摘要 地铁自动驾驶功能在经历过不断改进后，目前已广泛应用于各大地铁的运营当中，该功能为地铁高效安全运行、减轻司机驾驶压力起到了很大的作用。文章主要介绍了贵阳1号线在自动驾驶模式下发生的欠标事件，针对造成欠标的列车空转滑行逻辑进行了分析，包含列车制动级位与实际施加制动力的相应对比情况等，旨在通过此故障对列车发生空转滑行的处置措施进行优化，降低列车在正线晚点的可能性。
关键词 自动驾驶；地铁电客车；列车欠标；空转滑行
中图分类号 U279文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0015-04
0 引言
贵阳地铁1号线的制动系统是以“架控”为方式的制动控制系统，其中“架控”指的是一个转向架一个转向架进行控制，制动系统的EP阀内设监控设备，具有自诊断和故障记录功能，它能在司机控制器或ATO的控制下对列车进行阶段或一次性的制动与缓解[1]。
车载ATP（Automatic Train Protection，列车自动防护）是地铁信号系统在正线行车中确保行车安全的一道最重要保障，它除了可以为电客车提供速度与前一站的间隔预期曲线，还可以监测电客车车门打开或者关闭状态以及下一站站台门的状态、检测电客车产生后溜等。车载ATP不但能够实现3种信号级别的列车防护，而且能在电客车自动驾驶模式激活后为其提供必要的信息，为信号显示屏提供状态信息等，实现上述功能的前提是需要它与地面应答器或者ZC系统进行通信。
贵阳地铁1号线电客车在正常制动过程中，空气制动与电制动的施加是通过列车级制动指令实现的，并且在速度高时优先采用电制动，如果电制动无法满足此时所需的制动力需求，不足的制动力将平均分配到每节车进行补充。
1 列车欠标事件分析
1.1 故障现象
2018年7月3日，上午7：38，行调报：114车以AM模式运行至八鸽岩下行进站时欠标50 cm，后续进站对标正常。
1.2 故障原因
由于气候原因早晨轨面湿滑，且ATO模式下小制动突然变成大制动，导致车辆打滑。制动系统检测到滑行，从而切除电制动，提前使用气制动控车，气制动的施加与缓解通过气缸的充气与排气进行，其响应时间对比电制动偏慢，因此其控车精度不如电制动，导致了此次的欠标故障。
1.3 故障分析
114车从南垭路下行出站后的列车速度折线图，如图1所示，横坐标为列车从南垭路出站至八鸽岩进站停稳的时间（07：31：32—07：33：48），纵坐标为这段时间内的列车速度，从速度曲线中能够看出，在AM模式下，列车在07：31：55时达到该区间的最高速度（69.7 km/h）。由于电客车常用制动采用的是电空混合方式，在速度较大时优先采用电制动，当列车速度小于5 km/h时，电制动开始缓慢淡出，当速度低于3 km/h时，电制动完全切除。因此在区间达到最高速度后，列车开始施加电制动控制速度不再升高，保持平稳。
制动级位与对应施加电制动力的响应图，如图2所示，从图中可以看出，在电制动施加过程中电制动力与级位的需求值均是匹配的，只是在最后阶段（红框标注的区间），级位的需求值发生了很大变化，从小制动变为大制动，从列车执行ATO的40%的制动瞬间增加至ATO输出的100%的制动（时间为：7：33：11—7：33：12，间隔仅为1 s），此时需要信号进行说明。
由于气制动提前施加，所以从切除电制动到列车停稳的这段时间，电客车施加的制动均为气制动，气制动的施加与缓解是通过制动风缸的充气排气完成，制动风缸充排气是一个机械过程，需要一定的反应时间，与级位需求值这种电气值的变化相比会有延时和误差，对车辆对标的准确度会有影响，这也是为什么常用制动中优先使用电制动，待速度降低到很小时才使用气制动的原因。图2可以看出整个过程制动力相对级位的变化虽有一定的延迟，但这是正常情况，车辆均及时响应对应的制动级位需求值。
制动级位与对应施加气制动力的响应，如图3所示，图中有一个制动级位为0的区间，也就是红框标注的部分，此时可以看到制动级位突然降为0，而气制动仍在施加，这是因为此时司机发现列车对标不准确，有些欠标，因此司机操作了手柄，进行手动对标，此时手柄处在牵引级位，故制动级位为0。司机操作了手柄，驾驶模式从AM转为CM，而AM模式下车停稳后气制动会逐渐施加到最大值，此时模式进行切换且切换瞬间输出了牵引指令，制动缸的气压不能瞬间降为0，所以导致制动级位为0后一段时间，气制动还保持着。最后当列车对标准确并停稳后，制动级位输出至100%，气制动也相应动作。
