地铁列车制动控制研究

摘 要：地铁列车制动控制对车辆停站精度影响较大，本文对列车低速进站时的电空制动转换控制性能及列车自动驾驶控制进行专业课题研究，分析制动控制对列车停站的影响，提出优化措施。

关键词：停站;制动;电空转换

一、背景

重庆地铁B型车辆正线运营多次出现停车对标不准问题。

二、问题分析

1.车辆制动系统分析

1.1车辆制动控制原理

重庆一号线地铁列车自动控制系统采用铁科院制动控制系统。系统采用减速度控制模式，制动控制单元（BCU）根据司控器指令的减速度（自动驾驶时指令由ATO给出）和由空簧压力传感器检测到的车辆载重来计算目标制动力。制动采用空电混合制动并优先使用电制动，空气制动用于电制动力不足和电制动力上升阶段对制动力的补充，此外当列车车速降低时，电制动效果减弱，低速进站停车速度降至3-6km/h时，电制动力退出，此时制动由空气制动接管，存在一个电空转换的过程。制动控制装置还具有防滑排风功能，防止瞬时制动压力过大而产生的车轮滑行，维持粘着状态。而车轮滑行会损坏车轮踏面，影响制动距离、停车精度。

查阅车辆TCMS数据发现，列车接收并准确执行了ATO的驾驶指令。当列车速度下降至3km/h时，电制动力完全退出，Tc车与Mp车的制动缸压力上升接管制动，其中Tc车制动缸压力上升在电制动完全退出前的2s左右，Mp车制动缸压力上升在电制动完全退出前的1s左右。在电制动力完全退出后，列车速度从2.5km/h降至0经历了2s左右，其减速度>，对轮对冲击较大。这个期间若出现车轮滑行或空气制动施加过晚易造成停车过标，而空气制动过早施加则会造成停车欠标。

1.2  列車在低速制动时的车轮防滑性能

制动过程中，如果轮轨间粘着力不足以满足制动要求，车轮会产生滑动损坏车轮，并会延长制动距离，也可能造成对标不准。车轮滑动保护就是要防止擦轮现象的发生，使列车充分利用粘着进行制动。

车体安装的防滑阀基于每根轴进行制动缸压力控制。每个单阀包括两个电磁阀，用以控制相应制动缸的空气压力。一个电磁阀控制制动缸的进风，另一个控制制动缸的排风。这两个阀的动作组合可形成三个不同状态：

“充风” 两阀均失电，空气进入制动缸。

“保压”进风阀得电，排风阀失电，制动缸被隔离，空气压力恒定。

“排风” 两阀均得电，空气从制动缸排出。

空气制动滑行控制系统采用速度差和减速度判据进行滑行检测。

速度差判据：当某一轴速度低于参考速度（基准速度）达到判定滑行数值;

减速度判据：当某一轴速度的减速度达到判定滑行数值; 当出现以上任何一种情况时，就判定该轴发生制动滑行。

从以上两个判据可以看出，当列车进站停车，速度较低时（各轴速均趋近于0），其防滑性能是较弱的。在速度低于5Km/h 情况下，由于物理原因，确保充分的防滑是非常困难的。如果轨道条件恶劣，在该速度范围内新建一个达到100%的常用制动是极其危险的，因为此时防滑特性的预警告阶段已经不再充分。低速时的制动建议：如果车速超过7Km/h，进站前应首先实施100%常用制动;低于此速度时，例如在停车定位点停止前不久，制动扭矩必须减少到50%。此措施也将减少在停车时的冲击，从而增加乘客舒适度。

1.3  车辆牵引制动控制

查阅制动终端数据，对比重庆地铁一号线和6号线两列车的实际控制效果，可以看出，在运行中对标正常的列车，当列车速度下降至3.4km/h时，电制动开始退出，空气制动开始施加，制动缸压力从预控压力36kp上升至130kpa左右并维持至最终停车，电制动力在车速为2km/h时完全退出，在列车基本停稳（速度趋于0）时空气制动压力上升至紧制压力。在电制动力开始退出直至停车过程中，列车瞬时减速度基本维持在左右（仅在列车即将停稳施加紧急制动是上升至），制动指令维持在0.5（50%）以下，列车行驶距离约为1m左右，车速下降平缓，保证了其良好的低速防滑和精确对标性能。而对标存在问题的列车，当列车速度下降至6.5km/h时，电制动即开始退出，空气制动开始施加，制动缸压力从预控压力36kp上升至152kpa随后又有所降低，电制动力在车速为1.7km/h时完全退出。在电制动力开始退出直至停车过程中，列车瞬时减速度有一个激增，峰值达到。制动指令从0.64降低至0.2左右，列车行驶距离约为3m左右。可以看出由于电制动力的提前退出，空气制动提前施加且制动缸压力较大，导致列车在对标前过度减速，且造成了轮对的滑行现象，随后制动缸压力有所降低以恢复粘着制动。这导致了轮对的异常磨耗和列车最终的欠标停车。

