CRH動車組列車牽引計算系統(tǒng)研究與設計

鐘世富，曹 震，張 杰

（1.南寧鐵路局 柳州機務段，柳州 545007； 2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，成都 610031）

CRH動車組列車牽引計算系統(tǒng)研究與設計

鐘世富1，曹 震2，張 杰2

（1.南寧鐵路局 柳州機務段，柳州 545007； 2.西南交通大學 交通運輸與物流學院，成都 610031）

動車組列車牽引計算是高速鐵路運營和設計過程中的一個基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，研究和開發(fā)動車組列車牽引計算系統(tǒng)對于提高高速鐵路運營和設計效率具有重要意義。本文依據(jù)業(yè)務需求，對動車組列車牽引計算系統(tǒng)進行了系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計，并重點探討了動車組列車牽引計算的計算模型、動車組操縱策略、動車組過分相計算等問題，提出了單質(zhì)點和多質(zhì)點相結(jié)合的簡化計算模型，最后開發(fā)了動車組列車牽引計算系統(tǒng)的原型系統(tǒng)。

動車組；列車牽引計算系統(tǒng)；計算模型

動車組牽引計算是高速鐵路運營和設計過程中的一個基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，研究和開發(fā)動車組列車牽引計算系統(tǒng)對于高速鐵路列車運行圖編制、動車組優(yōu)化操縱、高速鐵路線路設計等具有重要的指導意義。

法國、德國、日本、俄羅斯等國家先后開發(fā)了動車組列車牽引計算系統(tǒng)（EMUTTCS）[1]，并用于列車運行圖的鋪化，具有牽引動力配置、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計、列車運行仿真計算等多種功能，在日常運營過程中發(fā)揮了較大的作用。國內(nèi)已經(jīng)有多家單位研制了適用于普通列車的列車牽引計算軟件，在鐵路系統(tǒng)內(nèi)部廣泛應用。在動車組牽引計算系統(tǒng)中，計算結(jié)果的準確性和合理性、系統(tǒng)功能的完善程度是衡量系統(tǒng)設計的重要標準，本文將從計算方法和功能設計兩方面來研究CRH動車組列車牽引計算系統(tǒng)。

1 動車組牽引計算系統(tǒng)需求分析

1.1 數(shù)據(jù)管理的需求

系統(tǒng)提供簡潔合理的數(shù)據(jù)管理方式，以實現(xiàn)對線路數(shù)據(jù)、動車組牽引特性數(shù)據(jù)、動車組制動特性數(shù)據(jù)的管理。與此同時，系統(tǒng)也提供文本、Excel等格式數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)接口，方便數(shù)據(jù)的錄入，并提供線路數(shù)據(jù)中的長短鏈和數(shù)據(jù)連續(xù)性等檢查管理功能。系統(tǒng)同樣可以將處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)需求繪制成圖表，方便數(shù)據(jù)的輸出。

1.2 牽引計算的需求

系統(tǒng)提供牽引計算的基本功能，如：動車組運行速度和運行時間計算，坡段限速計算，動車組運行能耗計算，動車組電流計算，等。在計算時，能采用合理的計算模型，兼顧計算效率和計算結(jié)果的準確性。

系統(tǒng)提供牽引計算策略選擇。在節(jié)時牽引計算模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還提供多種操縱策略選項，針對性的進行牽引計算優(yōu)化模擬。系統(tǒng)提供以下的策略選項：動車組是否采用遞進功率起車、節(jié)能優(yōu)化率、工況持續(xù)時間、起步制動階段最大加速度和減速度等。

實現(xiàn)自動計算和手動計算兩種功能。動車組在區(qū)間運行時，在人工選定運行模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的條件系統(tǒng)進行工況的自動選擇，并計算出合理有效的結(jié)果；也可在系統(tǒng)計算的過程中提供人機交互，并進行手動的回退計算。

1.3 系統(tǒng)運用的需求

系統(tǒng)提供過分相計算及速度時分損失分析。根據(jù)手動過分相、半自動過分相和全自動過分相這3種不同的過分相模式，系統(tǒng)對動車組的運行過程進行計算，并統(tǒng)計列車入分相速度、出分相速度、速度損失和延長運行時間等運行指標，通過各項運行指標，系統(tǒng)對過分相時的速度時分損失進行分析。

