王 皓，賈 冰，王成武，陸 陽

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

鐵路客運運輸在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有非常重要的地位，其中，高速動車組每年承擔(dān)數(shù)以億計的鐵路客運任務(wù)。為此，我國鐵路發(fā)展建設(shè)的重要任務(wù)之一就是要不斷完善高速鐵路系統(tǒng)的建設(shè)、運營組織和管理流程，為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。

高速鐵路設(shè)計和運營是一個非常復(fù)雜的工程，因此設(shè)計開發(fā)一套高速動車組牽引制動仿真系統(tǒng)是非常重要的。利用計算機(jī)能夠非常方便地檢驗各型高速動車組在既有線路上的運行情況，還能檢驗未來新設(shè)計的動車組和軌道線路預(yù)期能達(dá)到的運營效果。

根據(jù)研究的側(cè)重點和應(yīng)用需求的不同，動車組仿真系統(tǒng)需要的功能可大致劃分為以下幾個部分：

（1）驗證軌道線路的坡度、曲線、橋隧等分布是否滿足動車組運營需求，并為鐵路建設(shè)部門不斷優(yōu)化軌道線路的縱斷面設(shè)計提供參考；

（2）分析動車組車型的技術(shù)性能指標(biāo)和運行能力，為機(jī)車車輛設(shè)計提供參考；

（3）計算動車組在線路上運行的能耗，為供電系統(tǒng)設(shè)計提供參考；

（4）車站間運行時分?jǐn)?shù)據(jù)分析，為運輸部門優(yōu)化運行圖提供參考；

（5）檢驗信號機(jī)的布置，為優(yōu)化信號系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)；

（6）為了更好地制定動車組測試方案，也需要先在仿真系統(tǒng)上模擬，選擇出最適合的路段，并對測試計劃進(jìn)行調(diào)整和完善。

從歷史上看，國外已經(jīng)先于我國開展了高速動車組仿真平臺的研究。例如：北美的RAILSIM、歐洲的Trainstar、日本的UTRAS[1]、俄羅斯的EMUTTCS[2]。它們各有特色，但由于他們的高速動車組運營里程太短，動車組數(shù)量不多，所以他們的仿真系統(tǒng)，并不能滿足中國的高速動車組運營里程長，動車組數(shù)量眾多的現(xiàn)狀需求。因此有必要結(jié)合我國的實際情況，開發(fā)具有中國特色的、結(jié)合實際應(yīng)用需求的高速動車組仿真平臺[3]。

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所基于中國國情開發(fā)了高速動車組牽引制動仿真系統(tǒng)，本文介紹該仿真系統(tǒng)主要設(shè)計和結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)使用動車組的動力學(xué)模型來推算動車組的運動狀態(tài)，提供了方便直觀的動車組控制系統(tǒng)，還繪制了軌道線路縱斷面的細(xì)節(jié)[5-6]。防止動車組超過軌道限速的功能也包含在系統(tǒng)自動駕駛功能之內(nèi)[7]。

在自動駕駛部分，我們沒有用簡單的固定加減速控制動車組在區(qū)間內(nèi)運行[8]，或通過ATP來控制減速操作[9]，而是模擬了不同司機(jī)的駕駛習(xí)慣來控制動車組的加減速操作。

1 高速動車組仿真系統(tǒng)需求

1.1 軌道數(shù)據(jù)輸入

仿真系統(tǒng)必須能夠方便地讀取軌道數(shù)據(jù)文件，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通常由鐵路設(shè)計部門提供。

軌道數(shù)據(jù)描述整條軌道線路狀況。除了基本的長度、坡度、曲線、橋梁、隧道之外，還要記錄車站、信號機(jī)、分相等的公里標(biāo)位置。讀入數(shù)據(jù)后，仿真系統(tǒng)還要提供相關(guān)設(shè)置功能，例如：設(shè)定每個車站是停站還是通過，能夠單獨指定線路上的各個分相區(qū)間是否有效。對于軌道上車輛位置定位，能夠考慮長短鏈分布，能精準(zhǔn)地找到動車組所在處的公里標(biāo)。

