本发明涉及一种ato制动故障检测和处理的方法。
背景技术：
1、随着城市轨道交通的快速发展，城市轨道交通为人们提供了快速、便捷的出行选择，成为人们出行的主要交通方式。特别是在一线城市，由于人口密集，轨道交通的客流量大，其重要性日益凸显，也给城市轨道交通运营带来巨大挑战。自动列车运行(ato)功能在城市轨道交通运营中起着至关重要的作用，特别是采用全自动无人驾驶技术运营的轨道交通线路。ato功能由信号系统的车载控制器(vobc)与列车控制系统(tcms)协作实现，vobc向tcms发送ato列车控制指令，tcms根据这些指令操作列车的牵引和制动系统，实现列车的自动运行。
2、在实际运营过程中，ato系统在控制列车时可能会遇到由于各种原因引起的故障，特别是ato制动故障，导致列车无法响应vobc发送的制动指令，列车不能减速出现列车超速、进站过冲等问题，如果列车在站台上过冲，会导致列车门无法打开，乘客无法正常上下车，需要列车执行回退对标操作。如果列车在站台上过冲距离过大，超过列车回退保护的距离，此时列车无法正常执行回退对标作业，需要切除信号控制系统，进行人工处置，时间会较长，对运营的影响更大，如图1所示，是一个典型的列车没有响应vobc制动指令产生的故障场景，列车在进站对标的过程中，vobc下发ato最大制动力指令(100％制动力)，但列车一直没有减速，直到由于列车闯出站红灯vobc下发紧急制动命令时列车才停止，此次故障造成列车在站台过冲超过8m，导致超过5分钟的列车晚点，对运营造成较大影响。
3、ato制动功能对ato列车控制至关重要，需要及时检测ato制动故障并进行故障的处理，现有的技术方案提供了一些列车制动故障的检测和检测到故障后列车控制方法，例如，专利号为cn112193230a提出了一种基于车厢制动故障信息的列车控制策略；专利号为cn104875735b介绍了一种基于制动系统输入与输出信号差异的故障检测方法；专利号为cn111002970b则提供了一种通过监测关键制动管路压力状态来诊断车辆制动故障的方法；专利号为cn114323706b通过计算列车的虚拟阻力来识别ato列车控制故障并发出预警；专利号为cn108163013b描述了在ato车载设备发生故障时的列车控制方法。
4、现有技术通过构建模型(如cn104875735b、cn114323706b)或者增加制动设备监控的方式(如cn112193230、cn111002970b)对列车制动故障进行检测，然而，这些方法没有考虑列车的实际的运行状况，没有从实际的列车控制的结果来考虑检测到的故障是否对运营有影响。
5、在实际的运营中发现ato制动的主要问题是列车对信号系统下发的制动指令无响应或者响应不及时，而制动指令响应问题有可能是指令传输丢失或者制动设备电气机械特性等各种原因导致，这些问题并不是由于真的发生ato相关硬件设备故障或者说由于可以自动恢复的硬件设备故障导致的。这种故障基本上是偶发的短时故障，但对运营影响大，现有技术方案不能很好的处理这种类型的制动故障，不能解决由于制动响应问题导致的列车过冲等问题。
6、因此，提供一种ato制动故障检测和处理的方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有的缺陷而提供的一种ato制动故障检测和处理的方法，以解决由于制动响应问题导致的列车过冲问题。
2、实现上述目的的技术方案是：
3、一种ato制动故障检测和处理的方法，包括：
4、步骤s1，vobc监测列车加速度；
5、步骤s2，vobc监控ato控制指令和检查ato列车控制通道是否发生潜在的故障；
6、步骤s3，vobc判断出存在潜在的ato制动故障后，vobc切换ato列车控制通道；
7、步骤s4，vobc判断出存在潜在的ato制动故障后，判断是否需要vobc施加紧急制动停车；
8、步骤s5，vobc监测紧急制动时的列车加速度；
9、步骤s6，vobc判断在紧急制动时是否发生ato制动故障；
10、步骤s7，当vobc判断ato制动无响应故障发生后，vobc判断检测到ato制动故障的次数，并对列车进行回库检修。
11、优选的，所述步骤s1中，当vobc系统启动后，在vobc每个执行周期，vobc通过采集安装在列车上的加速度计得到列车的加速度值araw，作如下处理：
12、ai＝araw-agrade；
13、式中，agrade是由于轨道坡度产生的加速度分量，可以根据列车位置信息从车载电子地图中获取，ai表示在第i个执行周期对应的去除坡度影响的列车的加速度值；
