摘 要：本文介紹了高速列車運(yùn)行控制的基礎(chǔ)理論，對(duì)列車運(yùn)行控制模式曲線的算法進(jìn)行了研究，最后介紹了高速列車運(yùn)行控制模式曲線算法的仿真驗(yàn)證，相關(guān)的結(jié)論僅供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：高速列車；控制模式；曲線仿真

中圖分類號(hào)：U284.48

鐵路運(yùn)輸是我國(guó)重要的客貨運(yùn)輸?shù)牧α浚P(guān)系著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)進(jìn)步等重要的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，具有不可替代的經(jīng)濟(jì)地位。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快，鐵路運(yùn)輸?shù)乃俣葐?wèn)題也逐漸成為了促進(jìn)鐵路事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，成為了衡量現(xiàn)代鐵路事業(yè)發(fā)展水平的關(guān)鍵因素之一。如何發(fā)揮科學(xué)技術(shù)在高鐵提速工作中的作用，促進(jìn)高速列車事業(yè)的發(fā)展，成為了高速列車控制研究的重點(diǎn)。

1 高速列車運(yùn)行控制基礎(chǔ)理論

按照行業(yè)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，那些時(shí)速在200Km/h及其以上水平的列車都是高速列車，這種列車的控制系統(tǒng)根基列車在線路上運(yùn)行的實(shí)際來(lái)決定對(duì)列車的速度、制動(dòng)方式、狀態(tài)以及調(diào)整技術(shù)等各個(gè)方面的控制水平。這一系列的控制不僅包括了對(duì)于地面設(shè)備的控制，也包括了對(duì)于車載設(shè)備的控制與監(jiān)管，進(jìn)而通過(guò)列車運(yùn)行過(guò)程中的允許速度、行車許可以及車載設(shè)備的實(shí)時(shí)信息的接受與分析，來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于列車進(jìn)行控制的目的。

1.1 高速列車控制模式簡(jiǎn)述。在高速列車運(yùn)行的過(guò)程中根據(jù)控制工程的不同，控制模式可以分為分級(jí)速度控制方式以及連續(xù)速度控制模式兩種，這兩種具體的模式具體內(nèi)容為：（1）分級(jí)速度控制。顧名思義，這種控制模式的主要特點(diǎn)便是控制曲線對(duì)列車速的控制是施行分級(jí)制的。這種控制方式的好處便是在一個(gè)閉塞區(qū)域內(nèi)的限制速度可以隨著二者之間距離的變化而變化，具有較高的靈活性以及較好的科學(xué)性與安全性；（2）連續(xù)速度控制。連續(xù)速度控制的原理是將前車的尾部作為后車追蹤的目標(biāo)，控制系統(tǒng)內(nèi)部的信息也會(huì)隨著列車的進(jìn)行發(fā)生周期性的響應(yīng)，當(dāng)列車的運(yùn)行速度超出了允許的速度的時(shí)候，便會(huì)對(duì)列車實(shí)施安全制動(dòng)的控制。

1.2 高速列車運(yùn)行的力學(xué)基礎(chǔ)。如果將高速列車作為一個(gè)剛性的系統(tǒng)，并且不考慮列車內(nèi)部的受力情況，則列車的受力模型如圖1所示，其中F為列車受到的牽引力、W為列車受到的阻力以及制動(dòng)力B，而列車在運(yùn)行過(guò)程中受到的總和力C與上述幾種力之間的關(guān)系為：C=F—W—B。

圖1

1.3 高速列車運(yùn)行控制過(guò)程簡(jiǎn)介。高速列車運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程都與前車與己身之間的速度、位置以及線路條件等因素關(guān)系的影響與制約。根據(jù)這一系列的因素生成的牽引或制動(dòng)控制模式曲線的控制，這是保證高速列車安全運(yùn)行的根本。根據(jù)運(yùn)行要求與線路的差別，列車的運(yùn)行過(guò)程大體可以分為三類，分別為哦牽引過(guò)程、惰行過(guò)程以及制動(dòng)過(guò)程。其中列車運(yùn)行的牽引過(guò)程主要受到牽引力以及阻力的影響，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中需要對(duì)列車進(jìn)行牽引的情況包括了列車的啟動(dòng)階段、由低俗向著高速加速的階段以及非增速的坡道上為了克服運(yùn)行阻力的時(shí)候；列車的運(yùn)行制動(dòng)過(guò)程主要受到了制動(dòng)力以及阻力的影響，并且此時(shí)的牽引力基本為零，列車的制動(dòng)主要依靠的是前靠慣性惰性，并且采用的大多是再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)相互配合的方式，具有較好的制動(dòng)效果；運(yùn)行中間過(guò)程的基本只收到相應(yīng)的阻力的影響，這一過(guò)程包括了牽引過(guò)程、制動(dòng)過(guò)程以及惰行過(guò)程幾個(gè)部分，是一個(gè)對(duì)列車的速度進(jìn)行保持的過(guò)程。

