顏治平

（西南交通大學(xué) 信息化與網(wǎng)絡(luò)管理處，成都 610031）

由于高速鐵路具有高運(yùn)載能力、速度快、安全性好和舒適方便等優(yōu)點(diǎn)，從而得以大規(guī)模建設(shè)并投入運(yùn)營，并在交通運(yùn)輸中發(fā)揮越來越重要的作用[1]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),列車運(yùn)行能耗是構(gòu)成軌道系統(tǒng)運(yùn)營總能耗的主要部份；其中，牽引動(dòng)力系統(tǒng)能耗占列車運(yùn)行過程中總能耗的70%～85%以上[2]。

在能耗測算模型方面，王鐵成分析了高速列車運(yùn)行能耗測算的3種方法，即能耗曲線測算方法、牽引功耗測算方法及經(jīng)驗(yàn)公式法[3]。薛艷冰等人通過分析列車牽引能耗的影響因素,提出按照5種牽引過程,分別計(jì)算各區(qū)段能耗的計(jì)算方法[4]。

列車牽引仿真系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求的不同，研制目標(biāo)也有不同的目標(biāo)。國外比較成熟的牽引仿真系統(tǒng)，有北美的TPC和RAILSIM系統(tǒng),歐洲的Trainstar系統(tǒng)，日本的UTRAS系統(tǒng)等[5]。國內(nèi)研究包括西南交通大學(xué)開發(fā)的高速動(dòng)車組牽引仿真計(jì)算系統(tǒng)、北京交通大學(xué)與香港理工大學(xué)共同研究和開發(fā)的GTMSS系統(tǒng)[6]，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開發(fā)的高速動(dòng)車組牽引制動(dòng)仿真系統(tǒng)[7]。

動(dòng)車組在運(yùn)行過程中主要有牽引、惰行和制動(dòng)等工況，每一種工況下動(dòng)車組的受力和引起的運(yùn)行狀態(tài)都不同。線路條件的變化和運(yùn)行工況直接影響動(dòng)車組的受力情況，而動(dòng)車組的受力變化會(huì)影響動(dòng)車組當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因而，動(dòng)車組生產(chǎn)廠商在設(shè)計(jì)動(dòng)車組的動(dòng)力子系統(tǒng)時(shí)，需要對動(dòng)車組在不同的軌道線路條件下進(jìn)行牽引能耗仿真，根據(jù)仿真的結(jié)果適當(dāng)?shù)恼{(diào)整設(shè)計(jì)方案。鐵路局集團(tuán)有限公司用戶在購買動(dòng)車組前，也需要對不同的動(dòng)車組進(jìn)行牽引能耗仿真，在動(dòng)車組滿足性能需求的情況下比較各型動(dòng)車組的能耗量。

目前的列車牽引仿真系統(tǒng)在工況定義上存在或多或少的簡化。對于動(dòng)車組生產(chǎn)廠商和鐵路局集團(tuán)有限公司用戶，在進(jìn)行動(dòng)車組的牽引能耗仿真時(shí)，常會(huì)遇到以下4個(gè)方面的難點(diǎn)：

（1）國內(nèi)的動(dòng)車組車型有多種，車輛參數(shù)需要?jiǎng)討B(tài)設(shè)置；（2）國內(nèi)的高鐵線路工況復(fù)雜，仿真時(shí)需考慮各種線路條件；（3）需要防止動(dòng)車組超速，要考慮停車制動(dòng)、限速區(qū)間制動(dòng)；（4）仿真車輛的到站停車控制精度不好控制。

本文針對以上4個(gè)難點(diǎn)，依據(jù)動(dòng)車組車型、運(yùn)行速度、停站次數(shù)和線路特征等因素，結(jié)合動(dòng)車組牽引、巡航、惰行和制動(dòng)的操縱模式，建立動(dòng)車組運(yùn)行能耗仿真模型，對動(dòng)車組牽引能耗計(jì)算進(jìn)行仿真分析，搭建動(dòng)車組牽引能耗仿真系統(tǒng)，從而有效地支持動(dòng)車組動(dòng)力子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和節(jié)能運(yùn)行控制。

1 仿真模型

動(dòng)車組牽引能耗仿真計(jì)算以動(dòng)車組牽引、制動(dòng)特性參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以運(yùn)營時(shí)間和能耗為目標(biāo)，以線路限速、坡度、曲線半徑等線路情況為仿真約束。其中，牽引、制動(dòng)特性參數(shù)決定了列車的加速、減速性能。根據(jù)牽引運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)牽引能耗仿真計(jì)算流程，如圖1所示。

1.1 參數(shù)輸入及預(yù)處理

參數(shù)預(yù)處理階段根據(jù)輸入列車結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能參數(shù)、線路數(shù)據(jù)、列車牽引和制動(dòng)性能要求，對列車牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)等進(jìn)行預(yù)處理，計(jì)算生成牽引、制動(dòng)特性曲線，即獲得牽引力與速度關(guān)系和減速度與速度關(guān)系。

