王月仙

(中國鐵道科學(xué)研究院 研發(fā)中心， 北京 100081)

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動車組牽引能耗仿真計(jì)算研究

王月仙

(中國鐵道科學(xué)研究院 研發(fā)中心， 北京 100081)

遵循列車牽引動力學(xué)原理，建立了動車組牽引能耗仿真模型，編制開發(fā)了仿真軟件。使用該軟件，仿真計(jì)算CRH型動車組在實(shí)際線路運(yùn)行時(shí)的能耗情況，通過與實(shí)際運(yùn)營能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。利用仿真軟件開展動車組能耗研究，易于操作，可為高鐵線路設(shè)計(jì)、節(jié)能降耗以及司機(jī)優(yōu)化操作等方面提供參考。

高速動車組； 能耗； 仿真計(jì)算； 軟件

高速鐵路運(yùn)輸高產(chǎn)出、低污染，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。高速動車組能耗是高速鐵路客運(yùn)行業(yè)最重要的資源消耗，且與環(huán)境保護(hù)關(guān)系密切?？茖W(xué)計(jì)算動車組能耗對鐵路發(fā)展和社會發(fā)展具有重要意義。由于技術(shù)條件不同、動車組運(yùn)行狀況千差萬別，目前無論是管理實(shí)踐還是理論研究對能耗的管理和預(yù)測都比較薄弱，基本停留在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的水平，能耗定標(biāo)受人為因素影響較大，缺乏科學(xué)性、權(quán)威性。因此，開展動車組能耗計(jì)算方法的研究是鐵路運(yùn)輸迫在眉睫的需求。

1 國內(nèi)外動車組能耗牽引仿真研究現(xiàn)狀

通過分析國內(nèi)外列車能耗方面研究成果發(fā)現(xiàn)，國外就動車組的能耗問題有較為系統(tǒng)的研究，而國內(nèi)對鐵路能耗的研究多見于內(nèi)燃和電力機(jī)車，針對動車組能耗的研究較為少見。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)將計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用到列車牽引計(jì)算和操縱仿真領(lǐng)域。國外已開發(fā)出TPC(Train performance Caleulator)、RAILSIM、Trainstar和UTRAS等成熟系統(tǒng)。國內(nèi)對于列車牽引計(jì)算仿真的研究起步較晚，但發(fā)展很快。從最初的人工計(jì)算，發(fā)展到現(xiàn)在的多質(zhì)點(diǎn)列車模型為基礎(chǔ)的自動計(jì)算，列車的運(yùn)行模型也已經(jīng)開始應(yīng)用于列車自動運(yùn)行和自動控制中。國內(nèi)多質(zhì)點(diǎn)牽引計(jì)算軟件中，比較有代表性的是由鐵科院研制開發(fā)的牽引電算軟件。本文在鐵科院原牽引電算軟件研究成果的基礎(chǔ)上，建立了動車組牽引能耗仿真模型，編制了能耗仿真軟件。通過與實(shí)際

2 計(jì)算模型的建立

在研究過程中，將高速動車組的每一個(gè)車輛看作有長度的質(zhì)點(diǎn)，動車和拖車間通過車鉤緩沖裝置連接，構(gòu)成一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)力學(xué)模型，如圖1。

圖1 動車組系統(tǒng)力學(xué)模型

動車組系統(tǒng)中第i輛車可能的受力情況如圖2。

圖2 動車系統(tǒng)中單輛車(可能)受力示意圖

由于對動車組牽引與制動進(jìn)行仿真，僅考慮列車沿軌道方向的運(yùn)動，在此只分析列車沿軌道方向的受力情況。整個(gè)列車系統(tǒng)所受的縱向力有：牽引力F、列車運(yùn)行阻力W、列車制動力B。那么，列車的總合力C(單位：kN)為：

(1)

