考慮列控速度防護(hù)曲線(xiàn)的高速列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)研究

杜佳文，駱 暉，杜慎旭，肖李蔚寧，柏 赟

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.北京交通大學(xué)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)是軌道交通線(xiàn)路設(shè)計(jì)、信號(hào)布置、車(chē)輛選型、經(jīng)濟(jì)評(píng)估與能力校驗(yàn)的基礎(chǔ)工具，可以提高設(shè)計(jì)工作的效率。它能根據(jù)線(xiàn)路條件、列車(chē)屬性自動(dòng)生成合理的列車(chē)操縱方案，并得到列車(chē)運(yùn)行能耗與時(shí)分等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，最后通過(guò)動(dòng)畫(huà)方式顯示列車(chē)運(yùn)行過(guò)程。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主流的列車(chē)運(yùn)行仿真軟件有RailSim、RailSys、OpenTrack、北京交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的列車(chē)運(yùn)行仿真軟件GTMSS、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的牽引計(jì)算軟件等。但上述軟件均沒(méi)有充分考慮高鐵列車(chē)司機(jī)操縱行為以及ATP系統(tǒng)對(duì)速度曲線(xiàn)的限制，這與我國(guó)高速鐵路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境存在差異，也會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果與列車(chē)實(shí)際運(yùn)行時(shí)分存在一定的偏差。因此，需要根據(jù)司機(jī)實(shí)際操縱情形刻畫(huà)列車(chē)操縱策略，同時(shí)增加ATP防護(hù)曲線(xiàn)模塊，使高速列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)更符合實(shí)際。

1 系統(tǒng)功能需求分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

(1)列控速度防護(hù)計(jì)算

我國(guó)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定列車(chē)最高速度大于160 km/h時(shí)，必須配備列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(ATP)系統(tǒng)，以保證列車(chē)的安全運(yùn)行。既有仿真軟件并未設(shè)計(jì)ATP自動(dòng)防護(hù)曲線(xiàn)的計(jì)算模塊，這導(dǎo)致既有軟件的仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況存在較大差異。因此，需考慮ATP防護(hù)曲線(xiàn)及其計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)ATP防護(hù)下的列車(chē)運(yùn)行仿真，保證仿真精度。

(2)列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算

既有軟件中列車(chē)操縱行為的刻畫(huà)大多基于節(jié)時(shí)、節(jié)能或定時(shí)模式，對(duì)于列車(chē)在啟動(dòng)、加速、恒速運(yùn)行、過(guò)分相、制動(dòng)、對(duì)標(biāo)停車(chē)等部分細(xì)節(jié)的司機(jī)操縱描述不夠深入，導(dǎo)致仿真軟件的模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)營(yíng)曲線(xiàn)存在一定差異，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)恳?jì)算結(jié)果存在一定的誤差。為了提高仿真軟件計(jì)算精度，高速鐵路列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)需根據(jù)司機(jī)實(shí)際操縱情形刻畫(huà)列車(chē)操縱策略。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

高速鐵路列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊、ATP計(jì)算模塊、列車(chē)運(yùn)行仿真模塊和結(jié)果輸出模塊組成，其系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 高速鐵路列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊是列車(chē)運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)，主要包括線(xiàn)路數(shù)據(jù)和列車(chē)數(shù)據(jù)。

ATP計(jì)算模塊是列車(chē)運(yùn)行仿真的主要約束條件，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中列車(chē)運(yùn)行速度除了受線(xiàn)路工程限速、車(chē)輛構(gòu)造速度限制外，還受ATP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)限速曲線(xiàn)限制。高速鐵路列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)中提供了歐標(biāo)和日立兩種主流ATP超速防護(hù)曲線(xiàn)計(jì)算方法。

