动车组牵引能耗仿真系统设计与实现

颜治平

（西南交通大学 信息化与网络管理处，成都 610031）

由于高速铁路具有高运载能力、速度快、安全性好和舒适方便等优点，从而得以大规模建设并投入运营，并在交通运输中发挥越来越重要的作用[1]。据相关统计数据,列车运行能耗是构成轨道系统运营总能耗的主要部份；其中，牵引动力系统能耗占列车运行过程中总能耗的70%～85%以上[2]。

在能耗测算模型方面，王铁成分析了高速列车运行能耗测算的3种方法，即能耗曲线测算方法、牵引功耗测算方法及经验公式法[3]。薛艳冰等人通过分析列车牵引能耗的影响因素,提出按照5种牵引过程,分别计算各区段能耗的计算方法[4]。

列车牵引仿真系统根据应用需求的不同，研制目标也有不同的目标。国外比较成熟的牵引仿真系统，有北美的TPC和RAILSIM系统,欧洲的Trainstar系统，日本的UTRAS系统等[5]。国内研究包括西南交通大学开发的高速动车组牵引仿真计算系统、北京交通大学与香港理工大学共同研究和开发的GTMSS系统[6]，中国铁道科学研究院集团有限公司开发的高速动车组牵引制动仿真系统[7]。

动车组在运行过程中主要有牵引、惰行和制动等工况，每一种工况下动车组的受力和引起的运行状态都不同。线路条件的变化和运行工况直接影响动车组的受力情况，而动车组的受力变化会影响动车组当前的运动状态。因而，动车组生产厂商在设计动车组的动力子系统时，需要对动车组在不同的轨道线路条件下进行牵引能耗仿真，根据仿真的结果适当的调整设计方案。铁路局集团有限公司用户在购买动车组前，也需要对不同的动车组进行牵引能耗仿真，在动车组满足性能需求的情况下比较各型动车组的能耗量。

目前的列车牵引仿真系统在工况定义上存在或多或少的简化。对于动车组生产厂商和铁路局集团有限公司用户，在进行动车组的牵引能耗仿真时，常会遇到以下4个方面的难点：

（1）国内的动车组车型有多种，车辆参数需要动态设置；（2）国内的高铁线路工况复杂，仿真时需考虑各种线路条件；（3）需要防止动车组超速，要考虑停车制动、限速区间制动；（4）仿真车辆的到站停车控制精度不好控制。

本文针对以上4个难点，依据动车组车型、运行速度、停站次数和线路特征等因素，结合动车组牵引、巡航、惰行和制动的操纵模式，建立动车组运行能耗仿真模型，对动车组牵引能耗计算进行仿真分析，搭建动车组牵引能耗仿真系统，从而有效地支持动车组动力子系统方案设计和节能运行控制。

1 仿真模型

动车组牵引能耗仿真计算以动车组牵引、制动特性参数为设计变量，以运营时间和能耗为目标，以线路限速、坡度、曲线半径等线路情况为仿真约束。其中，牵引、制动特性参数决定了列车的加速、减速性能。根据牵引运行特点设计牵引能耗仿真计算流程，如图1所示。

1.1 参数输入及预处理

参数预处理阶段根据输入列车结构参数、性能参数、线路数据、列车牵引和制动性能要求，对列车牵引电机结构、性能参数和制动系统结构性能参数等进行预处理，计算生成牵引、制动特性曲线，即获得牵引力与速度关系和减速度与速度关系。

1.2 牵引能耗仿真计算及参数反馈

动车组牵引能耗仿真阶段，根据预处理得到的列车结构、性能参数和线路数据等，分析牵引运行策略、计算制动点，计算并调整列车运行曲线，利用牵引仿真计算模型对应的算法估算运营时间和能耗，判断加、减速度是否符合设计要求，若不符合要求则反馈到预处理步骤对牵引和制动系统结构性能参数进行调整。

其中，运行策略分析是能耗仿真的关键环节。本文牵引计算模型通过判断线路类型选择恰当的计算策略，采用“惰行+制动”运行策略解决高速电制动长大下坡问题。牵引仿真计算中制动点计算的准确度影响列车减速和停车进站的计算精确度，是牵引仿真计算的关键[8]。本文采用基于误差评价的位移逼近算法和变步长迭代逼近法求解牵引曲线和制动曲线交点，该交点即为列车制动点。

根据上述对列车受力及牵引仿真中关键问题的分析设计牵引仿真计算模型，采用最快速牵引策略计算列车运行曲线[9]，得到列车运营时间和运营能耗。根据得到的仿真结果，评价列车牵引、制动系统参数设计是否满足加速度、减速度的设计要求及运营时间、能耗要求。若不满足，则将参数反馈到参数输入及预处理阶段，由设计师修改设计参数， 进行仿真计算，直到满足设计要求。

图1 牵引能耗仿真流程

1.3 结果输出

结果输出阶段接收牵引仿真计算得到满足设计要求的计算结果，输出列车运行时间、能耗、列车运行曲线等仿真结果并实现可视化的要求。

2 系统设计

2.1 系统架构设计

牵引能耗仿真系统采用分层结构设计，系统易于维护，具有良好的扩展性。系统架构，如图2所示。

图2 系统架构

2.2 系统功能设计

为了实现牵引能耗仿真模型，实现完整的高速动车组运行过程和能耗的仿真，系统需要管理仿真计算所需的数据，根据数据和设定的参数进行仿真计算，仿真结果以数据和图形的方式输出给用户。

