算。将进站停车制动率由0.47 m/s2提高至0.68 m/s2可以使ATO 更晚施加制动，使列车在区间能够以高速运行更长时间，达到缩短区间运行时间的目的。

3.6 优化开门时间

经分析输出开门使能的前提为具备零速和车辆反馈保持制动已施加，现场实际运营数据分析车辆响应保持制动已施加的时间达到3.4 s，因此在判零速（1 s）后仍需等待2.4 s 才具备输出门使能的条件。经与车辆确认，该3.4 s 延时在确保安全的情况下，可优化缩短0.9 s。

经过上述优化措施后，ATO 模式下列车在呼和浩特1 号线西二环至坝堰（机场）旅行速度为36.389 km/h，可满足36 km/h 要求，呼和浩特1 号线优化后的旅行速度统计如表5 所示。

4 结语

信号系统作为城市轨道交通中保证城市轨道交通行车安全的核心系统，虽然目前技术已经很成熟，但仍有很多值得继续研究改进的部分。本文对于信号系统ATO 控车策略进行了简要的介绍，针对实际项目，即呼和浩特1 号线遇到的一些具体问题进行了分析，并提出了解决方案。随着对工程项目中遇到的一系列问题的分析和解决，城市轨道交通信号系统也必然会越来越完善，对城市轨道交通的发展，也将会发挥越来越重要的作用。通过分析呼和浩特1 号线的工程情况，优化信号系统ATO 控车策略及相关参数，使得在ATO 模式下6 节编组B型车可以满足旅行速度不小于36 km/h 的要求。