地铁列车保持制动控制逻辑分析和运用

曾东亮

(成都地铁运营有限公司， 成都 610051)

城市地铁列车制动功能包括了常用制动、紧急制动、保持制动和停放制动等，主要采用电-空混合制动的方式。常用制动又分为电制动和空气制动，由列车制动系统和牵引系统协同控制完成。电制动由牵引系统按照一定的制动功率需求进行控制，正常情况下，将机械能转化为电能后，以再生制动的方式反馈至供电网络，若电网吸收能力不足时，以电阻制动的方式将电能转化为热能消耗在制动电阻上，电制动具有较为良好的控制斜率和指令跟随性，是列车制动的优先选择。空气制动由制动系统根据制动力的需求和制动指令的类别进行控制，常用制动指令时，若电制动力不足则进行空气制动补偿。紧急制动、保持制动指令时，完全由空气制动实现。停放制动是空气制动的一种特殊制动方式，充风时缓解，排风后施加。

保持制动是列车制动的一项常用且重要的功能，是完全的空气制动。主要在列车停稳后以及坡道启动前进行有效防溜保护。当列车在线路平直道、弯道以及超过30‰坡道上停车、启动时不会发生溜车现象，从而避免了因溜车可能造成的列车退行、冲突、碰撞等问题，保障人员、设备、建筑等安全。

1 主要性能

1.1 性能指标

列车制动系统(含紧急制动、保持制动、常用制动、停放制动)具有故障导向安全的特点，使用微机控制的直通式系统，通常采用车控、架控等方式。

按照标准、规范及用户需求，制动系统在不同的制动工况下控制列车进行平稳减速、停车直至列车完全停稳后的防溜保护。一般情况下，常用制动减速度≥1.0 m/s2,紧急制动减速度≥1.2 m/s2，另外，为确保列车乘坐舒适度，常用制动纵向冲击率通常控制在≤0.75 m/s2范围内。

列车施加保持制动时，将制动力控制在常用制动力的30%～70%之间，不同的设计平台，其保持制动力的选择有所不同。总的来说，保持制动力必须确保列车即便是超员状态下也能在线路最大坡道(≥30‰)上停稳及启动不溜车，同时满足特殊情况下空车(AW0)救援重车(AW3)的需求。

1.2 系统构成

列车保持制动是空气制动的一种，主要通过机械摩擦制动的方式。由安装在列车车下的空气压缩机提供压缩空气，推动闸瓦(踏面制动)或闸片(盘形制动)发挥作用产生制动力，达到列车减速或防溜保护的目的。其系统主要由空气压缩机、总风缸、制动风缸、精密调压阀、逆止阀、电磁阀、空气制动管路、单元制动器及微机控制单元、压力传感器、速度传感器等构成。

图1 列车制动系统组成示意图

1.3 控制结构

列车保持制动的通常分为信号系统集中控制和车辆控制两种结构。其中车辆控制又分为网络系统集中控制、制动系统集中控制、牵引系统控制、应急运行控制4种类型。

由于不同设计平台所提供的列车保持制动设计理念、控制逻辑、功能参数有所差异，若同一个城市的多个项目地铁列车存在多个不同的制动系统，在实际的运营过程中可能出现一些差异，文中将重点选取部分有代表性的实例进行深入分析，探讨更为优化的解决方案。

2 常见问题分析

2.1 列车每站到站停车时欠标

主要现象：某地铁7号线在空载试运行期间，列车在每个车站停车时均发生欠标问题，且伴随较大的惯性，后对正线全部列车运行状态进行排查，确认均存在相同现象，属于批量问题。

问题分析：根据列车运行数据信息，综合信号系统数据，在列车启动运行，加速，制动减速，直至进站前的所有控制指令及运行数据正常，列车完全响应了信号的牵引和制动控制指令，制动级位输出符合制动减速度的设计要求。通过进一步分析发现，列车在停稳前约2 s内减速至约1 km/h，制动系统自动快速输出了70%的保持制动级位指令，直至列车停稳。

图2 某地7号线列车进站欠标运行数据示意图

根据7号线列车制动系统采用网络系统集中控制、应急运行备用控制的特点，进一步分析：

列车网络系统正常时，保持制动施加及缓解均由网络系统控制，条件具备时，网络系统控制列车完成保持制动施加及缓解。该方案有利于整车控制，可同时采集多种列车运行数据，为系统控制提供更为高效合理的判断依据，对网络系统稳定性要求较高。