系统功能模块，如图3所示。

图3 系统功能

2.3 数据设计

根据系统功能设计中对数据管理和仿真计算的功能要求，需要对系统涉及的数据进行定义。系统管理的数据包含基础数据、运行参数数据、计算数据等3类数据。

2.3.1 基础数据设计

基础数据包含高速铁路线路数据、动车组基础数据、动车组牵引特性数据和动车组减速度曲线数据，这些数据是牵引能耗仿真计算的基础数据来源。

（1）线路数据描述整条轨道线路状况，除了线路坡道信息、曲线信息、限速信息、过分相信息、桥梁信息和隧道信息等线路相关信息。线路数据为动车组牵引能耗仿真提供运行环境设置，系统可以通过导入Excel数据的方式对线路数据进行动态设置。

（2）动车组基础数据包含列车最高运行速度、编组型式、电机数量、传动比、电机特性和列车载重等列车相关参数。可以通过对列车的速度、编组、载重等关键信息的调整，仿真各类动车组在不同的工况下的牵引运行能耗。

（3）动车组牵引特性数据包含动车组的恒功转折点车速、恒功转折点牵引力和再生制动失效点等信息。

（4）动车组减速度曲线数据包含动车组类型、制动级别、结束速度、开始速度、系数项、常数项等信息，对不同动车组的制动系统控制减速度曲线数据进行管理。

2.3.2 运行参数设计

运行参数包含计算步长、上下行线路选择，起始车站定义、停站配置等参数。计算步长参数是仿真计算时线路的最小计算步长距离，系统提供了1 m、5 m、10 m、20 m等多个选择，步长提供了仿真计算时计算的精度和速度，步长越短，仿真结果越准确，但计算消耗的时间越长。上下行线路选择提供对线路的上行、下行的选择，根据上下行的选择决定了列车运行的方向。停站配置可以设定仿真线路沿线的车站停靠信息。

2.3.3 计算数据设计

根据定义的基础数据和设置的运行参数，系统进行仿真计算。在仿真计算过程中，需要设计计算过渡数据和计算结果数据。

（1）计算过渡数据包含每个步长间距内各种线路条件下的列车速度、牵引能耗的数据。

（2）计算结果数据是牵引能耗仿真的计算结构，包含在设定的运行区间内，列车的运行时间、运行速度、能耗和再生能耗数据。

3 系统实现

3.1 系统技术实现

根据以上的系统分析和系统设计，本文开发的仿真系统采用Tomcat 8作为Web服务器，采用Oracle 11g数据库管理数据，使用MyEclipse 2017作为开发工具，使用Java语言进行编程，开发出基于Web的牵引能耗仿真系统。

系统后台设计基于SSM框架搭建[10]。SSM框架是一个由Spring、SpringMVC、MyBatis这3个开源框架整合而成的基于MVC设计模式的框架，是Java 后台开发的主流框架，可将页面显示、业务逻辑和数据库访问进行分离。SSM框架使用Spring MVC负责请求的转发和视图管理，Spring 实现业务对象管理，MyBatis 作为数据对象持久化引擎。

系统前台在使用JSP的基础上，采用layui框架和jQuery框架实现用户界面设计和用户交互，使用纯JavaScript图表库Highcharts作为绘图引擎进行数据的可视化展示。Highcharts数据可视化需要在后台的SSM框架中准备好数据，通过Ajax将Json数据传送到前台页面，填充到Highcharts中展示出来。

3.2 实例验证

以某型动车组为仿真车型，以具有坡度超过10‰长大下坡区间的成达线为线路输入进行实例验证。区间全长187.577 km，共5个车站，列车满载重量为409.2 t，最高运行速度200 km/h，半磨耗轮径825 mm，传动比为4.136。

根据输入参数中整车重量、最高运行速度等性能指标设计电机额定功率为450 kw，启动扭矩为2 300 N·m，再生制动功率为250 kw，再生制动扭矩为4 000 N·m，进行仿真，牵引能耗仿真计算得到列车平均加速度及不同速度等级下制动距离、运营时间和运营能耗。通过结果评价，发现加速度不满足要求，需降低电机功率及扭矩。根据参数反馈重新设计列车参数，设计电机功率为345 kw，启动扭矩为2 000 N·m，再生制动功率为222 kw，再生制动扭矩为3 300 N·m，进行牵引仿真。结果显示列车牵引、制动性能满足设计标准，长大下坡段列车运行速度低于线路限速，仿真计算停车点与车站里程值平均误差小于3 m，满足误差要求。仿真结果的曲线，如图4所示。

图4 达州—遂宁牵引能耗仿真结果

该仿真结果与成达线实际运行结果吻合，尤其是长大下坡的模型对能耗的准确性有较大地提升，证明本仿真系统能很好地支持动车组动力子系统方案设计和运行实验。

4 结束语

本文对动车组牵引能耗仿真系统的需求进行了分析，对仿真系统的总体架构、功能模块及数据结构的设计进行了说明，最后以达成高铁实际线路数据为例对系统进行了验证，证明了技术的可行性。高速动车组牵引能耗仿真系统的设计与实现能够映射高速列车运行状态及牵引能耗与列车工况、运行线路区段之间的关系，这为动车组的动力子系统方案设计及动车组的能耗估算提供有效的工具。