基于STeC的高速列车运行模型的设计策略

　0 引言
　　高速列车运行速度的不断提高，对列车运行控制系统和运行环境提出了更苛刻的要求。因此，研究高速列车运行过程的控制与仿真，对提高列车安全性、正点率有着重要的意义。在列车运行仿真研究中，文献[1]主要针对普通铁路和重载铁路，较少针对高速铁路。近年对高速列车的运行仿真研究成为热点，主要是研究基础数据处理方法、线路模型和列车运行模型。文献[2]提出了线路的三层节点网络模型用来解决现有的线路模型存在的问题。文献[3]研究了高速铁路列车运行仿真的基础数据处理方法。文献[4]研究了高速列车制动系统。对高速列车运行这一实时系统而言，现有的对列车运行仿真研究没有反映其对时间和空间的一致性要求。
　　陈仪香在文献[5]中提出一个实时系统规范语言STeC（Spatial&Temporal Consistence），用于描写物理元素触发的实时系统的时空一致性。时空一致性强调了实时系统在规定的时间到达指定位置，同时在规定的时间内完成指定的任务。高速移动体，如高速列车等均有时空一致性的要求。可以使用STeC对高速移动体进行建模，从而解决它们对时空一致性的需求。本文首先分析了高速列车的运行过程并用STeC语言进行了描述，再结合分析各个运行过程的受力情况等物理过程和时空一致性要求，提出了基于STeC语言的单列高速列车运行模型与算法， 该模型具有正点到达的特点，最后以CRH3型动车组高速列车为例，通过Matlab/Simulink对该模型的测试仿真证明了其正确性和有效性。
　　1 用STeC语言描述高速动车的运行过程
　　1.1 高速列车的运行过程
　　一般地，将两站之间的列车运行过程分为起动过程、牵引过程、惰行过程、恒速过程、调速制动过程以及进站制动过程。为了便于研究，对其中的一些控制过程进行了合并建模，故本文将列车运行过程分为四个过程：①牵引加速过程，包含起动过程和牵引加速过程；②中间运行过程，列车运行到目标速度以后，可以惰行和牵引轮换的过程；③制动减速过程，包含调速制动与进站制动过程；④停留等待。如图1所示。
　　上述括号内第一行是该过程需要满足的微分方程，这里的微分方程是根据物理运动规律而确定的，一般指微分方程组，后面将具体给出各个过程的微分方程。第二行和第三行分别为该运动过程的初值和末值。其中t01，s01是指高速列车牵引加速到最高限速vmax时的时间和位置，是从牵引加速到中间运行的转折点。t02，s02是指列车从中间运行到制动减速时的转折点的时间和位置，vzd是该处的速度大小。只要系统按照STeC语言所描述的运行过程行驶，高速列车就一定能正点到达下一站。
　　2 高速列车的运行过程模型
　　列车运行过程的模型建立和研究角度有关，研究角度不同，建立的模型差异较大。列车运行主要有两种典型的操纵模式：①节时模式，即最小运行时间；②节能模式，在给定线路条件、列车参数和两点运行时分条件下寻求比较节能的机车操纵方式。考虑到高速列车最需要的是安全正点到达目的地，选择正点节能模式。
　　2.1 受力情况分析
　　2.1.1 牵引力
　　机车牵引力的计算一般使用它的牵引特性曲线进行查定，高速列车只有一条最大牵引力特性曲线。最大牵引力是运行速度的函数，计算牵引力可在和最大牵引力间任意取值，即有：Fqy=f（v），不同的高速列车动车组其特性曲线是不一样的。本文以实际的高铁线路为例，使用MATLAB/Simulink对北京到上海的高铁列车G147进行仿真和测试。高铁列车选用CRH3型动车组，选择文献[2-4]中的数据：编组为16辆（8动8拖），最大牵引功率是18400kw，最大再生制动功率为16500kW，定员为1044人，重量为696t，长度为566m，设计速度为380km/h，运行限速为300km/h。高速列车的轴数是64，正面的截面积是9m2。
　列车牵引力与制动力的计算通过提取对应厂家给定的特性曲线上的数据获得，采用不同方法提取曲线上的数据，其精度必然存在差异。利用文献[3]的方法获取到列车牵引力特性曲线上的数据，利用MATLAB/Simulink拟合相应的曲线函数，得到的牵引力2.2 高速列车运行控制策略
　　在高速列车的运行过程中，实际运行状态是非常复杂的。为了简化算法，便于计算机实现，根据实际的需要，建立基于时空一致性的保证时间正点的策略是让动车组正点运行完整个区段。在这样的情况下，高速列车运行的策略是：牵引时一般采用最大牵引力，制动时采用动态调整常用制动力。在列车达到限速时根据时间是否正点（计算时间误差）来确定以牵引或惰行来进行区间运行。
　　2.3 高速列车运行过程计算
　　高速列车运行过程计算模型的主要设计思想如下：
　　⑴ 对高速列车的牵引特性与制动特性数据，根据其特性曲线，通过拟合等方法获得其函数表达式；
　　⑵ 高速列车运行过程中，使用文献[7]的优化模型，即起动与牵引加速过程采用最大牵引力，中间过程采用惰行和牵引轮换运行；
　　⑶ 为了实现列车正点的目标，制动与进站过程采用动态调整常用制动力；
　　⑷ 为了简化模型，对阻力主要考虑基本阻力；
　　⑸ 模型具有位置触发自动调整高速列车运行的特点，利用时间和空间的一致性要求计算牵引加速到最大值（限速）转折点和中间段到制动段的转折点；
　　⑹ 各运行过程的计算均以时间为步长并可在计算过程中进行动态调整。
　　3 高速列车运行过程的仿真算法设计
　　⑴ 按照列车正点到达的要求，建立一个简单模型描述列车在各个中间段的时间和位置关系，作为比较的参考点数值。
　　点（t01，s01）是指高速列车牵引加速到最高限速vmax的转折点4.2 中间运行过程
　　该过程的仿真测试主要实现了上节中高速列车的运行过程的仿真算法，中间运行过程主要由惰行减速到280km/h过程和牵引加速到最高限速两部分组成。比较列车到目标站的距离和4.3节的最大常用制动距离，动态地确定制动点的位置，图6是整个运行过程（北京到天津）中v与s的关系。仿真测试结果表明：高速列车到达天津站的时间t=2031s，时间提早了9s，基本上满足列车正点到达的要求，制动时间用了480s。
　　4.3 制动减速过程
　　应用式（12）的仿真测试表明：初速为300km/h时且使用的最大常用再生制动力时的制动距离为6209.9m，制动所需时间是133s，制动减速过程中起始速度与制动距离的曲线5 结束语
　　高速列 车的运行仿真是近年研究的一个热点，本文提出了基于STeC（时空一致性）语言的单列高速列车运行模型与算法。使用MATLAB/Simulink工具对基于STeC语言描述的高速动车的运行过程进行了仿真测试，结果表明，该模型满足了高速列车运行这一实时系统的时间和空间的一致性要求。
　　参考文献：
　　[1] 石红国.列车运行过程仿真及优化研究[D].四川成都西南交通大学博
　　士研究生学位论文，2006.9.

本文选自《计算机时代》2014年第5期,版权归原作者和期刊所有，如有异议，请联系第一 论文网QQ 71208696 7，我们将在第一时间处理。