高速鐵路動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行?仿真技術(shù)研究

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程的快速增長(zhǎng)，高速鐵路列車(chē)顯現(xiàn)出運(yùn)行速度高、車(chē)型種類(lèi)多、運(yùn)營(yíng)密度大、行車(chē)組織復(fù)雜、調(diào)度指揮難度高等特點(diǎn)，為與既有鐵路接軌，高速鐵路往往穿越或共享既有線(xiàn)站場(chǎng)和樞紐，且出現(xiàn)高速鐵路高、中速列車(chē)共線(xiàn)運(yùn)行、多類(lèi)行車(chē)閉塞方式和列控方式共存的情況，高速鐵路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景和外部環(huán)境極為復(fù)雜，能否對(duì)高速鐵路動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真變得愈發(fā)重要，其表現(xiàn)在不僅可以在線(xiàn)路尚處于設(shè)計(jì)階段時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算可以確定線(xiàn)路參數(shù)，進(jìn)而判斷選線(xiàn)設(shè)計(jì)是否合理；還可以通過(guò)仿真平臺(tái)分析車(chē)站通過(guò)能力并確定到發(fā)線(xiàn)數(shù)量能否滿(mǎn)足行車(chē)要求；同時(shí)在鋪畫(huà)運(yùn)行圖時(shí)亦可以通過(guò)仿真檢算列車(chē)開(kāi)行方案是否合理。為了能更好地在高速鐵路規(guī)劃、設(shè)計(jì)與改造、運(yùn)行圖的優(yōu)化等方面提供決策支持，針對(duì)高速鐵路路網(wǎng)條件下動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行進(jìn)行仿真平臺(tái)的搭建具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)與學(xué)者在此領(lǐng)域均進(jìn)行了較為深入的研究，蘇黎世的瑞士聯(lián)邦研究所開(kāi)發(fā)的OpenTrack仿真系統(tǒng)[1]與德國(guó)漢諾威的萊布尼茨綜合大學(xué)開(kāi)發(fā)的RailSys仿真系統(tǒng)功能全面具體，適用性較強(qiáng)，但其關(guān)鍵參數(shù)未公開(kāi)，與我國(guó)實(shí)際路情不一致，且路網(wǎng)鋪畫(huà)繁瑣，應(yīng)對(duì)大型路網(wǎng)實(shí)例仿真時(shí)工作量較大；白鑫[2]采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制描述行車(chē)仿真工作流程并依此計(jì)算了京滬高速鐵路曲阜東—滕州東區(qū)段列車(chē)最小追蹤間隔時(shí)間；唐金金等[3]針對(duì)高速列車(chē)仿真與普速列車(chē)的區(qū)別進(jìn)行了分析；楊肇夏等[4]對(duì)早期國(guó)外仿真系統(tǒng)的進(jìn)展進(jìn)行了分析，指出我國(guó)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題；安迪[5]從仿真角度開(kāi)展時(shí)速400 km高速鐵路列車(chē)追蹤間隔仿真研究；王晗[6]以高速列車(chē)運(yùn)行電氣仿真軟件為對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)牽引制動(dòng)性能設(shè)計(jì)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)分仿真；李望等[7]將時(shí)間參數(shù)引入謂詞變遷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車(chē)等仿真?zhèn)€體的狀態(tài)跟蹤；魯工圓等[8]采用Petri網(wǎng)描述了列車(chē)的到發(fā)作業(yè)過(guò)程并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了車(chē)站到發(fā)作業(yè)模型，以此為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了編組站組織教學(xué)的仿真平臺(tái)；段雯譽(yù)等[9]基于列車(chē)控制系統(tǒng)研究了高速鐵路列車(chē)運(yùn)行調(diào)度與控制流程,設(shè)計(jì)分散自律調(diào)度集中仿真系統(tǒng)；楊浩[10]建立了基于RTDS的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)建模與仿真模型，搭建了單線(xiàn)和復(fù)線(xiàn)牽引供電系統(tǒng)模型,進(jìn)而模擬了牽引變電所的變壓器故障和牽引網(wǎng)的短路故障。綜上，雖然國(guó)外在列車(chē)運(yùn)行仿真的研究和實(shí)用方面都較為成熟，但近年來(lái)我國(guó)鐵路運(yùn)輸仿真的研究已經(jīng)有了較大進(jìn)展，不過(guò)仍主要集中于研究列控系統(tǒng)、牽引計(jì)算仿真等某一子系統(tǒng)，缺乏對(duì)列車(chē)運(yùn)行整體系統(tǒng)的研究，對(duì)動(dòng)車(chē)組集群的追蹤運(yùn)行仿真較少。

