高速動車組牽引制動仿真系統(tǒng)的自動控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

王 皓，陸 陽，高 翔

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

高速動車組與傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸不同，其動力分散，且整列車輛在運(yùn)營過程中不可拆散重組的運(yùn)營特性，不同于傳統(tǒng)的鐵路機(jī)車車輛。借助動車組仿真平臺，可以進(jìn)一步研究相關(guān)的運(yùn)營特性，為不斷提高動車組運(yùn)營效率提供重要參考。鐵路機(jī)車車輛及動車組的仿真平臺研究在國外已經(jīng)展開。比較成熟的仿真平臺有北美的RAILSIM、歐洲的Trainstar、日本的UTRAS[1]、俄羅斯的EMUTTCS[2]。它們各有特色，結(jié)合我國的高速鐵路建設(shè)特點(diǎn)，以及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，需要開發(fā)符合國情需求的高速動車組仿真平臺[3]。

《列車牽引計(jì)算規(guī)程》[4]（簡稱：《規(guī)程》）是針對中國鐵路運(yùn)輸實(shí)際情況制定的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。基于該《規(guī)程》，開發(fā)了專門針對高速動車組的牽引制動仿真系統(tǒng)（簡稱：動車組仿真系統(tǒng)），以便充分利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)為我國高速動車組的運(yùn)用和研究提供重要參考數(shù)據(jù)。

鐵路線路的設(shè)計(jì)和建設(shè)都有規(guī)定的限速，因此仿真系統(tǒng)中必須有防止動車組超過軌道限速的功能[5]。基本的仿真系統(tǒng)功能只要能使固定的加減速控制動車組達(dá)到區(qū)間限速并穩(wěn)定運(yùn)行即可[6]，復(fù)雜的仿真系統(tǒng)，需要進(jìn)一步提供方便直觀的調(diào)整控制動車組運(yùn)行過程的細(xì)節(jié)[7-8]，例如：加速、制動手柄的位置，定速和緊急制動（EB、UB）的控制，以及運(yùn)行狀態(tài)的詳細(xì)記錄等。

簡單的自動控制可以根據(jù)動車組追蹤間隔，采用提前制動的方式進(jìn)行控制[9]，或者基于ATP系統(tǒng)的減速曲線來反算減速控制操作[10]。對于仿真的中間過程，可以將其設(shè)計(jì)為啟動牽引、惰行-牽引、惰行-制動3個情況[11]。但是，仿真過程中，存在著起車、限速、過分相、不同坡度下實(shí)現(xiàn)定速或加減速操作等情況，還可能需要從不同公里標(biāo)啟動并運(yùn)行到指定位置，來模擬應(yīng)急情況、區(qū)段分析等復(fù)雜情況。這并不是一個簡單的、線性的控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。所以，我們的仿真系統(tǒng)中，需要一個在各種情況下，都能自動控制動車組沿著整條線路或局部線路高效運(yùn)行的方法。

本文聚焦于仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的自動駕駛系統(tǒng)，提出其核心算法—控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，即通過定義動車組的若干個控制狀態(tài)，以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，來自動生成當(dāng)前控制狀態(tài)下動車組模擬司機(jī)應(yīng)該采用的動車組控制手柄的級位。而仿真系統(tǒng)通過讀取手柄級位（實(shí)際系統(tǒng)在這里不區(qū)分是真人設(shè)置的，還是自動駕駛系統(tǒng)設(shè)置的手柄級位），換算成牽引制動系統(tǒng)產(chǎn)生的牽引力或制動力，就可以模擬動車組在軌道上的運(yùn)行狀態(tài)，完成仿真過程。

1 高速動車組仿真系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖設(shè)計(jì)

1.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖設(shè)計(jì)

動車組控制手柄的級位，既可以由仿真軟件的用戶來直接指定，也可以使用自動駕駛系統(tǒng)來模擬司機(jī)的操作來指定。當(dāng)使用自動駕駛的時候，自動駕駛系統(tǒng)需要知道動車組的運(yùn)行狀態(tài)和控制目標(biāo)，并結(jié)合模擬司機(jī)的操作特性才能決定當(dāng)前的控車手柄的最佳級位。因此，根據(jù)動車組的運(yùn)行情況定義了動車組的控制狀態(tài)，以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件，如圖 1所示。

