趙文明　李慧勇

摘 要： 為了使高速列車正點(diǎn)運(yùn)行到達(dá)目的車站，提出了基于STeC（時(shí)空一致性）語(yǔ)言的高速列車運(yùn)行模型與算法。該模型具有位置觸發(fā)自動(dòng)調(diào)整高速列車運(yùn)行的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)確定高速列車制動(dòng)點(diǎn)并保證列車正點(diǎn)到達(dá)目的車站，從而滿足了高速列車運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間和空間的一致性要求。通過(guò)Matlab/Simulink的仿真測(cè)試，證明了該模型的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞： STeC語(yǔ)言； 高速列車； 列車運(yùn)行模型； 時(shí)空一致性； Matlab/Simulink

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）05-14-05

Abstract： In order to make high-speed trains arrive at the station on time， the model and algorithm of high-speed train based on STeC （Spatial-temporal Consistence） language are proposed. This model has the characteristics that the action of high-speed train is triggered by certain location. The dynamic decision of high-speed train braking point to ensure trains arrive on time is implemented， so as to meet spatial-temporal consistence property of the high-speed train operation of the real-time system. Through test and simulation on the Matlab/Simulink， the correctness and validity of the model is proved.

Key words： STeC language； high-speed train； train operation model； spatial-temporal consistence； Matlab/Simulink

0 引言

高速列車運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)和運(yùn)行環(huán)境提出了更苛刻的要求。因此，研究高速列車運(yùn)行過(guò)程的控制與仿真，對(duì)提高列車安全性、正點(diǎn)率有著重要的意義。在列車運(yùn)行仿真研究中，文獻(xiàn)[1]主要針對(duì)普通鐵路和重載鐵路，較少針對(duì)高速鐵路。近年對(duì)高速列車的運(yùn)行仿真研究成為熱點(diǎn)，主要是研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理方法、線路模型和列車運(yùn)行模型。文獻(xiàn)[2]提出了線路的三層節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型用來(lái)解決現(xiàn)有的線路模型存在的問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]研究了高速鐵路列車運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理方法。文獻(xiàn)[4]研究了高速列車制動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)高速列車運(yùn)行這一實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，現(xiàn)有的對(duì)列車運(yùn)行仿真研究沒(méi)有反映其對(duì)時(shí)間和空間的一致性要求。

陳儀香在文獻(xiàn)[5]中提出一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)規(guī)范語(yǔ)言STeC（Spatial&Temporal Consistence），用于描寫物理元素觸發(fā)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)空一致性。時(shí)空一致性強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間到達(dá)指定位置，同時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的任務(wù)。高速移動(dòng)體，如高速列車等均有時(shí)空一致性的要求?？梢允褂肧TeC對(duì)高速移動(dòng)體進(jìn)行建模，從而解決它們對(duì)時(shí)空一致性的需求。本文首先分析了高速列車的運(yùn)行過(guò)程并用STeC語(yǔ)言進(jìn)行了描述，再結(jié)合分析各個(gè)運(yùn)行過(guò)程的受力情況等物理過(guò)程和時(shí)空一致性要求，提出了基于STeC語(yǔ)言的單列高速列車運(yùn)行模型與算法， 該模型具有正點(diǎn)到達(dá)的特點(diǎn)，最后以CRH3型動(dòng)車組高速列車為例，通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)該模型的測(cè)試仿真證明了其正確性和有效性。

1 用STeC語(yǔ)言描述高速動(dòng)車的運(yùn)行過(guò)程

1.1 高速列車的運(yùn)行過(guò)程

一般地，將兩站之間的列車運(yùn)行過(guò)程分為起動(dòng)過(guò)程、牽引過(guò)程、惰行過(guò)程、恒速過(guò)程、調(diào)速制動(dòng)過(guò)程以及進(jìn)站制動(dòng)過(guò)程。為了便于研究，對(duì)其中的一些控制過(guò)程進(jìn)行了合并建模，故本文將列車運(yùn)行過(guò)程分為四個(gè)過(guò)程：①牽引加速過(guò)程，包含起動(dòng)過(guò)程和牽引加速過(guò)程；②中間運(yùn)行過(guò)程，列車運(yùn)行到目標(biāo)速度以后，可以惰行和牽引輪換的過(guò)程；③制動(dòng)減速過(guò)程，包含調(diào)速制動(dòng)與進(jìn)站制動(dòng)過(guò)程；④停留等待。如圖1所示。

