动车组牵引能耗仿真计算研究

王月仙

(中国铁道科学研究院 研发中心， 北京 100081)



动车组牵引能耗仿真计算研究

王月仙

(中国铁道科学研究院 研发中心， 北京 100081)

遵循列车牵引动力学原理，建立了动车组牵引能耗仿真模型，编制开发了仿真软件。使用该软件，仿真计算CRH型动车组在实际线路运行时的能耗情况，通过与实际运营能耗统计数据对比分析，验证了计算模型的准确性。利用仿真软件开展动车组能耗研究，易于操作，可为高铁线路设计、节能降耗以及司机优化操作等方面提供参考。

高速动车组； 能耗； 仿真计算； 软件

高速铁路运输高产出、低污染，具有巨大的发展潜力。高速动车组能耗是高速铁路客运行业最重要的资源消耗，且与环境保护关系密切。科学计算动车组能耗对铁路发展和社会发展具有重要意义。由于技术条件不同、动车组运行状况千差万别，目前无论是管理实践还是理论研究对能耗的管理和预测都比较薄弱，基本停留在依据经验的水平，能耗定标受人为因素影响较大，缺乏科学性、权威性。因此，开展动车组能耗计算方法的研究是铁路运输迫在眉睫的需求。

1 国内外动车组能耗牵引仿真研究现状

通过分析国内外列车能耗方面研究成果发现，国外就动车组的能耗问题有较为系统的研究，而国内对铁路能耗的研究多见于内燃和电力机车，针对动车组能耗的研究较为少见。

随着计算机技术的不断发展，国内外已经将计算机仿真应用到列车牵引计算和操纵仿真领域。国外已开发出TPC(Train performance Caleulator)、RAILSIM、Trainstar和UTRAS等成熟系统。国内对于列车牵引计算仿真的研究起步较晚，但发展很快。从最初的人工计算，发展到现在的多质点列车模型为基础的自动计算，列车的运行模型也已经开始应用于列车自动运行和自动控制中。国内多质点牵引计算软件中，比较有代表性的是由铁科院研制开发的牵引电算软件。本文在铁科院原牵引电算软件研究成果的基础上，建立了动车组牵引能耗仿真模型，编制了能耗仿真软件。通过与实际

2 计算模型的建立

在研究过程中，将高速动车组的每一个车辆看作有长度的质点，动车和拖车间通过车钩缓冲装置连接，构成一个多质点力学模型，如图1。

图1 动车组系统力学模型

动车组系统中第i辆车可能的受力情况如图2。

图2 动车系统中单辆车(可能)受力示意图

由于对动车组牵引与制动进行仿真，仅考虑列车沿轨道方向的运动，在此只分析列车沿轨道方向的受力情况。整个列车系统所受的纵向力有：牵引力F、列车运行阻力W、列车制动力B。那么，列车的总合力C(单位：kN)为：

(1)

其中牵引力F的大小通过查取动车牵引特性曲线获得。列车阻力W按照阻力产生的原因可分为基本阻力W0和附加阻力Wj。基本阻力W0是列车运行过程中始终存在的阻力，它的大小与运行速度大小有直接关系。附加阻力Wj只是个别情况下发生的阻力，包括坡道阻力、曲线阻力及隧道附加阻力等。动车组的制动力B一般包括了空气制动力和动力制动力。与确定动车牵引力过程类似，动力制动力的大小也是通过查动车动力制动特性曲线来得到。

在运行过程中，高速动车组通过受电弓自接触网获取运行所需能量，除去能量传输过程中不可避免的损失和保证旅客乘坐舒适度的能耗外，运行能耗主要用于克服基本运行阻力做功、克服运行附加阻力做功和保证列车按规定速度运行做功，即：

(2)