為了對(duì)高速鐵路動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真，首先通過(guò)動(dòng)車(chē)組受力分析并匹配不同列控策略來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組運(yùn)動(dòng)模型，再基于路網(wǎng)鋪畫(huà)功能實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視化模塊并匹配相應(yīng)LKJ數(shù)據(jù)，最終通過(guò)多線(xiàn)程并發(fā)仿真算法設(shè)計(jì)，期望搭建一個(gè)兼?zhèn)湫阅芘c效率的高速鐵路路網(wǎng)條件下動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真平臺(tái)。

1 高速鐵路動(dòng)車(chē)組運(yùn)行模型構(gòu)建

高速鐵路列車(chē)群運(yùn)行仿真平臺(tái)涉及到列車(chē)牽引計(jì)算、列車(chē)列控計(jì)算、列車(chē)運(yùn)動(dòng)模型、路網(wǎng)鋪畫(huà)等一系列問(wèn)題，屬于鐵路多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉問(wèn)題，擬據(jù)此4個(gè)維度搭建仿真平臺(tái)。

1.1 列車(chē)牽引計(jì)算

動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行過(guò)程中受力來(lái)源為重力M、牽引力F、阻力W以及制動(dòng)力B。其中，重力M作為計(jì)算合力的基礎(chǔ)，平臺(tái)將動(dòng)車(chē)組定員荷載質(zhì)量存儲(chǔ)于Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；牽引力F方向與列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相同；阻力W方向與列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相反，由基本阻力、附加阻力構(gòu)成；制動(dòng)力B方向與列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向相反，主要由模型列控模塊實(shí)現(xiàn)。

牽引力由牽引特性曲線(xiàn)決定，根據(jù)不同動(dòng)車(chē)組型號(hào)予以區(qū)分，是牽引計(jì)算的基礎(chǔ)力學(xué)數(shù)據(jù)，并形成一對(duì)一關(guān)系，在仿真過(guò)程中需要提前錄入并作為基礎(chǔ)參數(shù)存儲(chǔ)在Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，CRH動(dòng)車(chē)組牽引特性曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 CRH 動(dòng)車(chē)組牽引特性曲線(xiàn)Fig.1 Traction characteristic curve of CRH EMU

由牽引力產(chǎn)生的列車(chē)加速度βF的計(jì)算公式為

式中：F為通過(guò)牽引特性曲線(xiàn)查詢(xún)到的牽引力，kN；M為動(dòng)車(chē)組定員荷載質(zhì)量，t。

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程所受到的總阻力等于基本阻力和附加阻力之和?；咀枇τ奢S承阻力、空氣阻力、振動(dòng)與沖擊阻力等構(gòu)成，是由列車(chē)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)與機(jī)車(chē)出廠(chǎng)參數(shù)決定的，在仿真過(guò)程中根據(jù)不同的車(chē)體或加掛車(chē)列配置固定參數(shù)，用ωJ表示，按照ωJ=a+bv+cv2進(jìn)行計(jì)算。

由基本阻力產(chǎn)生的列車(chē)減速度βJ的計(jì)算公式為

式中：M為動(dòng)車(chē)組定員荷載質(zhì)量，t；γ為動(dòng)車(chē)組回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；a，b，c隨具體動(dòng)車(chē)組型號(hào)取值；v為列車(chē)即時(shí)速度，km/h。

附加阻力由曲線(xiàn)附加阻力、坡道附加阻力、隧道附加阻力(仿真過(guò)程中不予考慮)構(gòu)成，是由列車(chē)進(jìn)入曲線(xiàn)或坡道上運(yùn)行比在直線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)額外增加的阻力決定，受機(jī)車(chē)車(chē)輛影響很小，主要決定于運(yùn)行的線(xiàn)路條件，其中在曲線(xiàn)階段主要由曲線(xiàn)半徑?jīng)Q定，用ωR表示，在坡度階段主要由列車(chē)運(yùn)行處于坡道的千分?jǐn)?shù)決定，用ωI表示。若用ωA表示附加阻力，計(jì)算公式為

