动车组仿真运行系统预减速方案设计与实现*

2021-11-19张桂南

铁道机车车辆 2021年5期

刘洋，贾冰，张桂南

（中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081）

动车组仿真计算在动车组及机车操作方案优化，既有线路提速方案模拟、运行图技术参数确定等方面有着广泛的运用。《列车牵引计算》［1］规定了列车牵引计算的基本要求和计算方法。近年来，主机厂、高校、研究机构纷纷利用计算机编程手段开发了列车仿真计算软件［2-4］，能够对列车制动过程进行仿真［5-7］。文中提出一种针对动车组的自动减速控制方案，能够对减速场景进行判断，自动实现减速控制。

1 目标距离曲线算法分析

列车自动防护系统（Automatic Train Protec⁃tion，简称ATP）［8］的防护曲线是一种目标距离模式曲线，以目标速度、目标距离、线路条件、列车特性为基础计算得到的［9］，如图1 所示。

图1 距离目标曲线示意图

以动车组为例，动车组在运行过程中，合力持续变化，加速度、速度都随之变化，因此采用固定步长的方法对ATP 曲线进行计算，如时间步长、距离步长、速度步长等。

动车组单位合力计算公式可表示为式（1）：

式中：F为动车组单位合力，N/kN；f为动车组单位牵引力或制动力，N/kN；w′0为动车组单位运行基本阻力，N/kN；wj为动车组单位加算附加阻力，N/kN。

考虑轮对、电机等转动物体的耗能，动车组加速度的计算公式为式（2）：

式中：a为动车组加速度，m/s2；γ为回转质量系数。

固定时间步长的方法就是把整个动车组制动的过程等分为若干个时间段∆t。在∆t时间内，动车组所受合力恒定，动车组的速度增量∆v为式（3）：

2 预减速方案设计

要实现动车组仿真运行中自动减速，需要对减速的场景进行识别，同时采取合适的制动操作。文中提出预减速方案分为3 个环节：预减速场景发现，减速曲线计算，减速控制算法设计。

仿真开始前，根据线路、动车组性能确定需要预减速的终点位置；以计算出的位置为起点根据目标—距离模式曲线的算法反向计算出减速曲线；动车组仿真运行过程中，实时判断与减速曲线的关系，采取相应的制动控制策略。

2.1 预减速场景发现

动车组实际减速度为式（6）：

式中：βj为动车组减速度，m/s2；β为动车组施加制动力的减速度，m/s2。

根据式（6）可得出，动车组制动施加过程中，当βj>0，动车组减速运行；当βj<0，动车组速度上升，此时说明动车组控制系统施加的制动力小于外界影响力（如坡道下滑力）。

判断动车组是否需要施加制动，主要取决于动车组实际速度与目标速度之间的关系，为式（7）：

式中：a目标为动车组目标加速度，m/s2；v目标为线路限速或仿真时的指定运行速度，m/s；v实际为动车组实际运行速度，m/s。

在a目标<0 的情况下，动车组需要进行减速控制。根据式（7），当βj>|a目标|，动车组能够在单位时间∆t期间实现速度控制；当βj<|a目标|，单位时间∆t内的制动力施加不能够满足降速要求，动车组需要提前减速，使速度逐步下降以满足需求。综合βj<|a目标|的多种情况，文中定义动车组预减速场景包括以下几个方面：

（1）制动停车。通常动车组需要进站停车时，需要提前减速使得动车组车速逐步减小，最终在停车点的速度为0 km/h，如图3 所示。

图2 ATP 防护曲线反算示意图

图3 制动停车场景示意图

（2）限速降低。线路中存在限速变化，在限速降低时，需要提前减速控制，使得在限速变化点的速度刚好等于降速后的速度，如图4 所示。

图4 限速降低场景示意图

（3）坡道超速。对于重载动车组编组或动车组惰行过分相期间，当遇到坡度较大的下坡道时，存在βj<0 的情况，容易出现超速，需要通过预减速控制，如图5 所示。

2.2 减速曲线计算

如何计算生成图3～图5 中期望的速度变化曲线。定义减速曲线c是一条从制动起点位置p0到制动终点位置p′0的目标距离曲线。减速曲线c中的每一个点包含着动车组位置p、速度v、制动级位b的信息，即c={(p0，v0，b0)，(p1，v1，b1)，(p2，v2，b2)，…，(pi，vi，bi)，…，(p′0，v′0，b′0)}。

理想情况下动车组以限速运行，所以起点位置的制动初速度v0等于线路限速。在停车制动场景中，制动控制的终点位置p′0是车站中心位置，制动末速度v′0为0。在限速降低场景中，制动终点位置p′0是限速变化位置，制动末速度v′0为变化后的限速。对于坡道超速场景，要保证在坡道内全程不超速，所以制动的终点位置p′0是坡底位置，制动末速度v′0等于线路限速。

司机在实际操作中，往往不同速度制动对应不同制动级位，即存在速度v、制动级位b的对应关系Map。以p′0作为计算的起点位置，根据速度v′0、制动级位b′0，对每个单位时间进行迭代计算，直到计算出的前一时刻速度等于减速起点的速度v0，在该速度下的位置即为起始点位置p0。

