趙文明　李慧勇

摘 要： 為了使高速列車正點運(yùn)行到達(dá)目的車站，提出了基于STeC（時空一致性）語言的高速列車運(yùn)行模型與算法。該模型具有位置觸發(fā)自動調(diào)整高速列車運(yùn)行的特點，實現(xiàn)動態(tài)確定高速列車制動點并保證列車正點到達(dá)目的車站，從而滿足了高速列車運(yùn)行實時系統(tǒng)對時間和空間的一致性要求。通過Matlab/Simulink的仿真測試，證明了該模型的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞： STeC語言； 高速列車； 列車運(yùn)行模型； 時空一致性； Matlab/Simulink

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）05-14-05

Abstract： In order to make high-speed trains arrive at the station on time， the model and algorithm of high-speed train based on STeC （Spatial-temporal Consistence） language are proposed. This model has the characteristics that the action of high-speed train is triggered by certain location. The dynamic decision of high-speed train braking point to ensure trains arrive on time is implemented， so as to meet spatial-temporal consistence property of the high-speed train operation of the real-time system. Through test and simulation on the Matlab/Simulink， the correctness and validity of the model is proved.

Key words： STeC language； high-speed train； train operation model； spatial-temporal consistence； Matlab/Simulink

0 引言

高速列車運(yùn)行速度的不斷提高，對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和運(yùn)行環(huán)境提出了更苛刻的要求。因此，研究高速列車運(yùn)行過程的控制與仿真，對提高列車安全性、正點率有著重要的意義。在列車運(yùn)行仿真研究中，文獻(xiàn)[1]主要針對普通鐵路和重載鐵路，較少針對高速鐵路。近年對高速列車的運(yùn)行仿真研究成為熱點，主要是研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理方法、線路模型和列車運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[2]提出了線路的三層節(jié)點網(wǎng)絡(luò)模型用來解決現(xiàn)有的線路模型存在的問題。文獻(xiàn)[3]研究了高速鐵路列車運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理方法。文獻(xiàn)[4]研究了高速列車制動系統(tǒng)。對高速列車運(yùn)行這一實時系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的對列車運(yùn)行仿真研究沒有反映其對時間和空間的一致性要求。

陳儀香在文獻(xiàn)[5]中提出一個實時系統(tǒng)規(guī)范語言STeC（Spatial&Temporal Consistence），用于描寫物理元素觸發(fā)的實時系統(tǒng)的時空一致性。時空一致性強(qiáng)調(diào)了實時系統(tǒng)在規(guī)定的時間到達(dá)指定位置，同時在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的任務(wù)。高速移動體，如高速列車等均有時空一致性的要求。可以使用STeC對高速移動體進(jìn)行建模，從而解決它們對時空一致性的需求。本文首先分析了高速列車的運(yùn)行過程并用STeC語言進(jìn)行了描述，再結(jié)合分析各個運(yùn)行過程的受力情況等物理過程和時空一致性要求，提出了基于STeC語言的單列高速列車運(yùn)行模型與算法， 該模型具有正點到達(dá)的特點，最后以CRH3型動車組高速列車為例，通過Matlab/Simulink對該模型的測試仿真證明了其正確性和有效性。

1 用STeC語言描述高速動車的運(yùn)行過程

1.1 高速列車的運(yùn)行過程

一般地，將兩站之間的列車運(yùn)行過程分為起動過程、牽引過程、惰行過程、恒速過程、調(diào)速制動過程以及進(jìn)站制動過程。為了便于研究，對其中的一些控制過程進(jìn)行了合并建模，故本文將列車運(yùn)行過程分為四個過程：①牽引加速過程，包含起動過程和牽引加速過程；②中間運(yùn)行過程，列車運(yùn)行到目標(biāo)速度以后，可以惰行和牽引輪換的過程；③制動減速過程，包含調(diào)速制動與進(jìn)站制動過程；④停留等待。如圖1所示。

上述括號內(nèi)第一行是該過程需要滿足的微分方程，這里的微分方程是根據(jù)物理運(yùn)動規(guī)律而確定的，一般指微分方程組，后面將具體給出各個過程的微分方程。第二行和第三行分別為該運(yùn)動過程的初值和末值。其中t01，s01是指高速列車牽引加速到最高限速vmax時的時間和位置，是從牽引加速到中間運(yùn)行的轉(zhuǎn)折點。t02，s02是指列車從中間運(yùn)行到制動減速時的轉(zhuǎn)折點的時間和位置，vzd是該處的速度大小。只要系統(tǒng)按照STeC語言所描述的運(yùn)行過程行駛，高速列車就一定能正點到達(dá)下一站。

2 高速列車的運(yùn)行過程模型

列車運(yùn)行過程的模型建立和研究角度有關(guān)，研究角度不同，建立的模型差異較大。列車運(yùn)行主要有兩種典型的操縱模式：①節(jié)時模式，即最小運(yùn)行時間；②節(jié)能模式，在給定線路條件、列車參數(shù)和兩點運(yùn)行時分條件下尋求比較節(jié)能的機(jī)車操縱方式。考慮到高速列車最需要的是安全正點到達(dá)目的地，選擇正點節(jié)能模式。

