总量协同一致的高速列车牵引/制动力优化分配研究

谌雪媛　刘光伟

摘 要：在高速列车快速发展的同时，对列车运行安全的要求也越来越高。对于高速列车来说，不同轮对踏面的损伤程度势必有所不同，使得不同轮对所承担的黏着力不尽相同，极易导致黏着小的轮对发生滑行，影响列车运行安全。针对上述问题，研究基于总量协同一致的牵引/制动力优化分配方法，可以在较短时间内使各车厢动力的总量保持一致的基础上，使踏面损伤较小的轮对承担较大的动力，踏面损伤严重的轮对承担较小的动力，提升高速列车运行安全性能。

关键词：总量协同一致 牵引/制动力 高速列车

在高速列车快速发展的同时，对列車运行安全的要求也越来越高。对于高速列车来说，不同轮对踏面的损伤程度势必有所不同，甚至同一轮对的踏面损伤程度也会随着时间的累加逐渐恶化，使得不同轮对所承担的粘着力不尽相同。若在列车运行过程中，对所有轮对施加同样的牵引或制动力，则极易导致粘着小的轮对发生滑行。因此，需要研究基于总量协同一致的牵引/制动力优化分配方法，可以在较短时间内使各车厢动力的总量保持一致的基础上，使踏面损伤较小的轮对承担较大的动力，踏面损伤严重的轮对承担较小的动力，提升高速列车运行安全性能。

1 国内外研究现状

对牵引/制动力进行优化分配，首先需要通过计算得到牵引/制动力的大小。在设计牵引计算流程方面，韩龙涛提出用单质点模型和多质点模型结合的方法为列车牵引计算设计出流程图[1]。李旺等研究开发了重载机车牵引计算仿真系统，能对重载机车进行牵引计算仿真[2]。赵海波等通过构建列车牵引负载仿真模型得到了列车运行工况曲线，对列车牵引负载特性进行了分析[3]。张军等通过建立地铁车辆LM型车轮踏面和60kg/m型钢轨轮轨接触有限元模型，研究了不同牵引力与制动力作用下轮轨间等效应力和接触力的变化情况[4]。大多数研究都是侧重于考虑满足车辆动力学条件的相关问题。

对牵引/制动力的分配还需考虑轮轨接触面之间的粘着力。列车牵引力和制动力的形成依赖于轮轨接触面的粘着作用，良好的粘着利用不仅可以充分发挥机车牵引及制动性能，还能减少空转和滑行的发生，延长轮轨的使用寿命[5]。基于观测器可以实时精确观测粘着力的大小并实现粘着控制。Lijun Diao等研究了一种基于扰动观测器的城市轨道车辆粘着控制策略，能够精确估计粘着系数并实现车辆控制[5]。程翔等设计了基于积分滑模面的粘着系数观测器，能够实时快速地在线估计车辆轮轨粘系数[6]。近年来对再粘着控制优化的研究越来越多。山下道宽等综合电流差检测方法和空转抑制检测方法设计了一种电动车组再粘着控制的新方法，对车轮旋转力进行控制[7]。Michihiro YAMASHITA等设计再粘着控制方法，使转矩在抗滑移再粘着控制中停止下降时，增大平均牵引力[8]。

高速列车的牵引或制动力是由多个车厢共同提供，若采用对各车厢平均分配动力的方式，则会由于各轮对踏面状态的不同而进一步恶化损伤程度较大的轮对踏面。为此，需要对牵引/制动力进行优化分配，寻求一种最优方法使得当某轮对空转/打滑时，其轮对踏面能承受较小的力，从而延长该轮对的使用寿命。李学明等提出一种基于牵引功率动态分配的机车牵引电机节能控制方法，降低了大功率机车牵引电机的运行能耗[9]。刘帅等优化了极不均匀载荷条件下列车的牵引力和电制动力分配方案，避免了因车辆载荷不均衡所导致的车轮空转和打滑的问题[10]。Yujuan Wang等提出了一种利用局部信息交换的适用于牵引和制动故障的高速列车跟踪和制动分布式容错控制方案[11]。

综上所述，现有研究成果大多未考虑控制系统的非线性情况和总量协同一致性。在高速列车牵引计算方面，大多数学者研究的是基于传统的列车牵引计算方法，采用的动力学模型是将列车及线路作为研究对象，采用运动方程来描述列车运行过程[12]。这类仿真方法侧重于考虑车辆性能、动力学特性、线路条件等物理属性及限制[12]，但还应考虑到运行过程中的电分相、制动波传递等对列车牵引系统的影响，从而提高计算的精确性。在粘着控制方面，应考虑粘着状态与感知信息之间的非线性关系以及各轮对牵引/制动力分配策略，实现列车各轮对动力实时跟踪踏面状态时变的动态过程。在牵引/制动力的优化分配方面，现有研究大多未考虑总量协同一致的前提条件。总量协同一致是指列车在不同工况下，能保证其总牵引/制动力不变的前提下，使踏面损伤较小的轮对承担较大的动力，踏面损伤严重的轮对承担较小的动力，进而提升高速列车运行安全性能。故应考虑基于牵引/制动力的总量协同一致的条件下，针对轮对踏面不同损伤程度对动力进行分配，实现在各车厢动力的总量保持不变的同时，各轮对能承受其范围内的动力，延长使用寿命，提升列车运行安全性能。