1.4 故障结论
经分析数据发现，列车制动力响应对应级位值正常，车辆牵引制动功能正常。调查中发现，导致此次欠标的原因是后通段由于气候原因早晨轨面湿滑，且ATO模式下小制动突然变成大制动，导致车辆打滑，制动系统检测到滑行，从而切除电制动，提前使用气制动控车。而气制动控车的精度不如电制动，导致了此次的欠标故障。
2 列车控制逻辑原理
2.1 切除电制动逻辑原理
当列车需要输出制动指令时，列车控制系统（TCMS）首先检测制动列车线此时处于失电状态，然后VCU输出制动指令，该指令通过列车MVB网络发送给包含制动系统等其他子系统。
电空混合初期，制动系统没有收到实际電制动力时，牵引系统将发送当前工况下能达到的最大电制动力值给VCU，VCU转发给制动系统，制动系统以此值进行电空混合；2 s（在调试阶段确定）后通过牵引需求参考值计算出制动力需求值，VCU将该需求值发送给牵引与制动系统。在接收到此需求值与牵引系统发送的电制动力值后，制动系统将比较牵引系统的电制动力值与制动需求值的大小，如果发现不足，制动系统将不足的制动力平均到每节车厢进行气制动补充[2]。
当列车进入下一站站台即将停车时，直接施加大制动来停车，此时不论是否存在牵引指令，都以制动指令为准，若同时存在大小两种制动需求，则优先响应大制动需求。当电客车由于牵引系统部件设备原因出现故障影响电制动力施加时，由气制动补充相应故障单元的制动力，只要保证所需最大黏着系数在0.038～0.043的范围内即可。当列车出现故障需要限速时，将以最低的限速值执行限速，例如此时3个牵引控制单元故障需要限速30 km/h，速度大于32 km/h将施加制动降低速度，当速度小于28 km/h时所施加制动将消失。
在制动工况下，满足以下条件电制动力将被切除：①气制动开始缓慢介入电制动减小的速度点是随机的，与级位大小相关；②电制动力切除将以减速度变换率K的曲线减小，K的值为1 m/s3；③电制动力在列车速度小于1.5 km/h左右完全退出；④牵引控制系统发出电制动退出信号后至执行此退出指令会有响应时间Δt1，Δt1=400 ms。
电制动切除曲线，如图4所示，牵引控制单元发出电制动切除信号的时刻为t1，此时列车速度为V1，经过400 ms的响应时间后，电制动在t2时刻开始切除，此时列车速度为V2，制动系统将在此时施加少量的空气制动进行补充，直至t3时刻，气制动完全施加，电制动完全退出。
为了电制动能够在速度尽可能小的情况下退出，牵引控制单元发出“电制动切除”信号的速度点V1与电制动开始退出的速度点V2不固定，根据当前列车电制动力状态的变化而变化。
2.2 列车速度选取与防滑逻辑原理
贵阳1号线列车速度计算方式是根据车辆牵引系统的电机综合速度和制动系统的轴速计算本地速度（电机速度通过电机电流电压计算而来，轴速通过不同轴端速度传感器采集而来，都存在一定误差），接着根据本地速度计算列车速度。
本地速度：将每列车分为3组，每组按如下规则选择一个本地速度，制动指令激活时，本地速度取第二高速度值；牵引指令激活时，本地速度取第二低速度值；
列车速度（Train Speed）：制动指令激活时，列车速度取三个本地速度的最大值；牵引指令激活时，列车速度取三个本地速度的最小值。
在地铁控制逻辑中，空转滑行保护和黏着利用控制系统分别归属于制动系统及牵引系统。如图5所示，黏着控制的主要作用是在钢轨轨面情况未知的情况下，通过采集牵引电机转速、电机转矩等信息，结合VCU发出的牵引制动力参考值以及牵引控制单元的牵引特性曲线，综合分析得出此时牵引电机转矩施加值的大小。此时牵引系统将发出电机转矩施加值给到电机控制系统，列车可以最大限度运行在最大黏着系数上，从而获得最大黏着利用率[3]。
在牵引系统中，滑行的判断为：牵引电机的电压电流算出来的速度和网络给出的速度比较相差3～5 km/h，3 s后变为严重滑行，5 s切除。牵引系统控车方式为单控，即每节车厢的牵引控制单元控制本节车厢牵引子系统，牵引电机的给定转矩会在列车因其他外部原因使轨面黏合状态发生变化，或列车整体加速度超过保护阈值时瞬时调整，以保证列车能快速从空转滑行中恢复。
2.2.1 轮对速度差检测及保护
