探討高速列車運行控制模式曲線仿真思路的實踐

摘 要：本文介紹了高速列車運行控制的基礎(chǔ)理論，對列車運行控制模式曲線的算法進行了研究，最后介紹了高速列車運行控制模式曲線算法的仿真驗證，相關(guān)的結(jié)論僅供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：高速列車；控制模式；曲線仿真

中圖分類號：U284.48

鐵路運輸是我國重要的客貨運輸?shù)牧α?，關(guān)系著經(jīng)濟發(fā)展以及社會進步等重要的經(jīng)濟問題，具有不可替代的經(jīng)濟地位。隨著經(jīng)濟發(fā)展速度的加快，鐵路運輸?shù)乃俣葐栴}也逐漸成為了促進鐵路事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，成為了衡量現(xiàn)代鐵路事業(yè)發(fā)展水平的關(guān)鍵因素之一。如何發(fā)揮科學(xué)技術(shù)在高鐵提速工作中的作用，促進高速列車事業(yè)的發(fā)展，成為了高速列車控制研究的重點。

1 高速列車運行控制基礎(chǔ)理論

按照行業(yè)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，那些時速在200Km/h及其以上水平的列車都是高速列車，這種列車的控制系統(tǒng)根基列車在線路上運行的實際來決定對列車的速度、制動方式、狀態(tài)以及調(diào)整技術(shù)等各個方面的控制水平。這一系列的控制不僅包括了對于地面設(shè)備的控制，也包括了對于車載設(shè)備的控制與監(jiān)管，進而通過列車運行過程中的允許速度、行車許可以及車載設(shè)備的實時信息的接受與分析，來來實現(xiàn)對于列車進行控制的目的。

1.1 高速列車控制模式簡述。在高速列車運行的過程中根據(jù)控制工程的不同，控制模式可以分為分級速度控制方式以及連續(xù)速度控制模式兩種，這兩種具體的模式具體內(nèi)容為：（1）分級速度控制。顧名思義，這種控制模式的主要特點便是控制曲線對列車速的控制是施行分級制的。這種控制方式的好處便是在一個閉塞區(qū)域內(nèi)的限制速度可以隨著二者之間距離的變化而變化，具有較高的靈活性以及較好的科學(xué)性與安全性；（2）連續(xù)速度控制。連續(xù)速度控制的原理是將前車的尾部作為后車追蹤的目標(biāo)，控制系統(tǒng)內(nèi)部的信息也會隨著列車的進行發(fā)生周期性的響應(yīng)，當(dāng)列車的運行速度超出了允許的速度的時候，便會對列車實施安全制動的控制。

1.2 高速列車運行的力學(xué)基礎(chǔ)。如果將高速列車作為一個剛性的系統(tǒng)，并且不考慮列車內(nèi)部的受力情況，則列車的受力模型如圖1所示，其中F為列車受到的牽引力、W為列車受到的阻力以及制動力B，而列車在運行過程中受到的總和力C與上述幾種力之間的關(guān)系為：C=F—W—B。

圖1

1.3 高速列車運行控制過程簡介。高速列車運行的整個過程都與前車與己身之間的速度、位置以及線路條件等因素關(guān)系的影響與制約。根據(jù)這一系列的因素生成的牽引或制動控制模式曲線的控制，這是保證高速列車安全運行的根本。根據(jù)運行要求與線路的差別，列車的運行過程大體可以分為三類，分別為哦牽引過程、惰行過程以及制動過程。其中列車運行的牽引過程主要受到牽引力以及阻力的影響，在實際運行的過程中需要對列車進行牽引的情況包括了列車的啟動階段、由低俗向著高速加速的階段以及非增速的坡道上為了克服運行阻力的時候；列車的運行制動過程主要受到了制動力以及阻力的影響，并且此時的牽引力基本為零，列車的制動主要依靠的是前靠慣性惰性，并且采用的大多是再生制動與空氣制動相互配合的方式，具有較好的制動效果；運行中間過程的基本只收到相應(yīng)的阻力的影響，這一過程包括了牽引過程、制動過程以及惰行過程幾個部分，是一個對列車的速度進行保持的過程。

2 高速列車運行控制模式曲線仿真

2.1 控制模式曲線仿真的模塊構(gòu)成。本文使用的基本模型是單質(zhì)點的列車模型，根據(jù)牽引計算的過程，大體可以將實驗劃分為六個主要的模塊，分別為線路數(shù)據(jù)讀取、列車數(shù)據(jù)讀取、控制模式曲線計算、列車速度顯示以及列車運行示意圖模塊這六大類。高速列車運行控制模式曲線仿真程序數(shù)據(jù)的流程圖為圖2所示：

圖2

（1）線路數(shù)據(jù)讀取模塊。該模塊的主要工作包含了對于坡道數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、隧道以及限速區(qū)間數(shù)據(jù)的讀取與采集，并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以文本的形式進行保存，方便了用戶的使用與開發(fā)；（2）列車數(shù)據(jù)讀取模塊。該模塊負責(zé)對列車的型號、長度以及重量等信息的測量與讀取，并能夠及時的將數(shù)據(jù)進行保存，以供后續(xù)的調(diào)閱與使用；（3）曲線計算模塊。該模塊包含了控制工程模塊以及參數(shù)算法選擇模塊兩大類，其中控制模塊有根據(jù)控制工程的不同，為每一個控制過程都配備了相應(yīng)的模塊，其工作的過程中首先會對從參數(shù)的算法中選擇不同的控制曲線計算方法，之后才能夠根據(jù)列車的控制過程進行曲線的計算與繪制，在將繪制的結(jié)果進行了分析與保存之后，才開始控制曲線的繪制工作，最后結(jié)束一次作業(yè)；（4）列車速度顯示模塊。該模塊配備了DMI的速度盤，能夠通過速度盤的靜態(tài)繪制以及速度指針的實時更新來實現(xiàn)對于對列車速度的測量與記錄，同時還能夠?qū)y量到的數(shù)值轉(zhuǎn)換為弧度值，并根據(jù)弧度值繪制出相應(yīng)的動態(tài)指針顯示速度，最后結(jié)束程序的運行；（5）列車運行示意圖模塊。該模塊主要包含了主干線、公里標(biāo)、靜態(tài)列車以及速度值的繪制這四項工作內(nèi)容與功能，進而全面而準(zhǔn)確的得到動態(tài)列車的各種信息，繪制出列車的動態(tài)示意圖。