列車(chē)運(yùn)行仿真模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心，可計(jì)算列車(chē)運(yùn)行距離、運(yùn)行時(shí)分等技術(shù)指標(biāo)。在系統(tǒng)運(yùn)行仿真前，用戶(hù)需要根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的運(yùn)行模式(自定義模式或默認(rèn)操縱模式)，以及列車(chē)運(yùn)行防護(hù)模式(歐標(biāo)ATP防護(hù)或日立ATP防護(hù)模式)和車(chē)載列控系統(tǒng)型號(hào)。在確定上述參數(shù)和模擬策略后，系統(tǒng)可自動(dòng)仿真列車(chē)運(yùn)行過(guò)程，并計(jì)算相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

結(jié)果輸出模塊向用戶(hù)輸出系統(tǒng)仿真結(jié)果，供用戶(hù)進(jìn)行各方案的優(yōu)劣對(duì)比分析。其輸出的主要結(jié)果有列車(chē)區(qū)間運(yùn)行時(shí)分、速度-位移(V-S)曲線(xiàn)圖、時(shí)間-位移(T-S)曲線(xiàn)圖以及手柄-位移(H-S)曲線(xiàn)圖。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 ATP模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為模擬更真實(shí)的列車(chē)運(yùn)行環(huán)境，提高模擬系統(tǒng)的仿真精度，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了ATP超速防護(hù)曲線(xiàn)計(jì)算模塊，其總體框架設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 ATP模塊設(shè)計(jì)框架

其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊主要記錄用戶(hù)輸入的線(xiàn)路信息和列車(chē)屬性；初始化模塊主要對(duì)靜態(tài)限速和ATP限速進(jìn)行初始化計(jì)算；限速計(jì)算模塊主要功能是根據(jù)用戶(hù)的選擇，采用相應(yīng)的限速模式進(jìn)行計(jì)算；界面顯示模塊可動(dòng)態(tài)顯示ATP限速曲線(xiàn)。

(1)日立ATP計(jì)算模塊

日立算法基本原理是簡(jiǎn)化線(xiàn)路坡道附加阻力計(jì)算，從停車(chē)參考點(diǎn)進(jìn)行迭代逆推計(jì)算。其中，為簡(jiǎn)化線(xiàn)路坡道附加阻力的實(shí)時(shí)計(jì)算，將坡道簡(jiǎn)化為六個(gè)區(qū)間，并預(yù)先在車(chē)載計(jì)算機(jī)里儲(chǔ)存列車(chē)在不同坡道區(qū)間和速度下制動(dòng)距離表。在列車(chē)運(yùn)行中，車(chē)載接受到地面應(yīng)答器上傳的坡道信息后，將線(xiàn)路坡度向下取整歸納到對(duì)應(yīng)的坡度區(qū)間，并在相應(yīng)坡度區(qū)間的制動(dòng)距離表(圖3)中進(jìn)行查表迭代計(jì)算，直至列車(chē)最高運(yùn)營(yíng)速度確定完整的ATP曲線(xiàn)。

圖3 日立算法制動(dòng)距離表

(2)歐標(biāo)ATP計(jì)算模塊

歐標(biāo)ATP計(jì)算模塊主要根據(jù)階梯固定減速度方法，簡(jiǎn)化制動(dòng)工況下列車(chē)減速度的計(jì)算，并根據(jù)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的坡道信息等進(jìn)行ATP曲線(xiàn)計(jì)算。首先，歐標(biāo)法將列車(chē)制動(dòng)減速度近似劃分為6個(gè)階梯，每個(gè)階梯對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的減速度，如圖4所示。隨后，在列車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行中，需要從停車(chē)參考點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)實(shí)際的線(xiàn)路坡道和曲線(xiàn)信息，以及當(dāng)前速度下的制動(dòng)減速度(a1～a6某一值)，逐步逆推至列車(chē)當(dāng)前位置。

