高速動車組仿真駕駛軟件的優(yōu)化設(shè)計

劉詩佳

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

高速動車組的設(shè)計和運營是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此，借助電子計算機的高速和精準(zhǔn)運算能力，提前分析并提高動車組在軌道線路上的運行效率，對提高運營效果尤為重要。

雖然國外先于我國開展高速動車組仿真平臺的研究，例如北美的RAILSIM、歐洲的TRAINSTAR、日本的UTRAS［1］、俄羅斯的EMUTTCS［2］。與此同 時國內(nèi)不少機構(gòu)也展開了符合我國國情的高速動車組仿真系統(tǒng)的研究開發(fā)。中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司機車車輛研究所開發(fā)了高速動車組牽引制動仿真系統(tǒng)［3］，使用動車組的動力學(xué)模型推算動車組的運行狀態(tài)［4］，提供了方便直觀的動車組控制系統(tǒng)，還繪制了軌道線路縱斷面的細節(jié)［5-6］。

以上仿真系統(tǒng)大多為離線仿真。為了將仿真系統(tǒng)用于指導(dǎo)司機實際操作，就需要對仿真系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高其運行效率以便及時為司機控車給出正確精準(zhǔn)的指導(dǎo)。文中從仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，提出優(yōu)化方案，同時提出高速動車組的能耗計算解決方案，為進一步研究和對比節(jié)能控車策略，提供了幫助。

1 輔助駕駛系統(tǒng)需求

高速動車組輔助駕駛系統(tǒng)的目的，是為了給司機提供控制高速動車組行進速度的操作指令序列，如在什么時間或位置，將控制手柄具體放在牽引、制動、惰行或定速中的哪個檔位上。確保在這些操作建議都順利執(zhí)行的情況下，高速動車組能按照時刻表準(zhǔn)時到達每個停車站，同時所消耗的電能盡量少，并提高旅客的舒適感。這些高速動車組操作指令序列，將成為未來高速動車組全自動駕駛系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

1.1 靈活的配置

文中使用的仿真系統(tǒng)在文獻［3］中有所描述，以其中的基本參數(shù)配置為基礎(chǔ)，對具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、有關(guān)配置界面進行了功能補充和性能優(yōu)化。

首先，對高速動車組特性曲線的計算補充了散點描述方式，當(dāng)沒有合適的公式來描述對應(yīng)曲線時，我們用“線性平均值”算法基于速度來推算所需數(shù)值，如圖1 所示。

其次，補充和完善了以下配置及參數(shù)：

（1）時刻表及模擬乘客上下車后車重變化情況，讓仿真過程更加貼近實際運營情況，其配置如圖2 所示。

圖2 配置時刻表及模擬停車站上下車情況

（2）分相偏移、車站限速、軌道限速偏移等配置，讓仿真過程更加貼近司機在區(qū)間運行控車時的實際操作，如圖3 所示。

圖3 配置相關(guān)的偏移參數(shù)

（3）模擬司機加速和減速的操作特性，設(shè)置界面如圖4 所示。通過在低速階段限制牽引電機發(fā)揮牽引力的比例，保證規(guī)劃和仿真時，最大程度上貼近司機操作高速動車組進出站時的實際情況。

圖4 高速動車組加速和減速策略配置

1.2 有限的計算資源

作為車載系統(tǒng)的輔助模塊，其能夠使用的資源有限。讓輔助駕駛系統(tǒng)每次都能迅速地完成規(guī)劃，并給司機提供準(zhǔn)確的輔助駕駛信息，要對其數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，減少數(shù)據(jù)量。

為實現(xiàn)快速規(guī)劃，在現(xiàn)有仿真平臺的基礎(chǔ)上，對仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行重點優(yōu)化設(shè)計［3］。

2 輔助駕駛系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

首先，優(yōu)化軌道數(shù)據(jù)的記錄結(jié)構(gòu)，并對應(yīng)優(yōu)化仿真結(jié)果記錄算法，實現(xiàn)提高輔助駕駛指令序列規(guī)劃的及時性、降低數(shù)據(jù)量的目的。然后，設(shè)計了能耗拓撲圖功能，通過描述電能傳輸路徑及各電能傳輸節(jié)點的傳輸效率，計算該能耗拓撲結(jié)構(gòu)所在車型運行時所產(chǎn)生的能耗。

