地铁车辆保持制动控制策略研究

地铁车辆保持制动控制策略研究

陈玥琨

武汉地铁集团有限公司 湖北省武汉市430080

摘要：当前不同城市轨道交通车辆项目保持制动的施加和缓解策略各不相同，本文对ATO模式和人工驾驶模式下保持制动施加控制策略，以及按列车速度进行缓解、延时缓解、按牵引力值进行缓解、牵引制动按不同斜率进行缓解4种不同缓解控制策略进行分析研究，对比不同控制策略的优缺点。通过对比分析可发现，牵引制动按不同斜率缓解保持制动的控制策略其缓解过程平稳，可有效提升乘客舒适性体验。

关键词：地铁车辆；保持制动；控制策略；

前言：为了保证地铁车辆安全运营，地铁车辆的制动系统通常设有常用制动、紧急制动、保持制动等制动功能。常用制动采用电空复合控制方式，优先使用电制动，若电制动力不足则由空气制动补充。紧急制动优先于常用制动，具有故障导向安全功能，根据紧急安全回路的高低电平状态分别缓解和施加纯空气制动，紧急制动可以由下列条件触发：车辆后溜故障、蘑菇按钮、列车超速、ATP系统等。

一、保持制动功能描述

为了保障列车的安全运行，城轨地铁列车制动系统包括常用制动、紧急制动、停放制动，除此之外还有一项能保证城轨列车在坡道上能够安全启动的功能保持制动，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。主要在列车停稳后根据车辆的载荷信息自动施加保持制动力防止列车在坡道上向后溜走，以及在一定坡度的坡道启动前列车具有一定大小的制动力以抗衡列车因重力因素产生的下滑分量。列车的牵引力和保持制动力之和大于列车自身重力在坡道上的分量与阻力之和时，列车开始获得加速度，并在牵引力施加方向上动车。

二、保持制动控制逻辑描述

保持制动施加控制。地铁列车的制动是由电制动和空气制动相互配合完成，在高速状态下列车进行制动时大多由电制动负责执行，当电制动力不足时，空气制动会对其进行补偿。正常情况下列车速度下降到8km/h此时开始进行电制动到空气制动转换，电制动力会按照一定的斜率退出，空气制动力按照一定的斜率增加，电制动和空气制动相互配合保证在整个制动过程中减速度不发生突变，不引发列车冲动；当列车减速到0.5km/h时（速度小于此值列车认为此时车辆处于停稳状态），列车为了能在停下后不发生移动，故施加保持制动。保持制动的施加策略根据车辆所处运行模式不同而略有差异，当列车处于ATO模式下，保持制动控制的施加由车载ATC对其进行精准控制；列车处于信号切除状态下的手动驾驶模式时，保持制动的施加由车辆控制单元VCU根据列车自身所处状态进行精确控制；当车辆网络故障时制动控制单元自行决定保持制动的时间。

三、地铁车辆保持制动控制策略

ATO模式下保持制动施加。当列车处于ATO控车模式下，保持制动施加控制由信号系统施行。当满足以下三个条件中任一条时，信号系统会将保持制动施加指令通过列车控制单元VCU发送给制动控制单元BCU，以施加保持制动：（1）信号系统对列车运行状态进行判断。当检测到此时列车处于零速状态且车载信号系统ATC没有发出牵引指令，ATC将保持制动施加指令通过数据协议发送至列车控制单元VCU，VCU接收到信号系统发送过来的保持制动施加指令后再次转发给制动控制单元，最终由制动控制单元施加保持制动。（2）信号系统对列车运行状态进行判断。当检测到此时列车处于零速状态且车载信号系统ATC没有发出牵引指令，此时可能由于网络链路存在的问题通讯中断，ATC的保持制动施加指令没有及时下发或者列车控制单元VCU没能准确转发，但此时制动控制单元已检测列车处于零速状态且没有收到牵引指令，如果时间长达2s仍未收到保持制动施加指令，制动系统自行施加保持制动。（3）信号系统对列车运行状态进行判断。当检测到此时列车处于零速状态且车载信号系统ATC没有发出牵引指令，此时列车控制单元VCU检测到列车所施加的常用制动力大于最大常用制动力的70%，制动控制单元自行施加保持制动。