其中牽引力F的大小通過查取動車牽引特性曲線獲得。列車阻力W按照阻力產(chǎn)生的原因可分為基本阻力W0和附加阻力Wj?；咀枇0是列車運(yùn)行過程中始終存在的阻力，它的大小與運(yùn)行速度大小有直接關(guān)系。附加阻力Wj只是個(gè)別情況下發(fā)生的阻力，包括坡道阻力、曲線阻力及隧道附加阻力等。動車組的制動力B一般包括了空氣制動力和動力制動力。與確定動車牽引力過程類似，動力制動力的大小也是通過查動車動力制動特性曲線來得到。

在運(yùn)行過程中，高速動車組通過受電弓自接觸網(wǎng)獲取運(yùn)行所需能量，除去能量傳輸過程中不可避免的損失和保證旅客乘坐舒適度的能耗外，運(yùn)行能耗主要用于克服基本運(yùn)行阻力做功、克服運(yùn)行附加阻力做功和保證列車按規(guī)定速度運(yùn)行做功，即：

(2)

式中E為總運(yùn)行能耗；W基為單位距離內(nèi)克服基本運(yùn)行阻力做功，是高速動車組基本阻力W0與做功距離Δs的乘積，且W0為運(yùn)行速度v的二次三項(xiàng)式；W附為單位距離內(nèi)克服運(yùn)行附加阻力做功，它與高速動車組運(yùn)行中所處位置的坡度、曲線及其他線路因素有關(guān)；ΔE動為單位距離內(nèi)高速動車組動能變化量，它與運(yùn)行速度v的變化趨勢有關(guān)；τ和η分別為單位距離內(nèi)高速動車組的自身能耗和能耗轉(zhuǎn)換效率。

3 仿真軟件設(shè)計(jì)開發(fā)

本仿真軟件的程序結(jié)構(gòu)采用層次化、模塊化、通用化的設(shè)計(jì)思想，降低了設(shè)計(jì)開發(fā)的復(fù)雜度并使設(shè)計(jì)步驟清晰，也有利于提高軟件實(shí)用性、靈活性和可移植性。

3.1 軟件開發(fā)原則

根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為應(yīng)用層(界面顯示、打印顯示)、數(shù)據(jù)管理層和模型計(jì)算層。

圖3 軟件層次設(shè)計(jì)圖

其中應(yīng)用層為人機(jī)交互提供人性化的系統(tǒng)界面，通過參數(shù)設(shè)置將數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)管理層，數(shù)據(jù)管理層將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送給底層的模型計(jì)算層，模型計(jì)算層通過內(nèi)部數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理層，數(shù)據(jù)管理層再進(jìn)一步融合處理，將處理后的數(shù)據(jù)在發(fā)送給應(yīng)用層，進(jìn)行可視化的顯示，為用戶提供更直觀的視覺效果。

根據(jù)系統(tǒng)功能，將軟件劃分為不同的模塊，主要包括：機(jī)車車輛參數(shù)維護(hù)模塊、線路參數(shù)維護(hù)模塊、列車編組模塊、曲線限速模塊、標(biāo)記文件維護(hù)模塊、質(zhì)量計(jì)算校驗(yàn)?zāi)K、停站設(shè)置模塊、制動距離表計(jì)算模塊、牽引模型計(jì)算模塊、信息查看模塊、結(jié)果顯示模塊、打印模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、曲線顯示模塊、縱斷面顯示模塊、控制臺模塊，數(shù)據(jù)管理模塊等。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。