2.1 軌道數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

軌道在建設(shè)施工時通過“公里標(biāo)+本段軌道長度”描述。但是，后續(xù)由于種種原因?qū)嶋H軌道進行維護更新之后，一些軌道分段長度會發(fā)生變化，由此產(chǎn)生“長短鏈”的情況。即有些軌道區(qū)段的長度，不同于2 個相鄰公里標(biāo)的差值。例如，某條軌道線路上公里標(biāo)1.1～2.2 之間的軌道區(qū)段，長度為800 m，而不是公里標(biāo)的差異1.1 km，這種情況就是“短鏈”，反之為“長鏈”。

“長短鏈”的存在導(dǎo)致高速動車組運行的實際距離不同于軌道上的公里標(biāo)，容易引入誤差，導(dǎo)致程序運行混亂。為此提出以下優(yōu)化手段：

首先，用“絕對位置”替換“公里標(biāo)+本段軌道長度”記錄軌道數(shù)據(jù)，并定位高速動車組在軌道上的位置。絕對位置，以軌道線路的起點為位置0，軌道上每個點的位置，以動車組從位置0 行駛到該位置時，實際行駛的距離標(biāo)注。這個數(shù)值向軌道終點方向遞增，與軌道是上行還是下行無關(guān)。

通過轉(zhuǎn)換，軌道線路上的每個點都有了唯一的“絕對位置”，且跟原本的“公里標(biāo)+本段軌道長度”相互轉(zhuǎn)換、一一對應(yīng)。“絕對位置”遞增或遞減的距離，對應(yīng)高速動車組前進或后退時移動的實際距離，這樣可以極大地簡化動車組所在位置的相關(guān)運算。

其次，軌道的數(shù)據(jù)由坡度、曲線、橋隧、分相位置4 個列表組成。坡度記錄軌道每個區(qū)段的起點公里標(biāo)、長度、坡度值，以及停車車站的站中點；曲線記錄軌道所有曲線的開始位置、曲線半徑、曲線長度等；橋隧記錄軌道線路經(jīng)過的所有橋梁、隧道的公里標(biāo)和長度；分相列表記錄軌道分相開始和結(jié)束的位置，在分相路段內(nèi)，高速動車組失去電力供應(yīng)，被迫惰行。

將以上4 個列表的每個分段開始和結(jié)束位置，都轉(zhuǎn)化為“絕對位置”記錄后，把這些分段的點合并為一個“軌道描述列表”。這個列表的每一條都記錄了一段軌道的參數(shù)，包括坡度、車站、曲線、橋隧、分相等參數(shù)，確保在同一條記錄描述的軌道長度內(nèi)，這些參數(shù)不會變化。

仿真時，只要高速動車組在“軌道描述列表”同一段軌道內(nèi)運行，就不必重復(fù)查詢軌道參數(shù)，且來自軌道的阻力為恒定值。如果高速動車組為恒速運行，則其風(fēng)阻也是恒定的，那么對應(yīng)的手柄控制就是固定的。在該段軌道內(nèi)運行狀態(tài)的描述就可以極大地簡化。

2.2 仿真結(jié)果優(yōu)化

文獻［3］中描述的散點方式記錄高速動車組的運行曲線。每個數(shù)據(jù)點記錄了高速動車組在軌道上的位置、車速、時間、手柄位置、加減速相關(guān)的力學(xué)參數(shù)及輪周功率等數(shù)據(jù)。

但是，文獻［3］中使用固定的時間間隔（如0.1 s）生成記錄，導(dǎo)致2 個問題：其一，當(dāng)2 個數(shù)據(jù)點之間存在變坡點的時候，坡度變化引入誤差，且該誤差在不斷地積累；其二，數(shù)據(jù)點過多，即便高速動車組以350 km/h的速度運行，每公里也需要至少102個節(jié)點，以武漢到廣州約1 100 多公里的線路為例，整條線路仿真數(shù)據(jù)點超過11.3 萬個，如此多的數(shù)據(jù)點顯然會減慢有關(guān)數(shù)據(jù)的處理速度。

文中提出如下步驟對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。

首先，將仿真結(jié)果中的節(jié)點位置，與“軌道描述列表”中的節(jié)點對應(yīng)。規(guī)則如下：

（1）如果動車組在一個路段內(nèi)恒速運行，則只需一個對應(yīng)該路段起點位置的數(shù)據(jù)點記錄有關(guān)狀態(tài)，因為在同一個路段內(nèi)高速動車組的控制參數(shù)和運行狀態(tài)一樣。

