動車組牽引能耗仿真系統設計與實現

顏治平

（西南交通大學 信息化與網絡管理處，成都 610031）

由于高速鐵路具有高運載能力、速度快、安全性好和舒適方便等優點，從而得以大規模建設并投入運營，并在交通運輸中發揮越來越重要的作用[1]。據相關統計數據,列車運行能耗是構成軌道系統運營總能耗的主要部份；其中，牽引動力系統能耗占列車運行過程中總能耗的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驗公式法[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,分別計算各區段能耗的計算方法[4]。

列車牽引仿真系統根據應用需求的不同，研制目標也有不同的目標。國外比較成熟的牽引仿真系統，有北美的TPC和RAILSIM系統,歐洲的Trainstar系統，日本的UTRAS系統等[5]。國內研究包括西南交通大學開發的高速動車組牽引仿真計算系統、北京交通大學與香港理工大學共同研究和開發的GTMSS系統[6]，中國鐵道科學研究院集團有限公司開發的高速動車組牽引制動仿真系統[7]。

動車組在運行過程中主要有牽引、惰行和制動等工況，每一種工況下動車組的受力和引起的運行狀態都不同。線路條件的變化和運行工況直接影響動車組的受力情況，而動車組的受力變化會影響動車組當前的運動狀態。因而，動車組生產廠商在設計動車組的動力子系統時，需要對動車組在不同的軌道線路條件下進行牽引能耗仿真，根據仿真的結果適當的調整設計方案。鐵路局集團有限公司用戶在購買動車組前，也需要對不同的動車組進行牽引能耗仿真，在動車組滿足性能需求的情況下比較各型動車組的能耗量。

目前的列車牽引仿真系統在工況定義上存在或多或少的簡化。對于動車組生產廠商和鐵路局集團有限公司用戶，在進行動車組的牽引能耗仿真時，常會遇到以下4個方面的難點：

（1）國內的動車組車型有多種，車輛參數需要動態設置；（2）國內的高鐵線路工況復雜，仿真時需考慮各種線路條件；（3）需要防止動車組超速，要考慮停車制動、限速區間制動；（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個難點，依據動車組車型、運行速度、停站次數和線路特征等因素，結合動車組牽引、巡航、惰行和制動的操縱模式，建立動車組運行能耗仿真模型，對動車組牽引能耗計算進行仿真分析，搭建動車組牽引能耗仿真系統，從而有效地支持動車組動力子系統方案設計和節能運行控制。

1 仿真模型

動車組牽引能耗仿真計算以動車組牽引、制動特性參數為設計變量，以運營時間和能耗為目標，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、制動特性參數決定了列車的加速、減速性能。根據牽引運行特點設計牽引能耗仿真計算流程，如圖1所示。

1.1 參數輸入及預處理

參數預處理階段根據輸入列車結構參數、性能參數、線路數據、列車牽引和制動性能要求，對列車牽引電機結構、性能參數和制動系統結構性能參數等進行預處理，計算生成牽引、制動特性曲線，即獲得牽引力與速度關系和減速度與速度關系。

1.2 牽引能耗仿真計算及參數反饋

動車組牽引能耗仿真階段，根據預處理得到的列車結構、性能參數和線路數據等，分析牽引運行策略、計算制動點，計算并調整列車運行曲線，利用牽引仿真計算模型對應的算法估算運營時間和能耗，判斷加、減速度是否符合設計要求，若不符合要求則反饋到預處理步驟對牽引和制動系統結構性能參數進行調整。

其中，運行策略分析是能耗仿真的關鍵環節。本文牽引計算模型通過判斷線路類型選擇恰當的計算策略，采用“惰行+制動”運行策略解決高速電制動長大下坡問題。牽引仿真計算中制動點計算的準確度影響列車減速和停車進站的計算精確度，是牽引仿真計算的關鍵[8]。本文采用基于誤差評價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曲線交點，該交點即為列車制動點。

根據上述對列車受力及牽引仿真中關鍵問題的分析設計牽引仿真計算模型，采用最快速牽引策略計算列車運行曲線[9]，得到列車運營時間和運營能耗。根據得到的仿真結果，評價列車牽引、制動系統參數設計是否滿足加速度、減速度的設計要求及運營時間、能耗要求。若不滿足，則將參數反饋到參數輸入及預處理階段，由設計師修改設計參數， 進行仿真計算，直到滿足設計要求。

圖1 牽引能耗仿真流程

1.3 結果輸出

結果輸出階段接收牽引仿真計算得到滿足設計要求的計算結果，輸出列車運行時間、能耗、列車運行曲線等仿真結果并實現可視化的要求。

2 系統設計

2.1 系統架構設計

牽引能耗仿真系統采用分層結構設計，系統易于維護，具有良好的擴展性。系統架構，如圖2所示。

圖2 系統架構

2.2 系統功能設計

為了實現牽引能耗仿真模型，實現完整的高速動車組運行過程和能耗的仿真，系統需要管理仿真計算所需的數據，根據數據和設定的參數進行仿真計算，仿真結果以數據和圖形的方式輸出給用戶。