上述括號(hào)內(nèi)第一行是該過(guò)程需要滿足的微分方程，這里的微分方程是根據(jù)物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律而確定的，一般指微分方程組，后面將具體給出各個(gè)過(guò)程的微分方程。第二行和第三行分別為該運(yùn)動(dòng)過(guò)程的初值和末值。其中t01，s01是指高速列車牽引加速到最高限速vmax時(shí)的時(shí)間和位置，是從牽引加速到中間運(yùn)行的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。t02，s02是指列車從中間運(yùn)行到制動(dòng)減速時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間和位置，vzd是該處的速度大小。只要系統(tǒng)按照STeC語(yǔ)言所描述的運(yùn)行過(guò)程行駛，高速列車就一定能正點(diǎn)到達(dá)下一站。

2 高速列車的運(yùn)行過(guò)程模型

列車運(yùn)行過(guò)程的模型建立和研究角度有關(guān)，研究角度不同，建立的模型差異較大。列車運(yùn)行主要有兩種典型的操縱模式：①節(jié)時(shí)模式，即最小運(yùn)行時(shí)間；②節(jié)能模式，在給定線路條件、列車參數(shù)和兩點(diǎn)運(yùn)行時(shí)分條件下尋求比較節(jié)能的機(jī)車操縱方式?？紤]到高速列車最需要的是安全正點(diǎn)到達(dá)目的地，選擇正點(diǎn)節(jié)能模式。

2.1 受力情況分析

2.1.1 牽引力

機(jī)車牽引力的計(jì)算一般使用它的牽引特性曲線進(jìn)行查定，高速列車只有一條最大牽引力特性曲線。最大牽引力是運(yùn)行速度的函數(shù)，計(jì)算牽引力可在和最大牽引力間任意取值，即有：Fqy=f（v），不同的高速列車動(dòng)車組其特性曲線是不一樣的。本文以實(shí)際的高鐵線路為例，使用MATLAB/Simulink對(duì)北京到上海的高鐵列車G147進(jìn)行仿真和測(cè)試。高鐵列車選用CRH3型動(dòng)車組，選擇文獻(xiàn)[2-4]中的數(shù)據(jù)：編組為16輛（8動(dòng)8拖），最大牽引功率是18400kw，最大再生制動(dòng)功率為16500kW，定員為1044人，重量為696t，長(zhǎng)度為566m，設(shè)計(jì)速度為380km/h，運(yùn)行限速為300km/h。高速列車的軸數(shù)是64，正面的截面積是9m2。

列車牽引力與制動(dòng)力的計(jì)算通過(guò)提取對(duì)應(yīng)廠家給定的特性曲線上的數(shù)據(jù)獲得，采用不同方法提取曲線上的數(shù)據(jù)，其精度必然存在差異。利用文獻(xiàn)[3]的方法獲取到列車牽引力特性曲線上的數(shù)據(jù)，利用MATLAB/Simulink擬合相應(yīng)的曲線函數(shù)，得到的牽引力2.2 高速列車運(yùn)行控制策略

在高速列車的運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是非常復(fù)雜的。為了簡(jiǎn)化算法，便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)實(shí)際的需要，建立基于時(shí)空一致性的保證時(shí)間正點(diǎn)的策略是讓動(dòng)車組正點(diǎn)運(yùn)行完整個(gè)區(qū)段。在這樣的情況下，高速列車運(yùn)行的策略是：牽引時(shí)一般采用最大牽引力，制動(dòng)時(shí)采用動(dòng)態(tài)調(diào)整常用制動(dòng)力。在列車達(dá)到限速時(shí)根據(jù)時(shí)間是否正點(diǎn)（計(jì)算時(shí)間誤差）來(lái)確定以牽引或惰行來(lái)進(jìn)行區(qū)間運(yùn)行。

