節(jié)能評估及能源消耗分析軟件的開發(fā)與驗證

張彥棟 王利軍

關(guān)鍵詞：動車組；牽引計算；列車群；能耗

1 研究背景

動車組牽引計算是高速鐵路運營和設(shè)計過程中的一個基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)[1]，利用動車組牽引仿真計算軟件對動車組列車進行仿真計算，對于動車組節(jié)能評估、優(yōu)化操作等具有較大的指導(dǎo)意義。

中鐵二院開發(fā)的節(jié)能評估及能源消耗分析軟件，考慮動車組基本參數(shù)以及牽引和制動特性等，建立動車組牽引計算模型，實現(xiàn)了列車牽引和制動力、列車運行速度、列車能耗等的實時計算。本軟件建立的動車組牽引計算模型，通過真實項目實測數(shù)據(jù)，能夠正確地仿真單次列車運行過程；同時在考慮再生能量利用的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)動車組列車群在單一線路的上下行的牽引仿真計算，為動車組節(jié)能評估及能源消耗，以及后續(xù)動車組優(yōu)化操縱方式的研究提供數(shù)據(jù)支持。

2 軟件需求概述

2.1 軟件目標需求

節(jié)能評估及能源消耗分析軟件的目標需求描述如下：

1） 建立精確的動車組單車牽引計算模型。

2） 結(jié)合基于極大值原理開發(fā)的最大能力運行與準點節(jié)能運行兩種列車運行策略[2]，實現(xiàn)動車組單車牽引能耗的優(yōu)化[3]。

3） 建立動車組多車牽引計算模型，在考慮再生制動能量利用的條件下，依據(jù)準點節(jié)能算法，實現(xiàn)根據(jù)真實時刻表的列車群實時運行牽引仿真計算[4]。

2.2 軟件功能需求

軟件需實現(xiàn)的具體功能需求如下：

1） 線路信息輸入。

2） 動車組信息輸入。

3） 時刻表信息輸入。

4） 基于線路信息的準點節(jié)能控制策略的列車群運行和牽引能耗計算。

5） 牽引計算過程中的上線動車組車次的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)的查詢與顯示。

6） 軟件輸出功能。

2.3 軟件數(shù)據(jù)需求

軟件將動車組牽引計算所需數(shù)據(jù)分為三類，分別是：

1） 線路數(shù)據(jù)。線路數(shù)據(jù)由線路縱斷面數(shù)據(jù)和限速數(shù)據(jù)兩部分組成。線路縱斷面數(shù)據(jù)主要是車站、坡道、曲線數(shù)據(jù)，限速數(shù)據(jù)主要是線路各區(qū)間的限速信息及對應(yīng)公里標。

2） 動車組數(shù)據(jù)。動車組數(shù)據(jù)是動車組進行牽引計算的基本條件，分為動車組基本參數(shù)和動車組特性參數(shù)兩部分。動車組基本參數(shù)主要包括動車組編組類型、荷載、考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的動車組重量等數(shù)據(jù)，動車組特性參數(shù)主要包含牽引特性曲線、制動特性曲線等數(shù)據(jù)。

3） 列車群運營數(shù)據(jù)。列車群運營數(shù)據(jù)主要為時刻表數(shù)據(jù)，包括動車組車次、經(jīng)停站、停站時間等。

3 軟件模塊分析

列車牽引計算系統(tǒng)可設(shè)計為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、牽引計算處理系統(tǒng)、界面系統(tǒng)三個子系統(tǒng)[5]，節(jié)能評估及能源消耗分析軟件由三個模塊組成：

1） 輸入數(shù)據(jù)模塊。主要為線路、動車組及時刻表信息。

2） 牽引計算模塊。根據(jù)已建立的動車組牽引計算模型、輸入數(shù)據(jù)模塊信息，進行動車組單車及列車群牽引仿真能耗計算。

3） 數(shù)據(jù)后處理模塊。

3.1 輸入數(shù)據(jù)模塊

輸入數(shù)據(jù)模塊的數(shù)據(jù)對象由三部分組成：

1） 線路數(shù)據(jù)，主要包含車站、限速、電分相、坡度、曲線、隧道等數(shù)據(jù)。

2） 動車組數(shù)據(jù)，動車組基本參數(shù)主要包括動車組編組類型、荷載、考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)的動車組重量等數(shù)據(jù)，動車組特性參數(shù)主要包含牽引特性曲線、制動特性曲線等數(shù)據(jù)。

