何 橋 尹元釗

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 全國(guó)鐵路列車運(yùn)行圖編制研發(fā)培訓(xùn)中心，四川成都 610031）

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)水平的提高，高速鐵路、城際鐵路的大量建設(shè)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRH 和諧號(hào)動(dòng)車組的應(yīng)用日漸增多，目前，設(shè)計(jì)行駛速度200km／h及以上的鐵路，均采用了CRH 和諧號(hào)動(dòng)車組作為主型線上移動(dòng)設(shè)備。CRH 動(dòng)車組列車牽引計(jì)算作為高速鐵路設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，除完成列車運(yùn)行時(shí)分計(jì)算、列車運(yùn)行能耗計(jì)算、列車運(yùn)行速度時(shí)分曲線圖（VT－S）等基本的功能外，對(duì)設(shè)計(jì)工作中列車運(yùn)行圖鋪畫、動(dòng)車組車底數(shù)配置、區(qū)間信號(hào)機(jī)布置、接觸網(wǎng)電分相設(shè)置檢算、供電電流仿真等工作也具有重要的指導(dǎo)意義，是完成上述工作的最基礎(chǔ)的資料，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性直接影響設(shè)計(jì)工作的開展。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

由于國(guó)外高速鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、方法及設(shè)計(jì)流程與我國(guó)差別較大，雖然信息化發(fā)展程度較高，但可借鑒的地方較少。同時(shí)，國(guó)外高速鐵路建設(shè)無論在規(guī)模、數(shù)量方面，都遠(yuǎn)不及我國(guó)建設(shè)市場(chǎng)。不過，國(guó)外設(shè)計(jì)市場(chǎng)對(duì)信息化設(shè)計(jì)的重視卻是非常值得學(xué)習(xí)。

目前，我國(guó)從事高速鐵路設(shè)計(jì)的主要有鐵一院、鐵二院、鐵三院、鐵四院及中鐵咨詢、鐵五院等。據(jù)調(diào)查，高速鐵路設(shè)計(jì)中的牽引計(jì)算部分，主要采用的都是鐵科《牽引電算》（2.5版）軟件，該軟件由鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛所于2000年開發(fā)而成，在十多年以來的鐵路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要的作用，是行車組織設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的應(yīng)用軟件之一。由于該軟件采用單質(zhì)點(diǎn)計(jì)算模型、機(jī)車牽引車輛的計(jì)算模式，對(duì)動(dòng)力分散的動(dòng)車組來說，其計(jì)算模型和計(jì)算模式難以適應(yīng)國(guó)外項(xiàng)目“精細(xì)化”設(shè)計(jì)的要求，主要表現(xiàn)：

1）由于計(jì)算模型不適應(yīng)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性不高；

2）列車運(yùn)行速度時(shí)分曲線圖（VT－S）曲線部分運(yùn)行路段不合理；

3）無法輸出實(shí)時(shí)電流I－S曲線，不能進(jìn)行供電電流仿真；

4）無法進(jìn)行區(qū)間信號(hào)機(jī)間隔時(shí)間、制動(dòng)距離檢查；

5）無法滿足電分相設(shè)置檢算的要求；

6）無法滿足海外項(xiàng)目精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求。

2 用戶需求調(diào)研整理

基于在設(shè)計(jì)單位進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)需求調(diào)研，將用戶對(duì)動(dòng)車組牽引計(jì)算系統(tǒng)的需求整理為

2.1 數(shù)據(jù)管理

1）數(shù)據(jù)錄入簡(jiǎn)便，提供Excel數(shù)據(jù)模板，并實(shí)現(xiàn)Excel、Access、Cad等多種格式的線路數(shù)據(jù)文件的直接導(dǎo)入使用；

2）實(shí)現(xiàn)Cad、Pdf、Txt多種格式的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)輸出；

3）輸出精度的控制。可人工調(diào)整控制輸出結(jié)果的精度；

4）長(zhǎng)短鏈處理。自動(dòng)進(jìn)行線路數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)短鏈檢查和處理。

2.2 過分相檢算

當(dāng)前系統(tǒng)為手工調(diào)整工況（惰行）以模擬過分相時(shí)情形，人工計(jì)算分相檢算表中的各項(xiàng)指標(biāo)再匯總。新的系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)列車過分相的自動(dòng)計(jì)算，并進(jìn)行分相檢算，記錄動(dòng)車組列車入分相速度、出分相速度、速度損失和延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。另外，需提供進(jìn)行列車在帶電和不帶電通過分相兩種情況下出分相速度、速度變化和通過分相時(shí)分等指標(biāo)對(duì)比的功能。