图6 减速曲线计算流程

对于某条线路，检索线路上所有符合第2 节中定义的预减速场景计算减速曲线c，组成集合C={c1，c2，c3，…，cn}。

2.3 减速控制

采用固定时间步长的方法连续判断动车组是否需要制动操作。减速状态转换流程图，如图7所示。

图7 制动操作判断逻辑

判断是否需要制动流程如下：

（1）检索包含p0的所有减速曲线集合C′={c1，c2，c3，…cm，m≤n}。

（2）如果C′不为空集，选择集合C′中位置p0对应的所有速度中最低的速度作为制动触发速度v′。

（3）如果当前动车组速度v0≥v′，需要制动。

判断制动结束的条件入选：

（1）当v′-v0>10。

（2）C′为空集。

（3）当v0=0，且减速曲线为停车曲线。

以上3 个条件满足其中任意一个，判断制动结束，计算其他操作状态。

3 预减速方案实现

3.1 仿真系统简介

动车组牵引计算软件共包含车型参数管理、项目配置、运行控制、仿真演示、数据统计等功能。根据动车组仿真计算需求开发动车组仿真运行系统，实现手动、自动2 种控制方式。自动控制中包含预减速方案的实现。

3.1.1 软件层次结构

软件层次结构包括数据层、控制层、展示层、报表层，如图8 所示。

图8 软件层次结构

3.1.2 软件功能模块

具体功能模块如图9 所示。

图9 软件功能模块

3.2 仿真验证

3.2.1 动车组性能参数

选择某动车组进行仿真，仿真运行系统界面如图10 所示。动车组牵引性能曲线、电制力性能曲线、阻力曲线、制动减速度曲线如图11～图14所示。

图10 仿真运行系统界面

图11 某车型牵引性能曲线

图12 某车型电制力性能曲线

图13 某车型阻力曲线

3.2.2 仿真配置

（1）计算步长：0.1 s。

（2）限速偏移：-5 km/h（以低于限速5 km/h进行速度控制和计算）。

（3）根据减速场景不同设置不同的仿真起点和终点。

（4）减速方案见表1。

表1 减速方案

3.2.3 制动停车场景

A 车站位置为K107+894，K107+894 为预减速终点位置，预减速末速度是0 km/h。软件根据前面提到的算法进行计算得到减速曲线，如图15 绿色线条所示。

图15 停车制动场景的减速曲线生成

仿真开始后，动车组以速度为345 km/h 行驶。当动车组处于减速曲线区间且速度大于等于曲线上的速度时，按照减速方案制动，制动终止位置正好是站中位置。停车制动场景的减速控制仿真运行曲线如图16 所示。蓝色线条为牵引状态，紫色线条为空电复合制动状态，红色线条为电制动状态。

图16 停车制动场景的减速控制

3.2.4 限速降低场景

线路中K010+000 位置限速由350 km/h 变为250 km/h。K010+000 为预减速终点位置，预减速末速度是245 km/h。软件根据前面提到的算法进行计算得到减速曲线，如图17 绿色线条所示。

图17 限速变化场景的减速曲线生成

仿真开始后，动车组以速度345 km/h 行驶。当动车组处于减速曲线区间且速度大于等于曲线上的速度时，按照减速方案制动，在K010+000 位置速度刚好为245 km/h。限速变化场景的减速控制仿真运行曲线如图18 所示。蓝色线条为牵引状态，紫色线条为空电复合制动状态。

图18 限速变化场景的减速控制

3.2.5 坡道超速场景

分相断、分相合标志分别位于线路K016+000，K016+500 位置，分相预断距离500 m，过分相期间采取断主断惰行操作，全列通过分相后闭合主断。线路中K015+153 位置存在-20‰ 的坡道，长度1 200 m。根据计算，动车组在过分相期间遇到该坡道速度会上升，有超速风险。坡底位置K016+353 为预减速终点位置，预减速末速度是345 km/h。软件根据前面提到的算法进行计算得到减速曲线，如图19 绿色线条所示。

图19 坡道超速场景的减速曲线生成

仿真开始后，动车组以速度345 km/h 行驶。当动车组处于减速曲线区间且速度大于等于曲线上的速度时，按照减速方案制动，在K015+153 位置速度刚好为345 km/h。仿真运行曲线如图20 所示。蓝色线条为牵引状态，紫色线条为空电复合制动状态，绿色线条为惰行状态。

图20 坡道超速场景的减速控制

3.2.6 综合场景

线路K1003+400限速由350 km/h变为250 km/h，K1022+700 限速由250 km/h 变为160 km/h。线路K1019+123、K1019+415 存在分相，分相中存在-20.5‰，-14‰ 坡道。K1024+000 存在车站B。线路中存在限速降低、过分相坡道超速、制动停车多种预减速场景，使用文中提出的预减速方案进行减速控制。软件根据前面提到的算法进行计算得到多条减速曲线（共5 条减速曲线），如图21 绿色线条所示。

图21 多种场景下的减速曲线生成

仿真开始后，动车组以速度345 km/h 行驶。当动车组处于减速曲线区间，软件将检索所有曲线速度中最低的速度作为制动触发速度。当动车组速度大于等于曲线上的速度时，按照减速方案制动，动车组能够自动选择适合的减速曲线进行减速控制。仿真运行曲线如图22 所示，仿真结果符合预期。蓝色线条为牵引状态，紫色线条为空电复合制动状态，红色线条为电制动状态，绿色线条为惰行状态。