1.2 牽引能耗仿真計(jì)算及參數(shù)反饋

動(dòng)車組牽引能耗仿真階段，根據(jù)預(yù)處理得到的列車結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和線路數(shù)據(jù)等，分析牽引運(yùn)行策略、計(jì)算制動(dòng)點(diǎn)，計(jì)算并調(diào)整列車運(yùn)行曲線，利用牽引仿真計(jì)算模型對應(yīng)的算法估算運(yùn)營時(shí)間和能耗，判斷加、減速度是否符合設(shè)計(jì)要求，若不符合要求則反饋到預(yù)處理步驟對牽引和制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

其中，運(yùn)行策略分析是能耗仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文牽引計(jì)算模型通過判斷線路類型選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算策略，采用“惰行+制動(dòng)”運(yùn)行策略解決高速電制動(dòng)長大下坡問題。牽引仿真計(jì)算中制動(dòng)點(diǎn)計(jì)算的準(zhǔn)確度影響列車減速和停車進(jìn)站的計(jì)算精確度，是牽引仿真計(jì)算的關(guān)鍵[8]。本文采用基于誤差評價(jià)的位移逼近算法和變步長迭代逼近法求解牽引曲線和制動(dòng)曲線交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為列車制動(dòng)點(diǎn)。

根據(jù)上述對列車受力及牽引仿真中關(guān)鍵問題的分析設(shè)計(jì)牽引仿真計(jì)算模型，采用最快速牽引策略計(jì)算列車運(yùn)行曲線[9]，得到列車運(yùn)營時(shí)間和運(yùn)營能耗。根據(jù)得到的仿真結(jié)果，評價(jià)列車牽引、制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)是否滿足加速度、減速度的設(shè)計(jì)要求及運(yùn)營時(shí)間、能耗要求。若不滿足，則將參數(shù)反饋到參數(shù)輸入及預(yù)處理階段，由設(shè)計(jì)師修改設(shè)計(jì)參數(shù)， 進(jìn)行仿真計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 牽引能耗仿真流程

1.3 結(jié)果輸出

結(jié)果輸出階段接收牽引仿真計(jì)算得到滿足設(shè)計(jì)要求的計(jì)算結(jié)果，輸出列車運(yùn)行時(shí)間、能耗、列車運(yùn)行曲線等仿真結(jié)果并實(shí)現(xiàn)可視化的要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

牽引能耗仿真系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)易于維護(hù)，具有良好的擴(kuò)展性。系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)牽引能耗仿真模型，實(shí)現(xiàn)完整的高速動(dòng)車組運(yùn)行過程和能耗的仿真，系統(tǒng)需要管理仿真計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)和設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果以數(shù)據(jù)和圖形的方式輸出給用戶。

系統(tǒng)功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能

2.3 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)中對數(shù)據(jù)管理和仿真計(jì)算的功能要求，需要對系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義。系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)等3類數(shù)據(jù)。

2.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含高速鐵路線路數(shù)據(jù)、動(dòng)車組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動(dòng)車組牽引特性數(shù)據(jù)和動(dòng)車組減速度曲線數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是牽引能耗仿真計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。

（1）線路數(shù)據(jù)描述整條軌道線路狀況，除了線路坡道信息、曲線信息、限速信息、過分相信息、橋梁信息和隧道信息等線路相關(guān)信息。線路數(shù)據(jù)為動(dòng)車組牽引能耗仿真提供運(yùn)行環(huán)境設(shè)置，系統(tǒng)可以通過導(dǎo)入Excel數(shù)據(jù)的方式對線路數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置。

（2）動(dòng)車組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含列車最高運(yùn)行速度、編組型式、電機(jī)數(shù)量、傳動(dòng)比、電機(jī)特性和列車載重等列車相關(guān)參數(shù)?？梢酝ㄟ^對列車的速度、編組、載重等關(guān)鍵信息的調(diào)整，仿真各類動(dòng)車組在不同的工況下的牽引運(yùn)行能耗。

（3）動(dòng)車組牽引特性數(shù)據(jù)包含動(dòng)車組的恒功轉(zhuǎn)折點(diǎn)車速、恒功轉(zhuǎn)折點(diǎn)牽引力和再生制動(dòng)失效點(diǎn)等信息。

（4）動(dòng)車組減速度曲線數(shù)據(jù)包含動(dòng)車組類型、制動(dòng)級別、結(jié)束速度、開始速度、系數(shù)項(xiàng)、常數(shù)項(xiàng)等信息，對不同動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)控制減速度曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

2.3.2 運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)

