動車組牽引計算仿真系統(tǒng)設(shè)計

何 橋 尹元釗

（1.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 全國鐵路列車運行圖編制研發(fā)培訓(xùn)中心，四川成都 610031）

隨著我國鐵路建設(shè)水平的提高，高速鐵路、城際鐵路的大量建設(shè)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CRH 和諧號動車組的應(yīng)用日漸增多，目前，設(shè)計行駛速度200km／h及以上的鐵路，均采用了CRH 和諧號動車組作為主型線上移動設(shè)備。CRH 動車組列車牽引計算作為高速鐵路設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)，除完成列車運行時分計算、列車運行能耗計算、列車運行速度時分曲線圖（VT－S）等基本的功能外，對設(shè)計工作中列車運行圖鋪畫、動車組車底數(shù)配置、區(qū)間信號機布置、接觸網(wǎng)電分相設(shè)置檢算、供電電流仿真等工作也具有重要的指導(dǎo)意義，是完成上述工作的最基礎(chǔ)的資料，其計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性直接影響設(shè)計工作的開展。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

由于國外高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、方法及設(shè)計流程與我國差別較大，雖然信息化發(fā)展程度較高，但可借鑒的地方較少。同時，國外高速鐵路建設(shè)無論在規(guī)模、數(shù)量方面，都遠(yuǎn)不及我國建設(shè)市場。不過，國外設(shè)計市場對信息化設(shè)計的重視卻是非常值得學(xué)習(xí)。

目前，我國從事高速鐵路設(shè)計的主要有鐵一院、鐵二院、鐵三院、鐵四院及中鐵咨詢、鐵五院等。據(jù)調(diào)查，高速鐵路設(shè)計中的牽引計算部分，主要采用的都是鐵科《牽引電算》（2.5版）軟件，該軟件由鐵道科學(xué)研究院機車車輛所于2000年開發(fā)而成，在十多年以來的鐵路項目設(shè)計中發(fā)揮重要的作用，是行車組織設(shè)計中最基礎(chǔ)的應(yīng)用軟件之一。由于該軟件采用單質(zhì)點計算模型、機車牽引車輛的計算模式，對動力分散的動車組來說，其計算模型和計算模式難以適應(yīng)國外項目“精細(xì)化”設(shè)計的要求，主要表現(xiàn)：

1）由于計算模型不適應(yīng)，計算結(jié)果準(zhǔn)確性不高；

2）列車運行速度時分曲線圖（VT－S）曲線部分運行路段不合理；

3）無法輸出實時電流I－S曲線，不能進(jìn)行供電電流仿真；

4）無法進(jìn)行區(qū)間信號機間隔時間、制動距離檢查；

5）無法滿足電分相設(shè)置檢算的要求；

6）無法滿足海外項目精細(xì)化設(shè)計的要求。

2 用戶需求調(diào)研整理

基于在設(shè)計單位進(jìn)行的現(xiàn)場需求調(diào)研，將用戶對動車組牽引計算系統(tǒng)的需求整理為

2.1 數(shù)據(jù)管理

1）數(shù)據(jù)錄入簡便，提供Excel數(shù)據(jù)模板，并實現(xiàn)Excel、Access、Cad等多種格式的線路數(shù)據(jù)文件的直接導(dǎo)入使用；

2）實現(xiàn)Cad、Pdf、Txt多種格式的計算結(jié)果數(shù)據(jù)輸出；

3）輸出精度的控制?？扇斯ふ{(diào)整控制輸出結(jié)果的精度；

4）長短鏈處理。自動進(jìn)行線路數(shù)據(jù)中的長短鏈檢查和處理。

2.2 過分相檢算

當(dāng)前系統(tǒng)為手工調(diào)整工況（惰行）以模擬過分相時情形，人工計算分相檢算表中的各項指標(biāo)再匯總。新的系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)列車過分相的自動計算，并進(jìn)行分相檢算，記錄動車組列車入分相速度、出分相速度、速度損失和延長運行時間。另外，需提供進(jìn)行列車在帶電和不帶電通過分相兩種情況下出分相速度、速度變化和通過分相時分等指標(biāo)對比的功能。

