铁路运输

王万岗，吴广宁，高国强，等

高速铁路弓网电弧试验系统

王万岗，吴广宁，高国强，等

目的：高速动车组通过弓网电接触获取电能。随着动车组运行速度的增加，受轨道不平顺、接触网波动以及受电弓弓头振动等因素的影响，弓网电接触状态严重恶化，使得弓网电弧频繁发生，弓网电弧对接触网导线、受电弓滑板侵蚀剧烈，严重影响受流质量，制约动车组速度进一步提升，因此有必要对弓网电弧进行系统研究。方法：弓网电弧试验系统常采用盘销式结构，该结构模拟的弓网接触为刚性圆弧点接触，与实际线路的柔性平直线接触存在着差异，为克服上述不足，研制了一套弓网电弧试验系统，该系统能够模拟弓网柔性平直线接触状态，滑板“Z”字形运动，垂向沉浮运动等弓网运动状态。具体方法是：接触网导线安装在主动轮和从动轮的导线槽上，通过电机控制系统控制电机运动，电机带动主动轮运动，接触网导线带动从动轮运动，处于主动轮和从动轮之间的导线始终保持平直运动状态，这与实际动车组中的接触网导线和受电弓滑板在水平方向上的接触状态更为接近，通过调节电机的转速，可实现不同机车速度的模拟；接触网导线和受电弓滑板除纵向相对高速滑动外，还存在着横向的“Z”字形滑动。同时由于接触网导线硬点、列车振动等因素的影响，弓网系统还存在垂向沉浮运动。为模拟弓网运动关系，利用伺服控制与滚轴丝杠驱动相结合来控制受电弓滑板运动。其详细结构：纵向（X）位置滚轴丝杠安装在底座上，形成X滑台，在丝杠的末端安装调节手柄，以实现受电弓滑板纵向位置的调节。横向（Z向）的滑台安装在X向滑台上，Z向滑台的驱动采用伺服电机驱动，垂向（Y向）滑台安装在Z向滑台上，Y向滑台也采用伺服电机驱动，Y向滑台的上方安装一个气缸，气缸上方安装绝缘板，绝缘板的上方安装受电弓滑板。其工作过程为：根据试验要求，调节手柄到合适的位置，伺服控制系统控制伺服电机运动，伺服电机带动丝杠转动，实现在Z方向作“Z”字形运动，在垂向（Y）可以模拟弓网纵向沉浮运动，通过调节气缸的气压，实现弓网不同接触压力模拟。结果：利用弓网电弧试验系统进行弓网电弧试验，发现随着压力的增加，接触电阻减小，当接触压力达到80 N以上时接触电阻的降低幅度变缓，弓网接触压力在70～80 N时处于拐点位置，在该接触压力下有利于受流，该结论与现行规范中的结论相符；弓网燃弧，弓网电弧电压、电流波形畸变严重，存在直流分量和谐波成份，电弧电流具有明显的零休现象，电弧电流波形在电弧起弧瞬间存在着明显的过冲；对比分析了本文所研制的弓网电弧实验系统、传统盘销结构电弧试验系统与高速动车组运行时弓网电弧图像，发现盘销结构电弧的弧根沿着圆盘边缘分布，而本文研制的试验系统和高速动车组的电弧弧根却是沿着接触网导线，二者相似度更高。结论：根据实际运行工况，本文研制了一套弓网电弧试验系统，该系统具有如下特点：（1）接触导线与受电弓滑板之间为平直、柔性线接触状态，与实际接触方式一致；（2）可模拟弓网之间的“Z”字形相对滑动和垂向振动；（3）可以实现接触网导线张力调节，模拟不同张力下的弓网振动状态。本文研制的弓网电弧试验系统可以反映实际运行状态的弓网电弧，可为弓网电弧研究提供试验基础。

