CN114148386A - 一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，属于高速铁路列车运行仿真模拟领域，包括以下步骤：S1：准备基础数据，包括线路数据和列车数据；S2：结合司机操纵特征，选择高速列车启动运行阶段的司机操纵手柄极位；S3：计算高速列车运动方程，获取列车在每一个时间步长的速度和位移；S4：判断高速列车启动运行阶段是否完成：当高速列车的车尾完整越过出站信号机，则认为高速列车完成启动运行阶段，进入下一运行阶段。本发明充分考虑高速列车在启动运行过程中的司机操纵特征，基于此所设计的仿真系统在仿真高速铁路列车启动运行时更加符合实际运行情景，对于精细化提升高速铁路运营效果具有一定的辅助作用。

Description

一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法

技术领域

本发明属于高速铁路列车运行仿真模拟领域，涉及一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法。

背景技术

列车运行仿真系统通过模拟铁路线路情况和列车运行状态可以为铁路线路设计、机车选型、供电系统设计等提供重要参数和理论依据。高速列车启动运行是列车从起点到终点移动过程中不可或缺的重要步骤，也是高速列车运行仿真系统最重要的仿真模拟内容之一。

目前常用的列车运行仿真系统都是基于节时、节能或定时模式来构建列车运行仿真模型，这些仿真系统对列车牵引计算具有较高精度，但是对于列车司机操纵特征的刻画还不够深入，导致仿真系统计算结果与实际运营数据存在一定的偏差，进而导致各项牵引计算结果存在一定的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑司机操纵特征的高速铁路列车启动运行仿真模拟方法，通过该方法缩减高速列车在启动运行阶段时的仿真结果与实际运行结果之间的误差。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，包括以下步骤：

S1：准备基础数据，包括线路数据和列车数据；

S2：结合司机操纵特征，选择高速列车启动运行阶段的司机操纵手柄极位；

S3：计算高速列车运动方程，获取列车在每一个时间步长的速度和位移；

S4：判断高速列车启动运行阶段是否完成：当高速列车的车尾完整越过出站信号机，则认为高速列车完成启动运行阶段，进入下一运行阶段。

进一步，步骤S1中，所述线路数据包括线路里程、坡道、曲线、隧道、电分相、道岔数据，所述列车数据包括列车长度、列车重量、列车手柄极位、列车基本阻力、列车最大运行速度、牵引特性曲线、制动特性曲线。

进一步，高速列车起车前司机在列车运行监控装置中输入车次、列车种类、列车重量、计长、交路号；

当对CIR、GSM-R手持终端注册列车车次并选定CIR设备运行区段(线路)和工作模式后，司机确认操纵台各仪表、显示屏显示正常，各开关、手柄位置正确，各门窗处于锁闭状态，并确认行车凭证和开车时间，待车门关闭后，准确呼唤，鸣笛起动列车；高速列车具备一切启动条件后，司机操作牵引手柄进行列车启动；高速列车启动运行阶段的司机操纵特征如下：

(1)在操作主控牵引手柄置于牵引区前，制动手柄置“0”位；

(2)高速列车启动时，在牵引1级稍作停留，直到列车完全启动后再提升牵引手柄级位；

(3)高速列车完全起动后增加牵引力时，主控手柄级位逐次晋级；

(4)高速列车完全启动后，在保证平稳的前提下快速提升牵引手柄级位，以达到启动稳、加速快。

进一步，步骤S2具体包括以下步骤：

S21：判断高速列车是否完全启动：若高速列车没有完全启动，下一时间步长继续选择牵引1级；若高速列车完全启动，执行步骤S22；

S22：判断高速列车手柄极位合理性提升情况：若高速列车可以提升手柄，则下一时间步长手柄极位提升一级；若高速列车不能提升手柄极位，则下一时间步长继续选择当前手柄极位。

进一步，步骤S3具体包括以下步骤：

S31：牵引力计算：首先基于牵引特性曲线查出与列车当前速度最接近的两组牵引力-速度数据(F_t1，v₁)和(F_t2，v₂)，从而得到列车速度为v时的牵引力

S32：制动力计算：首先基于制动特性曲线查出与列车当前速度最接近的两组制动力-速度数据(F_b1，v₁)和(F_b2，v₂)，从而得到列车速度为v时的制动力

S33：运行阻力计算：高速列车的运行阻力包括基本阻力和附加阻力，所述基本阻力通常采用戴维斯公式计算；所述附加阻力包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力，其中：

坡道附加阻力：

曲线附加阻力：

曲线附加阻力：w_s＝0.00013·L_s；

式中L_tr为列车长度，l_a为跨过变坡点的长度，i_a为变坡前的计算坡度，i_b为变坡后的，R为曲线半径，L_s为隧道长度。

S34：纵向合力计算：高速列车在运行过程中具有牵引力F_t、运行阻力W和制动力F_b，列车在不同工况下所受的合力F＝F_t-F_b-W；

S35：运行加速度、速度和位移计算：列车在每一时间步长下：

运行加速度：

速度：v_i+1＝v_i+a·Timer；

位移：

式中M、g、a和γ分别为列车质量、重力加速度、加速度和转动惯量，s_i、v_i和Timer分别为第i个时间步长的位移、第i个时间步长的速度和时间步长。

本发明的有益效果在于：本发明充分考虑高速列车在启动运行过程中的司机操纵特征，基于此所设计的仿真系统在仿真高速铁路列车启动运行时更加符合实际运行情景，对于精细化提升高速铁路运营效果具有一定的辅助作用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法流程图；