1.2 動車組數(shù)據(jù)編輯

仿真系統(tǒng)要能記錄動車組的相關(guān)參數(shù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通常由生產(chǎn)廠家和車型試驗報告提供。

其中，用于描述動車組靜態(tài)特性的參數(shù)，除了車型、生產(chǎn)廠家、最高速度、車長、車重、額定載員人數(shù)之外，還包括輔機(jī)功率、編組車輛數(shù)及編組形式（幾個動車和幾個拖車）、回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)（區(qū)分動車及拖車）、啟動阻力、最大牽引級位、最大制動級位、是否具備無極常用制動、是否具有定速功能等。

為了描述動車組動態(tài)運行的特性，還要記錄牽引特性、電制動特性、運行阻力、制動減速度等。由于動車組可以利用自發(fā)電來進(jìn)行制動減速，因此還要有自發(fā)電相關(guān)的參數(shù)：發(fā)電開始速度、發(fā)電停止速度、充電機(jī)功率、輔助系統(tǒng)功率、逆變器/牽引電機(jī)/齒輪箱的效率等。

1.3 實時繪制功能

在模擬動車組運行的時候，仿真系統(tǒng)要能夠把動車組所在位置的軌道情況繪制出來，還要提供動車組的控制手柄狀態(tài)，以及運行狀態(tài)參數(shù)。既能夠讓用戶直接操控動車組的控制手柄進(jìn)行控車，又能夠根據(jù)預(yù)先定義的規(guī)則，模擬司機(jī)自動駕駛動車組運行。因此，我們需要一套模擬動車組操作的界面，以及自動駕駛動車組的規(guī)則參數(shù)。用戶可以通過修改規(guī)則參數(shù)來實現(xiàn)不同的控車策略。

1.4 數(shù)據(jù)記錄和分析

能夠重現(xiàn)和對比不同車型編組在不同軌道線路上的運行過程。通過調(diào)整動車組編組情況、軌道線路情況、自動駕駛參數(shù)等，可以重現(xiàn)和微調(diào)動車組的操作細(xì)節(jié)。既可以模擬單編組，也可以模擬重聯(lián)編組；既可以模擬動車組從線路起點運行到線路的終點，也可以通過公里標(biāo)來模擬動車組在線路的一段區(qū)間內(nèi)運行的情況。模擬動車組的運行時，既可以人工操控和自動模擬相互切換，也可以使用“自動駕駛”快速完成動車組在整個線路上的運行仿真。

整個仿真過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以展示在公里標(biāo)–速度曲線圖上，供在線區(qū)間統(tǒng)計結(jié)果，也能夠直接導(dǎo)出到csv文件，供后續(xù)復(fù)雜分析。

2 面向?qū)ο蟮姆抡孳浖Y(jié)構(gòu)與設(shè)計

為了滿足以上功能要求，并實現(xiàn)完整的動車組運行過程的仿真，仿真系統(tǒng)需要提供動車組、軌道、模擬司機(jī)、仿真項目配置等用戶交互界面。用C#編程語言和Visual Studio 2015進(jìn)行仿真軟件的編寫和調(diào)試。

在仿真系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，我們將軟件的功能劃分為4個一級模塊和13個二級模塊，每個模塊都提供了用戶交互界面，如圖 1所示。

圖1 高速動車組仿真軟件系統(tǒng)界面功能結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

除了以上模塊外，還設(shè)計了若干對象來實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和仿真流程管理，既能對應(yīng)用戶界面的數(shù)據(jù)編輯與查詢驗證功能，又在仿真運行的過程中提供所需運行參數(shù)、記錄仿真數(shù)據(jù)并提供后續(xù)統(tǒng)計分析。

2.1 仿真項目對象

仿真項目對象負(fù)責(zé)組織仿真的開始和結(jié)束條件，以及仿真過程中需要的相關(guān)參數(shù)。這個對象包含的內(nèi)容，如圖 2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)中設(shè)計的對象及其關(guān)系圖