图3 保持制动网络集中控制逻辑示意图

列车进站时，车辆根据网络系统发出的制动级位指令控制列车制动减速，并向网络系统发送车辆速度信息，列车速度降低至1 km/h以下时(通常为≤0.5 km/h)，制动系统自动发出保持制动施加指令，车辆施加保持制动，保持制动力相当于当前列车载荷常用制动力的70%。

列车启动时，网络系统首先向牵引和制动系统转发来自车载信号控制器或司机控制器发出的牵引指令，牵引系统输出牵引功率并将牵引力数据反馈至网络系统。当列车牵引力大于列车下溜力时，网络系统向制动系统发送保持制动缓解指令，列车缓解保持制动并启动运行。

在本案例中，7号线列车进站欠标且存在较大惯性的原因在于，列车进站减速至1.0 km/h运行速度时，制动系统施加了相当于常用制动70%的保持制动力(该保持制动力在设计联络阶段确定)，远大于信号系统发送的制动级位指令，减速度值超出了信号系统的设计曲线，又不受信号系统控制指令约束，使列车在极短时间内以大制动力制动并停车，造成欠标及冲动。

明确原因后，车辆及信号系统共同制定整改措施，在原有控制逻辑的基础上，将保持制动施加时机调整至制动工况下列车运行速度<0.5 km/h，将保持制动力由常用制动力的70%下调至50%。修改后，列车进站停车精确度和平稳度均明显改善，防溜保护满足设计要求。

2.2 列车保持制动无法缓解

主要现象：某地7号线在运营期间，列车发生2节动车无法牵引的严重故障，同时列车网络系统通讯中断。当值列车司机隔离了网络系统，尝试以应急运行模式动车，列车无法启动，保持制动无法缓解。

问题分析：根据现场调查，故障列车为6辆编组列车，每3节车为一个动力单元，当日运营期间，发生牵引系统一个动力单元的主控车辆微机控制单元内部板卡短路故障，导致该单元牵引系统控制电源跳闸，进一步扩大了故障影响范围。该单元两节车牵引系统网络通讯中断，系统判断列车发生严重通讯故障，施加了紧急制动。

故障发生后，当值司机首先判断为列车网络系统故障，按照故障应急处置程序切除了列车ATP，并隔离列车网络系统，转入应急运行模式(后备模式)，列车保持制动力增加(为常用制动70%的制动力)。在此模式下列车启动前，需要同时克服载荷下溜力、轮轨摩擦力等反向力，并牵引列车启动加速，当运行速度>1.0 km/h时，制动系统才能缓解保持制动并启动运行。

由于故障车牵引系统损失了一个动力单元，列车牵引能力下降50%，缓解保持制动需要较大牵引力且维持较长时间，司机按照常规模式及惯例是没有办法启动列车的。

图4 某地7号线列车应急运行控制框图

进一步分析确认，本次故障是一次因列车牵引系统部件故障，并造成了该系统及相关系统的叠加故障，在使用应急运行后备模式时，列车保持制动力增大，列车牵引性能下降，无法正常动车，一步扩大了故障影响。

应急运行后备模式下，列车保持制动的控制特点为：

当列车网络系统出现重大故障导致系统无法运行时，列车与信号系统之间、车辆各系统设备数据显示及监控、列车控制等功能均失效，保持制动网络集中控制功能也无法使用，为确保列车可以继续运行，要求列车具备保持制动应急运行后备控制功能。

在应急运行后备控制模式下，列车的控制指令通过硬线方式传递，保持制动施加及缓解的控制同样通过司机控制器于牵引系统、制动系统之间的硬线接口以及系统内嵌软件功能来实现。

图5 应急运行控制逻辑示意图

列车制动时，保持制动的施加由车辆制动系统微机控制单元进行自主控制。制动系统接收到来自于司控器发出的硬线制动指令及级位指令，控制列车进行制动减速，列车以完全空气制动的方式施加制动，系统检测到列车运行速度低于1.0 km/h时(通常为0.5 km/h)，保持制动自动施加，70%的保持制动力一次性到位。