由附加阻力產(chǎn)生的列車(chē)減速度用βA表示，計(jì)算公式為

式中：g為重力加速度，取9.81 m/s2；R為曲線(xiàn)半徑，m；i為坡度值，上坡取正值，下坡取負(fù)值。

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)所受的阻力為基本阻力和附加阻力之和，其計(jì)算公式為

式中：W為動(dòng)車(chē)組所受阻力之和，kN。

由總阻力產(chǎn)生的列車(chē)減速度用βW表示，計(jì)算公式為

1.2 列車(chē)列控計(jì)算

列控系統(tǒng)核心作用是根據(jù)不同的列控型號(hào)表現(xiàn)其控車(chē)策略，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中制動(dòng)力的計(jì)算，主要表現(xiàn)在制動(dòng)性能曲線(xiàn)，制動(dòng)性能曲線(xiàn)由速度與制動(dòng)減速度共同組成，并形成一對(duì)一關(guān)系，在仿真過(guò)程中需要提前錄入并作為基礎(chǔ)參數(shù)存儲(chǔ)在Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，不同的列控廠(chǎng)家會(huì)對(duì)此最大常用制動(dòng)減速度根據(jù)不同的策略進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)行動(dòng)車(chē)組列控廠(chǎng)家涵蓋300H，300T，300C 3個(gè)系列2種策略。

300H列控系統(tǒng)采取的策略是采用打折查表法，即將每一段原始制動(dòng)減速度同時(shí)乘以一個(gè)小于1的常數(shù)，即所謂的“打折”，并將打折之后的結(jié)果存儲(chǔ)于若干張表格中，在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中需要制動(dòng)時(shí)，通過(guò)“查表”將其作為列車(chē)制動(dòng)時(shí)的真實(shí)減速度，300H列控系統(tǒng)制動(dòng)減速度對(duì)比如圖2所示。

圖2 300H列控系統(tǒng)制動(dòng)減速度對(duì)比Fig.2 Comparison of braking deceleration of 300H train control system

300T，300C列控系統(tǒng)采取的策略是采用打折分段法，即先將每一段原始制動(dòng)減速度同時(shí)乘以一個(gè)小于1的常數(shù)，即所謂的“打折”，而后按照相應(yīng)原則將其分為若干個(gè)減速度區(qū)段，真實(shí)制動(dòng)減速度值取落在該區(qū)段的最小值，最后形成的減速度曲線(xiàn)呈現(xiàn)出階梯形態(tài)，即所謂的“分段”，300T列控系統(tǒng)制動(dòng)減速度對(duì)比如圖3所示。

圖3 300T列控系統(tǒng)制動(dòng)減速度對(duì)比Fig.2 Comparison of braking deceleration of 300T train control system

通過(guò)上述區(qū)別分類(lèi)，最終可以通過(guò)列車(chē)即時(shí)速度v對(duì)比查詢(xún)到當(dāng)前制動(dòng)力產(chǎn)生的制動(dòng)減速度βB，原廠(chǎng)數(shù)據(jù)提前錄入并作為基礎(chǔ)參數(shù)存儲(chǔ)在Json數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，根據(jù)不同列控型號(hào)采用不同計(jì)算策略得到列車(chē)制動(dòng)力為

式中：B為動(dòng)車(chē)組受到的制動(dòng)力，kN；βB為列控制動(dòng)減速度，m/s2。

1.3 動(dòng)車(chē)組運(yùn)動(dòng)模型

由于動(dòng)車(chē)組在實(shí)際運(yùn)行中是變加速運(yùn)動(dòng)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在仿真過(guò)程中假設(shè)在Δt很小的一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)列車(chē)受力不變，仿真中令Δt= 0.2 s，不同階段Δt時(shí)間內(nèi)受力的斜率是不一樣的，如果用0 ～ 1之間的某值來(lái)表示單位時(shí)間內(nèi)受力的斜率，即所謂的受力“迫切程度”，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行3種狀態(tài)，引入τT，τI，τB。