在一個仿真項目中，可以記錄多次仿真數(shù)據(jù)，每次都可以配置不同的動車組編組、軌道、模擬司機(jī)等參數(shù)。在每次仿真之前，都可以對配置中的參數(shù)進(jìn)行修改。例如：設(shè)置仿真高速動車組從軌道線路的指定位置開始，運行到指定的位置結(jié)束，配置界面，如圖 3所示。仿真項目對象負(fù)責(zé)記錄這些配置參數(shù)，當(dāng)讀入以前的仿真數(shù)據(jù)時，用戶可以查看以前的配置參數(shù)。

為了方便地記錄和編輯仿真過程中使用到的動車組編組、軌道、自動駕駛模擬的司機(jī)，同時還要記錄仿真過程生成的數(shù)據(jù)，并生成若干報告，在仿真項目對象中包含了5個對象，對應(yīng)了各自界面的數(shù)據(jù)編輯功能，同時分門別類地為仿真過程提供重要數(shù)據(jù)。

圖3 仿真項目配置中常規(guī)計算和自動估算的配置模塊

2.2 動車組編組對象和動車組對象

動車組編組對象，負(fù)責(zé)仿真過程中使用的動車組編組的組織管理。一個仿真項目中可以配置多個動車組編組實例，每個動車組編組包括一個或多個型號的動車組（即動車組重聯(lián)運行的情況）。在仿真過程中，選定一個動車組編組在一條軌道線路上運行。動車組編組管理界面，如圖 4所示。

動車組對象負(fù)責(zé)維護(hù)各型號動車組的參數(shù)，仿真軟件可以管理多個動車組實例，在動車組模型管理界面編輯有關(guān)車型參數(shù)。動車組對象有兩個子對象。（1）靜態(tài)參數(shù)對象，主要是動車組基本靜態(tài)參數(shù)的編輯，如圖 5所示。（2）動車組動態(tài)參數(shù)對象，主要是記錄動車組運行時隨著動車組速度變化而變化的參數(shù)，這些參數(shù)用曲線公式記錄，并提供繪圖檢驗和查詢功能，如圖 6所示。曲線都是通過公式編輯器輸入的，例如：電制動力由多段公式組成，如圖 7所示。于是，仿真軟件能夠根據(jù)動車組的實時速度獲得曲線給出的各種力的準(zhǔn)確數(shù)值，精度超過拉格朗日插值法[3]。

圖4 仿真項目中配置多個動車組編組管理界面

圖5 動車組對象的靜態(tài)參數(shù)數(shù)值管理

圖6 牽引力、電制力、阻力、各級制動減速度的曲線

圖7 電制動力曲線的公式編輯器

2.3 軌道對象

軌道對象負(fù)責(zé)讀取軌道線路數(shù)據(jù)，還要提供仿真過程中關(guān)于軌道參數(shù)的查詢。在一個仿真項目中，可以添加多個軌道對象的實例，并選擇其中一個作為當(dāng)前仿真所使用的軌道線路，其對應(yīng)用戶界面，如圖 8所示，當(dāng)前選定的線路會在預(yù)覽窗體中看到。

圖8 仿真項目配置中選擇軌道線路

為了提供軌道數(shù)據(jù)的管理和查詢，軌道對象中包含了：坡度對象、曲線對象、橋隧對象、車站對象、分相對象，如圖 9所示，分別對應(yīng)管理軌道對象需要維護(hù)的數(shù)據(jù)。

每次仿真，可以設(shè)置軌道線路上的不同車站是停站還是通過，還可以配置線路上的每個分相區(qū)間是否起作用（不短接的分相，都會讓動車組進(jìn)入無電惰行狀態(tài)），如圖 9所示。

圖9 仿真項目配置中停站配置和分相配置

2.4 模擬司機(jī)對象

仿真軟件中專門設(shè)計了模擬司機(jī)駕駛動車組的對象。當(dāng)使用自動駕駛功能的時候，模擬司機(jī)對象，將根據(jù)車速和運行目標(biāo)，模擬司機(jī)操作動車組控制手柄。模擬司機(jī)對象的操作特性數(shù)據(jù)編輯界面，如圖 10所示。