人工驾驶模式下保持制动施加。当车载ATP处于切除状态列车处于人工驾驶模式时，制动控制单元检测到列车处于零速状态且此时列车施控器没有发出牵引指令，制动控制单元自行施加保持制动在网络正常状态下，列车的零速和牵引制动状态均通过硬线给到列车控制单元VCU，VCU基于此通过网络数据协议发送保持制动施加指令给到制动控制单元，制动控制单元收到施加指令后施加保持制动；当列车网络故障，人工操作列车进入紧急牵引或者备用模式，此时制动控制单元自行判断列车是否处于零速状态，并通过硬线判断是否有牵引指令，当此两条件都满足时自行施加保持制动。因此，在保持制动施加逻辑中，需考虑列车综合速度。在t0~t4的故障时段，因VCM宕机导致列车综合速度保持为故障前的64km/h。制动系统收到错误的列车综合速度，该异常速度超过10km/h，不满足制动系统施加保持制动的条件，因此车辆未能施加保持制动。车辆在后溜故障时VCM未主动施加紧急制动。根据车辆在后溜时触发紧急制动设计逻辑，当溜车距离大于0.4m且无后溜故障复位信号时，牵引系统发出后溜故障信息，VCM根据后溜故障驱动EB紧急制动继电器上电，从而控制车辆安全回路断电。t2~t3时段，在车辆溜车时，牵引系统检测到后溜故障，TCMS也收到该故障反馈。为了规范VCM宕机故障下司机操作，可编制司机操作指引，并要求司机在HMI黑屏等故障现象下通过操作快速制动控制列车停车，将车辆驾驶模式切换至紧急牵引模式。此外，车辆专业技术员应督促PIDS专业针对交换机网络风暴问题，制定交换机端口带宽限制及广播报文抑制措施，确保车辆与PIDS接口工作状态稳定。

优化结果。采用上述优化措施对保持施加逻辑及VCM紧急制动逻辑进行优化后，列车在运行过程中，通过断开主用及备用VCM电源以模拟VCM宕机，车辆立即施加紧急制动直至停车导致车辆在运行中制动系统错误施加带闸跑车的风险。制动系统仍能有效施加气制动。以上验证结果表明，上述优化措施可杜绝整车VCM宕机后的溜车问题。按速度和延时缓解策略，控制逻辑简单，效果可靠，但是在保持制动力撤出的瞬间，导致整车等效牵引力会发生突变导致列车加速度跃变，引发列车启动期间的冲动，可能会影响乘客舒适性体验。按牵引力值和按斜率缓解保持制动控制策略中，控制方案较为复杂，相关控制参数需在正线调试阶段反复试验测试以固化参数，调试周期长，其在启动过程中，由于牵引力逐步建立，而保持制动力是缓慢撤销的，此消彼长列车所获得的等效牵引力逐渐提升加速度没有跳变，车辆启动平稳，但是在人工驾驶启动初期需要手动输出较大级位牵引，以保证牵引系统输出的牵引力能够在保持制动完全退出的情况下足以克服列车自身重力在坡道上的下滑分量。保持制动的这两类控制策略各有利弊，在实际运用过程中需根据运营习惯及车辆运用环境加以选用。

结束语：车辆各系统通过总线，构建了便于集中监控和管理的TCMS系统，它将各子系统紧密地联系在一起，使控制系统的结构更加紧凑、功能更加强大、设计更加灵活，在保证列车安全运行的同时也为乘客提供了一个舒适的乘车环境。

参考文献：

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[2]吴新宇．克诺尔模拟式地铁制动系统概述[J]．铁道车辆，2019，38(Z1)：32—36．

[3]曾东亮.地铁列车保持制动控制逻辑分析和运用[J].铁道机车车辆，2020，40（3）：111-115.