考慮列控速度防護曲線的高速列車運行仿真系統研究

杜佳文，駱 暉，杜慎旭，肖李蔚寧，柏 赟

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.北京交通大學綜合交通運輸大數據應用技術交通運輸行業重點實驗室，北京 100044)

列車運行仿真系統是軌道交通線路設計、信號布置、車輛選型、經濟評估與能力校驗的基礎工具，可以提高設計工作的效率。它能根據線路條件、列車屬性自動生成合理的列車操縱方案，并得到列車運行能耗與時分等技術經濟指標，最后通過動畫方式顯示列車運行過程。

當前，國內外主流的列車運行仿真軟件有RailSim、RailSys、OpenTrack、北京交通大學開發的列車運行仿真軟件GTMSS、中國鐵道科學研究院研發的牽引計算軟件等。但上述軟件均沒有充分考慮高鐵列車司機操縱行為以及ATP系統對速度曲線的限制，這與我國高速鐵路的實際運營環境存在差異，也會導致仿真結果與列車實際運行時分存在一定的偏差。因此，需要根據司機實際操縱情形刻畫列車操縱策略，同時增加ATP防護曲線模塊，使高速列車運行仿真系統更符合實際。

1 系統功能需求分析與架構設計

1.1 功能需求分析

(1)列控速度防護計算

我國《鐵路技術管理規程》規定列車最高速度大于160 km/h時，必須配備列車自動防護(ATP)系統，以保證列車的安全運行。既有仿真軟件并未設計ATP自動防護曲線的計算模塊，這導致既有軟件的仿真結果與現實情況存在較大差異。因此，需考慮ATP防護曲線及其計算方法，實現ATP防護下的列車運行仿真，保證仿真精度。

(2)列車運行仿真計算

既有軟件中列車操縱行為的刻畫大多基于節時、節能或定時模式，對于列車在啟動、加速、恒速運行、過分相、制動、對標停車等部分細節的司機操縱描述不夠深入，導致仿真軟件的模擬結果與實際運營曲線存在一定差異，進而導致牽引計算結果存在一定的誤差。為了提高仿真軟件計算精度，高速鐵路列車運行仿真系統需根據司機實際操縱情形刻畫列車操縱策略。

1.2 系統架構設計

高速鐵路列車運行仿真系統主要由基礎數據管理模塊、ATP計算模塊、列車運行仿真模塊和結果輸出模塊組成，其系統總體框架如圖1所示。

圖1 高速鐵路列車運行仿真系統框架結構

其中，基礎數據模塊是列車運行仿真的基礎，主要包括線路數據和列車數據。

ATP計算模塊是列車運行仿真的主要約束條件，在實際運行環境中列車運行速度除了受線路工程限速、車輛構造速度限制外，還受ATP系統的動態限速曲線限制。高速鐵路列車運行仿真系統中提供了歐標和日立兩種主流ATP超速防護曲線計算方法。

列車運行仿真模塊為整個系統的核心，可計算列車運行距離、運行時分等技術指標。在系統運行仿真前，用戶需要根據實際需要選擇不同的運行模式(自定義模式或默認操縱模式)，以及列車運行防護模式(歐標ATP防護或日立ATP防護模式)和車載列控系統型號。在確定上述參數和模擬策略后，系統可自動仿真列車運行過程，并計算相關技術指標。

結果輸出模塊向用戶輸出系統仿真結果，供用戶進行各方案的優劣對比分析。其輸出的主要結果有列車區間運行時分、速度-位移(V-S)曲線圖、時間-位移(T-S)曲線圖以及手柄-位移(H-S)曲線圖。

2 系統功能實現

2.1 ATP模塊設計與實現

為模擬更真實的列車運行環境，提高模擬系統的仿真精度，本系統設計了ATP超速防護曲線計算模塊，其總體框架設計如圖2所示。

圖2 ATP模塊設計框架

其中，基礎數據模塊主要記錄用戶輸入的線路信息和列車屬性；初始化模塊主要對靜態限速和ATP限速進行初始化計算；限速計算模塊主要功能是根據用戶的選擇，采用相應的限速模式進行計算；界面顯示模塊可動態顯示ATP限速曲線。

