动车组牵引计算仿真系统设计

何 桥 尹元钊

（1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 全国铁路列车运行图编制研发培训中心，四川成都 610031）

随着我国铁路建设水平的提高，高速铁路、城际铁路的大量建设，具有自主知识产权的CRH 和谐号动车组的应用日渐增多，目前，设计行驶速度200km／h及以上的铁路，均采用了CRH 和谐号动车组作为主型线上移动设备。CRH 动车组列车牵引计算作为高速铁路设计过程中的一个重要环节，除完成列车运行时分计算、列车运行能耗计算、列车运行速度时分曲线图（VT－S）等基本的功能外，对设计工作中列车运行图铺画、动车组车底数配置、区间信号机布置、接触网电分相设置检算、供电电流仿真等工作也具有重要的指导意义，是完成上述工作的最基础的资料，其计算结果的准确性和合理性直接影响设计工作的开展。

1 国内外现状

由于国外高速铁路设计标准、方法及设计流程与我国差别较大，虽然信息化发展程度较高，但可借鉴的地方较少。同时，国外高速铁路建设无论在规模、数量方面，都远不及我国建设市场。不过，国外设计市场对信息化设计的重视却是非常值得学习。

目前，我国从事高速铁路设计的主要有铁一院、铁二院、铁三院、铁四院及中铁咨询、铁五院等。据调查，高速铁路设计中的牵引计算部分，主要采用的都是铁科《牵引电算》（2.5版）软件，该软件由铁道科学研究院机车车辆所于2000年开发而成，在十多年以来的铁路项目设计中发挥重要的作用，是行车组织设计中最基础的应用软件之一。由于该软件采用单质点计算模型、机车牵引车辆的计算模式，对动力分散的动车组来说，其计算模型和计算模式难以适应国外项目“精细化”设计的要求，主要表现：

1）由于计算模型不适应，计算结果准确性不高；

2）列车运行速度时分曲线图（VT－S）曲线部分运行路段不合理；

3）无法输出实时电流I－S曲线，不能进行供电电流仿真；

4）无法进行区间信号机间隔时间、制动距离检查；

5）无法满足电分相设置检算的要求；

6）无法满足海外项目精细化设计的要求。

2 用户需求调研整理

基于在设计单位进行的现场需求调研，将用户对动车组牵引计算系统的需求整理为

2.1 数据管理

1）数据录入简便，提供Excel数据模板，并实现Excel、Access、Cad等多种格式的线路数据文件的直接导入使用；

2）实现Cad、Pdf、Txt多种格式的计算结果数据输出；

3）输出精度的控制。可人工调整控制输出结果的精度；

4）长短链处理。自动进行线路数据中的长短链检查和处理。

2.2 过分相检算

当前系统为手工调整工况（惰行）以模拟过分相时情形，人工计算分相检算表中的各项指标再汇总。新的系统要能够实现列车过分相的自动计算，并进行分相检算，记录动车组列车入分相速度、出分相速度、速度损失和延长运行时间。另外，需提供进行列车在带电和不带电通过分相两种情况下出分相速度、速度变化和通过分相时分等指标对比的功能。

2.3 牵引计算策略和模型

新的软件需考虑节时、节能、定时三种牵引计算策略，采用多质点模型提高计算精度，另外，预备多套起车算法以供司机使用，如满功率起车、递进功率起车等。

2.4 信号机布置

新系统要求提出建议闭塞分区长度及信号机布置方案，能够实现信号机的初始布点、图形化调整、追踪间隔逻辑检查等功能。

2.5 列车停站和制动

如图1 所示，现有的铁科牵引电算软件存在问题：

1）遇到限速时速度下降过早；

2）站前有坡度较大的坡道时往往停站不准。

新软件需避免这些问题。另外，现有软件还存在空气制动和电力制动联合制动的问题，动车组只有电力制动曲线，制动距离过长，新软件要解决联合制动的问题，在动车组实施制动过程中合理利用空电联合制动。

图1 过早降速、停站不准

2.6 手动计算

现有软件在进行计算时，先设定好计算条件，然后进行后台自动计算，查看生成的运行曲线，发现有不理想或者不合理的地方重新进行回退手动计算。有时切换到手动计算不能进行人工操作，新的系统需保证计算过程中自动和手动计算的交替使用无误。