来源出版物：铁道学报, 2012, 34(4): 22-27

入选年份：2015

高速列车气动阻力分布特性研究

姚拴宝，郭迪龙，杨国伟，等

摘要：目的：当列车运行速度达到300 km/h时，空气阻力占总阻力的75%以上。列车的头车、中间车、尾车以及在空调整流罩、受电弓、车厢连接处、转向架等部位的气动阻力不同。通过对列车各部分气动阻力的分解，可为找到减阻途径提供帮助。本文针对八辆编组的CRH3型动车组实际外形，利用通用商业软件STAR-CCM＋，采用大规模并行计算方法，分析了列车各部件对整车气动阻力的贡献量。方法：利用通用商业软件STAR-CCM＋，采用分区域划分正交六面体网格的方法，每辆车为一个区域，网格量约为2000万，对车体、转向架、受电弓及尾流区进行网格加密，总网格量约为1.6亿。采用定常雷诺平均有限体积计算方法数值求解三维可压缩N-S方程，湍流模型为k-wSST模型；为控制边界层的网格数量并保证计算精度，在壁面处使用了标准壁面函数。列车运行速度为350 km/h，进口、出口及外场均设置为远场无反射边界条件，为模拟地面效应，将地面设置为移动地面，移动速度与来流速度相等。依托中国科学院力学研究所的计算平台进行数值计算，使用256个CPU，计算用时约150 h。结果：在明线、无侧风、车速为350 km/h的运行条件下，从列车切片阻力系数分布可以看出：在头车、尾车、车厢连接处、受电弓和空调整流罩及限压电阻区域，整体流场分布不均匀，导致压力波动很大，列车阻力增加，在列车的减阻优化过程中，应使车身尽量光滑。对于整列车，摩擦阻力占列车总气动阻力的24.7%，压差阻力占列车总气动阻力的75.3%。头车和尾车气动阻力占列车总气动阻力的31.5%，且主要表现为压差阻力，头型减阻设计成为高速列车气动设计的主要问题之一。转向架系统的气动阻力占列车总气动阻力的27.4%，且第一个转向架的气动阻力远大于其它转向架，由于地面效应的影响，压差阻力占转向架气动总阻力的97.9%。车厢连接处气动阻力之和占列车总气动阻力的19.1%，车厢连接处前半部分的气动阻力系数远小于后半部分的气动阻力系数，且前半部分的气动阻力系数均为负值，即为推力，可考虑通过安装全封闭风挡来改善连接处的流场结构。空调整流罩气动阻力占列车总气动阻力的7.6%，限压电阻区域所受气动阻力占列车总气动阻力的3.3%，受电弓系统总气动阻力占列车总气动阻力的12%。各附属部件的气动阻力主要表现为压差阻力，可考虑通过优化导流罩等方式改善该区域的流场特性，达到减小压差阻力的目的。结论：通过对CRH3型动车组八辆编组外形的数值计算，对列车各部位的气动阻力进行了对比分析，得到了各部位的气动阻力对列车总气动阻力的贡献量，分析了各部位区域的流场特性和引起气动阻力的主要原因，并对各部位的气动减阻思路提出了建议。