2.3 牽引計(jì)算策略和模型

新的軟件需考慮節(jié)時(shí)、節(jié)能、定時(shí)三種牽引計(jì)算策略，采用多質(zhì)點(diǎn)模型提高計(jì)算精度，另外，預(yù)備多套起車算法以供司機(jī)使用，如滿功率起車、遞進(jìn)功率起車等。

2.4 信號(hào)機(jī)布置

新系統(tǒng)要求提出建議閉塞分區(qū)長(zhǎng)度及信號(hào)機(jī)布置方案，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)機(jī)的初始布點(diǎn)、圖形化調(diào)整、追蹤間隔邏輯檢查等功能。

2.5 列車停站和制動(dòng)

如圖1 所示，現(xiàn)有的鐵科牽引電算軟件存在問題：

1）遇到限速時(shí)速度下降過早；

2）站前有坡度較大的坡道時(shí)往往停站不準(zhǔn)。

新軟件需避免這些問題。另外，現(xiàn)有軟件還存在空氣制動(dòng)和電力制動(dòng)聯(lián)合制動(dòng)的問題，動(dòng)車組只有電力制動(dòng)曲線，制動(dòng)距離過長(zhǎng)，新軟件要解決聯(lián)合制動(dòng)的問題，在動(dòng)車組實(shí)施制動(dòng)過程中合理利用空電聯(lián)合制動(dòng)。

圖1 過早降速、停站不準(zhǔn)

2.6 手動(dòng)計(jì)算

現(xiàn)有軟件在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，先設(shè)定好計(jì)算條件，然后進(jìn)行后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算，查看生成的運(yùn)行曲線，發(fā)現(xiàn)有不理想或者不合理的地方重新進(jìn)行回退手動(dòng)計(jì)算。有時(shí)切換到手動(dòng)計(jì)算不能進(jìn)行人工操作，新的系統(tǒng)需保證計(jì)算過程中自動(dòng)和手動(dòng)計(jì)算的交替使用無誤。

3 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)

總結(jié)動(dòng)車組牽引計(jì)算基本任務(wù)及現(xiàn)場(chǎng)用戶需求，適合動(dòng)車組的牽引計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)具備7方面功能。

3.1 數(shù)據(jù)管理

1）提供多種數(shù)據(jù)輸入方式進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。第一種是用戶在系統(tǒng)中根據(jù)提示手動(dòng)錄入，第二種方式是由系統(tǒng)提供可編輯的數(shù)據(jù)輸入Excel或Mdb模板，用戶通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口能一次性向系統(tǒng)導(dǎo)入Excel或Mdb文件中各項(xiàng)牽引計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括線路數(shù)據(jù)、動(dòng)車組參數(shù)數(shù)據(jù)和特性數(shù)據(jù)等，另外，系統(tǒng)可以由接口讀取現(xiàn)有電算軟件的數(shù)據(jù)文件。

2）系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)后能自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和合理性的檢查，包括長(zhǎng)短鏈的檢查和坡度高程數(shù)據(jù)的檢查等，若存在問題則詢問用戶是否進(jìn)行系統(tǒng)的自動(dòng)處理。

3）提供多種格式文件的輸出及輸出精度調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)能夠輸出Cad、Pdf等格式的計(jì)算結(jié)果文件（速度時(shí)分曲線、區(qū)間運(yùn)行數(shù)據(jù)等），可以調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果中綜合數(shù)據(jù)的輸出步長(zhǎng)，現(xiàn)有牽引計(jì)算軟件通常固定為1s。

3.2 牽引計(jì)算

1）計(jì)算條件的設(shè)置，包括線路、動(dòng)車組列車的選擇和牽引計(jì)算參數(shù)的設(shè)置（包括計(jì)算步長(zhǎng)、道岔限速等）。

2）提供牽引計(jì)算動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算及后臺(tái)快速計(jì)算兩種計(jì)算方式。其中動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算能夠模擬線路縱斷面及動(dòng)車組列車在線路上的實(shí)際運(yùn)行情況，并且動(dòng)態(tài)顯示列車的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行、供電電流和能耗的仿真，提供速度－距離、時(shí)間－距離、工況－距離、電流－距離和能耗－距離等曲線輸出的功能。

3.3 電分相檢算

1）系統(tǒng)根據(jù)線路標(biāo)記數(shù)據(jù)中的電分相位置，提供選擇是否考慮分相的功能，若用戶選擇是則實(shí)現(xiàn)列車過分相的自動(dòng)檢算，分上下行記錄入分相速度、出分相速度、速度損失和延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。