2.3 牽引計算策略和模型

新的軟件需考慮節(jié)時、節(jié)能、定時三種牽引計算策略，采用多質(zhì)點模型提高計算精度，另外，預(yù)備多套起車算法以供司機使用，如滿功率起車、遞進(jìn)功率起車等。

2.4 信號機布置

新系統(tǒng)要求提出建議閉塞分區(qū)長度及信號機布置方案，能夠?qū)崿F(xiàn)信號機的初始布點、圖形化調(diào)整、追蹤間隔邏輯檢查等功能。

2.5 列車停站和制動

如圖1 所示，現(xiàn)有的鐵科牽引電算軟件存在問題：

1）遇到限速時速度下降過早；

2）站前有坡度較大的坡道時往往停站不準(zhǔn)。

新軟件需避免這些問題。另外，現(xiàn)有軟件還存在空氣制動和電力制動聯(lián)合制動的問題，動車組只有電力制動曲線，制動距離過長，新軟件要解決聯(lián)合制動的問題，在動車組實施制動過程中合理利用空電聯(lián)合制動。

圖1 過早降速、停站不準(zhǔn)

2.6 手動計算

現(xiàn)有軟件在進(jìn)行計算時，先設(shè)定好計算條件，然后進(jìn)行后臺自動計算，查看生成的運行曲線，發(fā)現(xiàn)有不理想或者不合理的地方重新進(jìn)行回退手動計算。有時切換到手動計算不能進(jìn)行人工操作，新的系統(tǒng)需保證計算過程中自動和手動計算的交替使用無誤。

3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

總結(jié)動車組牽引計算基本任務(wù)及現(xiàn)場用戶需求，適合動車組的牽引計算系統(tǒng)應(yīng)具備7方面功能。

3.1 數(shù)據(jù)管理

1）提供多種數(shù)據(jù)輸入方式進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。第一種是用戶在系統(tǒng)中根據(jù)提示手動錄入，第二種方式是由系統(tǒng)提供可編輯的數(shù)據(jù)輸入Excel或Mdb模板，用戶通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口能一次性向系統(tǒng)導(dǎo)入Excel或Mdb文件中各項牽引計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括線路數(shù)據(jù)、動車組參數(shù)數(shù)據(jù)和特性數(shù)據(jù)等，另外，系統(tǒng)可以由接口讀取現(xiàn)有電算軟件的數(shù)據(jù)文件。

2）系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)后能自動進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和合理性的檢查，包括長短鏈的檢查和坡度高程數(shù)據(jù)的檢查等，若存在問題則詢問用戶是否進(jìn)行系統(tǒng)的自動處理。

3）提供多種格式文件的輸出及輸出精度調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)能夠輸出Cad、Pdf等格式的計算結(jié)果文件（速度時分曲線、區(qū)間運行數(shù)據(jù)等），可以調(diào)節(jié)計算結(jié)果中綜合數(shù)據(jù)的輸出步長，現(xiàn)有牽引計算軟件通常固定為1s。

3.2 牽引計算

1）計算條件的設(shè)置，包括線路、動車組列車的選擇和牽引計算參數(shù)的設(shè)置（包括計算步長、道岔限速等）。

2）提供牽引計算動態(tài)仿真計算及后臺快速計算兩種計算方式。其中動態(tài)仿真計算能夠模擬線路縱斷面及動車組列車在線路上的實際運行情況，并且動態(tài)顯示列車的各項運行數(shù)據(jù)。

3）系統(tǒng)實現(xiàn)列車運行、供電電流和能耗的仿真，提供速度－距離、時間－距離、工況－距離、電流－距離和能耗－距離等曲線輸出的功能。

3.3 電分相檢算

1）系統(tǒng)根據(jù)線路標(biāo)記數(shù)據(jù)中的電分相位置，提供選擇是否考慮分相的功能，若用戶選擇是則實現(xiàn)列車過分相的自動檢算，分上下行記錄入分相速度、出分相速度、速度損失和延長運行時間。