2 研究内容

2.1 高速列车牵引/制动力计算分析与仿真

高速列车的牵引/制动力计算是考虑列车运行中所受的外力，通过分析列车的运行状态，计算列车的运行参数，解决高速列车运行中的科学计算。研究分析高速列车牵引/制动力计算的各项影响因素，结合列车动力计算特点与合理分配策略，对高速列车进行受力分析。同时考虑列车编组、电分相和制动波传递对牵引/制动力计算的影响，建立高速列车牵引/制动力计算模型，从而提高计算的准确性。结合考虑高速列车在运行中会遇到的雨、雪、雾等环境以及长上坡、长下坡、启停等不同工况，对高速列车牵引/制动力计算方法进行仿真实验验证。

2.2 电/空制动力优化分配

制动力的有效发挥依赖于轮轨之间的粘着状态，轮轨间的接触力影响车辆动力学和接触面的磨损程度[13]。基于高速列车各轮对受力分析，利用深度机器学习网络挖掘粘着状态随动力变化的动态函数。进而以各轮对最大粘着系数为约束，拟采用基于高速列车减速度特性的电制动优先、基于实时粘着状态正比例的各轮对制动力分配策略，自适应动态调整各动力车厢的电机转矩，使踏面损伤较小的轮对承担更大的动力，踏面损伤严重的轮对承担较小的动力，从而实现列车各轮对动力实时跟踪踏面状态时变的动态过程。

2.3 基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致优化分配

高速列车牵引/制动力优化问题本质上是一个多变量优化问题[14]。将各车厢视为具有决策能力的多智能体，多车厢组成的机车可视为多智能体共同决策的协同系统[15]。虚拟总轴控制技术属于多智能体同步控制策略中的一种，其模拟机械传动的物理特性，并具有相似的同步特性，因此得到广泛应用[16]。虚拟总轴控制系统中，虚拟总轴部分采用软件实现，易于调节参数，具有较好的动态性能。每个多智能体采用独立的伺服电机驱动，拓扑结构简单易调整，无需添加或拆除机械结构，所以具有较大的灵活性[17]。虚拟总轴控制策略既能保证系统的同步性能，又能克服外界未知扰动引起的负载变化对同步性能的影响，控制适用性强且维护简单，适用于高速列车控制[18]。

3 技术路线

如圖1给出了总量协同一致的牵引/制动力优化分配研究技术路线图，共分为三个阶段。

第一阶段：计算高速列车的牵引/制动力。

对列车进行受力分析后，考虑列车自身物理属性、道路条件限制以及电分相、制动波等对牵引/制动力的影响，建立单质点与多质点相结合的模型，对高速列车运行的各个阶段、不同工况设计算法流程，求解运行过程中所需要的牵引/制动力，并进行仿真验证。

第二阶段：对电/空制动力进行优化分配。

通过计算得到牵引/制动力的大小之后，需要根据轮对踏面损伤的不同程度对该牵引/制动力进行优化分配。同时确立粘着状态与感知信息之间的非线性关系，建立动态函数，制定分配策略，自适应动态调整各电机转矩，实现列车各轮对动力实时跟踪踏面状态时变的动态跟踪过程。

第三阶段：基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致优化分配。

基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致优化分配策略，是将系统的总转矩信号通过虚拟总轴传送至各个负载单元，各负载单元即通过转矩带动牵引机车运动。同时将各负载单元的输出转矩之和反馈给虚拟总轴，虚拟总轴通过反馈的转矩实时动态调整其输出转矩信息，从而实现各个负载单元之间的协同。研究基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致优化分配方法，将各动力车厢的牵引/制动力总量协同一致性问题转化为多智能体系统有限时间内收敛问题，建立基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致系统框架，设计滑模控制器保证多智能体系统误差在有限时间内收敛，实现某轮对出现故障时，各车厢动力的总量保持不变。

4 总结

本文提出一种基于总量协同一致的高速列车牵引/制动力优化分配研究路线，先计算出高速列车的牵引/制动力，再对电/空制动力进行优化分配，最后基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致进行牵引/制动力的优化分配。如何实现基于虚拟总轴的牵引/制动力总量协同一致优化分配策略，是值得进一步研究的方向。

项目基金：

长沙职业技术学院校级课题（CZYB202116）

湖南省教育厅科学研究项目（22C1490）。

参考文献：

[1]韩龙涛. 地铁列车牵引计算与仿真[D]. 北京化工大学， 2014.

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