（1）τT為啟動(dòng)與牽引系數(shù)，其計(jì)算公式為

式中：Δv為當(dāng)前即時(shí)速度與當(dāng)前位置限速的差，km/h。

（2）τI為惰行系數(shù)，其計(jì)算公式為

（3）τB為制動(dòng)系數(shù)，其計(jì)算公式為

式中：v0為當(dāng)前即時(shí)速度，km/h；v1為下一個(gè)限速點(diǎn)速度，km/h。

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)距離也分為空走距離Sk和有效制動(dòng)距離Se，計(jì)算公式為

式中：tk為制動(dòng)空走時(shí)間，s；vs為制動(dòng)初速，km/h；ve為制動(dòng)末速，km/h。

綜上，通過(guò)搭建上述動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)在仿真過(guò)程中計(jì)算出任一動(dòng)車(chē)組的即時(shí)受力、速度、里程點(diǎn)，以及因前后車(chē)因素引發(fā)的制動(dòng)所需距離，實(shí)現(xiàn)為多并發(fā)動(dòng)車(chē)組集群仿真提供支撐。

1.4 路網(wǎng)鋪畫(huà)

平臺(tái)路網(wǎng)鋪畫(huà)模塊負(fù)責(zé)編輯在運(yùn)行過(guò)程中所涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括道岔、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、車(chē)站、軌道電路、分相、坡道、曲線(xiàn)等線(xiàn)路基礎(chǔ)，此模塊要實(shí)現(xiàn)將三維的物理層線(xiàn)路設(shè)備布局轉(zhuǎn)換為二維的仿真展示布局，不僅為仿真展示模塊提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)為列車(chē)運(yùn)行仿真過(guò)程提供數(shù)據(jù)支撐，并通過(guò)屬性配置實(shí)現(xiàn)對(duì)路網(wǎng)主要屬性的動(dòng)態(tài)調(diào)整與靜態(tài)描述，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框架如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框架Fig.4 Structural framework of infrastructure data

框架主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程為將鐵路局集團(tuán)公司提供的LKJ數(shù)據(jù)(EXCEL表格式)轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存在保存相應(yīng)線(xiàn)路設(shè)備的Json文件與相應(yīng)線(xiàn)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的XML文件中，并在路網(wǎng)鋪畫(huà)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)Json文件與XML文件的綁定，此時(shí)的數(shù)據(jù)信息從人工編輯信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀信息，基礎(chǔ)路網(wǎng)圖構(gòu)建完成后在其上層搭建信號(hào)層，用來(lái)描述信號(hào)機(jī)等與行車(chē)有關(guān)標(biāo)志的具體位置及作用，路網(wǎng)鋪畫(huà)模塊如圖5所示。

圖5 路網(wǎng)鋪畫(huà)模塊Fig.5 Railway network module

2 實(shí)例分析

基于上述研究?jī)?nèi)容，利用編程軟件完成高速鐵路路網(wǎng)條件下動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真平臺(tái)搭建，并實(shí)現(xiàn)了LKJ數(shù)據(jù)抽取、路網(wǎng)鋪畫(huà)、時(shí)刻表編輯、動(dòng)車(chē)組集群編輯、動(dòng)車(chē)組運(yùn)動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)展示及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析等模塊。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

高速鐵路動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真平臺(tái)能夠仿真列車(chē)運(yùn)行調(diào)度方式，分析車(chē)站、線(xiàn)路的通過(guò)能力，進(jìn)行動(dòng)車(chē)組運(yùn)行計(jì)劃合理性分析及優(yōu)化和動(dòng)車(chē)組特征曲線(xiàn)分析等功能。

平臺(tái)擬采用京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)北京南至棗莊段與膠濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)(濟(jì)南西—青島北)濟(jì)南西至膠州北段實(shí)際LKJ數(shù)據(jù)，作為仿真平臺(tái)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并將其錄入Json數(shù)據(jù)集，主要包括線(xiàn)路數(shù)據(jù)、車(chē)站數(shù)據(jù)、股道數(shù)據(jù)、道岔數(shù)據(jù)、坡道數(shù)據(jù)、曲線(xiàn)數(shù)據(jù)、隧道數(shù)據(jù)、信號(hào)機(jī)和軌道電路數(shù)據(jù)以及車(chē)站接發(fā)列車(chē)經(jīng)由股道和道岔數(shù)據(jù)，某鐵路局集團(tuán)公司管轄線(xiàn)路坡度數(shù)據(jù)表(部分)如表1所示，某鐵路局集團(tuán)公司管轄線(xiàn)路曲線(xiàn)數(shù)據(jù)表(部分)如表2所示。

