考虑列控速度防护曲线的高速列车运行仿真系统研究

杜佳文，骆 晖，杜慎旭，肖李蔚宁，柏 赟

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.北京交通大学综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京 100044)

列车运行仿真系统是轨道交通线路设计、信号布置、车辆选型、经济评估与能力校验的基础工具，可以提高设计工作的效率。它能根据线路条件、列车属性自动生成合理的列车操纵方案，并得到列车运行能耗与时分等技术经济指标，最后通过动画方式显示列车运行过程。

当前，国内外主流的列车运行仿真软件有RailSim、RailSys、OpenTrack、北京交通大学开发的列车运行仿真软件GTMSS、中国铁道科学研究院研发的牵引计算软件等。但上述软件均没有充分考虑高铁列车司机操纵行为以及ATP系统对速度曲线的限制，这与我国高速铁路的实际运营环境存在差异，也会导致仿真结果与列车实际运行时分存在一定的偏差。因此，需要根据司机实际操纵情形刻画列车操纵策略，同时增加ATP防护曲线模块，使高速列车运行仿真系统更符合实际。

1 系统功能需求分析与架构设计

1.1 功能需求分析

(1)列控速度防护计算

我国《铁路技术管理规程》规定列车最高速度大于160 km/h时，必须配备列车自动防护(ATP)系统，以保证列车的安全运行。既有仿真软件并未设计ATP自动防护曲线的计算模块，这导致既有软件的仿真结果与现实情况存在较大差异。因此，需考虑ATP防护曲线及其计算方法，实现ATP防护下的列车运行仿真，保证仿真精度。

(2)列车运行仿真计算

既有软件中列车操纵行为的刻画大多基于节时、节能或定时模式，对于列车在启动、加速、恒速运行、过分相、制动、对标停车等部分细节的司机操纵描述不够深入，导致仿真软件的模拟结果与实际运营曲线存在一定差异，进而导致牵引计算结果存在一定的误差。为了提高仿真软件计算精度，高速铁路列车运行仿真系统需根据司机实际操纵情形刻画列车操纵策略。

1.2 系统架构设计

高速铁路列车运行仿真系统主要由基础数据管理模块、ATP计算模块、列车运行仿真模块和结果输出模块组成，其系统总体框架如图1所示。

图1 高速铁路列车运行仿真系统框架结构

其中，基础数据模块是列车运行仿真的基础，主要包括线路数据和列车数据。

ATP计算模块是列车运行仿真的主要约束条件，在实际运行环境中列车运行速度除了受线路工程限速、车辆构造速度限制外，还受ATP系统的动态限速曲线限制。高速铁路列车运行仿真系统中提供了欧标和日立两种主流ATP超速防护曲线计算方法。

列车运行仿真模块为整个系统的核心，可计算列车运行距离、运行时分等技术指标。在系统运行仿真前，用户需要根据实际需要选择不同的运行模式(自定义模式或默认操纵模式)，以及列车运行防护模式(欧标ATP防护或日立ATP防护模式)和车载列控系统型号。在确定上述参数和模拟策略后，系统可自动仿真列车运行过程，并计算相关技术指标。

结果输出模块向用户输出系统仿真结果，供用户进行各方案的优劣对比分析。其输出的主要结果有列车区间运行时分、速度-位移(V-S)曲线图、时间-位移(T-S)曲线图以及手柄-位移(H-S)曲线图。

2 系统功能实现

2.1 ATP模块设计与实现

为模拟更真实的列车运行环境，提高模拟系统的仿真精度，本系统设计了ATP超速防护曲线计算模块，其总体框架设计如图2所示。

图2 ATP模块设计框架

其中，基础数据模块主要记录用户输入的线路信息和列车属性；初始化模块主要对静态限速和ATP限速进行初始化计算；限速计算模块主要功能是根据用户的选择，采用相应的限速模式进行计算；界面显示模块可动态显示ATP限速曲线。