列车启动时，在应急运行控制模式下，司机操作司机控制器至牵引级位，牵引命令和牵引级位指令通过硬线分别传输至车辆牵引系统、制动系统，牵引系统输出响应的牵引功率。当牵引力完全克服列车保持制动力，列车将启动运行。车辆制动系统检测到列车速度超过0.5 km/h后，自行缓解保持制动，列车持续运行。

在本案例中，列车未能缓解保持制动，造成无法运行的主要原因包括两个方面。一是列车牵引系统故障，损失1个单元2节动车的牵引动力，相当于列车牵引力降低50%。二是因牵引系统故障造成网络系统故障，列车只能以应急运行后备控制模式驾驶，在该模式下，保持制动力比正常模式增加了20%，保持制动力明显增大。当两种情况同时出现时，牵引力无法在短时间内克服保持制动力。在本案例多个故障叠加的情况下，故障应急处置更为复杂，其对运营的影响进一步扩大。

明确原因后，经车辆设计单位评估，对应急运行后备控制模式下的保持制动设计方案进行优化，重新校核保持制动设计参数，将应急运行模式下的保持制动力下调至50%，同时在列车上加装了保持制动强迫缓解功能，在紧急情况下，可操作强迫缓解切除保持制动，相关设计的变化通过操作手册的方式提供用户参考使用。地铁运营公司也针对该情况优化完善了司机操作规范，明确了列车在应急运行后备控制模式下的司机须应急处置流程。

3 常见控制方案

除上述案例分析中采取的保持制动控制方案外，常见的还有信号系统集中控制、车辆制动系统集中控制、牵引系统集中控制等方案。

3.1 信号系统集中控制方案

信号系统集中控制时，列车保持制动的施加及缓解指令均来自信号系统。在运行过程中，车载信号设备根据运行图，向车辆网络系统发送牵引、制动指令和级位指令，车辆网络系统向其反馈包括列车运行速度、运行工况等车辆运行数据，当满足保持制动施加或缓解条件时，车载信号设备向网络系统发出保持制动施加或缓解指令，网络系统将指令传输至全列牵引系统、制动系统执行。

(1)保持制动施加

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信号控制车辆的自动驾驶模式(如FAM、AM等模式)下，当车辆状态正常时，车载信号设备向列车发送制动指令，列车开始制动减速，当信号系统检测到列车速度降低至1 km/h以下时(通常为≤0.5 km/h)，向车辆发送保持制动施加指令，列车停稳，保持制动施加，保持制动力相当于当前列车载荷所需的常用制动力的30%～70%。

图6 信号系统集中控制逻辑示意图

(2)保持制动缓解

信号控制车辆的自动驾驶模式(如FAM、AM等模式)下，当车辆等设备状态正常时，信号系统向列车发送牵引指令，牵引系统输出牵引功率，并实时计算牵引力大小。当牵引力克服列车下溜力达到一定值时，经车辆网络系统向车载信号系统发送牵引力OK信号，信号系统判断有效后，向车辆发送保持制动缓解指令，车辆制动系统检测到牵引指令和保持制动缓解指令，缓解保持制动，列车启动运行。

(3)主要特点

采用信号系统集中控制方案，列车保持制动和常用制动的转换时机(即保持制动施加的速度值)由信号系统控制，可根据列车速度、控车曲线等信息实时调整，可有效提高列车运行效率，减少停车瞬间的惯性，有利于改善停车精度和乘坐舒适度。该方案对信号系统、车辆网络系统可靠性要求极高，同时增加信号系统和车辆之间的接口，设计难度相对较大。

3.2 车辆制动系统集中控制

车辆制动系统集中控制的设计方案中，所有列车常用制动、紧急制动、保持制动等相关功能控制均由车辆制动系统完成。主要根据牵引系统及制动系统反馈的包括列车运行速度、列车运行工况、牵引或制动级位指令等列车运行数据、命令进行保持制动控制，当条件具备时，由制动系统直接控制列车施加或缓解保持制动。

(1)保持制动施加

制动系统集中控制模式下，列车以任意模式运行(如FAM、AM、CM、EUM等模式)，制动系统根据车辆网络系统发送的制动指令和级位指令控制列车制动减速。当检测到列车速度降低至1 km/h以下时(通常为≤0.5 km/h)，施加保持制动，保持制动力相当于当前列车载荷常用制动力的30%～70%。