表1 某鐵路局集團(tuán)公司管轄線(xiàn)路坡度數(shù)據(jù)表(部分)Tab.1 Slope data table of lines managed by a group company of China Railway (part)

表2 某鐵路局集團(tuán)公司管轄線(xiàn)路曲線(xiàn)數(shù)據(jù)表(部分)Tab.2 Curve data table of lines managed by a group company of China Railway (part)

平臺(tái)以目標(biāo)路網(wǎng)共計(jì)21個(gè)車(chē)站、3個(gè)線(xiàn)路所作為路網(wǎng)基礎(chǔ)，在濟(jì)南西—崔馬莊—白馬山區(qū)間實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)設(shè)置鋪畫(huà)，路網(wǎng)涉及車(chē)站進(jìn)路信息、曲線(xiàn)信息、時(shí)刻表信息、動(dòng)車(chē)組技術(shù)參數(shù)等動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Fig.6 Basic data for EMU cluster operation simulation

2.2 仿真過(guò)程

通過(guò)構(gòu)建基于多并發(fā)仿真算法并以單一動(dòng)車(chē)組提供業(yè)務(wù)邏輯為核心，其算法流程如下。

步驟1：路網(wǎng)數(shù)據(jù)初始化。此階段確定線(xiàn)路閉塞分區(qū)類(lèi)型、閉塞分區(qū)長(zhǎng)度、閉塞分區(qū)軌道電路碼序信息等基本數(shù)據(jù)，同時(shí)讀取時(shí)刻表信息。

步驟2：入網(wǎng)階段。此階段從車(chē)站開(kāi)始，首先系統(tǒng)判斷入網(wǎng)時(shí)間是否合理，將該股道的占用狀態(tài)變?yōu)橐颜加脿顟B(tài)；通過(guò)計(jì)算信號(hào)機(jī)位置和股道停車(chē)位置與信號(hào)機(jī)的距離差值，計(jì)算并更新列車(chē)的停車(chē)位置，同時(shí)更新列車(chē)的速度以及列車(chē)所在線(xiàn)的線(xiàn)編號(hào)；通過(guò)索引值獲取當(dāng)前列車(chē)時(shí)刻表的數(shù)據(jù)，等待列車(chē)完成準(zhǔn)備工作，更新列車(chē)的運(yùn)行階段為等待出發(fā)階段。

步驟3：等待出發(fā)階段。此階段首先為時(shí)刻表中目標(biāo)車(chē)次申請(qǐng)出站進(jìn)路，保存車(chē)次以及進(jìn)路信息，然后更新列車(chē)為進(jìn)路正在申請(qǐng)狀態(tài)；查找當(dāng)前進(jìn)路信息包含的信號(hào)機(jī)信息(道岔和信號(hào)機(jī))，依次更改信號(hào)機(jī)的顏色為綠色，并讀取所經(jīng)過(guò)道岔的限速信息來(lái)限制列車(chē)的行駛速度，更新列車(chē)的運(yùn)行階段為列車(chē)出站階段。

步驟4：列車(chē)出站階段。此階段表示列車(chē)從站內(nèi)轉(zhuǎn)區(qū)間運(yùn)行狀態(tài)；首先判斷一離去信號(hào)機(jī)狀態(tài)，查找時(shí)刻表進(jìn)路信息，以下行出站進(jìn)路為例，判斷進(jìn)路連接是否正常，直至下一個(gè)車(chē)站的進(jìn)站信號(hào)機(jī)。當(dāng)滿(mǎn)足發(fā)車(chē)條件時(shí)，變更列車(chē)為通過(guò)區(qū)間階段，列車(chē)進(jìn)入?yún)^(qū)間。

步驟5：通過(guò)區(qū)間階段。此階段表示列車(chē)駛離車(chē)站一離去信號(hào)機(jī)至下一車(chē)站進(jìn)站信號(hào)機(jī)之前區(qū)段運(yùn)行狀態(tài)，該階段通過(guò)比較信號(hào)機(jī)位置與車(chē)次窗位置，將信號(hào)機(jī)顏色變?yōu)橄鄳?yīng)顯示，用于后方列車(chē)判斷閉塞區(qū)間的空閑狀態(tài)。

