動車組牽引計算仿真系統(tǒng)設計研究

趙立新

（三門峽職業(yè)技術學院信息傳媒學院 河南 三門峽 472000）

1 引言

現(xiàn)階段我國所用動車組牽引計算仿真計算系統(tǒng)，基本以鐵科《牽引電算》軟件為主，其計算模型和計算模式不符合動車組動力分散特點，無法滿足實際設計需求，存在計算結果不準確、曲線運行路程不合理、無法實現(xiàn)供電流仿真、無法實現(xiàn)電分相設置檢驗等問題，不利于行車組織設計的順利開展，同時也會對動車組的運行控制造成不利影響。如何提高動車組牽引計算仿真系統(tǒng)計算的精準性及科學性，改善其各項工作性能，是推動我國動車事業(yè)快速發(fā)展過程中必須解決的難題。

2 動車組特點

CHR系統(tǒng)動車組是我國高速鐵路主要動車組型號，采用動力分散、交流傳動方式運行，可實現(xiàn)雙向開行，與普通列車相比，CHR動車組有著其自身顯著特點[1]。首先，普通列車驅動方式為集中牽引，限制了行駛速度，而動車組驅動方式為動力分散，牽引功率較大，可實現(xiàn)瞬時提速，更加適合高速行駛。其次，普通列車需的編組并不是固定不變的，應以運營計劃為參照不定期的做出改變，而動車組無論是運營狀態(tài)還是檢修狀態(tài)，都始終保持整體編組形式，編組類型基本不會有所調整，但是可以通過連掛同時驅動兩輛動車組行駛。另外，動車組中采用了交流傳動和復合制動技術，大大提升了列車啟動的平穩(wěn)性，且列車制動反應更加迅速，增強了列車的運行控制力度。最后，CHR系列動車行駛時速均超過了200km，遠遠高于普通列車行駛速度，相應的列車行駛過程中的空氣阻力也比較大，且是動車組主要運行阻力。只有深入了解動車組特點，才能更加科學的開展動車組牽引計算仿真系統(tǒng)設計研究，通過上述分析可以為此次研究提供理論支持。

3 動車組牽引力計算仿真系統(tǒng)設計重要意義

對于我國鐵路運輸事業(yè)發(fā)展來講，動車組牽引力計算仿真系統(tǒng)設計是非常重要且必要的，其現(xiàn)實意義具體體現(xiàn)在以下幾方面。第一，能夠實現(xiàn)對高速動車組設計的優(yōu)化。利用仿真系統(tǒng)在動車組設計生產(chǎn)之前，對其牽引力進行計算，可以準確把握列車各項性能設計要求，針對設計方案中的不足及時加以調整和優(yōu)化，提高其科學性及精準性，避免因設計方案不合理，在生產(chǎn)后浪費大量資金[2]。第二，能夠實現(xiàn)對列車各項運營指標的優(yōu)化。利用仿真系統(tǒng)繪制列車行駛圖，可以更加直觀的將不同列車、不同線路組合下的各項運營數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，包括運行時分和能耗情況，然后以此作為依據(jù)制定更加合理的列車及線路組合方案，在減少運行時分的同時降低能耗。第三，能夠滿足線路試驗測試需求。為避免列車實際行駛過程中出現(xiàn)危險隱患，需要借助仿真系統(tǒng)比較不同條件下及不同試驗方案的優(yōu)缺點，以便對試驗方案進行優(yōu)化，爭取通過更少次的試驗確保列車行駛安全，同時還能實現(xiàn)仿真研究和線路試驗的相互驗證。第四，能夠為列車速度及效能的提升提供可靠依據(jù)[3]。在仿真系統(tǒng)的幫助下，可以判斷列車速度是否可以再次提升，新型列車和線路是否可以契合運營計劃安排等，同時還可以對列車行駛事故進行深入分析，針對常見的安全隱患，制定完善的安全規(guī)章制度。這些都是動車組牽引力計算機仿真系統(tǒng)設計的重要意義，基于此，必須加大對其研究力度。