3） 列車群運營數(shù)據(jù)：主要為時刻表數(shù)據(jù)，包括動車組車次、經(jīng)停站、停站時間等。

3.2 牽引計算模塊

牽引計算模塊是節(jié)能評估及能源消耗分析軟件的核心模塊。軟件可實現(xiàn)不同控制策略（最大能力控制策略和基于極大值原理的準點節(jié)能控制策略）下的單車及列車群的牽引及能耗計算。具體實現(xiàn)流程如下：

1） 根據(jù)動車組牽引計算模型及準點節(jié)能控制算法，實現(xiàn)單車的牽引計算。

2） 基于真實時刻表，考慮再生制動充分利用的條件下，實現(xiàn)動車組多車的牽引仿真計算。

3） 仿真結(jié)束或人為停止后，運行數(shù)據(jù)將按照軟件制定的二進制文件進行存儲。

牽引計算模塊功能結(jié)構(gòu)如圖1。

3.2.1 單車牽引計算模塊

結(jié)合動車組數(shù)據(jù)，采用多質(zhì)點模型進行受力分析，建立動車組牽引計算模型[6]；根據(jù)牽規(guī)，對動車組進行牽引仿真計算，模擬單車在該線路上的運行時間、速度、能耗等數(shù)據(jù)[7]。具體實現(xiàn)如下：

1） 對線路數(shù)據(jù)及動車組數(shù)據(jù)進行靜態(tài)存儲；

2） 根據(jù)線路數(shù)據(jù)及動車組數(shù)據(jù)，賦予指定步長，計算每步長對應(yīng)的動車組運行工況、動車組牽引力、制動力、速度及位置等信息，并按照步長進行存儲。

牽引計算流程圖如圖2所示。

3.2.2 單車牽引計算模塊

依據(jù)基于極大值原理的準點節(jié)能算法，在給定運行時間的條件下，動車組最優(yōu)控制曲線由五種運行工況組成，分別是最大牽引工況、最大制動工況、部分牽引工況、部分制動工況和惰行工況[8]。當(dāng)動車組處于部分牽引和部分制動工況時，動車組為勻速運行。

因此，本軟件單車牽引計算模塊由三部分組成：

1） 離線計算動車組在各區(qū)間的最優(yōu)運行控制曲線。

2） 存儲動車組在各區(qū)間的最優(yōu)工況轉(zhuǎn)換點。

3） 運行仿真時，提供存儲的工況及級位信息至牽引計算模塊。

3.2.3 列車群牽引計算模塊

列車群牽引計算模塊依托單車牽引計算模塊為基礎(chǔ)，并在開發(fā)過程中考慮同一供電臂下再生能量的利用。其計算流程如下：

1） 開始仿真。軟件根據(jù)輸入模塊提供的數(shù)據(jù)讀取線路、動車組及時刻表數(shù)據(jù)，同時，將所有上線動車組的最早發(fā)車時間作為軟件當(dāng)前計算時間。

2） 軟件根據(jù)所有車次是否已處于下線狀態(tài)或到達時刻表終點判斷仿真是否結(jié)束。

3） 軟件遍歷時刻表中所有動車組車次是否到達發(fā)車時間或到達終點。若為真，則更新車次狀態(tài)，并初始化新上線車次狀態(tài)。

4） 軟件讀取時刻表中所有動車組車次及狀態(tài)，判斷動車組是否已到點發(fā)車，若是，則更新對應(yīng)動車組車次計算條件，調(diào)用區(qū)間預(yù)計算函數(shù)，并將其狀態(tài)設(shè)置為運行狀態(tài)。