2.1 受力情況分析

2.1.1 牽引力

機(jī)車牽引力的計算一般使用它的牽引特性曲線進(jìn)行查定，高速列車只有一條最大牽引力特性曲線。最大牽引力是運(yùn)行速度的函數(shù)，計算牽引力可在和最大牽引力間任意取值，即有：Fqy=f（v），不同的高速列車動車組其特性曲線是不一樣的。本文以實際的高鐵線路為例，使用MATLAB/Simulink對北京到上海的高鐵列車G147進(jìn)行仿真和測試。高鐵列車選用CRH3型動車組，選擇文獻(xiàn)[2-4]中的數(shù)據(jù)：編組為16輛（8動8拖），最大牽引功率是18400kw，最大再生制動功率為16500kW，定員為1044人，重量為696t，長度為566m，設(shè)計速度為380km/h，運(yùn)行限速為300km/h。高速列車的軸數(shù)是64，正面的截面積是9m2。

列車牽引力與制動力的計算通過提取對應(yīng)廠家給定的特性曲線上的數(shù)據(jù)獲得，采用不同方法提取曲線上的數(shù)據(jù)，其精度必然存在差異。利用文獻(xiàn)[3]的方法獲取到列車牽引力特性曲線上的數(shù)據(jù)，利用MATLAB/Simulink擬合相應(yīng)的曲線函數(shù)，得到的牽引力2.2 高速列車運(yùn)行控制策略

在高速列車的運(yùn)行過程中，實際運(yùn)行狀態(tài)是非常復(fù)雜的。為了簡化算法，便于計算機(jī)實現(xiàn)，根據(jù)實際的需要，建立基于時空一致性的保證時間正點的策略是讓動車組正點運(yùn)行完整個區(qū)段。在這樣的情況下，高速列車運(yùn)行的策略是：牽引時一般采用最大牽引力，制動時采用動態(tài)調(diào)整常用制動力。在列車達(dá)到限速時根據(jù)時間是否正點（計算時間誤差）來確定以牽引或惰行來進(jìn)行區(qū)間運(yùn)行。

2.3 高速列車運(yùn)行過程計算

高速列車運(yùn)行過程計算模型的主要設(shè)計思想如下：

⑴ 對高速列車的牽引特性與制動特性數(shù)據(jù)，根據(jù)其特性曲線，通過擬合等方法獲得其函數(shù)表達(dá)式；

⑵ 高速列車運(yùn)行過程中，使用文獻(xiàn)[7]的優(yōu)化模型，即起動與牽引加速過程采用最大牽引力，中間過程采用惰行和牽引輪換運(yùn)行；

⑶ 為了實現(xiàn)列車正點的目標(biāo)，制動與進(jìn)站過程采用動態(tài)調(diào)整常用制動力；

⑷ 為了簡化模型，對阻力主要考慮基本阻力；

⑸ 模型具有位置觸發(fā)自動調(diào)整高速列車運(yùn)行的特點，利用時間和空間的一致性要求計算牽引加速到最大值（限速）轉(zhuǎn)折點和中間段到制動段的轉(zhuǎn)折點；

⑹ 各運(yùn)行過程的計算均以時間為步長并可在計算過程中進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

3 高速列車運(yùn)行過程的仿真算法設(shè)計

⑴ 按照列車正點到達(dá)的要求，建立一個簡單模型描述列車在各個中間段的時間和位置關(guān)系，作為比較的參考點數(shù)值。

點（t01，s01）是指高速列車牽引加速到最高限速vmax的轉(zhuǎn)折點4.2 中間運(yùn)行過程

該過程的仿真測試主要實現(xiàn)了上節(jié)中高速列車的運(yùn)行過程的仿真算法，中間運(yùn)行過程主要由惰行減速到280km/h過程和牽引加速到最高限速兩部分組成。比較列車到目標(biāo)站的距離和4.3節(jié)的最大常用制動距離，動態(tài)地確定制動點的位置，圖6是整個運(yùn)行過程（北京到天津）中v與s的關(guān)系。仿真測試結(jié)果表明：高速列車到達(dá)天津站的時間t=2031s，時間提早了9s，基本上滿足列車正點到達(dá)的要求，制動時間用了480s。

4.3 制動減速過程

應(yīng)用式（12）的仿真測試表明：初速為300km/h時且使用的最大常用再生制動力時的制動距離為6209.9m，制動所需時間是133s，制動減速過程中起始速度與制動距離的曲線5 結(jié)束語

高速列車的運(yùn)行仿真是近年研究的一個熱點，本文提出了基于STeC（時空一致性）語言的單列高速列車運(yùn)行模型與算法。使用MATLAB/Simulink工具對基于STeC語言描述的高速動車的運(yùn)行過程進(jìn)行了仿真測試，結(jié)果表明，該模型滿足了高速列車運(yùn)行這一實時系統(tǒng)的時間和空間的一致性要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 石紅國.列車運(yùn)行過程仿真及優(yōu)化研究[D].四川成都西南交通大學(xué)博

士研究生學(xué)位論文，2006.9.

[2] 唐金金，周磊山，佟路等.單列高速列車運(yùn)行仿真模型與算法[J].中國

鐵道科學(xué)，2012.33（3）：109-114

[3] 唐金金，周磊山，佟路等.基于Bezier函數(shù)的列車特性曲線數(shù)據(jù)處理

方法研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011.11（3）：131-137

[4] 上官偉，蔡伯根，王晶晶等.時速250km以上高速列車制動模式曲線

算法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2011.11（3）：41-46

[5] CHEN Yi-xiang.STeC：A location-triggered specification language

for real-time systems[C]//Proceedings of the 15th IEEE International Symposium on Object/Component/Service-Oriented Real-Time Distributed Computing Workshops. Washington DC：IEEE Computer Society，2012：1-6

[6] 朱幗蓉，陳慧民.CRH3高速動車組牽引特性分析[J].上海鐵道科技，

2010.4：97-99

[7] 彭俊彬.動車組牽引與制動[M].中國鐵道出版社，2009.