CRH动车组列车牵引计算系统研究与设计

钟世富，曹 震，张 杰

（1.南宁铁路局 柳州机务段，柳州 545007； 2.西南交通大学 交通运输与物流学院，成都 610031）

CRH动车组列车牵引计算系统研究与设计

钟世富1，曹 震2，张 杰2

（1.南宁铁路局 柳州机务段，柳州 545007； 2.西南交通大学 交通运输与物流学院，成都 610031）

动车组列车牵引计算是高速铁路运营和设计过程中的一个基础性环节，研究和开发动车组列车牵引计算系统对于提高高速铁路运营和设计效率具有重要意义。本文依据业务需求，对动车组列车牵引计算系统进行了系统分析和系统设计，并重点探讨了动车组列车牵引计算的计算模型、动车组操纵策略、动车组过分相计算等问题，提出了单质点和多质点相结合的简化计算模型，最后开发了动车组列车牵引计算系统的原型系统。

动车组；列车牵引计算系统；计算模型

动车组牵引计算是高速铁路运营和设计过程中的一个基础性环节，研究和开发动车组列车牵引计算系统对于高速铁路列车运行图编制、动车组优化操纵、高速铁路线路设计等具有重要的指导意义。

法国、德国、日本、俄罗斯等国家先后开发了动车组列车牵引计算系统（EMUTTCS）[1]，并用于列车运行图的铺化，具有牵引动力配置、结构参数优化设计、列车运行仿真计算等多种功能，在日常运营过程中发挥了较大的作用。国内已经有多家单位研制了适用于普通列车的列车牵引计算软件，在铁路系统内部广泛应用。在动车组牵引计算系统中，计算结果的准确性和合理性、系统功能的完善程度是衡量系统设计的重要标准，本文将从计算方法和功能设计两方面来研究CRH动车组列车牵引计算系统。

1 动车组牵引计算系统需求分析

1.1 数据管理的需求

系统提供简洁合理的数据管理方式，以实现对线路数据、动车组牵引特性数据、动车组制动特性数据的管理。与此同时，系统也提供文本、Excel等格式数据文件的数据接口，方便数据的录入，并提供线路数据中的长短链和数据连续性等检查管理功能。系统同样可以将处理后的数据根据需求绘制成图表，方便数据的输出。

1.2 牵引计算的需求

系统提供牵引计算的基本功能，如：动车组运行速度和运行时间计算，坡段限速计算，动车组运行能耗计算，动车组电流计算，等。在计算时，能采用合理的计算模型，兼顾计算效率和计算结果的准确性。

系统提供牵引计算策略选择。在节时牵引计算模式的基础上，系统还提供多种操纵策略选项，针对性的进行牵引计算优化模拟。系统提供以下的策略选项：动车组是否采用递进功率起车、节能优化率、工况持续时间、起步制动阶段最大加速度和减速度等。

实现自动计算和手动计算两种功能。动车组在区间运行时，在人工选定运行模式的基础上，根据具体的条件系统进行工况的自动选择，并计算出合理有效的结果；也可在系统计算的过程中提供人机交互，并进行手动的回退计算。

1.3 系统运用的需求

系统提供过分相计算及速度时分损失分析。根据手动过分相、半自动过分相和全自动过分相这3种不同的过分相模式，系统对动车组的运行过程进行计算，并统计列车入分相速度、出分相速度、速度损失和延长运行时间等运行指标，通过各项运行指标，系统对过分相时的速度时分损失进行分析。

系统提供动车组运行仿真验证功能。根据系统数据库的各项基础数据，系统对动车组的运行进行仿真，通过仿真结果，对列车追踪间隔逻辑检查、牵引网最大压降校验等，并为闭塞分区长度及信号机布置、牵引变电所设置及列车运行图铺化提供支撑手段。

2 系统功能结构设计

根据以上对动车组列车牵引计算系统的需求分析，设计动车组列车牵引计算仿真系统，系统总体功能结构如图1所示 。

（1）数据管理子系统提供系统基础数据的增加、删除、修改、查询以及数据检查等操作，同时还要提供数据的相关格式转换功能。（2）牵引计算子系统主要提供用户进行计算条件、操纵策略、计算模式等参数设置，再据此进行列车运行速度时分的解算和机车工况选择，得到动车组列车运行速度时分、能耗、电流等计算结果；提供手动牵引计算功能。（3）统计输出子系统提供多种形式显示和输出牵引计算统计结果，满足不同场合的需要。（4）仿真子系统模拟线路纵断面及动车组列车在线路上的实际运行情况，动态显示列车的各项运行数据，使用户能详细分析整个列车运行过程，实现列车运行的进一步的优化处理。

图1 动车组牵引计算系统功能结构示意图

3 系统关键技术

3.1 动车组列车牵引计算模型

常用的列车牵引计算力学模型有单质点模型和多质点模型，多质点列车模型是将每个车辆简化成一个质点，构成质点链来进行计算，它能够反映列车编组、长度对受力和运行的影响，其计算结果比单质点模型准确，但计算过程需要采用类似微积分的方法按计算间隔进行计算，因此其计算过程也更为复杂。

本系统结合单质点和多质点模型特点，当列车只在一个加算坡道上运行时，采用单质点模型进行计算；在线路加算坡道变坡点处，采用将列车作为两个质点的计算方法，即变坡点前的列车视为一个质点，变坡点后的列车视为一个质点，如图2所示。此方法通过减少质点数量，有效提高计算效率，又能保证列车运行计算结果的准确性。