4 動車組牽引力計算仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

動車組牽引力計算仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)分為三步，首先應了解系統(tǒng)功能需求，然后再進行具體設計，最后測試系統(tǒng)驗證其有效性。

4.1 系統(tǒng)功能需求

某高鐵路段當前所用動車組牽引計算仿真系統(tǒng)存在一定的功能缺陷，對其進行綜合性分析，發(fā)現(xiàn)在對系統(tǒng)設計進行優(yōu)化設計時，主要有以下功能需求。第一，數(shù)據(jù)管理，可以導入和輸出多種形式的數(shù)據(jù)，包括Excel、Cad、Pdf等，并且可以通過人為操作保證數(shù)據(jù)精準性，還能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長短鏈檢查。第二，綜合定時、節(jié)能、節(jié)時等需求分析，借助多質點模型精準計算牽引力，并提供滿功率起車、遞進起車等多種算法，滿足不同情況起車計算需求。第三，能夠實現(xiàn)自動計算和手動計算的隨時切換[4]。第四，可以對列車過分相進行自動計算和檢算，并對動車組各項行使信息進行記錄，在帶電和不帶電兩種狀態(tài)下，比較各分相指標。第五，提出建議閉塞分區(qū)長度及信號機布置方案，能夠實現(xiàn)信號機的初始布點、圖形化調整、追蹤間隔邏輯檢查等功能。第六，避免動車組減速過早、停站不準等問題，并采用空氣制動和電力制動兩種制動方式，避免制動距離過長。

4.2 系統(tǒng)設計方案

根據(jù)動車組牽引計算仿真系統(tǒng)功能需求，在設計新系統(tǒng)時，主要將其分為七部分，分別包括數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、牽引計算系統(tǒng)、手動計算系統(tǒng)、電分相檢算系統(tǒng)、信號機布置系統(tǒng)、結果輸出系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。在七個子系統(tǒng)的相互配合下，可以有效改進原有動車組牽引計算仿真系統(tǒng)的不足，改善系統(tǒng)功能，確保計算結果的科學性和精準性，有利于該系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮。新系統(tǒng)具體設計過程如下。

對于數(shù)據(jù)管理功能的設計，新系統(tǒng)設計了兩種數(shù)據(jù)輸入方式，包括用戶手工輸入、系統(tǒng)模板輸入，其中利用模板輸入數(shù)據(jù)時，可直接通過數(shù)據(jù)接口，將動車組參數(shù)數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)等，以Excel或Mdb文件形式，通過模板全部輸入到系統(tǒng)中，然后再讀取獲得各項輸入數(shù)據(jù)。獲得所數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)可以對其進行檢驗，包括長短鏈檢查、坡度高程數(shù)據(jù)檢查等，確保數(shù)據(jù)的科學性及精準性，發(fā)現(xiàn)異常時根據(jù)用戶指示判斷是否對其進行自動處理。同時，系統(tǒng)可以以Cad、Pdf等格式文件，輸出各項數(shù)據(jù)的具體運算結果，并對輸出步長加以調整，來控制計算結果輸出精度，輸出步長通常為1s[5]。

設計系統(tǒng)牽引計算功能時，需要得知牽引計算參數(shù)、列車組合情況、線路組合情況等，才可進行計算。所用計算方法包括動態(tài)仿真計算和后臺快速計算兩種，前者可以對動車組實際行駛狀態(tài)及線路縱斷面進行模擬，同時還能獲得列車的實時行駛參數(shù)。除此之外，系統(tǒng)還可以模擬動車組供電電流大小及能耗情況，并輸出各種曲線圖，包括速度—距離、電流—距離、能耗—距離等。

此次研究中，所設計的動車組牽引計算仿真系統(tǒng)具備手動計算功能，能夠實現(xiàn)與自動計算的隨時切換使用。通過對列車司機操作平臺進行模擬，用戶可以結合實際需求，輸入列車相應運行狀態(tài)，并對操作檔位做出調整，然后利用各項數(shù)據(jù)進行動態(tài)計算。在這個過程中，用戶發(fā)現(xiàn)自動計算得到的速度曲線不合理或者不理想，則可切換至手動計算模式，得到更為合理、精準的速度曲線。