圖 1 動車組控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

1.1.1 開始、停車和結(jié)束

開始、停車和結(jié)束3個狀態(tài)，對應(yīng)仿真過程的入口、重要節(jié)點(diǎn)和出口。

開始狀態(tài)。仿真系統(tǒng)需要根據(jù)仿真項(xiàng)目的配置初始化自動駕駛的參數(shù)，例如：根據(jù)項(xiàng)目配置參數(shù)，確定動車組在軌道線路上初始位置、停車站位置，線路上哪些分相區(qū)間是有效的，還要確定仿真最終結(jié)束的位置。

停車狀態(tài)。一般是動車組在仿真開始的起點(diǎn)、軌道上的停車車站，或者是區(qū)間仿真時對應(yīng)的軌道上的起點(diǎn)和終點(diǎn)的狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，雖然車速為0，但是仿真過程并沒有結(jié)束。

結(jié)束狀態(tài)。意味著一次仿真過程結(jié)束，所有動車組運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄完畢，準(zhǔn)備進(jìn)入下一次仿真或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。自動駕駛時，在這個狀態(tài)下，車速為0，仿真過程結(jié)束。手動駕駛的時候，結(jié)束狀態(tài)的車速可以不為0。

1.1.2 牽引和制動

牽引和制動，是動車組駕駛過程中最常見的兩種狀態(tài)。

在牽引狀態(tài)下，動車組的當(dāng)前速度遠(yuǎn)小于軌道限速和“公里標(biāo)-限速”曲線規(guī)定的限速，可以按照司機(jī)牽引特性參數(shù)放心的牽引加速。當(dāng)動車組當(dāng)前速度很接近限速（且沒有超過限速）的時候，牽引手柄就不能全力加速，而要根據(jù)速度差，進(jìn)行微調(diào)。既要實(shí)現(xiàn)加速到目標(biāo)速度，又要防止超速。

在制動狀態(tài)下，動車組要采用一定的制動策略，來防止超速，或制止已經(jīng)出現(xiàn)的超速情況。一般要把車速降低到對應(yīng)的軌道限速以下，或按照司機(jī)駕駛的減速特性進(jìn)行減速來保證精準(zhǔn)到站停車。如果出現(xiàn)下坡段過分相存在因?yàn)槎栊卸俚那闆r，則必須模擬司機(jī)的操作來提前減速，以防超速。通常，車速非常接近“公里標(biāo)-限速”曲線的時候，可以放心地按照司機(jī)制動特性參數(shù)進(jìn)行制動。當(dāng)車速超過限速比較多的時候，制動就需要考慮全力常規(guī)制動、EB或UB了。

總體來說，牽引和制動這兩個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移，主要取決于當(dāng)前車速與目標(biāo)限速之間的差距。模擬司機(jī)的操作特性控車，主要是在這兩個狀態(tài)下。當(dāng)然，還要給目標(biāo)速度增加一個調(diào)節(jié)的范圍，防止過于頻繁地在制動和牽引狀態(tài)之間進(jìn)行切換。

1.2 惰行狀態(tài)

有了前面的幾個狀態(tài)之后，還根據(jù)動車組實(shí)際情況，添加了特殊的惰行狀態(tài)。有2種情況動車組會進(jìn)入惰行狀態(tài)，因此要分別記錄與其相關(guān)的參數(shù)。

1.2.1 被迫惰行

當(dāng)動車組經(jīng)過分相區(qū)間的時候（實(shí)際上從分相的預(yù)告位置開始，到分相結(jié)束的標(biāo)記位置之后動車組重新從弓網(wǎng)獲取電能的位置），動車組無法從受電弓獲取電能，被迫處于惰行狀態(tài)。因此，進(jìn)入分相區(qū)間之前，要記錄牽引/制動的狀態(tài)，在離開分相區(qū)間的時候要恢復(fù)相應(yīng)的狀態(tài)（進(jìn)入前是牽引，離開時恢復(fù)牽引；進(jìn)入前是制動，離開時恢復(fù)制動）。

1.2.2 主動惰行

主動產(chǎn)生的惰行，是自動控制系統(tǒng)判斷動車組的速度非常接近軌道限速或“公里標(biāo)-限速”曲線定義的限速時，為了防止頻繁加減速而使用的策略。車速非常接近限速的時候，牽引容易導(dǎo)致超速，而制動則浪費(fèi)動能。如果惰行可以維持車速在合理范圍內(nèi)，且不超過限速，那么，自動控制系統(tǒng)可以選擇主動進(jìn)入惰行狀態(tài)，防止頻繁地加減速切換。