系統(tǒng)采用主框架加模塊的設(shè)計(jì)方法，由CalTractionPrj工程統(tǒng)一進(jìn)行管理，其他各個(gè)模塊可根據(jù)需求集成至此工程中。并使用動態(tài)加載的方式調(diào)用模塊，使得某個(gè)模塊更新后，無需對主框架進(jìn)行改變和編譯，只需進(jìn)行相應(yīng)的二進(jìn)制替換即可。系統(tǒng)框架的整體設(shè)計(jì)如圖5所示。主框架工程通過調(diào)用維護(hù)模塊(機(jī)車維護(hù)、車輛維護(hù)、動車維護(hù)、線路維護(hù)、編組維護(hù)等)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，通過數(shù)據(jù)管理模塊與實(shí)時(shí)計(jì)算顯示模塊(牽引計(jì)算模塊、縱斷面顯示模塊、控制臺模塊、編組顯示模塊、力監(jiān)測模塊等)進(jìn)行交互。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

軟件中各模塊采用DLL封裝的形式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對外留有輸入輸出接口，內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)不對外進(jìn)行公開，在接口定好之后，可以進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)、測試、維護(hù)，利于軟件的開發(fā)，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，降低后期系統(tǒng)維護(hù)成本。

在系統(tǒng)研發(fā)過程中，各個(gè)模塊根據(jù)定義好的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，在系統(tǒng)集成時(shí)，各個(gè)模塊將統(tǒng)一與數(shù)據(jù)管理層的數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖6所示。

在界面設(shè)計(jì)方面，本軟件為用戶提供了舒適的操作平臺和直觀的顯示效果。軟件主操作界面由菜單欄、工具欄、功能列表和功能操作區(qū)組成，如圖7所示。

4 模型驗(yàn)證

4.1 計(jì)算條件

列車條件：二階段CRH2C型動車組。該車型是CRH2型系列動車組的派生車型，為8輛編組(6M2T)，最高運(yùn)行速度為350 km/h。在引進(jìn)的CRH2型動車組的基礎(chǔ)上，對牽引傳動、車體氣密強(qiáng)度等方面做了重大改進(jìn)，但頭型方面依舊沿用了原車型設(shè)計(jì)。

線路條件：京津城際鐵路。

4.2 仿真結(jié)果

采用CRH2C動車組在京津城際鐵路下行線下行運(yùn)行方向進(jìn)行仿真計(jì)算，最高限制速度分別按照300,330,350 km/h進(jìn)行，其中最高速度限制區(qū)段為K6+867～K107+305，其他區(qū)段限速依據(jù)線路工務(wù)數(shù)據(jù)。主要計(jì)算結(jié)果表1和圖8～圖12所示。

根據(jù)京津客運(yùn)專線CRH2C動車組重車實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，一次直達(dá)運(yùn)行的總能耗為2 897 kW·h，其平均值為590.6 (kW·h)/萬tkm。按照輔助能耗與牽引能耗15∶100考慮，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較如表2。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)比較可見，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，差異在5%之內(nèi)，由此可見，能耗仿真軟件計(jì)算結(jié)果可以作為開展動車組能耗研究的參考。

圖5 軟件系統(tǒng)框架圖

5 仿真應(yīng)用

使用仿真軟件，對實(shí)際動車組和運(yùn)營線路進(jìn)行能耗計(jì)算，可以分析動車組性能、編組情況、線路屬性、運(yùn)行狀態(tài)等多種因素對能耗的影響。因篇幅有限，僅以不同停站次數(shù)對動車組運(yùn)行能耗的影響為例，介紹本軟件在動車組能耗仿真研究方面的應(yīng)用。

根據(jù)中國鐵路總公司運(yùn)輸局提供的武廣線路信息及統(tǒng)計(jì)中心提供的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過仿真計(jì)算得到CRH2C型動車組在武廣高速鐵路最高速度分別為350 km/h和300 km/h時(shí)的能耗值，見表3。

分析表3的計(jì)算結(jié)果，可見：

圖6 軟件數(shù)據(jù)交換形式圖

圖7 軟件界面示意圖

最高限速/(km·h-1)平均速度/(km·h-1)總能耗/(kW·h)周轉(zhuǎn)量/(萬tkm)周轉(zhuǎn)量/(萬人km)萬噸公里能耗/(kW·h)萬人公里能耗/(kW·h)300234．11925．8392．5270．0330245．32205．84．97．1449．5309．2350251．52380．1485．1333．7