式中E为总运行能耗；W基为单位距离内克服基本运行阻力做功，是高速动车组基本阻力W0与做功距离Δs的乘积，且W0为运行速度v的二次三项式；W附为单位距离内克服运行附加阻力做功，它与高速动车组运行中所处位置的坡度、曲线及其他线路因素有关；ΔE动为单位距离内高速动车组动能变化量，它与运行速度v的变化趋势有关；τ和η分别为单位距离内高速动车组的自身能耗和能耗转换效率。

3 仿真软件设计开发

本仿真软件的程序结构采用层次化、模块化、通用化的设计思想，降低了设计开发的复杂度并使设计步骤清晰，也有利于提高软件实用性、灵活性和可移植性。

3.1 软件开发原则

根据系统的特点，将本系统设计为应用层(界面显示、打印显示)、数据管理层和模型计算层。

图3 软件层次设计图

其中应用层为人机交互提供人性化的系统界面，通过参数设置将数据送给数据管理层，数据管理层将数据进行融合和处理，将数据发送给底层的模型计算层，模型计算层通过内部数学模型进行计算，将处理后的数据发送给数据管理层，数据管理层再进一步融合处理，将处理后的数据在发送给应用层，进行可视化的显示，为用户提供更直观的视觉效果。

根据系统功能，将软件划分为不同的模块，主要包括：机车车辆参数维护模块、线路参数维护模块、列车编组模块、曲线限速模块、标记文件维护模块、质量计算校验模块、停站设置模块、制动距离表计算模块、牵引模型计算模块、信息查看模块、结果显示模块、打印模块、参数设置模块、曲线显示模块、纵断面显示模块、控制台模块，数据管理模块等。

3.2 软件设计

系统运行流程如图4所示。

系统采用主框架加模块的设计方法，由CalTractionPrj工程统一进行管理，其他各个模块可根据需求集成至此工程中。并使用动态加载的方式调用模块，使得某个模块更新后，无需对主框架进行改变和编译，只需进行相应的二进制替换即可。系统框架的整体设计如图5所示。主框架工程通过调用维护模块(机车维护、车辆维护、动车维护、线路维护、编组维护等)与数据库进行交互，通过数据管理模块与实时计算显示模块(牵引计算模块、纵断面显示模块、控制台模块、编组显示模块、力监测模块等)进行交互。

图4 系统运行流程图

软件中各模块采用DLL封装的形式进行实现，对外留有输入输出接口，内部的具体实现不对外进行公开，在接口定好之后，可以进行独立开发、测试、维护，利于软件的开发，提高系统开发效率，降低后期系统维护成本。

在系统研发过程中，各个模块根据定义好的数据接口进行独立开发，在系统集成时，各个模块将统一与数据管理层的数据管理模块进行数据交换。如图6所示。

在界面设计方面，本软件为用户提供了舒适的操作平台和直观的显示效果。软件主操作界面由菜单栏、工具栏、功能列表和功能操作区组成，如图7所示。

4 模型验证

4.1 计算条件

列车条件：二阶段CRH2C型动车组。该车型是CRH2型系列动车组的派生车型，为8辆编组(6M2T)，最高运行速度为350 km/h。在引进的CRH2型动车组的基础上，对牵引传动、车体气密强度等方面做了重大改进，但头型方面依旧沿用了原车型设计。

线路条件：京津城际铁路。

4.2 仿真结果

采用CRH2C动车组在京津城际铁路下行线下行运行方向进行仿真计算，最高限制速度分别按照300,330,350 km/h进行，其中最高速度限制区段为K6+867～K107+305，其他区段限速依据线路工务数据。主要计算结果表1和图8～图12所示。

根据京津客运专线CRH2C动车组重车实际试验结果，一次直达运行的总能耗为2 897 kW·h，其平均值为590.6 (kW·h)/万tkm。按照辅助能耗与牵引能耗15∶100考虑，仿真计算结果与试验数据的比较如表2。

