节能评估及能源消耗分析软件的开发与验证

张彦栋 王利军

关键词：动车组；牵引计算；列车群；能耗

1 研究背景

动车组牵引计算是高速铁路运营和设计过程中的一个基础性环节[1]，利用动车组牵引仿真计算软件对动车组列车进行仿真计算，对于动车组节能评估、优化操作等具有较大的指导意义。

中铁二院开发的节能评估及能源消耗分析软件，考虑动车组基本参数以及牵引和制动特性等，建立动车组牵引计算模型，实现了列车牵引和制动力、列车运行速度、列车能耗等的实时计算。本软件建立的动车组牵引计算模型，通过真实项目实测数据，能够正确地仿真单次列车运行过程；同时在考虑再生能量利用的条件下，能够实现动车组列车群在单一线路的上下行的牵引仿真计算，为动车组节能评估及能源消耗，以及后续动车组优化操纵方式的研究提供数据支持。

2 软件需求概述

2.1 软件目标需求

节能评估及能源消耗分析软件的目标需求描述如下：

1） 建立精确的动车组单车牵引计算模型。

2） 结合基于极大值原理开发的最大能力运行与准点节能运行两种列车运行策略[2]，实现动车组单车牵引能耗的优化[3]。

3） 建立动车组多车牵引计算模型，在考虑再生制动能量利用的条件下，依据准点节能算法，实现根据真实时刻表的列车群实时运行牵引仿真计算[4]。

2.2 软件功能需求

软件需实现的具体功能需求如下：

1） 线路信息输入。

2） 动车组信息输入。

3） 时刻表信息输入。

4） 基于线路信息的准点节能控制策略的列车群运行和牵引能耗计算。

5） 牵引计算过程中的上线动车组车次的静态数据、动态数据的查询与显示。

6） 软件输出功能。

2.3 软件数据需求

软件将动车组牵引计算所需数据分为三类，分别是：

1） 线路数据。线路数据由线路纵断面数据和限速数据两部分组成。线路纵断面数据主要是车站、坡道、曲线数据，限速数据主要是线路各区间的限速信息及对应公里标。

2） 动车组数据。动车组数据是动车组进行牵引计算的基本条件，分为动车组基本参数和动车组特性参数兩部分。动车组基本参数主要包括动车组编组类型、荷载、考虑回转质量系数的动车组重量等数据，动车组特性参数主要包含牵引特性曲线、制动特性曲线等数据。

3） 列车群运营数据。列车群运营数据主要为时刻表数据，包括动车组车次、经停站、停站时间等。

3 软件模块分析

列车牵引计算系统可设计为数据管理系统、牵引计算处理系统、界面系统三个子系统[5]，节能评估及能源消耗分析软件由三个模块组成：

1） 输入数据模块。主要为线路、动车组及时刻表信息。

2） 牵引计算模块。根据已建立的动车组牵引计算模型、输入数据模块信息，进行动车组单车及列车群牵引仿真能耗计算。

3） 数据后处理模块。

3.1 输入数据模块

输入数据模块的数据对象由三部分组成：

1） 线路数据，主要包含车站、限速、电分相、坡度、曲线、隧道等数据。

2） 动车组数据，动车组基本参数主要包括动车组编组类型、荷载、考虑回转质量系数的动车组重量等数据，动车组特性参数主要包含牵引特性曲线、制动特性曲线等数据。

3） 列车群运营数据：主要为时刻表数据，包括动车组车次、经停站、停站时间等。

3.2 牵引计算模块

牵引计算模块是节能评估及能源消耗分析软件的核心模块。软件可实现不同控制策略（最大能力控制策略和基于极大值原理的准点节能控制策略）下的单车及列车群的牵引及能耗计算。具体实现流程如下：

1） 根据动车组牵引计算模型及准点节能控制算法，实现单车的牵引计算。

2） 基于真实时刻表，考虑再生制动充分利用的条件下，实现动车组多车的牵引仿真计算。

3） 仿真结束或人为停止后，运行数据将按照软件制定的二进制文件进行存储。

牵引计算模块功能结构如图1。

3.2.1 单车牵引计算模块

结合动车组数据，采用多质点模型进行受力分析，建立动车组牵引计算模型[6]；根据牵规，对动车组进行牵引仿真计算，模拟单车在该线路上的运行时间、速度、能耗等数据[7]。具体实现如下：

1） 对线路数据及动车组数据进行静态存储；

2） 根据线路数据及动车组数据，赋予指定步长，计算每步长对应的动车组运行工况、动车组牵引力、制动力、速度及位置等信息，并按照步长进行存储。

牵引计算流程图如图2所示。

3.2.2 单车牵引计算模块

依据基于极大值原理的准点节能算法，在给定运行时间的条件下，动车组最优控制曲线由五种运行工况组成，分别是最大牵引工况、最大制动工况、部分牵引工况、部分制动工况和惰行工况[8]。当动车组处于部分牵引和部分制动工况时，动车组为匀速运行。