来源出版物：铁道学报, 2012, 34(7): 18-23

入选年份：2015

数据驱动的高速列车子空间预测控制

衷路生，颜争，杨辉，等

摘要：目的：高速铁路具有速度高、运力大、能耗低、污染轻、安全正点等诸多技术经济优势，成为世界各国优先发展的绿色交通工具。然而，随着列车运行速度的提高，列车与接触网、轨道、空气的相互作用明显加剧，给高速列车的建模与控制带来新的挑战。为了保障高速列车安全、平稳运行，迫切需要开展适合高速列车有效建模和控制的基础研究。本文提出数据驱动的高速列车子空间预测控制方法。方法：借鉴子空间辨识的思想，本文直接利用列车运行的观测数据完成高速列车的动力学建模与子空间预测控制器设计。首先构建了基于状态框架的高速列车多变量动力学系统；然后直接由输入输出数据设计了高速列车的子空间预报模型；最后分析高速列车子空间预测控制器的设计方法，并给出相应的预测控制算法。结果：以京沪高速铁路运营的CHR2-300型高速列车为对象进行数值仿真实验。编写数值程序模拟了该型号高速列车站间的牵引—恒速—惰行—恒速—牵引—恒速—惰行—制动的运行工况。分别采用本文的方法、文献的方法以及有模型子空间方法进行350 km/h高速环境下多目标（速度、位移、加速度）控制的对比仿真实验，实验结果如下：（1）速度/位移的跟踪结果。本文方法得到的速度/位移曲线在高速列车整个运行过程几乎与期望的速度/位移曲线重合，而另外两种方法在启动和制动过程存在一定的速度/位移跟踪误差。因此，高速列车速度控制的难点在列车启动和制动过程，这符合高速列车的实际。（2）加速度跟踪的结果。本文的子空间无模型辨识方法在列车整个运行过程均能高精度地跟踪加速度设定值，能够满足旅客对乘坐舒适度的要求，而另外两种方法的加速度跟踪存在较大误差。（3）高速列车的牵引力结果，本文方法在启动阶段给出的牵引力满足恒牵引力启动、恒功率运行要求，在各个工况切换阶段，牵引力/制动力以一定的倾斜度逐渐变化，而其他两种方法在工况切换阶段的牵引力/制动力变化率较大，因此本文方法得到的牵引力/制动力变化更加缓和，从而满足乘客舒适性要求。（4）误差统计分析。具体的误差统计量为速度/位移/加速度的最大值、最小值、均值、方差。本文方法和其余两种方法的速度跟踪误差最大值分别为0.6110、80.4080、27.4171，3种方法的误差均值依次为0.0033、6.7308、3.9169，3种方法的误差的方差分别为0.0312、13.9614、8.2506。说明本文方法的速度跟踪的精度高、误差波动小。位移/加速度的跟踪误差与速度跟踪误差的结果类似。结论：针对高速列车运行过程的强非线性、多变量耦合、强随机干扰等复杂特征，提出了数据驱动的子空间预测控制方法。在状态空间框架下构建了高速列车的多输入多输出动力学系统。借鉴子空间辨思想，无需估计状态空间模型具体参数矩阵，设计了高速列车的子空间预报模型。然后给出了高速列车子空间预测控制器的详细设计方法。最后进行了高速列车的牵引—恒速—惰行—恒速—牵引—恒速—惰行—制动的等工况的数值仿真实验，结果表明本文方法的有效性。

来源出版物：铁道学报, 2013, 35(4): 77-83

入选年份：2015

面向我国低密度线路的列车运行控制系统

王剑，靳成铭，蔡伯根，等

摘要：目的：CTCS（Chinese Train Control System）不同等级的列车运行控制系统能够适应我国大部分铁路线路的实际需求，但其建设、运营、维护成本难以满足我国低密度线路的特殊要求。本文结合ITCS（Incremental Train Control System）在青藏线格拉段的实际建设情况，分析了我国低密度线路对列控系统的需求和关键技术，提出了一种面向我国低密度线路的列车运行控制系统总体方案。方法：我国中西部地区是低密度线路的主要应用区域，其列控系统在保障行车安全、提高运输效率的基础上还应具备低成本、低维护、少地面设备、兼容性、通用性的特点，并且支持跨线运营和客运货运混合运输。本文提出的面向我国低密度线路的列控系统CTCSLDL（Chinese Train Control System for Low Density Line）技术方案中，列车定位和列车完整性检查均有基于卫星定位技术的车载设备完成，车地信息传输采用GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway）无线通信，地面可取消轨道电路、应答器、信号机等轨旁设备。结果：CTCS-LDL列控系统地面设备由无线闭塞中心RBC（Radio Block Center）、计算机联锁CBI（Computer Based Interlocking）、CTC（Centralized Traffic Control）、临时限速服务器TSRS（Temporary Speed Restriction System）、差分基站、GSM-R等设备组成。其中，TSRS统一管理整个线路的临时限速命令，接收来自CTC中心的临时限速指令，并转发给相应的RBC。RBC通过GSM-R接收列车发送的定位、轨道占用信息，同时接收联锁进路等信息，最终生成行车许可，通过GSM-R将行车许可、线路参数、临时限速传输给CTCS-LDL车载设备。RBC还接收管辖范围内车站差分基站发送的差分改正信息，并将信息转发给差分基站有效覆盖范围内的车载接收机，完成差分定位，提高列车定位精度。CBI只采集/控制站内道岔，区间轨道区段占用信息由RBC根据列车所处的区段判定。CTC保持既有设置不变。CTCS-LDL车载设备由列首设备和列尾装置组成。列首设备基于CTCS-3级列控系统车载子系统方案，由核心计算机VC（Vital Computer）、列车测速测距单元LDS（Localisation Determination System）/完整性检查列首设备HOT（Head of Train）、无线通信管理单元CMU（Communication Management Unit）、列车接口单元TIU（Train Interface Unit）、人机交互单元DMI（Driver Machine Interface）、司法记录器JRU（Juridical Recorder Unit）、轨道电路接收器TCR（Track Circuit Reader）、应答器传输模块BTM（Balise Transmission Module）、列车运行监控装置LKJ组成。列尾装置具备目前货车所用列尾设备的功能，并由非安全设备上升到安全设备级别。列车测速测距单元完成列车的连续定位功能。列车完整性检查设备与列尾装置配合，完成列车完整性检查，并及时通过CMU发送到地面，用于RBC计算移动授权的依据。VC根据地面播发的移动授权计算列车速度曲线，完成列车控制。DMI用于显示列车状态、控制信息给司机，便于司机完成驾驶功能。TCR、BTM和LKJ则同既有列控系统相同，主要用于既有线路区段行车，在新建的CTCS-LDL列控系统线路上，TCR和BTM不参与控车。CTCS-LDL列控系统车载列尾装置与列首设备间的无线通信可采用GSM-R方式，450 M作为后备方式。列尾装置由无线通信管理单元、GNSS/惯性传感器组合定位模块、风压检测模块组成。其中，风压检测模块兼容目前列尾装置风压查询、告警等功能，GNSS/惯性传感器组合定位模块完成列车尾部绝对位置的确定，并及时将定位信息通过450M/GSM-R无线通信网络发送给HOT，完成列车完整性检查。结论：基于卫星导航系统的组合定位方式是列车定位技术的发展趋势，也是我国CTCS列控系统的发展方向。本文介绍了国外卫星定位技术在列控系统的应用现状，通过对面向我国低密度线路的列控系统需求和关键技术分析，提出了一种符合我国低密度线路要求的CTCS-LDL列控系统总体方案。