图2 动车组列车牵引计算模型

在图2中，动车组分成了变坡点前部分和后部分，F1与F2是动车组两部分的牵引力，B1与B2是两部分的制动力，W1和W2是两部分的阻力，而 是两部分之间的车钩作用力，根据牛顿第三定律，它们大小相等，方向相反。

对动车组受力分析，根据平衡条件，得出：

根据列车运动方程[5]，可以得出：

在动车组牵引计算系统中，利用上式（7）即可进行列车在变坡点运动过程中逐车辆过变坡点时候的列车运行时分的计算。

3.2 动车组操纵策略

在进行动车组列车牵引计算时，列车目标操纵策略是系统计算过程中的极其重要的环节，不同的目标操纵策略，牵引计算的结果不同。目前，常用的目标操纵策略有节时策略、节能策略、节时与节能综合优化策略等，在本系统中，主要使用节时牵引计算策略，在工况选择中主要考虑以下几个方面：

（1）列车工况自动初选：列车的运行工况有：牵引、惰行、动力制动、空气制动、空电联合制动。根据线路的平纵断面、动车组的当前运行工况、各种工况下的单位合力，自动初选工况。

（2）节能模式的预测型列车工况选择：在节能目标策略时，列车工况初选后，对列车前方线路进行预先计算，在保证动车组区间运行时分的基础上，实现动车组能耗的节省。

（3）制动方式合理选择。在制动时，优先采用动力制动，仍不能满足制动指令要求时，追加空气制动；在高速时采用动力制动，低速下以空气制动为主。

（4）合理的工况运行时间检测。在工况自动选择后，在“碎坡”较多的线路上会造成工况频繁转换，与实际列车运行工况不相符，此时引入工况时间检测机制。若检查到列车的运行工况时间不满足设定的时间，算法将自动延长工况运行时间，在必要时调整列车的工况。

3.3 动车组过分相计算

动车组过分相有CTCS2与CTCS3两种模式，两种模式过分相的时序流程如图3和图4所示。

图3 CTCS2动车组过分相时序流程图

图4 CTCS3动车组过分相时序流程图

通过流程图可以发现，动车组经过分相区前后均需要一段准备时间，这段时间中，大部分是在惰行工况下运行的。在采用自动过分相的方式下，这些附加时间主要包括：减少牵引力的时间、切换电压保持时间、确认网压恢复时间、结束网压保持时间等几部分。对于不同的过分相列控方式，这些时间是不同的，就CTCS3和CTCS2两种列控方式而言，除了动车组在分相区的运行时间，CTCS3模式下总共大约需要14 s，而CTCS2模式下总共大约需要9 s。

现行各种牵引计算的软件中，没有根据具体的运行模式把这一段时间考虑在内，其实际计算精度将存在较大偏差。如果把过分相的时间中采用惰行的工况，加入到牵引计算的软件中，将有效提高牵引计算的精度。

4 系统开发

根据以上的系统分析和系统设计，运用Visual C++开发工具进行编程，采用Access数据库，开发出系统的原型，所开发系统具有以下特点如下：（1）系统能实现机车车辆和线路等基础数据的一体化管理，为动车组牵引计算项目提供统一的基础数据平台；（2）采用全参数化设计，能根据确定的动车组类型及相关参数、线路平纵断面数据，进行列车牵引计算；（3）系统支持单质点和多质点两种牵引计算模型，提供多种列车操纵策略选择，能实现自动牵引计算；（4）系统支持列车运行过程仿真，提供良好的人机交互界面，可实现列车运行过程中的模拟操纵。

5 结束语

本文根据列车牵引计算的理论，对动车组列车牵引计算系统进行了系统分析和系统设计，对于动车组列车牵引计算的计算模型、动车组操纵策略、动车组过分相计算等问题进行了探讨，并开发了系统的原型。动车组列车牵引计算系统还涉及到操纵优化、列车群计算等方面的理论问题和系统计算效率的技术问题等，还有待进一步完善，并最终运用于铁路运营和设计过程中。

[1]康 熊.高速动车组列车牵引仿真计算技术研究[J].中国工程科学，2011（1）：62-68.

[2]Rongfang(Rachel)Liu, Iakov M.Golovitcher. Energy-efficient Operation of Rail Vehicles[J]. Transportation Research Part A. 2003,37:917-932.

[3]曾剑群.动车组牵引计算仿真系统的研究[D].北京：北京交通大学，2009，6.

[4]周 峰.动车组牵引计算建模及软件仿真[D].成都：西南交通大学，2007.

[5]饶 忠. 列车牵引计算[M]. 北京：中国铁道出版社, 1999.

责任编辑 徐侃春

Research and design on Train Traction Calculating System of CRH Electric Multiple Units

ZHONG Shifu1, CAO Zhen2, ZHANG Jie2

( 1. Niuzhou Locomotive Depot, Nanning Railway Administration, Liuzhou 545007, China; 2.School of Traffic and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

As a basic part of high-speed railway operation and the process of design, train traction calculation of Electric Multiple Units(EMU) had a great effect on train operation of high-speed railway and design. Based on the business needs, this paper carried out an analysis and design to the EMU Traction Calculation System, especially problems of model of the EMU train traction calculation, EMU manipulation strategies, EMU overphase calculation and etc. Then the paper proposed a simplified model which was combined a single-particle model with a multi-particle model, developed a prototype system of EMU Trains Traction Calculating System.

Electric Multiple Units(EMU); Train Traction Calculating System; calculating model

U266∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0010-04

2013-08-15

钟世富，工程师；曹 震，在读硕士研究生 。