2 高速列車運(yùn)行控制模式曲線仿真

2.1 控制模式曲線仿真的模塊構(gòu)成。本文使用的基本模型是單質(zhì)點(diǎn)的列車模型，根據(jù)牽引計(jì)算的過(guò)程，大體可以將實(shí)驗(yàn)劃分為六個(gè)主要的模塊，分別為線路數(shù)據(jù)讀取、列車數(shù)據(jù)讀取、控制模式曲線計(jì)算、列車速度顯示以及列車運(yùn)行示意圖模塊這六大類。高速列車運(yùn)行控制模式曲線仿真程序數(shù)據(jù)的流程圖為圖2所示：

圖2

（1）線路數(shù)據(jù)讀取模塊。該模塊的主要工作包含了對(duì)于坡道數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)、隧道以及限速區(qū)間數(shù)據(jù)的讀取與采集，并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以文本的形式進(jìn)行保存，方便了用戶的使用與開(kāi)發(fā)；（2）列車數(shù)據(jù)讀取模塊。該模塊負(fù)責(zé)對(duì)列車的型號(hào)、長(zhǎng)度以及重量等信息的測(cè)量與讀取，并能夠及時(shí)的將數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以供后續(xù)的調(diào)閱與使用；（3）曲線計(jì)算模塊。該模塊包含了控制工程模塊以及參數(shù)算法選擇模塊兩大類，其中控制模塊有根據(jù)控制工程的不同，為每一個(gè)控制過(guò)程都配備了相應(yīng)的模塊，其工作的過(guò)程中首先會(huì)對(duì)從參數(shù)的算法中選擇不同的控制曲線計(jì)算方法，之后才能夠根據(jù)列車的控制過(guò)程進(jìn)行曲線的計(jì)算與繪制，在將繪制的結(jié)果進(jìn)行了分析與保存之后，才開(kāi)始控制曲線的繪制工作，最后結(jié)束一次作業(yè)；（4）列車速度顯示模塊。該模塊配備了DMI的速度盤，能夠通過(guò)速度盤的靜態(tài)繪制以及速度指針的實(shí)時(shí)更新來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于對(duì)列車速度的測(cè)量與記錄，同時(shí)還能夠?qū)y(cè)量到的數(shù)值轉(zhuǎn)換為弧度值，并根據(jù)弧度值繪制出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)指針顯示速度，最后結(jié)束程序的運(yùn)行；（5）列車運(yùn)行示意圖模塊。該模塊主要包含了主干線、公里標(biāo)、靜態(tài)列車以及速度值的繪制這四項(xiàng)工作內(nèi)容與功能，進(jìn)而全面而準(zhǔn)確的得到動(dòng)態(tài)列車的各種信息，繪制出列車的動(dòng)態(tài)示意圖。

2.2 變坡段單多質(zhì)點(diǎn)模型的性能分析。為了方便研究與實(shí)驗(yàn)，在開(kāi)始之前，本文對(duì)基本的參數(shù)進(jìn)行了賦值，假定高速列車為四輛編組，長(zhǎng)度為100米，重量為420噸，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的系數(shù)為0.07；在惰行工況的條件下，列車的起始速度為50Km/h，則采用單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)的模型在變坡段的計(jì)算結(jié)果為表1所示：

表1

表格反映出了兩種模型由于坡道附加阻力的差異而產(chǎn)生的計(jì)算差異，也反映出了因?yàn)檫@種差異的存在而使得列車位置、速度以及加速度等項(xiàng)目的結(jié)果發(fā)生了變化，尤其是列車在惰行過(guò)程中的速度以及加速度兩項(xiàng)，發(fā)生了顯著的變化。

同時(shí)，單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)仿真模型在變坡段的仿真結(jié)果對(duì)比表明：無(wú)論是宏觀還是微觀的角度，在列車惰行的過(guò)程中，因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)考慮到了列車長(zhǎng)度的影響，所以結(jié)果中線路附加阻力的影響較大；而在直線平直的路段，列車的長(zhǎng)度對(duì)列車的受力情況的影響是微乎其微的。

