高磊 韩跃 白俊义 钟成 刘晏辰 耿皆存
中车唐山机车车辆有限公司 河北 唐山 064000
摘要：高速列车牵引仿真技术是高速铁路发展的重要环节，研究高速列车的牵引计算仿真系统对于我国高速动车组设计优化、高速铁路线路的设计和优化、列车运行时分、能耗等运营指标的优化等方面具有重要意义。 CRH 系列动车组为研究对象，通过分析动车组运行过程计算算法的研究，开发完成高速铁路牵引计算与仿真系统，并应用实例进行验证。
关键词：高速铁路；牵引计算；仿真系统
我国已经建成多条高速动车组线路，但由于相关系统的应用和研究起步晚，本领域内理论研究和产品研发与其他高铁发达国家稍显滞后。我国现有的主流牵引计算软件采用模型和计算方法主要是针对普速铁路的机车车辆设备进行设计，随着高速铁路的发展，已经不适用于高速铁路设计、动车组运用等相关工作。为了能够更好的发挥高速动车组的性能，有必要编制一套适用于动车组牵引计算同时兼用于普通线路机车车辆设备牵引计算的仿真系统。
一、高速铁路牵引供电系统
高速铁路牵引供电系统优化设计是多约束、非线性和多目标的复杂问题。优化设计过程需要综合考虑地理环境因素、建所选址问题、设备投资费用、维修保养费用和电能损耗等问题。牵引供电系统供电方案的优劣不仅影响系统的投资建设和维修费用，而且还影响运营过程的经济性。针对单一目标函数的牵引供电系统优化方法往往不能达到很好的节能效果。通过研究分析发现，有多种因素会对牵引供电系统的经济运行结果产生影响，其中主要包含牵引网上的功率损失大小、外部电源进线距离、投资建所费用和运营维修费用等。电气化铁路牵引供电系统的作用为把发电厂或地方变电站输出的电能供给铁路沿线运行的电力机车使用，主要由外部电源系统、牵引变电所及接触网等多个部分组成。特点如下：
1、牵引负荷大，可靠性要求高：高速列车相对于普通低速列车而言，在速度方面有了很大的提升，空气阻力相对较大，在高速运行过程中，空气阻力是列车主要阻力，在这样的情况下，牵引负荷通常很大；高速铁路为旅客运输的主要交通工具，在高峰时段运行数量多，必须确保安全。
2、短时集中负荷特征明显。负荷多集中在较短的时间内，高速铁路的高峰客流期通常在节假日、早晨以及晚间，为了满足客流量的要求适时调整，列车运行的数量在密集时间内数量通常很多，牵引负荷非常集中。为了满足各种集中负荷供电的要求，就需要保证牵引供电系统具有足够的供电能力。
3、 越区供电能力要求高：跨越不同的供电区域要满足相应的供电能力，而且要求较高。高速铁路要满足准时的要求，而且旅客运输量通常较大，如果某些牵引变电所出现问题而导致无法正常工作，在这种情况下就需要采用跨区域供电的方式，但同时需要降低相邻牵引变电所的供电负荷压力。
二、动车组运行计算算法
采用以坡段为单元进行计算，动车组运行过程计算主要考虑起动与牵引加速过程、中间运行过程和工况。
1、起动与牵引加速算法。起动牵引过程时以最大牵引力起动，在开始阶段可选择较大步长 dt(如 1s，缩短计算过程。如果运行距离超过坡段长度或速度超过了最高限制速度，回退前一步长，dt 采用 dt /2，重复迭代运算，直到速度达到限制速度的要求范围内( vxmax≥vx≥vmax －ε) ( vxmax为最大限制速度) 或 ΔS－SolepLi ≤ε( ΔS 为在当前坡段内走行距离，SolepLi 为当前坡段 i 的坡长，ε 为小数值，如取 0. 001) 。
2、中间运行算法。中间运行过程是起动牵引结束后，进站制动之前的运行过程。在此过程中，随着线路条件不同，动车组列车在惰行和牵引运行工况之间运行。当阻力的影响导致列车速度降低到 vx≤vxmax －ε 时，重新进入牵引工况，而当速度达到 vxmax≥vx≥vxmax －ε 时，重新进入惰行工况，反复该运行过程，接近车站时转入制动工况。