5） 計算列車總能耗，并遍歷時刻表中所有處于運行狀態(tài)的車次，調(diào)用單車牽引計算函數(shù)，更新車次狀態(tài)。

6） 按照指定步長向前推進一步，返回至第二步循環(huán)進行，一直運行至?xí)r刻表終點或所有車次均已下線。

3.3 數(shù)據(jù)后處理模塊

數(shù)據(jù)后處理模塊輸出內(nèi)容包含：動車組的速度距離曲線、牽引力、制動力、阻力、牽引能耗等；各車次任一時刻的列車速度、位移、加速度、合力等列車動態(tài)信息；列車群總能耗、總再生能量等列車群信息。另外，該模塊也可顯示如線路縱斷面、車站、電分相、列車基本參數(shù)等靜態(tài)信息。

4 軟件功能驗證

以某鐵路項目為仿真線路，全長約290公里，總共有15個車站，線路的開行列車為CRH1和CRH380A 兩種動車組。本文采用該鐵路項目，分別對節(jié)能評估及能源消耗分析軟件的以下功能進行驗證：

1） 單車牽引計算模塊的正確性；

2） 列車群牽引計算的準確性。

4.1 動車組牽引計算模型驗證

本文通過軟件牽引仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)比較的方式對動車組牽引計算模型的正確性進行驗證。在搜集LKJ（列車運行控制記錄裝置）讀取的實際速度距離曲線及限速信息后，設(shè)計仿真對比方案：

根據(jù)目前掌握列車資料，讀取司機駕駛的速度時間曲線，并將該次列車的實際速度距離曲線作為限速文件，采用最大能力運行控制策略，對動車組進行牽引仿真計算。

圖3為真實列車司機駕駛曲線，圖4為該軟件模擬司機開行的速度時間曲線。受到發(fā)線影響出發(fā)及停靠公里標、人為讀取司機駕駛曲線的差異影響，軟件模擬的駕駛曲線和司機實際的駕駛曲線存在細微的差異，但吻合度仍然很高，軟件模擬的速度曲線運行時間為16min53s，與司機實際開行的運行時間（約17min） 非常接近，仿真對比結(jié)果驗證了該軟件牽引計算模型的正確性。

4.2 動車組列車群牽引計算功能驗證

通過進行列車群牽引計算仿真，并將本項目實際用電統(tǒng)計信息與仿真計算結(jié)果進行比較，對動車群牽引計算功能的可靠性做出驗證。

該項目日常使用7組動車組開行24對，其他動車組列車（最高運行9組動車組開行32對）遇周末及客流高峰期以調(diào)度命令安排開行。

本軟件基于實際運行圖、線路信息及動車組信息，仿真得出不同運行圖下的能耗數(shù)據(jù)，如表1所示。該項目實際每月牽引用電如表2所示。

由表1可知，軟件針對24對開行的運行圖計算出的每月牽引能耗為689.3萬度，36對開行的運行圖計算出的每月牽引能耗為877.3萬度。

由表2可知，該項目每月實際牽引用電的范圍在708.8萬度和984.8萬度之間。考慮到調(diào)度命令開行機動車次調(diào)用數(shù)量、司機駕駛習(xí)慣、不同月份輔助能耗不一致，軟件牽引仿真計算出的每月能耗數(shù)據(jù)在本項目真實牽引用電范圍內(nèi)，說明該軟件在工程上的運行能耗評估具備較高的準確性，能夠?qū)榆嚱M節(jié)能評估以及能源消耗提供數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)論

中鐵二院開發(fā)的節(jié)能評估及能源消耗分析軟件通過建立動車組牽引計算模型，依據(jù)基于極大值原理的準點節(jié)能算法，實現(xiàn)了根據(jù)真實時刻表的列車群實時運行牽引仿真計算，滿足軟件的功能需求。本文驗證了該軟件建立的動車組牽引計算模型的正確性，并對某實際項目進行列車群運行與能耗計算模擬，一定程度上從工程的角度驗證了該軟件列車群牽引計算功能的可靠性。本軟件可為動車組節(jié)能評估及能源消耗提供數(shù)據(jù)支持，并為后續(xù)列車群的優(yōu)化控制策略對列車群運行能耗研究提供平臺。