根据表2的数据比较可见，仿真计算结果与试验数据相比，差异在5%之内，由此可见，能耗仿真软件计算结果可以作为开展动车组能耗研究的参考。

图5 软件系统框架图

5 仿真应用

使用仿真软件，对实际动车组和运营线路进行能耗计算，可以分析动车组性能、编组情况、线路属性、运行状态等多种因素对能耗的影响。因篇幅有限，仅以不同停站次数对动车组运行能耗的影响为例，介绍本软件在动车组能耗仿真研究方面的应用。

根据中国铁路总公司运输局提供的武广线路信息及统计中心提供的能耗统计数据，通过仿真计算得到CRH2C型动车组在武广高速铁路最高速度分别为350 km/h和300 km/h时的能耗值，见表3。

分析表3的计算结果，可见：

图6 软件数据交换形式图

图7 软件界面示意图

最高限速/(km·h-1)平均速度/(km·h-1)总能耗/(kW·h)周转量/(万tkm)周转量/(万人km)万吨公里能耗/(kW·h)万人公里能耗/(kW·h)300234．11925．8392．5270．0330245．32205．84．97．1449．5309．2350251．52380．1485．1333．7

图8 最高限速300 km/h运行实时能耗图

图9 最高限速300 km/h运行时不同速度区间能耗占比图

图10 最高限速330 km/h运行实时能耗图

图11 最高限速330 km/h运行时不同速度区间能耗占比图

图12 最高限速350 km/h运行实时能耗图

图13 最高限速350 km/h运行时不同速度区间能耗占比图

牵引能耗/(kW·h)辅助能耗/(kW·h)运行能耗/(kW·h)万吨公里能耗/(kW·h)总能耗误差万吨公里能耗误差仿真计算值2380．13572737．1557．85．50%5．60%试验结果--2897590．6

表3 武广高铁CRH2C能耗计算结果

注：能耗计算结果中不含辅助用电。

(1) 对比停站1次时的总能耗和单位能耗，最高运行速度为300 km/h的总能耗和单位能耗比最高运行速度为350 km/h时降低了11.9%。

(2) 对比停站5次时的总能耗和单位能耗，最高运行速度为300 km/h的总能耗和单位能耗比最高运行速度为350 km/h时降低了12.5%。

(3) 对比最高运行速度为350 km/h时的计算结果，可见停站次数增加使总能耗增加了11.45%、万吨公里能耗增加了14.28%。

(4) 对比最高运行速度为300 km/h时的计算结果，可见停站次数增加使总能耗增加了10.75%、万吨公里能耗增加了10.77%。

由此可见，最高速度越高，停站次数增加对能耗的影响越大。因此在高铁线路设计中，在满足客流需求前提下，合理设计停站，可以有效节约能耗。

6 结束语

动车组牵引能耗仿真计算是研究高速动车组线路设计、列车设计、运输管理等问题的关键技术和有力手段，能有效进行能耗的精细化管理和预测。本文建立的动车组牵引能耗仿真计算模型合理可靠，仿真计算结果与试验结果有良好的一致性。然而，随着高速动车组的快速发展，动车组制动模式的多样化，需结合生产厂家，针对不同动车组的牵引制动特性，进行深入仿真研究。以动车组牵引能耗计算程序为基础，继续进一步完善计算模型，补充相关基础数据库。

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Development of EMU Traction Energy Consumption Simulation

WANGYuexian

(Railway Science and Technology Research and Development Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

According to longitudinal dynamics theory, the EMU energy consumption simulation model is built and the software is developed in this paper. Using this software, the energy consumption of CRH EMU running on railway is simulated. Comparing with energy data of railway administrations, the model is proved accurate. Simulating EMU energy consumption by software is easy and reliable. The results can provide theoretical reference for high-speed railway designing, reducing energy consumption and optimization of driver-operated.

EMU; energy consumption; simulation; software

��)女，助理研究员(

2016-06-08)

1008-7842 (2016) 05-0033-07

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.07

运营能耗统计数据对比分析，验证计算模型的准确性。应用仿真软件，对实际动车组和运营线路进行能耗计算，可以分析多种因素对能耗的影响，是开展动车组能耗研究的有效手段。