3 系统主要功能设计

总结动车组牵引计算基本任务及现场用户需求，适合动车组的牵引计算系统应具备7方面功能。

3.1 数据管理

1）提供多种数据输入方式进行基础数据的处理。第一种是用户在系统中根据提示手动录入，第二种方式是由系统提供可编辑的数据输入Excel或Mdb模板，用户通过系统数据接口能一次性向系统导入Excel或Mdb文件中各项牵引计算基础数据，包括线路数据、动车组参数数据和特性数据等，另外，系统可以由接口读取现有电算软件的数据文件。

2）系统读取数据后能自动进行数据准确性和合理性的检查，包括长短链的检查和坡度高程数据的检查等，若存在问题则询问用户是否进行系统的自动处理。

3）提供多种格式文件的输出及输出精度调节功能。系统能够输出Cad、Pdf等格式的计算结果文件（速度时分曲线、区间运行数据等），可以调节计算结果中综合数据的输出步长，现有牵引计算软件通常固定为1s。

3.2 牵引计算

1）计算条件的设置，包括线路、动车组列车的选择和牵引计算参数的设置（包括计算步长、道岔限速等）。

2）提供牵引计算动态仿真计算及后台快速计算两种计算方式。其中动态仿真计算能够模拟线路纵断面及动车组列车在线路上的实际运行情况，并且动态显示列车的各项运行数据。

3）系统实现列车运行、供电电流和能耗的仿真，提供速度－距离、时间－距离、工况－距离、电流－距离和能耗－距离等曲线输出的功能。

3.3 电分相检算

1）系统根据线路标记数据中的电分相位置，提供选择是否考虑分相的功能，若用户选择是则实现列车过分相的自动检算，分上下行记录入分相速度、出分相速度、速度损失和延长运行时间。

2）提供进行列车在带电和不带电通过分相两种情况下出分相速度、速度变化和通过分相时分等指标对比的功能。

3.4 信号机布置

1）系统基于牵引计算结果进行闭塞分区长度的确定及区间通过信号机的自动布点，并且实现图形化调整信号机位置功能。

2）提供列车运行追踪间隔、制动距离检算等功能。

3.5 手动计算

系统在进行动态自动计算过程中，若用户查看生成的速度曲线发现有不合理或者不理想的地方可以切换到手动计算模式进行计算。手动计算模式模拟一个驾驶员操作台，系统根据用户选择的工况和操作档位等数据进行动态计算。系统能够实现动态计算过程中自动和手动计算的交替使用。

3.6 计算结果数据输出

提供区间运行时分数据、综合数据等结果数据和各种仿真曲线的预览和打印功能。

3.7 系统辅助

1）实现系统参数、计算参数、显示参数和打印参数等参数的设置；

2）提供完善的帮助功能，包括各项功能介绍、详细使用方法及功能演示动画；

3）在用户使用系统过程中提供功能操作提示。

CRH 动车组牵引计算仿真系统主要由数据管理子系统、牵引计算子系统、电分相检算子系统、信号机布置子系统、手动计算子系统、结果输出子系统和系统辅助子系统等组成，系统结果及各子系统所实现功能如图2所示。

图2 动车组牵引计算仿真系统结构示意

4 系统的关键技术及难点

CRH 动车组牵引计算仿真系统在我国尚属首创，要求实现的目标较多，需要支撑的技术也很多，能跟踪实现高速铁路牵引计算及相关设计工作的全过程，完全是一套崭新的计算机辅助设计系统。在本系统的研制开发中存在以下关键技术及难点：

1）算法方面：牵引计算结果的准确性是评价牵引计算系统的核心指标之一，提高牵引计算准确性、满足系统精细化设计要求涉及到以下技术或者方案：①多质点模型。当列车经过变坡点或变曲率点时，单质点模型计算的受力分析与实际差距较大，成为计算误差的重要来源；②起车算法，包括满功率起车、递进功率起车；③动车组操纵策略选择，最快速、最经济、混合优化等操纵策略；④动车组制动方式使用方案，计算过程中怎样合理选择动力制动、空气制动和混合制动3种制动方式。

2）动态仿真方面：模拟动车组动态运行及列车运行仿真所需的图形和动画技术。要让动态仿真具有较高的可观赏性有一定的难度。

5 结束语

随着近年来高速铁路设计手段的进步，“精细化”设计的要求也越来越高。现有的牵引计算软件已经不能满足动车组牵引计算的需求，设计开发出一套完整的CRH 动车组牵引计算仿真系统有着重大的意义。本文先对研究背景及国内外研究现状作了简单说明，再结合现有软件存在缺陷及用户需求整理设计了一个能够满足动车组牵引计算的新的系统，并介绍了其主要功能，对系统开发的关键技术和难点作一定探讨，为动车组牵引计算系统的实现作出了有益的探索。

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