14、为避免数据噪声的影响，采用指数移动平均的方法对列车的加速度ai进行数据的平滑处理，其计算公式如下：
15、a'i＝α1×ai+(1-α1)×a'i-1,i＝1,2,3,…；
16、式中，α1为数据平滑参数，是vobc系统参数，a'0＝0，a'i表示在第i个执行周期数据平滑后的列车加速度，通过使用平滑后的列车加速度来判断列车对ato控制指令的响应程度；
17、并根据当前的列车加速度信息，使用holt线性趋势方法计算n_brake_delay个周期后的列车加速度的预测值，计算公式如下：
18、初始化：
19、l0＝0，t0＝0；
20、在vobc每个执行周期，依次计算:
21、li＝α2×a′i+(1-α2)×(li-1+ti-1),i＝1,2,3,…；
22、ti＝β×(li-li-1)+(1-β)×ti-1,i＝1,2,3,…；
23、predict_ai＝li+n_brake_delay×ti,i＝1,2,3,…；
24、式中，α2与β为vobc系统参数，li是vobc在第i个执行周期的水平估计值，ti是vobc在第i个执行周期的趋势估计值，predict_ai是基于当前加速度值a'i预测的n_brake_delay个周期后的列车的加速度值，n_brake_delay取值如下：
25、
26、式中，tatobrakedelay为列车对ato制动指令的延时响应时间，tvobccycletime为vobc每个执行周期的执行时间，这两个参数都为vobc系统参数。
27、优选的，所述步骤s2中，包括：判定是否发生潜在ato制动故障和潜在ato制动故障恢复判定；
28、判定是否发生潜在ato制动故障，即：
29、当列车在ato运行模式运动时，vobc在每个执行周期监测ato列车控制指令；
30、当vobc下发ato最大制动力指令时，vobc记录开始下发ato最大制动力指令时的列车加速度：
31、abrakeinitial＝a′k；
32、式中，k为vobc下发ato最大制动力指令时的执行周期；
33、同时vobc开始计算在下发ato最大制动力期间列车的最大加速度变化值：
34、amaxatobrake＝max(|a'i-abrakeinitial|)，i＝k，k+1，…；
35、若vobc连续在n_brake_delay个vobc执行周期向列车发送ato最大制动力指令，即ato最大制动力指令下发超过制动延时响应时间tatobrakedelay；
36、则在此之后继续发送ato最大制动力指令的每个执行周期中，vobc将分别计算列车加速度、预测的列车加速度与下发ato最大制动力时的列车加速度的差值，即计算：
37、diff_aj＝a′k+n_brake_delay+j-abrakeinitial；
38、diff_predict_aj＝predict_ak+n_brake_delay+j-abrakeinitial；
39、式中，diff_aj为列车加速度与下发ato最大制动力时的列车加速度的差值，diff_predict_aj为预测的列车加速度与下发ato最大制动力时的列车加速度的差值，j＝1,2,…,n_brake_delay，n_brake_delay+1，…，2×n_brake_delay；
40、进而，判断列车加速度的变化值diff_aj、diff_predict_aj与ato制动响应的最小加速度门限值aatobrakeresponseminlimit的关系，其中，aatobrakeresponseminlimit为列车响应ato最大制动力指令时的最小列车加速度门限值，与车辆性能有关，是vobc系统参数；
41、在连续n_brake_delay个执行周期，统计：
42、满足条件(1)：|diff_aj|>aatobrakeresponseminlimit的个数为n1，
43、满足条件(2)：|diff_predict_aj|>aatobrakeresponseminlimit的个数为n2，
44、若diff_aj满足条件(1)，则n1值累加1，n1初始为0，如果diff_predict_aj满足条件(2)，则n2值累加1，n2初始为0；
45、若对所有diff_aj和diff_predict_aj都已经判断完成；
46、则判断是否存在超过p个diff_aj满足条件(1)，即判断p≤n1是否成立；
