高速列車運(yùn)行仿真設(shè)計(jì)
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王 晗
（中國(guó)南車中央研究院，北京 100036）
摘要：以高速列車運(yùn)行電氣仿真軟件為對(duì)象，從列車頂層指標(biāo)開(kāi)始構(gòu)建仿真的整體框架，并且為其他模塊提供相應(yīng)接口，將設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和展示融為一體。通過(guò)對(duì)高速列車牽引／制動(dòng)特性、電氣特性以及運(yùn)行策略進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車牽引／制動(dòng)性能設(shè)計(jì)、電機(jī)特性設(shè)計(jì)、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)以及運(yùn)行時(shí)分仿真等功能。軟件仿真結(jié)果表明，它能夠?qū)τ诟咚倭熊囂匦栽O(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證以及展示起到重要的作用。
關(guān)鍵詞：高速列車；綜合仿真；電氣特性；軟件 中圖分類號(hào)：TP391.9：U292. 91+4
0 引言
高速列車融合了機(jī)械工程、現(xiàn)代控制、電子、材料與結(jié)構(gòu)、通信與計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科的一系列高新技術(shù)，針對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)工程，開(kāi)發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)，進(jìn)行前期良好的功能定位以及開(kāi)發(fā)進(jìn)程規(guī)劃至關(guān)重要。
目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高速列車綜合仿真軟件的研究比較少，而建立一套整體的電氣綜合仿真軟件確實(shí)有著一定的難度，其他科研機(jī)構(gòu)曾經(jīng)就高速列車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)建立了基于Simulink和VC++混合編程的仿真軟件，由于需要兩者之間的數(shù)據(jù)交互和仿真，仿真周期比較長(zhǎng)，同時(shí)其只是針對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并沒(méi)有結(jié)合列車實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，故而其仿真與列車實(shí)際運(yùn)行情況依然存在著一定的差異。而本文基于列車頂層指標(biāo)，針對(duì)高速列車的電氣特性設(shè)計(jì)以及運(yùn)行策略進(jìn)行了分析，并且搭建了一套集設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與展示為一體的電氣綜合仿真平臺(tái)，該優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)還能夠支持高速列車相關(guān)技術(shù)的研究。
1 高速列車優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真軟件平臺(tái)框架
圖1為高速列車優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真軟件結(jié)構(gòu)框架。仿真軟件主要包括5部分，即基本數(shù)據(jù)設(shè)定、列車內(nèi)部子系統(tǒng)建模、綜合仿真、接口以及結(jié)果分析。
(1)基本數(shù)據(jù)設(shè)定。定義列車名稱和基本編組信息，并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)列車的頂層目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)定。
(2)列車內(nèi)部子系統(tǒng)建模。通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)完成列車子系統(tǒng)搭建，包括牽引傳動(dòng)子系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。其他子系統(tǒng)隨著仿真的深入，將逐步搭建。
(3)綜合仿真。針對(duì)建立的列車模型進(jìn)行多樣化仿真，以驗(yàn)證列車性能；根據(jù)仿真結(jié)果，優(yōu)化列車模型，包括列車運(yùn)行仿真。隨著平臺(tái)的完善，可進(jìn)行的仿真逐漸增加，例如輪軌關(guān)系動(dòng)力學(xué)仿真、車體與空氣的流固耦合仿真等。
(4)接口。為實(shí)現(xiàn)與硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、三維視景仿真、司機(jī)模擬控制臺(tái)、外部系統(tǒng)模型以及其他軟件平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互和聯(lián)合仿真，在綜合仿真部分留有系列接口。
(5)結(jié)果分析。以實(shí)時(shí)展示和設(shè)計(jì)報(bào)告等多種形式對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。
2 電氣特性設(shè)計(jì)
2.1 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換
動(dòng)車組牽引時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其能量轉(zhuǎn)換和傳遞途徑如下：接觸網(wǎng)高壓交流電→受電弓→機(jī)車變壓器（低壓交流電）→整流器（直流電）→逆變器(VVVF)-牽引電動(dòng)機(jī)→齒輪→旋轉(zhuǎn)力矩→輪軌間黏著作用→機(jī)車牽引力。而再生制動(dòng)時(shí)，輪軌間黏著作用提供給動(dòng)車組制動(dòng)力，其能量轉(zhuǎn)換和傳遞途徑與牽引時(shí)相反。
2.2 牽引／制動(dòng)特性曲線設(shè)計(jì)