来源出版物：铁道学报, 2015, 37(12): 46-52

入选年份：2015

基于计算机视觉的接触轨检测车振动补偿方法及应用

占栋，于龙，肖建，等

摘要：目的：接触轨检测车是进行地铁接触轨几何参数动态检测的重要设备。安装于检测车中的传感器以车辆作为参考基准，接触轨几何参数测量结果要求以轨道作为参考基准，如何将以车体作为测量基准的动态检测结果归算到轨道基准，是车载接触轨几何参数动态检测面临的重要难题。本文利用计算机视觉测量技术，建立接触轨几何参数动态测量模型，通过车辆多自由度振动测量误差补偿，实现接触轨几何参数高精度动态测量。方法：分析不同工况和线路条件下接触轨检测车振动特点，研究不同类型振动对接触轨几何参数动态检测结果影响规律，提出采用计算机视觉技术对接触轨几何参数动态测量误差进行补偿。研究多视觉传感器共面标定算法，选择以车体作为统一基准进行传感器标定，以轨距、轨道延伸和轨面法线方向建立测量基准，综合考虑摄像机镜头畸变及传感器现场安装环境，基于非线性成像模型及最小二乘数值计算方法，获取描述测量系统成像模型的参数矩阵。结合车辆静态初始标定及动态测量特征点在线跟踪，将以车辆作为测量基准的检测数据统一归算到轨道中心测量基准，实现接触轨几何参数动态测量误差补偿。结果：选取广州地铁4号线K20＋100至K20＋400之间300 m平直线路作为试验测试区间。检测车以60 km/h速度在该试验区间运行，分别获取轨高、轨偏值振动补偿前、补偿后数据，同时每隔5 m人工持接触轨测量尺进行复核。采用随机数据分析方法，将人工测量数据作为数学期望，分别计算振动补偿前、补偿后接触轨检测数据与人工实测数据的方差，以人工测量数据为基准，通过比较方差大小来评价补偿前、补偿后测试结果分别在人工测量值左右波动范围，进而评判检测精度。由测试结果可知：（1）未加补偿，轨高、轨偏值均值分别与人工实测均值相差5.8 mm和－7.1 mm；（2）加补偿，轨高、轨偏值均值分别与人工测量均值相差0.13 mm和0.3 mm；（3）加补偿后轨高和轨偏值与人工测量值基本重合；（4）将人工测量数据作为接触轨真实值，并将其作为数学期望进行分析，采用振动补偿，检测数据较未加振动补偿更接近于真实值。结论：以接触轨作为供电方式的地铁线路在国内已形成一定规模，要实现接触轨定期综合检测，人工很难满足现实需要。研制精准的接触轨几何参数动态测量系统，定期对其进行在线检测，是保证牵引供电系统正常运行的重要手段。接触轨动态测量难点在于车体振动补偿，将计算机视觉测量技术应用于接触轨检测领域，替代传统补偿方式，能够对轨道和接触轨特征点进行准确跟踪和在线测量，同时结合最小二乘标定方法，实时计算车体相对于轨道偏移量，能够有效降低振动对检测数据的影响，提高整个系统测量精度。