47、若p≤n1成立，则判断列车正常响应了ato制动指令，本次制动故障判断逻辑结束，等待下次vobc重新下发制动指令再执行相关判断；
48、若p≤n1不成立，则判断是否存在超过p个diff_predict_aj满足条件(2)，即判断p≤n2是否成立；
49、若p≤n2不成立，则判断列车对ato制动指令响应不及时，存在潜在的ato制动故障；
50、若p≤n2成立，则vobc继续在后续的n_brake_delay个执行周期执行如下处理：
51、若|diff_aj|>aatobrakeresponseminlimit成立，n1累加1；
52、若对所有diff_aj都已经判断完成；
53、则判断p≤n1是否成立；
54、若p≤n1成立，则判断列车正常响应了ato制动指令，本次制动故障判断逻辑结束，等待下次vobc重新下发制动指令再执行相关判断；
55、若p≤n1不成立，则判断列车对ato制动指令响应不及时，存在潜在的ato制动故障；
56、其中，p为vobc系统参数且满足p≤n_brake_delay；
57、潜在ato制动故障恢复判定：
58、当列车在ato运行模式运动时且当vobc从下发ato制动命令转为下发非ato制动命令或者不再下发ato最大制动力指令超过n_brake_delay个vobc执行周期时；
59、则判断列车已经响应了之前下发ato制动命令；
60、若之前已经判断出存在潜在的ato制动故障，则清除潜在ato故障信息，本次制动故障判断逻辑结束，等待下次vobc重新下发制动指令和ato最大制动力指令时再执行相关判断。
61、优选的，所述步骤s3中，
62、若vobc判断出存在潜在的ato制动故障，则vobc将该ato控制通道状态设置为不可用状态；
63、若此时另一个ato列车控制通道状态为可用状态，则vobc将ato列车控制通道切换为另一个ato列车控制通道，重新开始ato制动故障监控流程；
64、若vobc判断潜在的ato制动故障恢复并且ato列车控制通道没有检测出相应的硬件故障，则将ato列车控制通道状态设置为可用状态。
65、优选的，所述步骤s4中，若vobc判断出存在潜在的ato制动故障并且vobc还在持续发送ato最大制动力指令，则vobc将在如下任何一个紧急制动停车条件满足时施加紧急制动来代替ato制动，即，当vobc判断列车超速发生时，vcu施加紧急制动：
66、当列车速度小于vstoplimt时，
67、当判断列车处于站台停车区域且接收到站台对标停车信号或者列车到停车点的距离小于停站窗口dspwindow时，dsp≤dspwindow成立，vcu施加紧急制动；
68、其中，vstoplimt为列车停站对标速度门限，为vobc系统参数，dsp为当前列车到停车点的距离，dspwindow为列车到停车点的距离门限，为vobc系统参数；
69、当列车速度大于vstoplimt时，
70、vobc在每个执行周期计算预估列车当前速度在紧急制动停车后行驶的距离，计算公式如下：
71、
72、v1＝v0+araw×t0；
73、
74、式中，d1为制动命令响应时间内列车行驶的距离，v1为经过制动命令响应时间后列车的速度，d2是列车响应紧急制动命令后到列车停止期间列车行驶的距离，v0为列车当前速度，t0为列车紧急制动命令响应时间，为vobc系统参数，araw为列车当前加速度，aeb为列车紧急制动后的加速度，为vobc系统参数，agrade是由于轨道坡度产生的加速度分量，它可以根据列车位置信息从车载电子地图中获取；
75、若d1+d2>dsp成立，则vcu施加紧急制动。
76、优选的，所述步骤s5中，当vobc施加紧急制动时，vobc计算从开始施加紧急制动到列车停止时的列车加速度的变化值，然后获取紧急制动期间列车加速度的变化值的最大值，方法如下：
77、vobc记录施加列车紧急制动时的列车加速度：
78、aebinitial＝a′m；
79、式中，m表示vobc施加列车紧急制动时的执行周期；
80、vobc开始计算紧急制动期间期间列车的最大加速度变化值，即：
81、amaxeb＝max(|a'i-aebinitial|)，i＝m，m+1，…。
82、优选的，所述步骤s6中，当列车施加的紧急制动停止时，vobc根据下发ato最大制动力指令期间的列车的最大加速度变化值amaxatobrake和施加紧急制动期间的列车的最大的加速度变化值amaxeb判断ato制动是否发生故障，判断方法如下：