系統(tǒng)提供動車組運行仿真驗證功能。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對動車組的運行進行仿真，通過仿真結(jié)果，對列車追蹤間隔邏輯檢查、牽引網(wǎng)最大壓降校驗等，并為閉塞分區(qū)長度及信號機布置、牽引變電所設置及列車運行圖鋪化提供支撐手段。

2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)以上對動車組列車牽引計算系統(tǒng)的需求分析，設計動車組列車牽引計算仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示 。

（1）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)提供系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改、查詢以及數(shù)據(jù)檢查等操作，同時還要提供數(shù)據(jù)的相關(guān)格式轉(zhuǎn)換功能。（2）牽引計算子系統(tǒng)主要提供用戶進行計算條件、操縱策略、計算模式等參數(shù)設置，再據(jù)此進行列車運行速度時分的解算和機車工況選擇，得到動車組列車運行速度時分、能耗、電流等計算結(jié)果；提供手動牽引計算功能。（3）統(tǒng)計輸出子系統(tǒng)提供多種形式顯示和輸出牽引計算統(tǒng)計結(jié)果，滿足不同場合的需要。（4）仿真子系統(tǒng)模擬線路縱斷面及動車組列車在線路上的實際運行情況，動態(tài)顯示列車的各項運行數(shù)據(jù)，使用戶能詳細分析整個列車運行過程，實現(xiàn)列車運行的進一步的優(yōu)化處理。

圖1 動車組牽引計算系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 動車組列車牽引計算模型

常用的列車牽引計算力學模型有單質(zhì)點模型和多質(zhì)點模型，多質(zhì)點列車模型是將每個車輛簡化成一個質(zhì)點，構(gòu)成質(zhì)點鏈來進行計算，它能夠反映列車編組、長度對受力和運行的影響，其計算結(jié)果比單質(zhì)點模型準確，但計算過程需要采用類似微積分的方法按計算間隔進行計算，因此其計算過程也更為復雜。

本系統(tǒng)結(jié)合單質(zhì)點和多質(zhì)點模型特點，當列車只在一個加算坡道上運行時，采用單質(zhì)點模型進行計算；在線路加算坡道變坡點處，采用將列車作為兩個質(zhì)點的計算方法，即變坡點前的列車視為一個質(zhì)點，變坡點后的列車視為一個質(zhì)點，如圖2所示。此方法通過減少質(zhì)點數(shù)量，有效提高計算效率，又能保證列車運行計算結(jié)果的準確性。

圖2 動車組列車牽引計算模型

在圖2中，動車組分成了變坡點前部分和后部分，F(xiàn)1與F2是動車組兩部分的牽引力，B1與B2是兩部分的制動力，W1和W2是兩部分的阻力，而 是兩部分之間的車鉤作用力，根據(jù)牛頓第三定律，它們大小相等，方向相反。

對動車組受力分析，根據(jù)平衡條件，得出：

根據(jù)列車運動方程[5]，可以得出：

在動車組牽引計算系統(tǒng)中，利用上式（7）即可進行列車在變坡點運動過程中逐車輛過變坡點時候的列車運行時分的計算。

3.2 動車組操縱策略

在進行動車組列車牽引計算時，列車目標操縱策略是系統(tǒng)計算過程中的極其重要的環(huán)節(jié)，不同的目標操縱策略，牽引計算的結(jié)果不同。目前，常用的目標操縱策略有節(jié)時策略、節(jié)能策略、節(jié)時與節(jié)能綜合優(yōu)化策略等，在本系統(tǒng)中，主要使用節(jié)時牽引計算策略，在工況選擇中主要考慮以下幾個方面：

（1）列車工況自動初選：列車的運行工況有：牽引、惰行、動力制動、空氣制動、空電聯(lián)合制動。根據(jù)線路的平縱斷面、動車組的當前運行工況、各種工況下的單位合力，自動初選工況。

（2）節(jié)能模式的預測型列車工況選擇：在節(jié)能目標策略時，列車工況初選后，對列車前方線路進行預先計算，在保證動車組區(qū)間運行時分的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)動車組能耗的節(jié)省。

（3）制動方式合理選擇。在制動時，優(yōu)先采用動力制動，仍不能滿足制動指令要求時，追加空氣制動；在高速時采用動力制動，低速下以空氣制動為主。

（4）合理的工況運行時間檢測。在工況自動選擇后，在“碎坡”較多的線路上會造成工況頻繁轉(zhuǎn)換，與實際列車運行工況不相符，此時引入工況時間檢測機制。若檢查到列車的運行工況時間不滿足設定的時間，算法將自動延長工況運行時間，在必要時調(diào)整列車的工況。