圖8 最高限速300 km/h運(yùn)行實(shí)時(shí)能耗圖

圖9 最高限速300 km/h運(yùn)行時(shí)不同速度區(qū)間能耗占比圖

圖10 最高限速330 km/h運(yùn)行實(shí)時(shí)能耗圖

圖11 最高限速330 km/h運(yùn)行時(shí)不同速度區(qū)間能耗占比圖

圖12 最高限速350 km/h運(yùn)行實(shí)時(shí)能耗圖

圖13 最高限速350 km/h運(yùn)行時(shí)不同速度區(qū)間能耗占比圖

牽引能耗/(kW·h)輔助能耗/(kW·h)運(yùn)行能耗/(kW·h)萬噸公里能耗/(kW·h)總能耗誤差萬噸公里能耗誤差仿真計(jì)算值2380．13572737．1557．85．50%5．60%試驗(yàn)結(jié)果--2897590．6

表3 武廣高鐵CRH2C能耗計(jì)算結(jié)果

注：能耗計(jì)算結(jié)果中不含輔助用電。

(1) 對比停站1次時(shí)的總能耗和單位能耗，最高運(yùn)行速度為300 km/h的總能耗和單位能耗比最高運(yùn)行速度為350 km/h時(shí)降低了11.9%。

(2) 對比停站5次時(shí)的總能耗和單位能耗，最高運(yùn)行速度為300 km/h的總能耗和單位能耗比最高運(yùn)行速度為350 km/h時(shí)降低了12.5%。

(3) 對比最高運(yùn)行速度為350 km/h時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可見停站次數(shù)增加使總能耗增加了11.45%、萬噸公里能耗增加了14.28%。

(4) 對比最高運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)的計(jì)算結(jié)果，可見停站次數(shù)增加使總能耗增加了10.75%、萬噸公里能耗增加了10.77%。

由此可見，最高速度越高，停站次數(shù)增加對能耗的影響越大。因此在高鐵線路設(shè)計(jì)中，在滿足客流需求前提下，合理設(shè)計(jì)停站，可以有效節(jié)約能耗。

6 結(jié)束語

動車組牽引能耗仿真計(jì)算是研究高速動車組線路設(shè)計(jì)、列車設(shè)計(jì)、運(yùn)輸管理等問題的關(guān)鍵技術(shù)和有力手段，能有效進(jìn)行能耗的精細(xì)化管理和預(yù)測。本文建立的動車組牽引能耗仿真計(jì)算模型合理可靠，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有良好的一致性。然而，隨著高速動車組的快速發(fā)展，動車組制動模式的多樣化，需結(jié)合生產(chǎn)廠家，針對不同動車組的牽引制動特性，進(jìn)行深入仿真研究。以動車組牽引能耗計(jì)算程序?yàn)榛A(chǔ)，繼續(xù)進(jìn)一步完善計(jì)算模型，補(bǔ)充相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

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Development of EMU Traction Energy Consumption Simulation

WANGYuexian

(Railway Science and Technology Research and Development Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

According to longitudinal dynamics theory, the EMU energy consumption simulation model is built and the software is developed in this paper. Using this software, the energy consumption of CRH EMU running on railway is simulated. Comparing with energy data of railway administrations, the model is proved accurate. Simulating EMU energy consumption by software is easy and reliable. The results can provide theoretical reference for high-speed railway designing, reducing energy consumption and optimization of driver-operated.

EMU; energy consumption; simulation; software

??)女，助理研究員(

2016-06-08)

1008-7842 (2016) 05-0033-07

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.07

運(yùn)營能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比分析，驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)用仿真軟件，對實(shí)際動車組和運(yùn)營線路進(jìn)行能耗計(jì)算，可以分析多種因素對能耗的影響，是開展動車組能耗研究的有效手段。