3、制动过程算法。根据高速铁路线路设计实际情况，动车组的制动工况主要是进站制动。只是对于个别长大下坡道，当坡道下滑力大到可以克服基本阻力而使列车加速运动时，才需要进行调速制动，以确保列车运行速度不超过限制速度。列车进站过程就是列车在受制动力的情况下的减速过程，最后末速度为 0，进站制动过程。
三、高速铁路牵引计算仿真系统
在牵引计算理论、牵引模型及牵引力、制动力、列车阻力等计算方法的基础上，结合动车组的相关参数与技术要求，采用 C# 2010 编程语言［2］、Microsoft Access 数据库，开发了基于多质点模型的动车组牵引计算仿真系统。
1、系统功能结构。系统采用的牵引计算模型是多质点列车模型，根据牵引计算过程，系统分部分，即项目管理模块、动车组数据模块、线路数据模块、牵引计算模块和结果输出模块。系统功能结构如图所示。
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2、系统应用。根据线路名称，建立新项目，系统自动以项目名称在 Access 数据库中建立数据库，并在该数据库中自动建立数据表，牵引计算所需的数据和计算结果均存储在该数据库中。 根据所得到的各 CRH 型动车组牵引力数据、制动力数据和有功电流数据，通过动车组管理模块添加到数据库中。根据 CRH 型动车组的特性数据，在动车组数据管理模块中输入各 CRH 型动车组的编组质量、定员荷载质量、起动加速度、编组长度等参数并保存到数据库中。通过牵引数据生成模块，根据线路设计结果数据，利用系统提供的牵引数据的生成算法，对线路数据进行分段处理，以方便牵引计算。设置参数，主要包括牵引参数、列车编组、基本阻力计算参数等。不同参数设置条件下，牵引计算的结果也不同。通过对各参数的设置，可以灵活实现不同参数下的动车组牵引计算，可用来比较各参数对牵引计算结果的影响。调用牵引计算主模块进行牵引计算，主模块将会依次调用牵引力计算模块、制动力计算模块、阻力计算模块和能耗计算模块，得到一系列计算结果数据和牵引计算图形。通过改变线路数据、牵引计算参数和动车组数据，调用系统的牵引计算主模块进行计算，得到新的计算数据结果，从而可对比不同参数下 CRH 动车组的运行时间和运行能耗等结果。
3、系统主要功能
动车组数据管理模块。动车组数据管理模块可实现对 CＲH 型动车组牵引力、制动力、电流数据和动车组数据的管理。
线路数据模块，线路数据输入模块的主要功能是维护牵引运行计算所需的线路数据，主要包括坡度数据、曲线数据、隧道数据、车站数据和限速区间数据，[1]这些线路数据是进行牵引计算的基础数据。
计算参数设置。计算参数设置主要包括牵引参数设置、动车组编组设置。不同的参数设置可用来比较各参数对牵引计算结果的影响。牵引计算模块是主要运行能耗计算程序; 运行速度和运行时分计算;图形绘制，牵引计算模块整个系统运行过程。
牵引计算结果数据。牵引计算结果数据反映的是各种牵引计算结果，主要包括区间牵引数据、坡段牵引数据、详细牵引数、工况统计数据和能耗计算数据。
结论
在牵引计算理论、牵引模型及牵引力、制动力、列车阻力、能耗等计算方法的基础上，结合动车组的相关参数与技术要求以及实际工作中的各种计算要求，采用 CRH 型动车组牵引计算仿真系统，实现了适应所有 CRH 型车组的高速铁路牵引计算。系统实现了动车组数据管理、线路数据管理、牵引计算、图形生成与输出等动车组牵引计算主要功能。
参考文献：
[1] 胡琰瑜．列车牵引计算系统的设计与实现[J]．成都：西南交通大学，2018．
[2] 曾 理．提速列车牵引计算软件自动计算功能研究[J]．成都：西南交通大学，2019．
[3] 谢小淞．城市轨道交通列车牵引计算系统的研究[J]．交通标准化，2019(9)：22—24．
[4] 张刚，潘金山，倪少权．列车牵引计算仿真的研究[J]．铁路计算机应用，2017(8)：18—20．