2.3 列車運(yùn)行控制模式曲線算法性能分析。（1）運(yùn)行阻力性能分析。高速列車在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)受到基本阻力以及附加阻力的影響，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明CRH3型的列車單位運(yùn)行的阻力要小于CRH2-300型的列車，而總阻力的情況則恰恰相反，并且在運(yùn)行速度小于200Km/h的時(shí)候，二者的運(yùn)行阻力之間的差別并不大。在平直道上的運(yùn)行的時(shí)候，二者的附加阻力均為零；在15‰的坡道上運(yùn)行的時(shí)候，列車便不僅要受到基本阻力好藥受到附加阻力的影響，這種阻力的大小大約為0.26N/KN；在25‰的坡道上運(yùn)行的時(shí)候，附加阻力的大小大約為0.436N/KN；（2）制動(dòng)曲線性能分析。假定最高的限速為300Km/h，其中CRH2-300型的列車定員質(zhì)量為420噸，CRH3型的列車為495噸，根據(jù)二者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們看出緊急制動(dòng)距離小于3700米，滿足的對(duì)于高速運(yùn)行列車的制動(dòng)要求。

2.4 列車運(yùn)行控制曲線算法環(huán)境適應(yīng)性分析。本文所使用的是VC++6.0，對(duì)高速列車運(yùn)行控制曲線的仿真軟件進(jìn)行了在不同線路條件、自然環(huán)境以及不同車型條件下的仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如下：（1）不同線路適應(yīng)性的分析。本次實(shí)驗(yàn)選用的是CRH2型的高速列車，選取的線路曲線半徑為7000模，隧道的長(zhǎng)度為500米，根據(jù)計(jì)算的法則與方法，在曲線的半徑與隧道的長(zhǎng)度均一定的情況下，坡度的增加會(huì)在增加列車在運(yùn)行過(guò)程中受到的附加阻力，并且二者之間具有坡度每變化10%，附加阻力便會(huì)變化6‰，而這就使得在坡度增加的時(shí)候列車必須要增加牽引力；（2）不同自然環(huán)境的適應(yīng)性分析。自然環(huán)境中的風(fēng)雨雷電對(duì)列車運(yùn)行的影響是不可忽視的，依然是上述的架設(shè)條件，對(duì)風(fēng)力對(duì)運(yùn)行中的高速列車的影響進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，基本阻力的大小將會(huì)隨著風(fēng)力系數(shù)的大小變化而同向變化，但是在運(yùn)行的車速小于200Km/h 的時(shí)候，風(fēng)力系數(shù)對(duì)基本阻力的影響不大，對(duì)列車運(yùn)行速度影響也就不明顯；（3）不同的車型條件適應(yīng)性的分析。本次仿真實(shí)驗(yàn)選取了CRH1、CRH2、CRH3這三種類型的列車，并且將最高的限速設(shè)定為了200Km/h，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)的初始速度，而實(shí)驗(yàn)的制動(dòng)末速度為50Km/h，同時(shí)將假定的隧道半徑更改為了2600米，將隧道的長(zhǎng)度改為了400米，坡度為15‰，通過(guò)常規(guī)的制動(dòng)方法的使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明車型決定了列車的牽引特性曲線以及制動(dòng)特性曲線，進(jìn)而決定了牽引力與制動(dòng)力的變化規(guī)律，因此，不同的實(shí)驗(yàn)車型決定了牽引、惰行與制動(dòng)速度-距離的曲線的不同，進(jìn)而證明了高速列車控制模式曲線的可行性與標(biāo)準(zhǔn)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

貨物運(yùn)輸?shù)乃俣纫约奥每突ㄙM(fèi)在旅途上的時(shí)間，從根本上決定著鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益以及未來(lái)的發(fā)展空間。本文在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)高速列車運(yùn)行控制模式曲線進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，使用了單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)的仿真模型，論證了高速列車運(yùn)行控制模式曲線的科學(xué)性與可行性，希望能夠?yàn)楦咚倭熊嚨陌l(fā)展提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晶晶.高速列車運(yùn)行控制模式曲線分析及其仿真研究[D].北京交通大學(xué)，2011（12）.

[2]簡(jiǎn)季，溫文彪.高速列車運(yùn)行與控制的計(jì)算機(jī)圖形、圖像仿真[M].測(cè)控技術(shù)，2001（11）.

[3]潘登，鄭應(yīng)平.高速鐵路列車追蹤運(yùn)行的控制機(jī)理研究[M].鐵道學(xué)報(bào)，2013（03）.

作者簡(jiǎn)介：石磊（1979.12-），男，河北淶水人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)控制。

作者單位：蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070

基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金，列車運(yùn)行速度優(yōu)化控制算法及物理仿真研究（項(xiàng)目編號(hào)：1212RJZA051）。