2.5 數(shù)據(jù)及報告對象

我國原鐵道部制訂了鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《列車牽引計算規(guī)程》[10]（簡稱：規(guī)程）?！兑?guī)程》中規(guī)定的相關(guān)計算公式，可以用于動車組運行狀態(tài)的計算，用計算機(jī)模擬動車組在整條軌道線路上的行駛過程可以極大地提高效率[3]。

圖10 仿真配置中模擬司機(jī)對象的控制特性編輯界面

根據(jù)《規(guī)程》的規(guī)定，動車組在運行過程中的加速度，如式（1）。

其中，F(xiàn)為司機(jī)操作手柄產(chǎn)生的牽引力或制動力；f為阻力，來自經(jīng)驗公式f=a+bV+cV2，a、b、c為通過試驗獲得的經(jīng)驗常數(shù)；ω為軌道阻力，是動車組在公里標(biāo)對應(yīng)位置的坡道阻力、曲線阻力、隧道阻力等產(chǎn)生的阻力合力；M為動車組質(zhì)量；γ為動車組回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

為了記錄動車組在仿真運行過程中的運行狀態(tài)，我們設(shè)計了數(shù)據(jù)及報告對象，負(fù)責(zé)以固定時間間隔t對動車組的運行狀態(tài)進(jìn)行采樣，并生成初步報告。每個狀態(tài)點記錄的數(shù)據(jù)有動車組的公里標(biāo)、車速、加速度、控制手柄的擋位（牽引/惰行/常規(guī)制動/EB/UB）等。仿真運行過程中，系統(tǒng)會按照圖 11左下區(qū)的控制參數(shù)，根據(jù)動車組牽引/制動特性曲線產(chǎn)生牽引/制動力，根據(jù)動車組的速度計算空氣阻力，根據(jù)動車組位置，從軌道線路查詢數(shù)據(jù)來計算線路的阻力。最后，按照設(shè)定的時間間隔t通過如下遞推公式得到下一個狀態(tài)的公里標(biāo)和速度，如式（2）。

圖11 仿真運行的同時記錄描述仿真過程的數(shù)據(jù)

仿真過程的每一次狀態(tài)推導(dǎo)流程，如圖 12所示。其中，推算動車組下一狀態(tài)使用的就是上面的遞推公式。模擬司機(jī)操作動車組控制手柄的簡要控制邏輯，如圖 13所示，通過判斷當(dāng)前的動車組運行狀態(tài)，決定當(dāng)前的操作模式是牽引、制動、惰行和定速之一，按照對應(yīng)的模式設(shè)置手柄狀態(tài)。

圖12 仿真過程使用的狀態(tài)推導(dǎo)流程圖

推算出動車組下一個狀態(tài)的參數(shù)后，仿真界面自動更新顯示。不斷循環(huán)這個過程，直到仿真結(jié)束或用戶停止仿真。如果仿真過程中間出現(xiàn)操控不當(dāng)?shù)那闆r，可以暫停并回退到之前的位置，人工調(diào)節(jié)控制手柄的位置，然后再按照新的控制指令進(jìn)行仿真。

每次仿真都會產(chǎn)生一組仿真數(shù)據(jù)，記錄在仿真項目中，用戶可以讀取、查看。

在完成一次仿真過程之后，仿真軟件會把所有的數(shù)據(jù)點存盤。區(qū)間統(tǒng)計對象可以利用這些數(shù)據(jù)，生成各種統(tǒng)計報告。

圖13 模擬司機(jī)自動駕駛時產(chǎn)生手柄狀態(tài)的簡要流程

3 結(jié)束語

我們使用京滬線路和標(biāo)準(zhǔn)動車組的數(shù)據(jù)在仿真平臺上進(jìn)行了測試。圖14給出了北京南站到廊坊站的仿真運行結(jié)果，基于仿真過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可以得到這個區(qū)間的統(tǒng)計報表，如圖15所示。

圖14 數(shù)據(jù)報告的公里標(biāo)-速度圖

圖15 數(shù)據(jù)報告的區(qū)間分析表格

該仿真結(jié)果與實際運行結(jié)果吻合，證明了本仿真系統(tǒng)能夠真實的模擬動車組在現(xiàn)有軌道線路上的運行情況， 能夠為動車組實驗提供有效的參考依據(jù)。