图7 制动系统集中控制逻辑示意图

制动系统集中控制模式下，列车以任意模式运行(如FAM、AM、CM、EUM等模式)，网络系统向牵引系统和制动系统转发来自信号系统或司机控制器发送的制动指令和级位指令，牵引系统输出牵引功率并实时计算牵引力大小，当牵引力达到克服列车下溜力的一定值时，制动系统缓解保持制动，列车启动运行。

(3)主要特点

制动系统根据列车牵引、制动工况及速度等信息控制列车保持制动的施加及缓解，更为直接。该控制模式增加了制动系统与牵引系统、网络系统间的接口，与信号控制指令的跟随性较差。

3.3 牵引系统控制

牵引系统控制设计方案中，所有列车常用制动、紧急制动、保持制动施加等控制仍由制动系统完成，保持制动缓解由牵引系统控制，通过硬线向制动系统传输保持制动缓解指令缓解保持制动。

图8 牵引系统控制逻辑示意图

(1)保持制动施加

牵引系统控制模式下，保持制动施加控制可采用信号控制、网络控制、制动控制等方案。

(2)保持制动缓解

牵引系统控制模式下，列车以任意模式运行(如FAM、AM、CM、EUM等模式)，网络系统向牵引和制动系统发送来自车载信号控制器或司机控制器发出的制动指令和级位指令，牵引系统输出功率并实时计算牵引力大小，当牵引力达到克服列车下溜力的一定值时，通过硬线方式直接向制动系统输出保持制动缓解指令，制动系统缓解保持制动，列车启动运行。

(3)主要特点

该模式下，牵引系统仅控制保持制动缓解的时机，因指令传输方式为硬线，更为可靠，不易出现指令误发的情况，且不受网络系统故障的影响。但相对增加了牵引系统和制动系统之间的硬线接口。

4 优化和改进构想

保持制动是列车制动系统的重要功能，不同平台、品牌的设计理念不尽相同，根据实际运用经验，本文进一步分析研究相关设计方案优化的可行性。在开展列车保持制动控制方案设计时，除安全导向原则之外，还应充分考虑设计标准、用户需求以及实际运用中的经验。因此，建议列车保持制动功能设计时考虑如下优化方案：

4.1 合理设计保持制动力大小

保持制动力的大小应遵循适当原则，设计时需要充分评估列车质量大小、线路坡道及不同载荷下的救援需求等方面因素。特别是应急运行后备控制模式时，保持制动力结合最大载荷下的列车下溜力、轮轨摩擦力所需制动力，并预留一定安全裕量，避免出现应急运行时无法缓解保持制动的情况。

4.2 优化保持制动缓解控制逻辑

根据网络正常模式和应急运行模式分别进行保持制动的缓解逻辑设计。当网络正常时，由网络系统综合列车载荷、下溜力以及保持制动力数据进行缓解控制。当网络故障时，制动系统检测的持续的硬线牵引指令，且超过3 s时，制动系统直接缓解保持制动。

4.3 保留极端工况下的应急处置功能

如列车发生动力丢失≤1/2且网络故障等多重故障时，在系统中保留应对极端工况的功能，如强迫缓解等，并在相关用户手册、操作手册、维护手册等文件中予以明确，必要时还应组织用户进行专门的培训。

4.4 保留有条件的强迫缓解功能

如列车发生单节车制动不缓解或全列车保持制动不缓解的情况时，列车保留有条件的强迫缓解功能，通过在控制电路中的电气设计，确保该功能可在确保行车安全的情况下进行操作，达到应急处理的目的，减少故障造成的影响。

5 结束语

列车制动系统是行车安全的重要保障，保持制动作为制动系统的重要功能之一，是以空气动力为驱动的制动方式之一。随着城市轨道交通飞速发展，制动系统功能日益完善，安全性越来越好，实用性越来越强。有时，不同的用户对同一种系统的功能、性能要求也不尽相同，但总体的原则仍然是以安全为导向的。经过长时间的现场运用，逐步暴露出了保持制动功能存在设计标准不统一、前瞻性研究不足等问题，需要用户、设计单位、设备生产商等长期结合现场运用情况，不断优化系统设计，制定一整套合理、完善的设计方案。制动系统的功能完善和提升不是一蹴而就的，要保障列车在现场运用的可靠性，除了设备本身外，还需制定一套完善的操作规范，充分预想可能发生的问题并制定可行高效的应急应对方案，同时组织做好相关岗位的培训学习，确保执行落地。