列車牽引特性曲線的設(shè)計(jì)是在對(duì)列車性能有明確要求基礎(chǔ)上，得到一條滿足列車各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)的列車牽引力一運(yùn)行速度曲線。列車牽引特性曲線的設(shè)計(jì)流程如下：
(1)根據(jù)列車相關(guān)參數(shù)（如列車動(dòng)車和拖車輛數(shù)、單位乘客體重、每輛車的軸數(shù)、列車運(yùn)行基本阻力、列車啟動(dòng)阻力、慣性系數(shù)以及最高運(yùn)行速度時(shí)剩余加速度等）計(jì)算列車牽引特性相關(guān)參數(shù)。
(2)根據(jù)列車牽引特性相關(guān)參數(shù)求解列車最高運(yùn)行速度時(shí)的牽引力。先計(jì)算出列車牽引功率，根據(jù)牽引力、列車運(yùn)行速度及牽引功率的關(guān)系求解出此時(shí)的列車牽引力。
(3)計(jì)算啟動(dòng)（即速度為0）時(shí)的列車牽引力。
(4)目前國(guó)內(nèi)采用日本黏著公式，計(jì)算得到列車牽引特性曲線方程。
2.3 異步牽引電機(jī)特性設(shè)計(jì)
異步牽引電機(jī)特性曲線計(jì)算就是根據(jù)傳動(dòng)比和輪徑將機(jī)車特性曲線轉(zhuǎn)換成電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性曲線，以確定電機(jī)的恒功功率及恒功范圍、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流和定轉(zhuǎn)子漏感等參數(shù)。
圖2為高速列車運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系曲線，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)矩幾乎呈線性下降趨勢(shì)。圖3為列車速度與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，當(dāng)列車速度小于120 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)矩保持恒定，當(dāng)列車速度大于120 km／h時(shí)，轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢(shì)，但仍然保持功率恒定。
3軟件功能
3.1 列車模型與線路條件設(shè)定
該軟件可以進(jìn)行較為詳細(xì)的列車編組數(shù)據(jù)設(shè)定。單節(jié)車輛為最小模塊．動(dòng)力單元由少量動(dòng)車和拖車組成，連接多個(gè)動(dòng)力單元即可構(gòu)建列車模型。細(xì)致的列車建模，能夠區(qū)分不同類型的動(dòng)力單元在牽引和制動(dòng)性能方面的差異，同時(shí)可以對(duì)線路條件進(jìn)行詳細(xì)的編輯，能夠完成線路坡道、曲線以及其他標(biāo)記數(shù)據(jù)的編輯，作為運(yùn)行仿真的線路數(shù)據(jù)。
3.2 運(yùn)行仿真策略
3.2.1 最小時(shí)分運(yùn)行策略
列車最小時(shí)分的基本運(yùn)行模式是以最大牽引力牽引到第一限速區(qū)，接著在任一限速路線段，最大可能地采用限制曲線均速運(yùn)行。在任一限速提高過(guò)渡段，在出最低限速段后用最大牽引過(guò)渡到高限速段；在任一減速過(guò)渡路段，在最遲的時(shí)間采用最大制動(dòng)實(shí)現(xiàn)速度的過(guò)渡；在停車點(diǎn)前，采用最大制動(dòng)力進(jìn)行反推。
為提高計(jì)算效率，初始化時(shí)將各處限速盡量計(jì)算清楚，初始化完成后，系統(tǒng)將顯示線路與車站設(shè)置，并將根據(jù)線路限速、特殊限速及列車制動(dòng)能力計(jì)算出的系統(tǒng)限速顯示出來(lái)。
3.2.2 固定時(shí)分運(yùn)行策略
針對(duì)固定時(shí)分運(yùn)行策略，需將整段線路進(jìn)行分段處理，分段的節(jié)點(diǎn)可以選擇線路的限速節(jié)點(diǎn)，也可以選擇過(guò)分相節(jié)點(diǎn)。這樣做有利于算法的構(gòu)建以及數(shù)據(jù)的查找，減小計(jì)算量。
每個(gè)分段采用固定的時(shí)間會(huì)導(dǎo)致一定的誤差，最終無(wú)法滿足列車運(yùn)行的精確度要求，因此可以利用時(shí)間和距離的關(guān)系，每到一個(gè)分段的開(kāi)始節(jié)點(diǎn)就對(duì)分段時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。
這種策略是采用距離分配整個(gè)線路段的富裕時(shí)間，需要注意的一點(diǎn)是富裕時(shí)間一定為正，否則就按照最短時(shí)間運(yùn)行。采用該種策略可以很好地保證列車固定時(shí)分的運(yùn)行。
3.3 運(yùn)行仿真
該軟件建立了功能比較完善的牽引計(jì)算模型，以京滬線實(shí)際線路數(shù)據(jù)為線路模型，可采用最小時(shí)分、常態(tài)運(yùn)行、固定時(shí)分3種仿真策略進(jìn)行列車運(yùn)行模擬。計(jì)算輸出運(yùn)行速度、時(shí)分、電機(jī)電力、功率、全程能耗等數(shù)據(jù)，三維仿真效果圖如圖4所示。
4結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)高速列車的電氣特性的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與展示，研發(fā)了一套高速列車綜合仿真軟件，該軟件可以對(duì)列車牽引制動(dòng)特性、列車電氣特性以及運(yùn)行策略進(jìn)行仿真分析，可以對(duì)不同種類高速列車進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。在列車運(yùn)行策略方面，介紹了列車最小時(shí)分運(yùn)行和固定時(shí)分運(yùn)行條件下的運(yùn)行策略計(jì)算流程。最終完成了高速列車電氣綜合仿真軟件的設(shè)計(jì)，軟件在實(shí)現(xiàn)牽引／制動(dòng)曲線設(shè)計(jì)、列車常態(tài)運(yùn)行仿真外，還增添了運(yùn)行仿真動(dòng)畫顯示和三維仿真的動(dòng)態(tài)顯示界面，增加了用戶操作的趣味性和真實(shí)感。