83、若|amaxeb-amaxatobrake|>aebbrakelimit成立，则判断ato制动无响应故障发生，将检测到ato制动故障的次数natobrakefailure累加1，其中，aebbrakelimit为vobc系统参数，natobrakefailure在vobc启动时初始为0。
84、优选的，所述步骤s7中，当vobc判断ato制动无响应故障发生后，vobc判断检测到ato制动故障的次数natobrakefailure是否大于预定义的ato制动故障次数门限值natobrakefailurelimt，即，判断natobrakefailure>natobrakefailurelimt是否成立，其中，natobrakefailurelimt为vobc系统参数；
85、若natobrakefailure>natobrakefailurelimt成立，vobc将执行如下流程：
86、vobc发送告警给tod和ats，提示检测到列车制动故障；
87、若列车停靠在站台上，则vobc设置ato运行模式不可用，vobc发送告警信息给tod和ats，提示需要司机手动驾驶列车回库检修；
88、若列车没有停靠在站台上，则：
89、对于有人驾驶的列车，vobc设置ato运行模式不可用，给tod发生告警信息提示司机手动驾驶列车回库检修；
90、对于无人驾驶的列车，需要将列车尽快驾驶到站台上，检测列车制动故障后ato控制流程如下：
91、设置列车限制速度曲线，在车载电子地图中，包含所有轨道的列车运行速度和轨道限速，vobc从当前列车位置到停车点位置的所有轨道的速度中，选择值最小的速度再减去列车超速容限值作为列车运行的目标速度；
92、vobc自动缓解列车紧急制动，vobc分三阶段进行列车控制；
93、首先vobc下发牵引指令控制列车加速到目标速度；
94、然后vobc通过惰行指令和小级位牵引指令控制列车速度维持在目标速度上；
95、最后阶段是紧急制动停车阶段，vobc在每个执行周期计算预估列车当前速度在紧急制动停车后行驶的距离；计算公式如下：
96、
97、v1＝v0+araw×t0；
98、
99、若d1+d2>dsp成立，则vobc施加紧急制动停车，当列车停靠在站台上后，则vobc设置ato运行模式不可用，vobc发送告警信息给tod和ats，提示需要司机手动驾驶列车回库检修；
100、若natobrakefailure≤natobrakefailurelimt成立，vobc将执行ato控制通道自检流程：
101、vobc通过输出ato控制命令然后检测命令回检值的方式检查继电器和ato接口板硬件的相关输出功能；
102、对于支持列车制动自检的列车，vobc将会下发制动自检命令给列车，指示列车进行制动自检；
103、若自检通过，则vobc将ato列车控制通道状态设置为可用状态，自动缓解列车紧急制动，列车按照正常ato运行模式对列车进行控制；
104、若自检失败，则与natobrakefailure>natobrakefailurelimt的处理流程一致。
105、本发明的有益效果是：
106、1)本发明从信号系统列车控制的角度和列车控制的实际结果来判断是否发生ato制动故障，从vobc下发ato最大制动力这个列车控制逻辑出发，使用在ato最大制动过程中列车加速度的变化来判断列车对ato制动控制的响应程度，不需要建立列车相关控制模型假设，可以真实反映列车的实际状态；
107、2)针对运营造成影响的ato制动故障才进行检测和处理，即在ato制动过程中，vobc给列车施加紧急制动时才判断是否发生ato制动故障，避免短时的但对运营无影响的制动故障对系统的影响，最大程度保证ato功能运营的可用性；
108、3)根据vobc下发ato最大制动力期间的的列车加速度变化值和施加列车紧急制动的列车加速度变化值来判断是否发生ato制动故障，方法简便易行，只涉及vobc系统，不需要车辆等其它系统的配合；
109、4)本发明还提供了ato制动故障后的处理方法，可以在检测到故障后，vobc通过切换ato控制通道、施加紧急制动停车、发起ato制动自检等方法处理故障，降低故障对运营的影响，相对于既有技术检测到故障仅是上报告警的处理方法，本发明可以在检测故障时即做出列车控制调整，可以实现即时故障响应处理；
110、5)本发明不会对运营和系统造成额外的影响，当ato制动无影响时，vobc最终也会施加紧急制动，本发明在检测ato制动无响应时通过评估是否需要时间紧急制动，提前施加紧急制动，减小ato制动无响应故障对运营的影响。