新系統(tǒng)中電分相檢算功能，具體設計方案如下：首先，可供用戶自由選擇是否進行分相，選擇依據(jù)為電分相位置，可直接從線路數(shù)據(jù)中獲取，當用戶確定分相時，可系統(tǒng)會自動完成對列車的過分相檢算，并在表格中分作兩行記記錄各項分相指標，包括出入分相速度、速度損失、延時長短等。其次，列車通過分相時，帶電和不帶電所顯示的各項指標存在差異，系統(tǒng)此時可以對兩種情況進行比較，對比參數(shù)包括出分相速度、在分相處所耗費的時間、列車速度變化等[6]。

在信號機布置方面，所設計的新動車組牽引計算仿真系統(tǒng)，可以以牽引計算結果作為依據(jù)，確定閉塞分區(qū)長度，并自動完成對區(qū)間通過信號機的布置，在圖形上將其具體布設情況直觀顯示出來，便于對信號機位置進行調整。同時，系統(tǒng)還可以檢算列車的制動距離、追蹤列車的行運間隔。

利用仿真系統(tǒng)完成對動車組牽引計算后，系統(tǒng)還需要輸出所得計算結果，同時可以預覽并打印所得結果數(shù)據(jù)及仿真曲線，更加直觀的將動車組運行情況呈現(xiàn)出來。輸出內容具體包括區(qū)間運行時分數(shù)據(jù)、綜合數(shù)據(jù)等。

為完善動車組牽引計算仿真系統(tǒng)功能，此次設計中增設了輔助子系統(tǒng)，能夠設置各項參數(shù)，包括系統(tǒng)參數(shù)、計算參數(shù)、顯示參數(shù)、打印參數(shù)等。并且對系統(tǒng)功能進行了詳細介紹，提供由操作指導書，還以動畫形式對系統(tǒng)使用進行演示，幫助用戶快速掌握系統(tǒng)的使用。另外，在用戶使用系統(tǒng)過程中，還提供功能操作提示，有效避免了誤操作行為。

4.3 系統(tǒng)功能測試

采用CRH5型動車組進行系統(tǒng)功能測試，其長度為203.1m，構造速度為350km/h，總功率為8900kW，回轉質量系數(shù)為0.1，牽引力和制動力使用系數(shù)均為0.9，以某客運專線區(qū)間線路參數(shù)作為測試參數(shù)，設定動車組最大時速為300km，使用新系統(tǒng)對動車組進行牽引計算仿真。根據(jù)所得測試結果，從能量守恒角度進行考慮，比較動車組機械能增量和耗散力做功情況，可以發(fā)現(xiàn)兩者曲線基本保持一致，最大偏差僅有7.683MJ，表明新系統(tǒng)各項功能較之以前均有所改善，大大提高了動車組牽引計算仿真系統(tǒng)的精準性。

5 結語

在動車快速發(fā)展及普遍推廣背景下，開發(fā)出一套具有較高準確性的動車組牽引計算仿真系統(tǒng)刻不容緩，既是對當前所用系統(tǒng)功能缺陷的改善，也是滿足動車未來發(fā)展需求的必要舉措，必須加大對其研究力度。只有明確動車組特點，認識到動車組牽引計算仿真系統(tǒng)設計的重要意義，根據(jù)系統(tǒng)功能需求，制定科學合理的設計方案，才能完善系統(tǒng)功能，充分發(fā)揮其價值和作用，為推動我國動車事業(yè)發(fā)展提供有力保障。

[1] 賈楠,侯紅學,裴春興,等.高速動車組牽引計算研究及軟件設計[J].鐵道機車與動車，2015，（4）：23-24.

[2] 江程.動車組牽引傳動系統(tǒng)設計方法研究[D].西南交通大學,2015：26-34.

[3] 王月仙.動車組牽引能耗仿真計算研究[J].鐵道機車車輛,2016,(5):33-39.