3.3 動車組過分相計算

動車組過分相有CTCS2與CTCS3兩種模式，兩種模式過分相的時序流程如圖3和圖4所示。

圖3 CTCS2動車組過分相時序流程圖

圖4 CTCS3動車組過分相時序流程圖

通過流程圖可以發(fā)現(xiàn)，動車組經(jīng)過分相區(qū)前后均需要一段準備時間，這段時間中，大部分是在惰行工況下運行的。在采用自動過分相的方式下，這些附加時間主要包括：減少牽引力的時間、切換電壓保持時間、確認網(wǎng)壓恢復時間、結(jié)束網(wǎng)壓保持時間等幾部分。對于不同的過分相列控方式，這些時間是不同的，就CTCS3和CTCS2兩種列控方式而言，除了動車組在分相區(qū)的運行時間，CTCS3模式下總共大約需要14 s，而CTCS2模式下總共大約需要9 s。

現(xiàn)行各種牽引計算的軟件中，沒有根據(jù)具體的運行模式把這一段時間考慮在內(nèi)，其實際計算精度將存在較大偏差。如果把過分相的時間中采用惰行的工況，加入到牽引計算的軟件中，將有效提高牽引計算的精度。

4 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)以上的系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計，運用Visual C++開發(fā)工具進行編程，采用Access數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出系統(tǒng)的原型，所開發(fā)系統(tǒng)具有以下特點如下：（1）系統(tǒng)能實現(xiàn)機車車輛和線路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一體化管理，為動車組牽引計算項目提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺；（2）采用全參數(shù)化設計，能根據(jù)確定的動車組類型及相關(guān)參數(shù)、線路平縱斷面數(shù)據(jù)，進行列車牽引計算；（3）系統(tǒng)支持單質(zhì)點和多質(zhì)點兩種牽引計算模型，提供多種列車操縱策略選擇，能實現(xiàn)自動牽引計算；（4）系統(tǒng)支持列車運行過程仿真，提供良好的人機交互界面，可實現(xiàn)列車運行過程中的模擬操縱。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)列車牽引計算的理論，對動車組列車牽引計算系統(tǒng)進行了系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計，對于動車組列車牽引計算的計算模型、動車組操縱策略、動車組過分相計算等問題進行了探討，并開發(fā)了系統(tǒng)的原型。動車組列車牽引計算系統(tǒng)還涉及到操縱優(yōu)化、列車群計算等方面的理論問題和系統(tǒng)計算效率的技術(shù)問題等，還有待進一步完善，并最終運用于鐵路運營和設計過程中。

[1]康 熊.高速動車組列車牽引仿真計算技術(shù)研究[J].中國工程科學，2011（1）：62-68.

[2]Rongfang(Rachel)Liu, Iakov M.Golovitcher. Energy-efficient Operation of Rail Vehicles[J]. Transportation Research Part A. 2003,37:917-932.

[3]曾劍群.動車組牽引計算仿真系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學，2009，6.

[4]周 峰.動車組牽引計算建模及軟件仿真[D].成都：西南交通大學，2007.

[5]饒 忠. 列車牽引計算[M]. 北京：中國鐵道出版社, 1999.

責任編輯 徐侃春

Research and design on Train Traction Calculating System of CRH Electric Multiple Units

ZHONG Shifu1, CAO Zhen2, ZHANG Jie2

( 1. Niuzhou Locomotive Depot, Nanning Railway Administration, Liuzhou 545007, China; 2.School of Traffic and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

As a basic part of high-speed railway operation and the process of design, train traction calculation of Electric Multiple Units(EMU) had a great effect on train operation of high-speed railway and design. Based on the business needs, this paper carried out an analysis and design to the EMU Traction Calculation System, especially problems of model of the EMU train traction calculation, EMU manipulation strategies, EMU overphase calculation and etc. Then the paper proposed a simplified model which was combined a single-particle model with a multi-particle model, developed a prototype system of EMU Trains Traction Calculating System.

Electric Multiple Units(EMU); Train Traction Calculating System; calculating model

U266∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0010-04

2013-08-15

鐘世富，工程師；曹 震，在讀碩士研究生 。