運(yùn)行參數(shù)包含計(jì)算步長、上下行線路選擇，起始車站定義、停站配置等參數(shù)。計(jì)算步長參數(shù)是仿真計(jì)算時(shí)線路的最小計(jì)算步長距離，系統(tǒng)提供了1 m、5 m、10 m、20 m等多個(gè)選擇，步長提供了仿真計(jì)算時(shí)計(jì)算的精度和速度，步長越短，仿真結(jié)果越準(zhǔn)確，但計(jì)算消耗的時(shí)間越長。上下行線路選擇提供對線路的上行、下行的選擇，根據(jù)上下行的選擇決定了列車運(yùn)行的方向。停站配置可以設(shè)定仿真線路沿線的車站?？啃畔?。

2.3.3 計(jì)算數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

根據(jù)定義的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。在仿真計(jì)算過程中，需要設(shè)計(jì)計(jì)算過渡數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。

（1）計(jì)算過渡數(shù)據(jù)包含每個(gè)步長間距內(nèi)各種線路條件下的列車速度、牽引能耗的數(shù)據(jù)。

（2）計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)是牽引能耗仿真的計(jì)算結(jié)構(gòu)，包含在設(shè)定的運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，列車的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行速度、能耗和再生能耗數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上的系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文開發(fā)的仿真系統(tǒng)采用Tomcat 8作為Web服務(wù)器，采用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，使用MyEclipse 2017作為開發(fā)工具，使用Java語言進(jìn)行編程，開發(fā)出基于Web的牽引能耗仿真系統(tǒng)。

系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)計(jì)基于SSM框架搭建[10]。SSM框架是一個(gè)由Spring、SpringMVC、MyBatis這3個(gè)開源框架整合而成的基于MVC設(shè)計(jì)模式的框架，是Java 后臺(tái)開發(fā)的主流框架，可將頁面顯示、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)庫訪問進(jìn)行分離。SSM框架使用Spring MVC負(fù)責(zé)請求的轉(zhuǎn)發(fā)和視圖管理，Spring 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對象管理，MyBatis 作為數(shù)據(jù)對象持久化引擎。

系統(tǒng)前臺(tái)在使用JSP的基礎(chǔ)上，采用layui框架和jQuery框架實(shí)現(xiàn)用戶界面設(shè)計(jì)和用戶交互，使用純JavaScript圖表庫Highcharts作為繪圖引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化展示。Highcharts數(shù)據(jù)可視化需要在后臺(tái)的SSM框架中準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，通過Ajax將Json數(shù)據(jù)傳送到前臺(tái)頁面，填充到Highcharts中展示出來。

3.2 實(shí)例驗(yàn)證

以某型動(dòng)車組為仿真車型，以具有坡度超過10‰長大下坡區(qū)間的成達(dá)線為線路輸入進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。區(qū)間全長187.577 km，共5個(gè)車站，列車滿載重量為409.2 t，最高運(yùn)行速度200 km/h，半磨耗輪徑825 mm，傳動(dòng)比為4.136。

根據(jù)輸入?yún)?shù)中整車重量、最高運(yùn)行速度等性能指標(biāo)設(shè)計(jì)電機(jī)額定功率為450 kw，啟動(dòng)扭矩為2 300 N·m，再生制動(dòng)功率為250 kw，再生制動(dòng)扭矩為4 000 N·m，進(jìn)行仿真，牽引能耗仿真計(jì)算得到列車平均加速度及不同速度等級下制動(dòng)距離、運(yùn)營時(shí)間和運(yùn)營能耗。通過結(jié)果評價(jià)，發(fā)現(xiàn)加速度不滿足要求，需降低電機(jī)功率及扭矩。根據(jù)參數(shù)反饋重新設(shè)計(jì)列車參數(shù)，設(shè)計(jì)電機(jī)功率為345 kw，啟動(dòng)扭矩為2 000 N·m，再生制動(dòng)功率為222 kw，再生制動(dòng)扭矩為3 300 N·m，進(jìn)行牽引仿真。結(jié)果顯示列車牽引、制動(dòng)性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，長大下坡段列車運(yùn)行速度低于線路限速，仿真計(jì)算停車點(diǎn)與車站里程值平均誤差小于3 m，滿足誤差要求。仿真結(jié)果的曲線，如圖4所示。

圖4 達(dá)州—遂寧牽引能耗仿真結(jié)果

該仿真結(jié)果與成達(dá)線實(shí)際運(yùn)行結(jié)果吻合，尤其是長大下坡的模型對能耗的準(zhǔn)確性有較大地提升，證明本仿真系統(tǒng)能很好地支持動(dòng)車組動(dòng)力子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本文對動(dòng)車組牽引能耗仿真系統(tǒng)的需求進(jìn)行了分析，對仿真系統(tǒng)的總體架構(gòu)、功能模塊及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明，最后以達(dá)成高鐵實(shí)際線路數(shù)據(jù)為例對系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了技術(shù)的可行性。高速動(dòng)車組牽引能耗仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠映射高速列車運(yùn)行狀態(tài)及牽引能耗與列車工況、運(yùn)行線路區(qū)段之間的關(guān)系，這為動(dòng)車組的動(dòng)力子系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及動(dòng)車組的能耗估算提供有效的工具。