2 在仿真中應(yīng)用的效果

2.1 基本仿真過程

該高速動車組仿真系統(tǒng)中，動車組的運(yùn)行狀態(tài)采用等時間間隔的遞推過程（從第i個狀態(tài)遞推到第i+1個狀態(tài)）來計(jì)算，其具體運(yùn)算可以用如下公式組進(jìn)行：

其中， Fi為動車組控制手柄級位換算的牽引/制動力；fi為阻力，來自經(jīng)驗(yàn)公式fi=a+bVi+CV2i， a、b、c為通過實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；ωi為軌道阻力，是動車組在公里標(biāo)Li處的坡道、曲線、橋梁隧道等產(chǎn)生的阻力合力；M為動車組質(zhì)量；γ為動車組回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；t為兩個運(yùn)行狀態(tài)之間的時間間隔。這些參數(shù)每個動車組的車型都不完全相同，一般可以從《規(guī)程》中獲取。

2.2 模擬司機(jī)操作特性

在以上狀態(tài)圖中的每個狀態(tài)（除了開始和結(jié)束狀態(tài)），都有自己的動車組手柄控制策略。模擬司機(jī)加減速的策略是在仿真系統(tǒng)的項(xiàng)目配置模塊輸入的。司機(jī)可以在不同的速度下，有不同的加減速控制方案，既可以對應(yīng)有級位的手柄位置，又可以對應(yīng)無級變速的手柄位置。當(dāng)然司機(jī)的操作策略既可以是根據(jù)不同的速度使用不同的手柄擋位，也可以是簡單的使用最高擋位進(jìn)行加速或減速。

在惰行狀態(tài)，相當(dāng)于動車組控制手柄產(chǎn)生的牽引/制動力為0。在停車狀態(tài)時，仿真系統(tǒng)會加上停車制動，讓車速保持為0，來防止動車組因?yàn)檐壍榔露鹊犬a(chǎn)生倒車、溜車的情況。

2.3 仿真結(jié)果

利用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖產(chǎn)生的動車組自動控制過程，很好的模擬了動車組駕駛員操控行為，從而能夠控制動車組沿著軌道線路，從始發(fā)站一直運(yùn)行到終點(diǎn)站?？刂茽顟B(tài)切換產(chǎn)生的加減速操作可以在仿真結(jié)果中看到，如圖 2所示, 上方紅色的包絡(luò)線為軌道限速，兩個車站之間的曲線為動車組的車速，橫坐標(biāo)為公里標(biāo)，縱坐標(biāo)為車速。動車組加減速狀態(tài)對應(yīng)控制手柄的狀態(tài)，用不同顏色表示，這些顏色反映了各控制狀態(tài)工作的區(qū)間和轉(zhuǎn)換的次序。

3 結(jié)束語

本文介紹了模擬駕駛員操作動車組功能的核心模塊—控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖—的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案用于鐵科院機(jī)輛所開發(fā)的高速動車組仿真系統(tǒng)成功模擬了動車組司機(jī)的手柄操作行為。根據(jù)這個模擬司機(jī)的操作，仿真軟件能夠整條軌道線路上模擬司機(jī)駕駛的行為。根據(jù)手柄的級位記錄數(shù)據(jù)，仿真軟件能夠很好的區(qū)分牽引、制動、惰行等狀態(tài)，于是將這幾個狀態(tài)對應(yīng)到消耗電能狀態(tài)、電制動發(fā)電狀態(tài)等，我們就可以很方便的統(tǒng)計(jì)出區(qū)間內(nèi)的各種能耗數(shù)據(jù)，如圖 3所示。程序還很容易就能統(tǒng)計(jì)出牽引時間、制動時間等時間參數(shù)，為動車組的實(shí)際應(yīng)用提供重要參考。

圖 2 動車組牽引制動仿真系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

圖 3 仿真軟件給出的能耗分析表

仿真測試結(jié)果，與實(shí)際運(yùn)行情況非常吻合，證明了基于該狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的自動駕駛功能，能夠模擬動車組駕駛員控制手柄的操作，并完成控制動車組沿著軌道線路正常行駛的完整仿真過程。