由于列车DCU和BCU程序问题导致电-空制动转换的时机不对，致使列车牵引制动控制不正常，轮对异常磨耗，ATO对标不准。这是ATO对标不准的主要原因。

解决方案：要求株洲时代电气和铁科院对车辆控制程序重新升级并在正线运营中验证其控制性能。

2车辆自动驾驶（ATO）系统分析

手动驾驶时，停车对标位置的精确度取决于司机的驾驶水平和经验。

而在自动驾驶（ATO）模式下，该过程交由车载自动控制系统（ATC）完成。在列车自动驾驶（ATO）停车对标的过程中，主手柄置于“N”位，系统采集车辆速度信号和目标距离信号，经由精确计算后对车辆牵引制动（制动力）进行连续控制以使车辆在预定的位置停车，在理想状态下，相比于手动驾驶，列车停车位置应更精确，牵引制动力的施加更为合理，停车更为平稳，乘客乘坐舒适度更好。

在ATO驾驶模式中，影响停车精度的因素主要有以下两方面。

2.1自动驾驶精确停站控制原理

重庆地铁列车自动控制系统采用德国西门子公司的列车自动控制系统，该系统主要分为车载系统和轨旁系统两部分。

ATO制动列车使停车精度指标可以达到±0.3m或更好。精确停车依靠车站区域安装的应答器实现。如果停车对标误差超过30cm，ATP将不会释放门允许信号，将不能实现车门与屏蔽门联动开启，在司机进行降级操作手动开关门后，ATO将不会给出牵引命令。所以当列车在目标位置之前（欠标）停车时，目前司机的处理方式为拉动主手柄二次牵引手动对标停车（任何时候拉动主手柄会使列车解除自动驾驶）。

2.2轨旁系统故障

停车时，列车从轨旁应答器接收位置信号，且在压过该应答器时会收到一个物理校正信号提高位置精度，若轨旁系统发生故障（应答器安装位置不准，不能正确与车载设备正常通信等），将导致多车在同一个站台无法正常对标，类似情况为天津轻轨东海路站，但事实情况为单车在多个站台对标不准。因此，基本可以排除轨旁系统故障情况。

2.3车载系统故障

2.3.1  ATO輸出了错误的驾驶曲线

自动驾驶基于闭环控制的原理。测速电机和雷达通过ATP将列车实际速度传输给ATO，参考位置的输入来自于应答器的位置。因此，ATO提供设定值的数据输出至牵引和制动系统。因为ATO的错误计算输出了错误的驾驶曲线导致对标不准是一种可能原因。

2.3.2车辆轮径值设置错误

列车行驶速度由测速电机和雷达共同采集，雷达速度采集本身也通过OPG。

OPG装置是一种里程脉冲发生器，通过计算车轮旋转来测量速度和距离，是一种间接测量方式，其测量所得的车速v=车轮圆周长×圈数/t，s=vt。当车轮因为磨耗轮径值发生改变时，车轮周长因此变化，而系统内的轮径预设值并未做修正，这就将导致列车所测得的速度信息出现偏差，里程信息也出现偏差，车辆位置信息也出现偏差。当OPG装置采集所得的速度值与雷达采集的值差到达一个标准时，ATC系统会检测到并报警，这时需要修改预设的轮径值，但当此数值未达到报警值时便会出现速度采集不准，对标不准的情况。

列车所采集的速度信息有误导致停车对位不准，这种情况对对标造成了一定的影响。下表为1号线马家岩车辆段月修车辆的轮径值对比情况。

由上表可以看出，与其他列次相比，01003编组轮径值较小，对车辆速度信号的采集造成了一定的影响。

解决方案：要求西门子厂家从控制原理上解决轮径值对其控制的影响，或提出具体的轮径值设定和校正标准。进而对系统内的轮径值进行定期设定校正。

三、结语

综上所诉，由于列车DCU和BCU程序问题导致电-空制动转换时机不对，致使车辆牵引制动控制不正常，轮对异常磨耗，ATO对标不准。另外轮径值对列车ATO制动对标造成了一定的影响。

处理对策：1.要求株洲时代电气和铁科院对列车控制程序重新升级并在正线运营中验证其控制性能;2.要求西门子厂家从控制原理上解决轮径值对其控制的影响，或提出具体的轮径值设定和校正标准。进而对系统内的轮径值进行定期设定校正。

作者简介：刘行（1990.12-），男，汉族，重庆人，大学本科，工程师，研究方向：轨道车辆、工程管理。