2.3 高速列車運(yùn)行過(guò)程計(jì)算

高速列車運(yùn)行過(guò)程計(jì)算模型的主要設(shè)計(jì)思想如下：

⑴ 對(duì)高速列車的牽引特性與制動(dòng)特性數(shù)據(jù)，根據(jù)其特性曲線，通過(guò)擬合等方法獲得其函數(shù)表達(dá)式；

⑵ 高速列車運(yùn)行過(guò)程中，使用文獻(xiàn)[7]的優(yōu)化模型，即起動(dòng)與牽引加速過(guò)程采用最大牽引力，中間過(guò)程采用惰行和牽引輪換運(yùn)行；

⑶ 為了實(shí)現(xiàn)列車正點(diǎn)的目標(biāo)，制動(dòng)與進(jìn)站過(guò)程采用動(dòng)態(tài)調(diào)整常用制動(dòng)力；

⑷ 為了簡(jiǎn)化模型，對(duì)阻力主要考慮基本阻力；

⑸ 模型具有位置觸發(fā)自動(dòng)調(diào)整高速列車運(yùn)行的特點(diǎn)，利用時(shí)間和空間的一致性要求計(jì)算牽引加速到最大值（限速）轉(zhuǎn)折點(diǎn)和中間段到制動(dòng)段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；

⑹ 各運(yùn)行過(guò)程的計(jì)算均以時(shí)間為步長(zhǎng)并可在計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3 高速列車運(yùn)行過(guò)程的仿真算法設(shè)計(jì)

⑴ 按照列車正點(diǎn)到達(dá)的要求，建立一個(gè)簡(jiǎn)單模型描述列車在各個(gè)中間段的時(shí)間和位置關(guān)系，作為比較的參考點(diǎn)數(shù)值。

點(diǎn)（t01，s01）是指高速列車牽引加速到最高限速vmax的轉(zhuǎn)折點(diǎn)4.2 中間運(yùn)行過(guò)程

該過(guò)程的仿真測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)了上節(jié)中高速列車的運(yùn)行過(guò)程的仿真算法，中間運(yùn)行過(guò)程主要由惰行減速到280km/h過(guò)程和牽引加速到最高限速兩部分組成。比較列車到目標(biāo)站的距離和4.3節(jié)的最大常用制動(dòng)距離，動(dòng)態(tài)地確定制動(dòng)點(diǎn)的位置，圖6是整個(gè)運(yùn)行過(guò)程（北京到天津）中v與s的關(guān)系。仿真測(cè)試結(jié)果表明：高速列車到達(dá)天津站的時(shí)間t=2031s，時(shí)間提早了9s，基本上滿足列車正點(diǎn)到達(dá)的要求，制動(dòng)時(shí)間用了480s。

4.3 制動(dòng)減速過(guò)程

應(yīng)用式（12）的仿真測(cè)試表明：初速為300km/h時(shí)且使用的最大常用再生制動(dòng)力時(shí)的制動(dòng)距離為6209.9m，制動(dòng)所需時(shí)間是133s，制動(dòng)減速過(guò)程中起始速度與制動(dòng)距離的曲線5 結(jié)束語(yǔ)

高速列車的運(yùn)行仿真是近年研究的一個(gè)熱點(diǎn)，本文提出了基于STeC（時(shí)空一致性）語(yǔ)言的單列高速列車運(yùn)行模型與算法。使用MATLAB/Simulink工具對(duì)基于STeC語(yǔ)言描述的高速動(dòng)車的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果表明，該模型滿足了高速列車運(yùn)行這一實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間和空間的一致性要求。

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