系統功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統功能

2.3 數據設計

根據系統功能設計中對數據管理和仿真計算的功能要求，需要對系統涉及的數據進行定義。系統管理的數據包含基礎數據、運行參數數據、計算數據等3類數據。

2.3.1 基礎數據設計

基礎數據包含高速鐵路線路數據、動車組基礎數據、動車組牽引特性數據和動車組減速度曲線數據，這些數據是牽引能耗仿真計算的基礎數據來源。

（1）線路數據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信息。線路數據為動車組牽引能耗仿真提供運行環境設置，系統可以通過導入Excel數據的方式對線路數據進行動態設置。

（2）動車組基礎數據包含列車最高運行速度、編組型式、電機數量、傳動比、電機特性和列車載重等列車相關參數。可以通過對列車的速度、編組、載重等關鍵信息的調整，仿真各類動車組在不同的工況下的牽引運行能耗。

（3）動車組牽引特性數據包含動車組的恒功轉折點車速、恒功轉折點牽引力和再生制動失效點等信息。

（4）動車組減速度曲線數據包含動車組類型、制動級別、結束速度、開始速度、系數項、常數項等信息，對不同動車組的制動系統控制減速度曲線數據進行管理。

2.3.2 運行參數設計

運行參數包含計算步長、上下行線路選擇，起始車站定義、停站配置等參數。計算步長參數是仿真計算時線路的最小計算步長距離，系統提供了1 m、5 m、10 m、20 m等多個選擇，步長提供了仿真計算時計算的精度和速度，步長越短，仿真結果越準確，但計算消耗的時間越長。上下行線路選擇提供對線路的上行、下行的選擇，根據上下行的選擇決定了列車運行的方向。停站配置可以設定仿真線路沿線的車站停靠信息。

2.3.3 計算數據設計

根據定義的基礎數據和設置的運行參數，系統進行仿真計算。在仿真計算過程中，需要設計計算過渡數據和計算結果數據。

（1）計算過渡數據包含每個步長間距內各種線路條件下的列車速度、牽引能耗的數據。

（2）計算結果數據是牽引能耗仿真的計算結構，包含在設定的運行區間內，列車的運行時間、運行速度、能耗和再生能耗數據。

3 系統實現

3.1 系統技術實現

根據以上的系統分析和系統設計，本文開發的仿真系統采用Tomcat 8作為Web服務器，采用Oracle 11g數據庫管理數據，使用MyEclipse 2017作為開發工具，使用Java語言進行編程，開發出基于Web的牽引能耗仿真系統。

系統后臺設計基于SSM框架搭建[10]。SSM框架是一個由Spring、SpringMVC、MyBatis這3個開源框架整合而成的基于MVC設計模式的框架，是Java 后臺開發的主流框架，可將頁面顯示、業務邏輯和數據庫訪問進行分離。SSM框架使用Spring MVC負責請求的轉發和視圖管理，Spring 實現業務對象管理，MyBatis 作為數據對象持久化引擎。

系統前臺在使用JSP的基礎上，采用layui框架和jQuery框架實現用戶界面設計和用戶交互，使用純JavaScript圖表庫Highcharts作為繪圖引擎進行數據的可視化展示。Highcharts數據可視化需要在后臺的SSM框架中準備好數據，通過Ajax將Json數據傳送到前臺頁面，填充到Highcharts中展示出來。

3.2 實例驗證

以某型動車組為仿真車型，以具有坡度超過10‰長大下坡區間的成達線為線路輸入進行實例驗證。區間全長187.577 km，共5個車站，列車滿載重量為409.2 t，最高運行速度200 km/h，半磨耗輪徑825 mm，傳動比為4.136。

根據輸入參數中整車重量、最高運行速度等性能指標設計電機額定功率為450 kw，啟動扭矩為2 300 N·m，再生制動功率為250 kw，再生制動扭矩為4 000 N·m，進行仿真，牽引能耗仿真計算得到列車平均加速度及不同速度等級下制動距離、運營時間和運營能耗。通過結果評價，發現加速度不滿足要求，需降低電機功率及扭矩。根據參數反饋重新設計列車參數，設計電機功率為345 kw，啟動扭矩為2 000 N·m，再生制動功率為222 kw，再生制動扭矩為3 300 N·m，進行牽引仿真。結果顯示列車牽引、制動性能滿足設計標準，長大下坡段列車運行速度低于線路限速，仿真計算停車點與車站里程值平均誤差小于3 m，滿足誤差要求。仿真結果的曲線，如圖4所示。

圖4 達州—遂寧牽引能耗仿真結果

該仿真結果與成達線實際運行結果吻合，尤其是長大下坡的模型對能耗的準確性有較大地提升，證明本仿真系統能很好地支持動車組動力子系統方案設計和運行實驗。

4 結束語

本文對動車組牽引能耗仿真系統的需求進行了分析，對仿真系統的總體架構、功能模塊及數據結構的設計進行了說明，最后以達成高鐵實際線路數據為例對系統進行了驗證，證明了技術的可行性。高速動車組牽引能耗仿真系統的設計與實現能夠映射高速列車運行狀態及牽引能耗與列車工況、運行線路區段之間的關系，這為動車組的動力子系統方案設計及動車組的能耗估算提供有效的工具。