2）提供進(jìn)行列車在帶電和不帶電通過分相兩種情況下出分相速度、速度變化和通過分相時(shí)分等指標(biāo)對(duì)比的功能。

3.4 信號(hào)機(jī)布置

1）系統(tǒng)基于牽引計(jì)算結(jié)果進(jìn)行閉塞分區(qū)長(zhǎng)度的確定及區(qū)間通過信號(hào)機(jī)的自動(dòng)布點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)圖形化調(diào)整信號(hào)機(jī)位置功能。

2）提供列車運(yùn)行追蹤間隔、制動(dòng)距離檢算等功能。

3.5 手動(dòng)計(jì)算

系統(tǒng)在進(jìn)行動(dòng)態(tài)自動(dòng)計(jì)算過程中，若用戶查看生成的速度曲線發(fā)現(xiàn)有不合理或者不理想的地方可以切換到手動(dòng)計(jì)算模式進(jìn)行計(jì)算。手動(dòng)計(jì)算模式模擬一個(gè)駕駛員操作臺(tái)，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的工況和操作檔位等數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)算過程中自動(dòng)和手動(dòng)計(jì)算的交替使用。

3.6 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)輸出

提供區(qū)間運(yùn)行時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)、綜合數(shù)據(jù)等結(jié)果數(shù)據(jù)和各種仿真曲線的預(yù)覽和打印功能。

3.7 系統(tǒng)輔助

1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、計(jì)算參數(shù)、顯示參數(shù)和打印參數(shù)等參數(shù)的設(shè)置；

2）提供完善的幫助功能，包括各項(xiàng)功能介紹、詳細(xì)使用方法及功能演示動(dòng)畫；

3）在用戶使用系統(tǒng)過程中提供功能操作提示。

CRH 動(dòng)車組牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、牽引計(jì)算子系統(tǒng)、電分相檢算子系統(tǒng)、信號(hào)機(jī)布置子系統(tǒng)、手動(dòng)計(jì)算子系統(tǒng)、結(jié)果輸出子系統(tǒng)和系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)結(jié)果及各子系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示。

圖2 動(dòng)車組牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

4 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

CRH 動(dòng)車組牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)在我國(guó)尚屬首創(chuàng)，要求實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)較多，需要支撐的技術(shù)也很多，能跟蹤實(shí)現(xiàn)高速鐵路牽引計(jì)算及相關(guān)設(shè)計(jì)工作的全過程，完全是一套嶄新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)的研制開發(fā)中存在以下關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)：

1）算法方面：牽引計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是評(píng)價(jià)牽引計(jì)算系統(tǒng)的核心指標(biāo)之一，提高牽引計(jì)算準(zhǔn)確性、滿足系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)要求涉及到以下技術(shù)或者方案：①多質(zhì)點(diǎn)模型。當(dāng)列車經(jīng)過變坡點(diǎn)或變曲率點(diǎn)時(shí)，單質(zhì)點(diǎn)模型計(jì)算的受力分析與實(shí)際差距較大，成為計(jì)算誤差的重要來源；②起車算法，包括滿功率起車、遞進(jìn)功率起車；③動(dòng)車組操縱策略選擇，最快速、最經(jīng)濟(jì)、混合優(yōu)化等操縱策略；④動(dòng)車組制動(dòng)方式使用方案，計(jì)算過程中怎樣合理選擇動(dòng)力制動(dòng)、空氣制動(dòng)和混合制動(dòng)3種制動(dòng)方式。

2）動(dòng)態(tài)仿真方面：模擬動(dòng)車組動(dòng)態(tài)運(yùn)行及列車運(yùn)行仿真所需的圖形和動(dòng)畫技術(shù)。要讓動(dòng)態(tài)仿真具有較高的可觀賞性有一定的難度。

5 結(jié)束語

隨著近年來高速鐵路設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步，“精細(xì)化”設(shè)計(jì)的要求也越來越高?，F(xiàn)有的牽引計(jì)算軟件已經(jīng)不能滿足動(dòng)車組牽引計(jì)算的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套完整的CRH 動(dòng)車組牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)有著重大的意義。本文先對(duì)研究背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)單說明，再結(jié)合現(xiàn)有軟件存在缺陷及用戶需求整理設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠滿足動(dòng)車組牽引計(jì)算的新的系統(tǒng)，并介紹了其主要功能，對(duì)系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)作一定探討，為動(dòng)車組牽引計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)作出了有益的探索。

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