2）提供進(jìn)行列車在帶電和不帶電通過分相兩種情況下出分相速度、速度變化和通過分相時分等指標(biāo)對比的功能。

3.4 信號機布置

1）系統(tǒng)基于牽引計算結(jié)果進(jìn)行閉塞分區(qū)長度的確定及區(qū)間通過信號機的自動布點，并且實現(xiàn)圖形化調(diào)整信號機位置功能。

2）提供列車運行追蹤間隔、制動距離檢算等功能。

3.5 手動計算

系統(tǒng)在進(jìn)行動態(tài)自動計算過程中，若用戶查看生成的速度曲線發(fā)現(xiàn)有不合理或者不理想的地方可以切換到手動計算模式進(jìn)行計算。手動計算模式模擬一個駕駛員操作臺，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的工況和操作檔位等數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)計算。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)計算過程中自動和手動計算的交替使用。

3.6 計算結(jié)果數(shù)據(jù)輸出

提供區(qū)間運行時分?jǐn)?shù)據(jù)、綜合數(shù)據(jù)等結(jié)果數(shù)據(jù)和各種仿真曲線的預(yù)覽和打印功能。

3.7 系統(tǒng)輔助

1）實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、計算參數(shù)、顯示參數(shù)和打印參數(shù)等參數(shù)的設(shè)置；

2）提供完善的幫助功能，包括各項功能介紹、詳細(xì)使用方法及功能演示動畫；

3）在用戶使用系統(tǒng)過程中提供功能操作提示。

CRH 動車組牽引計算仿真系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、牽引計算子系統(tǒng)、電分相檢算子系統(tǒng)、信號機布置子系統(tǒng)、手動計算子系統(tǒng)、結(jié)果輸出子系統(tǒng)和系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)結(jié)果及各子系統(tǒng)所實現(xiàn)功能如圖2所示。

圖2 動車組牽引計算仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及難點

CRH 動車組牽引計算仿真系統(tǒng)在我國尚屬首創(chuàng)，要求實現(xiàn)的目標(biāo)較多，需要支撐的技術(shù)也很多，能跟蹤實現(xiàn)高速鐵路牽引計算及相關(guān)設(shè)計工作的全過程，完全是一套嶄新的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)。在本系統(tǒng)的研制開發(fā)中存在以下關(guān)鍵技術(shù)及難點：

1）算法方面：牽引計算結(jié)果的準(zhǔn)確性是評價牽引計算系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一，提高牽引計算準(zhǔn)確性、滿足系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計要求涉及到以下技術(shù)或者方案：①多質(zhì)點模型。當(dāng)列車經(jīng)過變坡點或變曲率點時，單質(zhì)點模型計算的受力分析與實際差距較大，成為計算誤差的重要來源；②起車算法，包括滿功率起車、遞進(jìn)功率起車；③動車組操縱策略選擇，最快速、最經(jīng)濟(jì)、混合優(yōu)化等操縱策略；④動車組制動方式使用方案，計算過程中怎樣合理選擇動力制動、空氣制動和混合制動3種制動方式。

2）動態(tài)仿真方面：模擬動車組動態(tài)運行及列車運行仿真所需的圖形和動畫技術(shù)。要讓動態(tài)仿真具有較高的可觀賞性有一定的難度。

5 結(jié)束語

隨著近年來高速鐵路設(shè)計手段的進(jìn)步，“精細(xì)化”設(shè)計的要求也越來越高?，F(xiàn)有的牽引計算軟件已經(jīng)不能滿足動車組牽引計算的需求，設(shè)計開發(fā)出一套完整的CRH 動車組牽引計算仿真系統(tǒng)有著重大的意義。本文先對研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作了簡單說明，再結(jié)合現(xiàn)有軟件存在缺陷及用戶需求整理設(shè)計了一個能夠滿足動車組牽引計算的新的系統(tǒng)，并介紹了其主要功能，對系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和難點作一定探討，為動車組牽引計算系統(tǒng)的實現(xiàn)作出了有益的探索。

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