步驟6：申請(qǐng)進(jìn)路階段(CTCS-2模式為進(jìn)站信號(hào)機(jī)之前8個(gè)正段，CTCS-3模式為進(jìn)站信號(hào)機(jī)之前32 km)。此階段列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行仍采用通過(guò)區(qū)間階段信號(hào)機(jī)顏色的變化方式表示行車(chē)狀態(tài)，列車(chē)進(jìn)站之后通過(guò)索引查找時(shí)刻表進(jìn)路類(lèi)型(到達(dá)、離開(kāi)、通過(guò))，更新列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)不同的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)獲取信號(hào)機(jī)顏色以及限速情況。

步驟7：列車(chē)進(jìn)站階段或通過(guò)車(chē)站階段。此階段判斷如果列車(chē)在該車(chē)站停車(chē)，跳轉(zhuǎn)至步驟4。進(jìn)站階段需要計(jì)算列車(chē)速度位置和設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)列車(chē)速度及設(shè)備信息判斷列車(chē)是否是終點(diǎn)站，如果不是終點(diǎn)站則更改列車(chē)為等待離開(kāi)狀態(tài)，繼續(xù)查找時(shí)刻表信息，直到終點(diǎn)站跳轉(zhuǎn)至步驟8，如果列車(chē)通過(guò)該車(chē)站，則更改列車(chē)狀態(tài)為通過(guò)階段跳轉(zhuǎn)至步驟5。

步驟8：出網(wǎng)階段。此階段是申請(qǐng)移出路網(wǎng)進(jìn)路階段，等待一定時(shí)間后釋放進(jìn)路，將股道占用狀態(tài)改為未占用，結(jié)束該列車(chē)的仿真過(guò)程。仿真列車(chē)運(yùn)行底層邏輯流程如圖7所示。

圖7 仿真列車(chē)運(yùn)行底層邏輯流程Fig.7 Logical flow for EMU cluster operation

以上述單一動(dòng)車(chē)組線(xiàn)性仿真算法作為基礎(chǔ)，構(gòu)建多并發(fā)仿真算法，在每次仿真線(xiàn)程開(kāi)始時(shí)進(jìn)行判斷，數(shù)據(jù)線(xiàn)程根據(jù)線(xiàn)程池容量對(duì)動(dòng)車(chē)組集合中每一動(dòng)車(chē)組按其位置進(jìn)行分配，各計(jì)算子線(xiàn)程在接收到線(xiàn)路區(qū)段和動(dòng)車(chē)組信息后，分別進(jìn)行列控計(jì)算，同時(shí)更新當(dāng)前所有線(xiàn)程的線(xiàn)路占用狀態(tài)等信息。為保證數(shù)據(jù)同步性以及算法魯棒性，需待數(shù)據(jù)線(xiàn)程接收到所有計(jì)算線(xiàn)程的處理結(jié)果后，再進(jìn)行后續(xù)循環(huán)操作。

在高速鐵路動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理完成之后，通過(guò)構(gòu)建基于CRH系列300T，300H，300C多型號(hào)列控邏輯的牽引計(jì)算模型，結(jié)合多并發(fā)集群運(yùn)行邏輯，利用路網(wǎng)鋪畫(huà)模塊構(gòu)建仿真目標(biāo)路網(wǎng)多角度追蹤場(chǎng)景，設(shè)置仿真開(kāi)始時(shí)間、仿真結(jié)束時(shí)間和仿真倍速等參數(shù)，設(shè)計(jì)112對(duì)動(dòng)車(chē)組及其相關(guān)停靠站策略，并匹配相應(yīng)動(dòng)車(chē)組技術(shù)參數(shù)與時(shí)刻表數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真，仿真數(shù)據(jù)列車(chē)與技術(shù)參數(shù)表(部分)如表3所示，仿真過(guò)程仿真牽引計(jì)算、列控計(jì)算與運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)如表4所示，并依次作為計(jì)算列車(chē)牽引計(jì)算、列車(chē)列控計(jì)算與動(dòng)車(chē)組運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算的基礎(chǔ)。

