莞惠城际动车组自动驾驶制动施加优化研究

袁水平

（中国铁路广州局集团有限公司惠州电务段，广东惠州 516023）

莞惠城际铁路从惠州市小金口至东莞市望牛墩，线路主要呈东西走向，全长101 km，设18个车站，列车运营最高速度200 km/h。莞惠城际在用的列控车载设备主要有300T+ATO、200C+ATO和200k+ATO 3种型号。目前莞惠城际列车在自动驾驶运营过程中，存在制动方式施加不合理空气制动补偿引起的闸片可使用寿命较短问题。闸片磨损不仅提高运营成本，闸片的频繁更换，列车的停车维修次数增加导致作业劳效增加，大大降低莞惠城际铁路运营能力。因此有必要对列车自动驾驶制动方式优化，减少自动驾驶列车的制动冲击，提高闸片的使用寿命，降低作业人员作业过程的强度和风险。

莞惠城际列车自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）在列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）限速防护下，提供启动、加速、巡航、惰行、制动、停车等多种工况的控制时，结合动车组牵引和制动参数，实现自动牵引控制和制动控制的合理分配。

莞惠城际列车在制动（司机使用制动手柄或者ATO施加制动信号）时，车辆优先响应并采用电制动，司机或者ATO在高速下施加大于等于常用制动量的制动指令时，由于高速下电制动力发挥有限，车辆需通过施加空气制动力进行补充，列车的运行速度越高，由动能通过闸片转化为热能的热量越大，对闸片损伤较大，列车运行过程制动冲击明显。

为进一步减少因ATO施加制动不合理，制动冲击较大引起的列车闸片磨损情况，结合莞惠城际列车的运行场景分析，ATO施加较大制动导致列车频繁施加空气制动主要发生于以下情况。

1）列车在减速区或者过道岔区大制动减速

列车在高速运行过程，前方存在过岔限速或者站台限速等，由于线路坡度以及限速变化等因素，ATO施加制动减速的调速空间有限，导致ATO施加较大制动快速减速的情况，空气制动补偿，制动冲击较大。

2）起伏坡道、下坡区段巡航过程频繁施加制动

ATO通过施加并切换牵引、惰行、制动指令，从而动态调控列车在起伏坡道、下坡道的运行速度，由于列车牵引、制动响应延时等因素影响，导致ATO施加大制动转惰行、惰行转大制动情况。列车在起伏坡道或者下坡区段运行过程中减速，若ATO施加较大制动，制动量施加的平稳性较差。

3）分相区施加制动

列车在分相区内运行时，由于线路条件变化或者前方限速等因素，ATO需施加制动减速，车辆采用空气制动减速，制动冲击较大。

4）部分自动驾驶设备接收ATP防护限速延时较大

部分自动驾驶设备接收ATP限速延时较大（延时2 s），ATP限速在下降的过程中，ATO无法及时施加制动，等ATO收到ATP限速信息时，需施加较大制动进行减速。

列车在高速运行施加较大制动时，易发生空气制动自动补偿，为进一步减小列车的空气制动施加频次，提高制动施加的平稳性，针对自动驾驶运行的场景进行局部运行控制优化。

2.1 ATO减速制动优化

2.1.1 制动切换舒适度约束

如图1所示，ATO预判列车需要减速时，提前减速并留有足够的速度可调区间，来保证逐级制动施加进行控速，且相邻施加制动级位的冲击率需满足舒适度约束。在ATO可调整速度较宽裕的情况下，动态修改冲击约束条件，保证制动切换的平缓性。

图1 列车减速制动优化Fig.1 Optimization of train deceleration and braking

2.1.2 侧向过道岔提前减速

如图2所示，在经过道岔侧向线路运行时，ATO按照道岔限速下浮一定速度通过，提高ATO控速的可调空间，减少不必要的较大制动发生。

图2 侧向过道岔提前减速优化Fig.2 Optimization of passing a switch with deceleration in advance on the siding

2.2 分相区运行ATO不施加制动

自动过分相主断断开与闭合，ATO结合分相区位置预判是否需提前减速（不能低于过分相区最小运行速度）。若无需提前减速，根据ATP断主断的时机缓慢撤销牵引控制。若预判需要减速，提前追加制动减速，保证分相区内惰行通过，减小空气制动施加的可能性，当离开分相区后，缓慢恢复至正常牵引制动施加。减速运行过分相优化过程如图3所示。

图3 减速运行过分相优化Fig.3 Optimization of passing neutral zone in deceleration operation

2.3 起伏坡道、下坡道巡航调速增加可浮动速度窗

针对起伏坡道以及下坡道减速运行优化，可参考列车减速制动优化方法，通过提前减速并留有足够的速度可调区间保证逐级制动施加控速；
针对起伏坡道以及下坡道巡航过程，可将ATO的巡航阶段增至牵引巡航、巡航以及巡航制动3个状态，如图4所示。参考速度曲线增加可浮动速度窗ΔV，允许在一定范围内速度的波动，通过增加巡航状态控制量变化的缓和程度，减少牵引制动的切换输出频率，在平缓坡度或者短小上坡区段，处于巡航阶段，尽量采用惰行或者小牵引的方式，减少制动的输出，在起伏坡道以及下坡道，通过增大可浮动速度窗ΔV，减少惰行制动的切换频次。

图4 起伏坡道、下坡道巡航优化Fig.4 Optimization of cruise on undulating and downhill ramps

2.4 增加防护限速预估（限速信息传输延时）

在既有的设备配置条件下，减小车载ATO设备与ATP设备通信周期的难度较大，为进一步优化制动平稳性，ATO需根据ATP限速曲线的变化对ATP曲线的变化趋势进行预估，从而尽可能在ATP减速时提前施加制动减速，防止不必要的大制动施加。

列车在运行过程中，若ATO施加制动不合理，导致列车响应制动冲击较大，随着运行里程增加，动车闸片磨耗速度加剧，莞惠城际动车组以闸片最大磨损厚度18 mm作为闸片失效以及更换闸片的判断依据，以闸片更换前使用该闸片列车走行公里数表示闸片使用寿命，作为对ATO施加制动的冲击以及舒适性优化的判断条件。本试验以莞惠某动车02位动车闸片作为跟踪统计目标，优化方案于2021年6月应用于现场运行，02位闸片更换列车持续运行的公里数如表1所示。

表1 莞惠城际某动车02位闸片更换列车持续运行公里数Tab.1 Continuous running kilometers of an EMU on the Dongguan-Huizhou intercity after replacement of brake pad at position 02

优化前、后02位闸片更换列车持续运行平均公里数如表2所示。优化后莞惠某动车组02位闸片平均寿命约为87 946.5 km，未优化前动车组闸片寿命约为47 239.5 km。对比上述数据，优化后动车组02位闸片寿命较未优化前整体平均提高86.17%，ATO施加制动导致的制动冲击明显改善。

表2 优化前后02位闸片更换列车持续运行平均公里数Tab.2 The average kilometers of continuous running train with 02-position brake pad replaced before and after optimization

本文对莞惠城际列车运行过程ATO施加制动导致的制动冲击较大原因分析，针对线路条件、特殊场景（分相区、减速区、岔区）等情况下ATO制动施加不平稳性、施加大制动，导致磨闸较多的问题，提出ATO制动施加方式局部优化方法，并将优化方案应用于莞惠城际列车ATO设备，对优化前后闸瓦使用寿命对比，该优化显著提高莞惠城际ATO施加制动的制动冲击。