因此，本软件单车牵引计算模块由三部分组成：

1） 离线计算动车组在各区间的最优运行控制曲线。

2） 存储动车组在各区间的最优工况转换点。

3） 运行仿真时，提供存储的工况及级位信息至牵引计算模块。

3.2.3 列车群牵引计算模块

列车群牵引计算模块依托单车牵引计算模块为基础，并在开发过程中考虑同一供电臂下再生能量的利用。其计算流程如下：

1） 开始仿真。软件根据输入模块提供的数据读取线路、动车组及时刻表数据，同时，将所有上线动车组的最早发车时间作为软件当前计算时间。

2） 软件根据所有车次是否已处于下线状态或到达时刻表终点判断仿真是否结束。

3） 软件遍历时刻表中所有动车组车次是否到达发车时间或到达终点。若为真，则更新车次状态，并初始化新上线车次状态。

4） 软件读取时刻表中所有动车组车次及状态，判断动车组是否已到点发车，若是，则更新对应动车组车次计算条件，调用区间预计算函数，并将其状态设置为运行状态。

5） 计算列车总能耗，并遍历时刻表中所有处于运行状态的车次，调用单车牵引计算函数，更新车次状态。

6） 按照指定步长向前推进一步，返回至第二步循环进行，一直运行至时刻表终点或所有车次均已下线。

3.3 数据后处理模块

数据后处理模块输出内容包含：动车组的速度距离曲线、牵引力、制动力、阻力、牵引能耗等；各车次任一时刻的列车速度、位移、加速度、合力等列车动态信息；列车群总能耗、总再生能量等列车群信息。另外，该模块也可显示如线路纵断面、车站、电分相、列车基本参数等静态信息。

4 软件功能验证

以某铁路项目为仿真线路，全长约290公里，总共有15个车站，线路的开行列车为CRH1和CRH380A 两种动车组。本文采用该铁路项目，分别对节能评估及能源消耗分析软件的以下功能进行验证：

1） 单车牵引计算模块的正确性；

2） 列车群牵引计算的准确性。

4.1 动车组牵引计算模型验证

本文通过软件牵引仿真结果和实测數据比较的方式对动车组牵引计算模型的正确性进行验证。在搜集LKJ（列车运行控制记录装置）读取的实际速度距离曲线及限速信息后，设计仿真对比方案：

根据目前掌握列车资料，读取司机驾驶的速度时间曲线，并将该次列车的实际速度距离曲线作为限速文件，采用最大能力运行控制策略，对动车组进行牵引仿真计算。

图3为真实列车司机驾驶曲线，图4为该软件模拟司机开行的速度时间曲线。受到发线影响出发及停靠公里标、人为读取司机驾驶曲线的差异影响，软件模拟的驾驶曲线和司机实际的驾驶曲线存在细微的差异，但吻合度仍然很高，软件模拟的速度曲线运行时间为16min53s，与司机实际开行的运行时间（约17min） 非常接近，仿真对比结果验证了该软件牵引计算模型的正确性。

4.2 动车组列车群牵引计算功能验证

通过进行列车群牵引计算仿真，并将本项目实际用电统计信息与仿真计算结果进行比较，对动车群牵引计算功能的可靠性做出验证。

该项目日常使用7组动车组开行24对，其他动车组列车（最高运行9组动车组开行32对）遇周末及客流高峰期以调度命令安排开行。

本软件基于实际运行图、线路信息及动车组信息，仿真得出不同运行图下的能耗数据，如表1所示。该项目实际每月牵引用电如表2所示。

由表1可知，软件针对24对开行的运行图计算出的每月牵引能耗为689.3万度，36对开行的运行图计算出的每月牵引能耗为877.3万度。

由表2可知，该项目每月实际牵引用电的范围在708.8万度和984.8万度之间。考虑到调度命令开行机动车次调用数量、司机驾驶习惯、不同月份辅助能耗不一致，软件牵引仿真计算出的每月能耗数据在本项目真实牵引用电范围内，说明该软件在工程上的运行能耗评估具备较高的准确性，能够对动车组节能评估以及能源消耗提供数据支持。

5 结论

中铁二院开发的节能评估及能源消耗分析软件通过建立动车组牵引计算模型，依据基于极大值原理的准点节能算法，实现了根据真实时刻表的列车群实时运行牵引仿真计算，满足软件的功能需求。本文验证了该软件建立的动车组牵引计算模型的正确性，并对某实际项目进行列车群运行与能耗计算模拟，一定程度上从工程的角度验证了该软件列车群牵引计算功能的可靠性。本软件可为动车组节能评估及能源消耗提供数据支持，并为后续列车群的优化控制策略对列车群运行能耗研究提供平台。