表4 仿真牽引計(jì)算、列控計(jì)算與運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)Tab.4 Traction calculation, train control calculation, and motion model parameters during simulation

通過(guò)構(gòu)建動(dòng)車(chē)組運(yùn)動(dòng)模型，結(jié)合列車(chē)技術(shù)參數(shù)與時(shí)刻表數(shù)據(jù)，形成列車(chē)動(dòng)力學(xué)牽引系數(shù)(τT)與制動(dòng)系數(shù)(τB)動(dòng)態(tài)調(diào)整波動(dòng)曲線(xiàn)，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)模型系數(shù)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整波動(dòng)曲線(xiàn)(局部)如圖8所示。

圖8 列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中其運(yùn)動(dòng)模型系數(shù)變化動(dòng)態(tài)調(diào)整波動(dòng)曲線(xiàn)(局部)Fig.8 Dynamical curve of motion model coefficient during EMU operation (part)

2.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)束后，每列動(dòng)車(chē)組運(yùn)行狀態(tài)用速度-距離曲線(xiàn)來(lái)表述，隨著列車(chē)行駛距離進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，該曲線(xiàn)除了對(duì)列車(chē)運(yùn)行仿真過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控之外，還可以準(zhǔn)確判斷列車(chē)因故障停車(chē)的準(zhǔn)確里程與時(shí)間點(diǎn)，列車(chē)當(dāng)前目標(biāo)速度曲線(xiàn)圖和限制速度曲線(xiàn)圖可以對(duì)列車(chē)運(yùn)行仿真速度情況進(jìn)行監(jiān)控，確保驗(yàn)證列車(chē)群運(yùn)行仿真的合理，通過(guò)仿真得到的列車(chē)運(yùn)行速度-里程曲線(xiàn)實(shí)時(shí)與限速仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 列車(chē)運(yùn)行速度-里程曲線(xiàn)實(shí)時(shí)與限速仿真結(jié)果Fig.9 Real-time and speed limit simulation results of EMU speed and mileage curves

平臺(tái)可依據(jù)列車(chē)仿真過(guò)程實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行圖實(shí)時(shí)鋪畫(huà)，檢測(cè)整體時(shí)刻表編排合理性、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理性及對(duì)高速鐵路動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，目標(biāo)區(qū)段下行運(yùn)行圖鋪畫(huà)如圖10所示。

圖10 目標(biāo)區(qū)段下行運(yùn)行圖鋪畫(huà)Fig.10 Downlink operation diagram of target section

由列車(chē)運(yùn)行當(dāng)前目標(biāo)速度曲線(xiàn)和實(shí)際速度曲線(xiàn)對(duì)比圖、限速曲線(xiàn)和實(shí)際速度曲線(xiàn)對(duì)比圖可知，在該仿真案例中列車(chē)仿真過(guò)程平穩(wěn)合理，列車(chē)速度滿(mǎn)足既定限速要求，同時(shí)也驗(yàn)證列控系統(tǒng)仿真、路網(wǎng)鋪畫(huà)、多并發(fā)仿真算法、運(yùn)行圖鋪畫(huà)等核心功能的正確和有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于多線(xiàn)程同步事件驅(qū)動(dòng)耦合機(jī)制的動(dòng)車(chē)組集群運(yùn)行仿真，不僅可以通過(guò)微觀動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證行車(chē)密度提高與通過(guò)能力提升條件，并通過(guò)驗(yàn)算牽引制動(dòng)能力，確定高速動(dòng)車(chē)組加速與減速性能，分析不同列車(chē)對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，選擇最合理的列車(chē)和線(xiàn)路搭配，提升高速鐵路服務(wù)水平；同時(shí)，也可以在宏觀上輔助路網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，優(yōu)化線(xiàn)路設(shè)計(jì)，從成本效益和環(huán)境影響等方面對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。目前研究階段可以根據(jù)鐵路局集團(tuán)公司提供的資料實(shí)現(xiàn)小型路網(wǎng)的搭建，希望后續(xù)可實(shí)現(xiàn)大型路網(wǎng)鋪畫(huà)與構(gòu)建，增加能耗仿真策略，找到突發(fā)事件下列車(chē)運(yùn)營(yíng)調(diào)整策略與思路，提升仿真技術(shù)在我國(guó)鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，為改善列車(chē)運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平提供更加有力的支撐。