（2）如果動車組在一個路段內(nèi)無法保持恒速運行，則2 個數(shù)據(jù)點之間的時間差以固定時間間隔記錄，如0.1 s。但是，如果下一個數(shù)據(jù)點的位置離開了當(dāng)前路段，則重新定位下一個數(shù)據(jù)點，將其定位到下個路段開始的位置。

其次，對于軌道線路中會重復(fù)使用的曲線序列，提前進行計算的時候也遵循以上規(guī)則。這些曲線序列包括：停車車站的進站停車曲線、出站發(fā)車曲線、分相惰行區(qū)域的強制惰行曲線、可能超速路段的提前減速曲線。由于加速策略和減速策略在配置中指定，不論后續(xù)的曲線優(yōu)化執(zhí)行多少次，以上這些曲線在最貼近限速駕駛的情況下，都是固定的。仿真系統(tǒng)提前計算一次，后續(xù)遇到的時候直接復(fù)制這一段曲線數(shù)據(jù)，即可極大地減少實時規(guī)劃時間。

通過以上兩步優(yōu)化，可以大量削減描述仿真結(jié)果的“位置—速度曲線”所需的數(shù)據(jù)點總數(shù)，提高計算效率。

2.3 靈活的能耗計算

輔助駕駛的重要功能之一是節(jié)能，這需要能耗計算為基礎(chǔ)。但不同高速動車組內(nèi)部對于電力的使用方式不盡相同，如果針對每個車型單獨編程計算其能耗，會極大地增加編程工作量，且靈活性不足。

優(yōu)化設(shè)計就是增加電能傳輸拓撲圖功能。通過描述高速動車組內(nèi)部電能傳輸?shù)耐負浣Y(jié)構(gòu)，靈活準(zhǔn)確地計算其能耗，如圖5、圖6 所示。

圖5 電能拓撲圖方案1

圖6 電能拓撲圖方案2

圖5 中描述了一種能耗拓撲結(jié)構(gòu)。每個方塊為一個能耗節(jié)點，“節(jié)點類型+編號”在方塊左上角粗體字標(biāo)注，節(jié)點可設(shè)置不同名稱，效率類型方塊可設(shè)置不同的電能使用效率參數(shù)，如“效率1”（圖中紅色文字標(biāo)注“B，動態(tài)效率”）方塊的效率為根據(jù)速度而變化的（其具體變化規(guī)律見紅色文字“D，速度，效率”標(biāo)注處），而“效率2”（圖中紅色文字標(biāo)注“C，固定效率”）方塊的效率為不隨速度變化的固定值?！澳芎慕M件”為直接耗電的模塊，如冷卻風(fēng)機（圖中紅色文字標(biāo)注“A，直接耗電”）、空調(diào)等；“輪周功率”為高速動車組在不同速度下的牽引系統(tǒng)傳遞到驅(qū)動輪上發(fā)揮出的功率。整個能耗拓撲結(jié)構(gòu)，用箭頭連接各個方塊來描述：電能從供電網(wǎng)，經(jīng)過各種能量轉(zhuǎn)換節(jié)點，傳送到各個耗電方塊的過程。

在圖6中，描述了另一個型號的高速動車組內(nèi)部能耗拓撲圖，與圖5 中的差異體現(xiàn)在“能耗組件1”的電力來源不同，以及“效率1”的效率從隨速度變化改為固定值。

能耗計算的過程，就是通過這個拓撲結(jié)構(gòu)，從“輪周功率”和各“能耗組件”，沿著能耗拓撲的路線倒推，計算出不同速度下，高速動車組從供電網(wǎng)獲得的總功率，再按照時間積分得到總能耗。計算過程中，正數(shù)表示耗電量，負數(shù)表示再生制動的發(fā)電量，可以分別計算出來。

高速動車組仿真運行的每個數(shù)據(jù)點，都有速度、手柄、牽引力等參數(shù)。根據(jù)速度和牽引力，可以算出每個數(shù)據(jù)點處高速動車組車輪上的功率，即“輪周功率”。輪周功率乘以時間得到車輪能耗，通過對能耗拓撲圖的逆向推導(dǎo)，可以得到高速動車組從供電網(wǎng)上獲取的電能。再對運行曲線上所有節(jié)點的能耗進行積分，就可以累計出高速動車組運行過程中消耗的電能，以及再生制動生成的電能。