(1)日立ATP計算模塊

日立算法基本原理是簡化線路坡道附加阻力計算，從停車參考點進行迭代逆推計算。其中，為簡化線路坡道附加阻力的實時計算，將坡道簡化為六個區間，并預先在車載計算機里儲存列車在不同坡道區間和速度下制動距離表。在列車運行中，車載接受到地面應答器上傳的坡道信息后，將線路坡度向下取整歸納到對應的坡度區間，并在相應坡度區間的制動距離表(圖3)中進行查表迭代計算，直至列車最高運營速度確定完整的ATP曲線。

圖3 日立算法制動距離表

(2)歐標ATP計算模塊

歐標ATP計算模塊主要根據階梯固定減速度方法，簡化制動工況下列車減速度的計算，并根據列車運行過程中的坡道信息等進行ATP曲線計算。首先，歐標法將列車制動減速度近似劃分為6個階梯，每個階梯對應一個固定的減速度，如圖4所示。隨后，在列車實時運行中，需要從停車參考點開始，根據實際的線路坡道和曲線信息，以及當前速度下的制動減速度(a1～a6某一值)，逐步逆推至列車當前位置。

圖4 歐標計算法原理

2.2 列車操縱模塊設計與實現

列車操縱模塊是牽引計算軟件中最為核心的部分，直接影響列車運行的仿真結果。操縱模塊的設計主要涉及列車在站間運行的操縱規則，進而設計對應的列車操縱仿真算法。首先，依據列車運行刻畫的精確性、操作規則的相似性和仿真建模的簡易性，對站間運行的整個過程分為啟動、加速運行、途中恒速運行、停車制動減速及對標停車等5個階段。隨后，基于《CRH系列動車組操作規則》對列車在上述5個階段的操縱要求，確定列車在各階段的操縱策略，即各階段在滿足運行安全和乘客舒適度的前提下，盡可能地高速運行并避免頻繁變換操縱手柄位，最終使得列車運行安全、正點、平穩、節能。

根據各階段的操縱規則，設計列車操縱仿真算法的總體流程，如圖5所示。軟件采用時間步長方法進行仿真，每一步長下需確定列車當前的運行階段，并根據此運行階段選擇不同的運行算法模塊，確定下一時間步長的操縱手柄位。最后，基于運動學方程計算加速度、速度、位移等變量，并進行迭代推演直至列車完成對標停車。

圖5 列車操縱仿真算法總體設計流程

3 系統應用

以CRH380A型動車組列車在岳陽-咸寧站間的運行為例，對比分析列車實際操縱曲線、既有軟件和本軟件在全程運行的速度-位移曲線，結果如圖6所示，表1為列車實際操縱、既有軟件和本軟件在全程運行的差異分析。

圖6 岳陽至咸寧站間速度-位移曲線

表1 運行誤差對比

由圖6可以看出既有軟件由于恒速階段緊貼限速運行，導致速度曲線高于實際操縱曲線，從而導致運行時分偏小。結合表1可知，既有軟件在本站間的運行時分比實際運行時分偏小2.38%。本軟件由于考慮了司機實際操縱規則和ATP限速模塊，仿真得到的列車速度-位移曲線與實際操縱曲線貼合程度較好，其運行時分等于實際值。綜上所述，相較于既有軟件，本軟件在岳陽-咸寧站間的全程運行仿真結果更加貼近列車的實際運行情況。

4 結 論

列車運行仿真軟件通過真實、準確、快速地模擬列車運行過程，計算不同設計與運營方案下的列車運行技術經濟指標，為軌道交通工程咨詢與設計、運營管理提供輔助分析與決策。既有列車運行仿真軟件尚未精細化考慮高速鐵路列車操縱特點以及列控系統限速曲線的限制。本文在結合現有動車組實際運行環境、列控系統控車原理、以及司機駕駛行為特征等基礎上，開發了考慮列控防護曲線和司機實際操縱的高速鐵路列車運行仿真系統。案例結果表明，該系統具有較高的運行仿真精度，并為高速鐵路設計工作提供依據。