来源出版物：铁道学报, 2013, 35(1): 25-30

入选年份：2015

高速道岔关键技术试验研究

王树国，葛晶，王猛，等

摘要：目的：岔区轨道刚度合理取值及均匀化技术、尖轨降低值优化技术、转辙器运动学轨距优化技术、侧线线型设计技术是影响动车组直、侧向过岔平稳性的关键技术，目前该领域文献多限于理论研究，缺乏试验验证。本文基于铁科院对各型号道岔进行的综合试验，通过对试验数据的整理分析，进一步阐述高速道岔关键技术，为高速道岔结构优化、标准制定等提供技术支持。方法：选取位于遂渝、武广、京津、京沪和郑西等不同线路的客专线、CN和CZ 3个系列高速道岔，通过动力学测试的方法，对比分析高速道岔技术的实际应用效果。利用测试岔区不同区段、不同类型的垫板所在位置的钢轨垂向位移和轨道刚度，考核不同轨道刚度对道岔钢轨垂向位移量值的影响及刚度均匀化实际效果；利用测试轮轨垂直力在尖轨和基本轨上的过渡范围和过渡比例，考核不同尖轨降低值及制造误差对轮载过渡和行车平稳性影响；利用测试各类安全指标的差异，验证轨距加宽对脱轨系数、轮重减载率及行车平稳性的影响；利用测试车体侧向过岔时的水平、垂向加速度，验证道岔侧线线型对行车平稳性、稳定性的影响。结果：从高速道岔综合试验的数据中可以看出：（1）为保证旅客乘坐舒适性，必须结合采用扣件特点选择合适的岔区轨道刚度，无砟道岔扣件系统刚度取值合理范围为15～30 kN/mm。刚度均匀化在理论上可以实现，但实际上受到施工质量以及道岔精调状态等因素的影响。（2）尖轨相对于基本轨的降低值决定了轮轨垂直力在尖轨和基本轨间的过渡范围及过渡比例，并直接影响列车过岔平稳性，降低值过大会严重影响道岔平顺性及降低行车平稳性；合理的降低值设置应使尖轨在轨头宽10～20 mm范围内开始承受垂直力，在轨头宽度30～50 mm处完成过渡，承受100%垂直力；在道岔制造中，尖轨降低值误差应严格控制在1 mm以内，在维修中应关注降低值对行车平稳性带来的影响。（3）采用运动学轨距优化技术的CN系列道岔和采用尖轨降低值优化技术的客专线系列道岔实测脱轨系数、减载率和轮轴横向力相当，证明是否采用运动学轨距优化技术对道岔平顺性无显著影响，客专线道岔不采用运动学轨距优化技术是有试验数据支撑的。（4）动车组侧向通过42号和62号道岔的车体水平加速度随速度的提高呈上升趋势，实测最大值小于维修规则中Ⅲ级限值1.5 m/s2，符合技术条件的要求，和设计预期一致。结论：通过对各型号道岔进行的综合试验，可以得到以下结论：岔区轨道刚度应合理取值，刚度均匀化在理论上可以实现，但实际上受到施工质量、道岔精调状态等因素的影响；尖轨降低值通过影响轮载过渡范围和比例严重影响道岔平顺性和行车平稳性，应严格控制。运动学轨距优化技术对行车平稳性和安全性指标无明显改善；客专线42号和62号道岔的侧线线型满足行车平稳性、稳定性的要求，实测加速度值位于维修规则Ⅱ级和Ⅲ级限值之间。

来源出版物：铁道学报, 2015, 37(1): 77-82

入选年份：2015