2.2 變坡段單多質(zhì)點模型的性能分析。為了方便研究與實驗，在開始之前，本文對基本的參數(shù)進行了賦值，假定高速列車為四輛編組，長度為100米，重量為420噸，轉(zhuǎn)動慣量的系數(shù)為0.07；在惰行工況的條件下，列車的起始速度為50Km/h，則采用單質(zhì)點與多質(zhì)點的模型在變坡段的計算結(jié)果為表1所示：

表1

表格反映出了兩種模型由于坡道附加阻力的差異而產(chǎn)生的計算差異，也反映出了因為這種差異的存在而使得列車位置、速度以及加速度等項目的結(jié)果發(fā)生了變化，尤其是列車在惰行過程中的速度以及加速度兩項，發(fā)生了顯著的變化。

同時，單質(zhì)點與多質(zhì)點仿真模型在變坡段的仿真結(jié)果對比表明：無論是宏觀還是微觀的角度，在列車惰行的過程中，因為仿真實驗考慮到了列車長度的影響，所以結(jié)果中線路附加阻力的影響較大；而在直線平直的路段，列車的長度對列車的受力情況的影響是微乎其微的。

2.3 列車運行控制模式曲線算法性能分析。（1）運行阻力性能分析。高速列車在運行的過程中會受到基本阻力以及附加阻力的影響，實驗的結(jié)果表明CRH3型的列車單位運行的阻力要小于CRH2-300型的列車，而總阻力的情況則恰恰相反，并且在運行速度小于200Km/h的時候，二者的運行阻力之間的差別并不大。在平直道上的運行的時候，二者的附加阻力均為零；在15‰的坡道上運行的時候，列車便不僅要受到基本阻力好藥受到附加阻力的影響，這種阻力的大小大約為0.26N/KN；在25‰的坡道上運行的時候，附加阻力的大小大約為0.436N/KN；（2）制動曲線性能分析。假定最高的限速為300Km/h，其中CRH2-300型的列車定員質(zhì)量為420噸，CRH3型的列車為495噸，根據(jù)二者的實驗結(jié)果我們看出緊急制動距離小于3700米，滿足的對于高速運行列車的制動要求。

2.4 列車運行控制曲線算法環(huán)境適應(yīng)性分析。本文所使用的是VC++6.0，對高速列車運行控制曲線的仿真軟件進行了在不同線路條件、自然環(huán)境以及不同車型條件下的仿真實驗，其結(jié)果如下：（1）不同線路適應(yīng)性的分析。本次實驗選用的是CRH2型的高速列車，選取的線路曲線半徑為7000模，隧道的長度為500米，根據(jù)計算的法則與方法，在曲線的半徑與隧道的長度均一定的情況下，坡度的增加會在增加列車在運行過程中受到的附加阻力，并且二者之間具有坡度每變化10%，附加阻力便會變化6‰，而這就使得在坡度增加的時候列車必須要增加牽引力；（2）不同自然環(huán)境的適應(yīng)性分析。自然環(huán)境中的風(fēng)雨雷電對列車運行的影響是不可忽視的，依然是上述的架設(shè)條件，對風(fēng)力對運行中的高速列車的影響進行了仿真分析，結(jié)果表明，基本阻力的大小將會隨著風(fēng)力系數(shù)的大小變化而同向變化，但是在運行的車速小于200Km/h 的時候，風(fēng)力系數(shù)對基本阻力的影響不大，對列車運行速度影響也就不明顯；（3）不同的車型條件適應(yīng)性的分析。本次仿真實驗選取了CRH1、CRH2、CRH3這三種類型的列車，并且將最高的限速設(shè)定為了200Km/h，同時也是實驗的初始速度，而實驗的制動末速度為50Km/h，同時將假定的隧道半徑更改為了2600米，將隧道的長度改為了400米，坡度為15‰，通過常規(guī)的制動方法的使用，實驗結(jié)果表明車型決定了列車的牽引特性曲線以及制動特性曲線，進而決定了牽引力與制動力的變化規(guī)律，因此，不同的實驗車型決定了牽引、惰行與制動速度-距離的曲線的不同，進而證明了高速列車控制模式曲線的可行性與標(biāo)準(zhǔn)性。

3 結(jié)束語

貨物運輸?shù)乃俣纫约奥每突ㄙM在旅途上的時間，從根本上決定著鐵路運輸?shù)慕?jīng)濟效益以及未來的發(fā)展空間。本文在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上對高速列車運行控制模式曲線進行了仿真實驗，使用了單質(zhì)點與多質(zhì)點的仿真模型，論證了高速列車運行控制模式曲線的科學(xué)性與可行性，希望能夠為高速列車的發(fā)展提供幫助。

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作者簡介：石磊（1979.12-），男，河北淶水人，講師，碩士，研究方向：計算機控制。

作者單位：蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070

基金項目：甘肅省自然科學(xué)基金，列車運行速度優(yōu)化控制算法及物理仿真研究（項目編號：1212RJZA051）。