列车实时监测同一节车厢上4条轮对的速度，当任意两轮对间的速度差值（或与列车实际速度的速度差）超过系统预设的保护阈值时，即发生空转滑行，将根据差值大小迅速调整电机给定转矩，从而使列车快速恢复正常状态。
2.2.2 轮对加速度检测及保护
列车可以实时监测同一节车厢上4条轮对的牵引或制动加减速度，当任意两轮对间的加减速度差值超出设定的保护阈值时，将根据差值大小迅速调整电机给定转矩，恢复列车状态。
2.2.3 空转滑行控制系统的失效保护
当空转滑行持续时间超过5 s，且调整后空转滑行等级还在提升时，列车将认定空转滑行系统调整失败，列车处于制动工况，此时无论列车速度大小是多少，都会切除电制动由气制动进行控车，由气制动响应制动力要求；当处于牵引工况时，若列车认定空转滑行系统失效，牵引系统可以正常使用。
贵阳1号线制动系统的工作逻辑如下：贵阳1号线克诺尔防滑控制系统的全称是车轮防滑行保护（Wheel Slide Protection），其功能的实现是通过每单元主网关阀控制实现的，即EP2002阀。EP2002防滑保护系统工作过程如下：
（1）当车辆处于制动状态（包括紧急制动），但防滑保护并没有被激活前，制动系统处于正常工作状态，此时系统计算的参考速度为制动CAN单元内各轴的最高轴速。
（2）当车辆处于制动状态，且当前轴速与参考速度差大于5%（或当前轴的轴减速度大于2.5 m/s2时），激活防滑保护功能，此时EP2002制动控制阀将从架控模式自动进入轴控模式，为可能进行的轴控防滑保护作好准备。按照制动和牵引的信号清单，在制动检测到滑行而牵引未给出等待信号时，制动将立即切除电制动进行防滑纠正。
（3）当车辆处于制动状态，且当前轴速与参考速度差大于15%时，制动控制阀的防滑保护动作开始，对当前轴对应的制动缸进行排气动作，并尽可能使当前轴的速度差控制在大约15%～20%范围内EP阀的防滑功能基本设置是尽全力去纠正滑行，避免擦轮。
3 改进措施
此次故障可以发现，导致欠标的主要原因是电制动被切除，提前使用气制动控车造成的，因此可针对车辆与信号两个方面的电气制动转换提出意见。
针对车辆方面：当制动系统检测到有空转滑行时，不应立即切除电制动，应先对空转滑行进行分类，例如可分为轻微、中等、严重三个等级的空转滑行信号，对于轻微与中等的空转滑行可先施加部分气制动进行调整干预，若调整成功则不会切除气制动，若调整5 s后空转滑行的等级上升，此时再切除电制动。在列车完全切除电制动由气制动控车后，如果此時驾驶模式为AM模式，可让ATO系统输出2 s的惰行指令，以恢复列车电制动。同时对于司机，应该在下雨或下雪时，在高架和地面站采取手动驾驶模式，因为自动驾驶模式不识别天气，速度会比较高，采用手动驾驶则可以将速度控制在较低的范围，不易引起打滑。
针对信号方面：当列车处于制动工况时，此时若切除了电制动，可以给予一个电制动恢复信号，使电制动恢复，这样可以大大增加信号自动驾驶模式时的控车精度[4]。由于打滑后速度将与信号系统的期望速度产生偏差，当速度差大于5 km/h时，列车将会产生由ATP触发的紧急制动，信号等级将降级为联锁信号等级。因此信号在此方面可进行优化，例如识别到车辆发生打滑以后，若产生紧急制动，不应降级，应保持紧急制动前的信号等级，这样可以提高车辆在发生此类特殊情况时，正线列车运行的准点率，降低晚点时间。
4 结束语
列车空转滑行故障多见于下雨或下雪后，因为这个时候的钢轨湿滑，将导致列车车轮黏着力下降，但列车切除电制动其实是列车对于自身状态的一种调整措施，只是过于绝对且不可恢复。因此，在看待此类故障时应尽可能对车辆的逻辑进行优化，在安全的前提下保障车辆正常行驶。
参考文献
[1]李焱. 贵阳1号线电客车培训教材[Z]. 贵阳市城市轨道交通有限公司， 2020.
[2]徐红星. 贵阳1号线制动系统维护手册[Z]. 克诺尔车辆设备有限公司， 2018.
[3]钟建. 贵阳1号线牵引系统DCU控制功能说明[Z]. 贵阳市城市轨道交通有限公司， 2018.
[4]黄晨钊. 贵阳1号线车辆项目例会会议纪要[Z]. 贵阳市城市轨道交通有限公司， 2018.
收稿日期：2023-09-14
作者简介：钟向前（1995—），男，硕士研究生，助理工程师，从事城市轨道交通设备维保工作。
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