能耗計算時，如果不考慮能耗拓撲結(jié)構(gòu)，則計算出的能耗會遠小于實際能耗，因為每個電能的轉(zhuǎn)換節(jié)點都會產(chǎn)生額外能耗，而且這個額外能耗會根據(jù)速度、運行距離的不同而產(chǎn)生顯著變化。

沒有以上能耗拓撲圖功能的仿真軟件，為了準(zhǔn)確計算不同車型的能耗，需要根據(jù)每個車型的能耗拓撲圖進行單獨編程，這會大大增加軟件的規(guī)模和出錯的概率。

3 仿真結(jié)果

以某線路及某高速動車組車型為例，按照時刻表的出站和到站時間為標(biāo)準(zhǔn)，進行仿真運行。將對比數(shù)據(jù)點個數(shù)、精準(zhǔn)停車、能耗計算這幾個方面。

高速動車組運行曲線記錄的數(shù)據(jù)點個數(shù)優(yōu)化前后對比，如圖7、圖8 所示。在這2 個圖中，左側(cè)為速度軸，下部為軌道線路參數(shù)，包括坡度、曲線，上部為圖注，中部為限速、分相、車站、位置—速度曲線。其中，“位置—速度曲線”以散點表示。圖中的路段為某站到公里標(biāo)1 273.6（這也是一個變坡點）這段區(qū)間內(nèi)的“位置—速度曲線”。

圖7 優(yōu)化前“位置—速度曲線”上的數(shù)據(jù)點分布

圖8 優(yōu)化后“位置—速度曲線”上的數(shù)據(jù)點分布

優(yōu)化前的“位置—速度曲線”數(shù)據(jù)點體現(xiàn)在圖7中，優(yōu)化后的“位置—速度曲線”數(shù)據(jù)點體現(xiàn)在圖8 中。可見，在某站到公里標(biāo)1 273.6處，優(yōu)化前的數(shù)據(jù)點上百個，而優(yōu)化后的數(shù)據(jù)點只有1 個。此外，在某站左側(cè)的數(shù)據(jù)點對比中，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)點比優(yōu)化前同樣大幅度減少。

精準(zhǔn)停車方面，優(yōu)化前后的“位置—速度曲線”對比如圖9、圖10 所示，其中用顏色標(biāo)注了高速動車組的運行狀態(tài)，粉色為制動，藍色為牽引，綠色為惰行。

圖9 優(yōu)化前“位置—速度曲線”的停車誤差

圖10 優(yōu)化后“位置—速度曲線”的停車誤差

優(yōu)化前的停車位置如圖9 所示，停車存在大約300 m的誤差。優(yōu)化后的停車位置如圖10 所示，停車誤差幾乎不可見。

能耗計算時，使用圖5 和圖6的拓撲結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的總能耗。使用圖10 中的“位置—速度曲線”數(shù)據(jù)，按圖5的電能拓撲方案計算的總能耗為17 244.86 kW?h，而按圖6的電能拓撲方案計算的總能耗則為20 522.68 kW?h。

4 結(jié)論

通過以上仿真對比分析，可以看到優(yōu)化后的高速動車組輔助駕駛系統(tǒng)實現(xiàn)了既定目標(biāo)。

通過軌道數(shù)據(jù)記錄的優(yōu)化設(shè)計，并對應(yīng)調(diào)整算法，確保仿真結(jié)果數(shù)據(jù)點大幅度減少；由于“位置—速度曲線”的數(shù)據(jù)點能對應(yīng)上“軌道描述列表”中的數(shù)據(jù)點，停車位置更加精準(zhǔn)。

通過能耗拓撲圖功能，不必根據(jù)每個車型重新編碼，而只需根據(jù)車型構(gòu)建能耗拓撲圖，從而極大地減少了編碼工作量。這樣，不但可以靈活準(zhǔn)確地計算不同控車策略產(chǎn)生的能耗，還能方便地對比不同車型產(chǎn)生的能耗差異。

實現(xiàn)了這些優(yōu)化之后，后續(xù)可以進行基于能耗優(yōu)化的控車策略研究。