圖4 歐標(biāo)計(jì)算法原理

2.2 列車(chē)操縱模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

列車(chē)操縱模塊是牽引計(jì)算軟件中最為核心的部分，直接影響列車(chē)運(yùn)行的仿真結(jié)果。操縱模塊的設(shè)計(jì)主要涉及列車(chē)在站間運(yùn)行的操縱規(guī)則，進(jìn)而設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的列車(chē)操縱仿真算法。首先，依據(jù)列車(chē)運(yùn)行刻畫(huà)的精確性、操作規(guī)則的相似性和仿真建模的簡(jiǎn)易性，對(duì)站間運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程分為啟動(dòng)、加速運(yùn)行、途中恒速運(yùn)行、停車(chē)制動(dòng)減速及對(duì)標(biāo)停車(chē)等5個(gè)階段。隨后，基于《CRH系列動(dòng)車(chē)組操作規(guī)則》對(duì)列車(chē)在上述5個(gè)階段的操縱要求，確定列車(chē)在各階段的操縱策略，即各階段在滿(mǎn)足運(yùn)行安全和乘客舒適度的前提下，盡可能地高速運(yùn)行并避免頻繁變換操縱手柄位，最終使得列車(chē)運(yùn)行安全、正點(diǎn)、平穩(wěn)、節(jié)能。

根據(jù)各階段的操縱規(guī)則，設(shè)計(jì)列車(chē)操縱仿真算法的總體流程，如圖5所示。軟件采用時(shí)間步長(zhǎng)方法進(jìn)行仿真，每一步長(zhǎng)下需確定列車(chē)當(dāng)前的運(yùn)行階段，并根據(jù)此運(yùn)行階段選擇不同的運(yùn)行算法模塊，確定下一時(shí)間步長(zhǎng)的操縱手柄位。最后，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算加速度、速度、位移等變量，并進(jìn)行迭代推演直至列車(chē)完成對(duì)標(biāo)停車(chē)。

圖5 列車(chē)操縱仿真算法總體設(shè)計(jì)流程

3 系統(tǒng)應(yīng)用

以CRH380A型動(dòng)車(chē)組列車(chē)在岳陽(yáng)-咸寧站間的運(yùn)行為例，對(duì)比分析列車(chē)實(shí)際操縱曲線(xiàn)、既有軟件和本軟件在全程運(yùn)行的速度-位移曲線(xiàn)，結(jié)果如圖6所示，表1為列車(chē)實(shí)際操縱、既有軟件和本軟件在全程運(yùn)行的差異分析。

圖6 岳陽(yáng)至咸寧站間速度-位移曲線(xiàn)

表1 運(yùn)行誤差對(duì)比

由圖6可以看出既有軟件由于恒速階段緊貼限速運(yùn)行，導(dǎo)致速度曲線(xiàn)高于實(shí)際操縱曲線(xiàn)，從而導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)分偏小。結(jié)合表1可知，既有軟件在本站間的運(yùn)行時(shí)分比實(shí)際運(yùn)行時(shí)分偏小2.38%。本軟件由于考慮了司機(jī)實(shí)際操縱規(guī)則和ATP限速模塊，仿真得到的列車(chē)速度-位移曲線(xiàn)與實(shí)際操縱曲線(xiàn)貼合程度較好，其運(yùn)行時(shí)分等于實(shí)際值。綜上所述，相較于既有軟件，本軟件在岳陽(yáng)-咸寧站間的全程運(yùn)行仿真結(jié)果更加貼近列車(chē)的實(shí)際運(yùn)行情況。

4 結(jié) 論

列車(chē)運(yùn)行仿真軟件通過(guò)真實(shí)、準(zhǔn)確、快速地模擬列車(chē)運(yùn)行過(guò)程，計(jì)算不同設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)方案下的列車(chē)運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，為軌道交通工程咨詢(xún)與設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理提供輔助分析與決策。既有列車(chē)運(yùn)行仿真軟件尚未精細(xì)化考慮高速鐵路列車(chē)操縱特點(diǎn)以及列控系統(tǒng)限速曲線(xiàn)的限制。本文在結(jié)合現(xiàn)有動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、列控系統(tǒng)控車(chē)原理、以及司機(jī)駕駛行為特征等基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了考慮列控防護(hù)曲線(xiàn)和司機(jī)實(shí)際操縱的高速鐵路列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng)。案例結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行仿真精度，并為高速鐵路設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。