(1)日立ATP计算模块

日立算法基本原理是简化线路坡道附加阻力计算，从停车参考点进行迭代逆推计算。其中，为简化线路坡道附加阻力的实时计算，将坡道简化为六个区间，并预先在车载计算机里储存列车在不同坡道区间和速度下制动距离表。在列车运行中，车载接受到地面应答器上传的坡道信息后，将线路坡度向下取整归纳到对应的坡度区间，并在相应坡度区间的制动距离表(图3)中进行查表迭代计算，直至列车最高运营速度确定完整的ATP曲线。

图3 日立算法制动距离表

(2)欧标ATP计算模块

欧标ATP计算模块主要根据阶梯固定减速度方法，简化制动工况下列车减速度的计算，并根据列车运行过程中的坡道信息等进行ATP曲线计算。首先，欧标法将列车制动减速度近似划分为6个阶梯，每个阶梯对应一个固定的减速度，如图4所示。随后，在列车实时运行中，需要从停车参考点开始，根据实际的线路坡道和曲线信息，以及当前速度下的制动减速度(a1～a6某一值)，逐步逆推至列车当前位置。

图4 欧标计算法原理

2.2 列车操纵模块设计与实现

列车操纵模块是牵引计算软件中最为核心的部分，直接影响列车运行的仿真结果。操纵模块的设计主要涉及列车在站间运行的操纵规则，进而设计对应的列车操纵仿真算法。首先，依据列车运行刻画的精确性、操作规则的相似性和仿真建模的简易性，对站间运行的整个过程分为启动、加速运行、途中恒速运行、停车制动减速及对标停车等5个阶段。随后，基于《CRH系列动车组操作规则》对列车在上述5个阶段的操纵要求，确定列车在各阶段的操纵策略，即各阶段在满足运行安全和乘客舒适度的前提下，尽可能地高速运行并避免频繁变换操纵手柄位，最终使得列车运行安全、正点、平稳、节能。

根据各阶段的操纵规则，设计列车操纵仿真算法的总体流程，如图5所示。软件采用时间步长方法进行仿真，每一步长下需确定列车当前的运行阶段，并根据此运行阶段选择不同的运行算法模块，确定下一时间步长的操纵手柄位。最后，基于运动学方程计算加速度、速度、位移等变量，并进行迭代推演直至列车完成对标停车。

图5 列车操纵仿真算法总体设计流程

3 系统应用

以CRH380A型动车组列车在岳阳-咸宁站间的运行为例，对比分析列车实际操纵曲线、既有软件和本软件在全程运行的速度-位移曲线，结果如图6所示，表1为列车实际操纵、既有软件和本软件在全程运行的差异分析。

图6 岳阳至咸宁站间速度-位移曲线

表1 运行误差对比

由图6可以看出既有软件由于恒速阶段紧贴限速运行，导致速度曲线高于实际操纵曲线，从而导致运行时分偏小。结合表1可知，既有软件在本站间的运行时分比实际运行时分偏小2.38%。本软件由于考虑了司机实际操纵规则和ATP限速模块，仿真得到的列车速度-位移曲线与实际操纵曲线贴合程度较好，其运行时分等于实际值。综上所述，相较于既有软件，本软件在岳阳-咸宁站间的全程运行仿真结果更加贴近列车的实际运行情况。

4 结 论

列车运行仿真软件通过真实、准确、快速地模拟列车运行过程，计算不同设计与运营方案下的列车运行技术经济指标，为轨道交通工程咨询与设计、运营管理提供辅助分析与决策。既有列车运行仿真软件尚未精细化考虑高速铁路列车操纵特点以及列控系统限速曲线的限制。本文在结合现有动车组实际运行环境、列控系统控车原理、以及司机驾驶行为特征等基础上，开发了考虑列控防护曲线和司机实际操纵的高速铁路列车运行仿真系统。案例结果表明，该系统具有较高的运行仿真精度，并为高速铁路设计工作提供依据。