图2为高速列车牵引力计算示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，为一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤1、准备基础数据，主要包括线路数据和列车数据。其中线路数据包括线路里程、坡道、曲线和隧道、电分相、道岔等数据。列车数据主要包括列车长度、列车重量、列车手柄极位、列车基本阻力、列车最大运行速度、牵引特性曲线、制动特性曲线等数据。

步骤2、结合司机操纵特征，选择高速列车启动运行阶段的司机操纵手柄极位，做到启动稳、加速快。

步骤2.1、高速列车是否完全启动判断。

步骤2.2、若高速列车没有完全启动，下一时间步长继续选择牵引1级。

步骤2.3、若高速列车完全启动，进行高速列车手柄极位合理性提升判断。

步骤2.4、若高速列车可以提升手柄，则下一时间步长手柄极位提升一级。若高速列车不能提升手柄极位，则下一时间步长继续选择当前手柄极位。

步骤3、计算高速列车运动方程，获取列车在每一个时间步长的速度和位移。

步骤3.1、牵引力计算。牵引力主要来源于厂家所提供的列车牵引特性曲线。牵引特性曲线是一条牵引力与速度关系的变化曲线，通过列车的当前速度和牵引特性曲线，可以计算出列车当前牵引力的大小。计算时首先基于牵引特性曲线查出与列车当前速度最接近的两组牵引力——速度数据(F_t1，v₁)和(F_t2，v₂)，然后可得到列车速度为v时的牵引力

步骤3.2、制动力计算。制动力也主要来源于厂家所提供的制动特性曲线。制动特性曲线是一条制动力与速度关系的变化曲线，通过列车的当前速度和制动特性曲线，可以计算出列车当前制动力的大小。计算方式与步骤3.1计算牵引力相同。

步骤3.3、运行阻力计算。高速列车的运行阻力主要是指基本阻力和附加阻力。基本阻力通常采用戴维斯公式计算。附加阻力主要包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力三种，可以通过《列车牵引计算规程》中相关换算公式对线路数据进行换算获得。坡道附加阻力

曲线附加阻力

曲线附加阻力w_s＝0.00013·L_s。式中：L_tr为列车长度，l_a为跨过变坡点的长度，i_a为变坡前的计算坡度，i_b为变坡后的，R为曲线半径，L_s为隧道长度。

步骤3.4、纵向合力计算。高速列车在运行过程中主要受牵引力F_t、运行阻力W和制动力F_b。当列车牵引运行时，合力有牵引力和运行阻力；当列车惰行运行时，合力主要指运行阻力；当列车制动运行时，合力有运行阻力和制动力。根据牛顿运动定律可以获得列车在不同工况下所受的合力F＝F_t-F_b-W。

步骤3.5、运行加速度、速度和位移计算。基于上述高速列车的受力分析，可以根据《列车牵引计算规程》中相关换算公式得到列车在每一时间步长下的运行加速度

速度v_i+1＝v_i+a·Timer和位移

公式中M、g、a和γ分别为列车质量、重力加速度、加速度和转动惯量，s_i、v_i和Timer分别为第i个时间步长的位移、第i个时间步长的速度和时间步长。

步骤4、判断高速列车启动运行阶段是否完成。当高速列车的车尾完整越过出站信号机，则认为高速列车完成启动运行阶段，进入下一运行阶段。

实施例一：

高速列车起车前司机应在列车运行监控装置中输入车次、列车种类、重量、计长、交路号等有关数据，以便列车运行监控装置能够及时准确控制列车运行。当对CIR、GSM-R手持终端注册列车车次并选定CIR设备运行区段(线路)和工作模式后，司机需确认操纵台各仪表、显示屏显示正常，各开关、手柄位置正确，各门窗处于锁闭状态，并确认行车凭证和开车时间，待车门关闭后，准确呼唤，鸣笛起动列车。高速列车具备一切启动条件后，司机可操作牵引手柄进行列车启动。高速列车启动运行阶段的司机操纵特征如下：

(1)在操作主控牵引手柄置于牵引区前，制动手柄必须置“0”位，保证同一时刻只触发一种主控手柄；

(2)高速列车启动时，需在牵引“1”级稍作停留，直到列车完全启动后再提升牵引手柄级位，从而保证列车启动时各节车厢受力均匀和增强乘客舒适度；

(3)高速列车起动后增加牵引力时，主控手柄级位可逐次晋级；

(4)高速列车启动后应在平稳的前提下通过快速提升手柄级位来增加牵引力，以达到起动稳，加速快。

为了仿真过程的精确性和简便性，根据高速列车的运行特点，将高速列车的车尾完全越过出站信号机表示高速列车已完成启动运行阶段，进入下一阶段。

下面将结合本发明实施例中的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。图1中V₀为列车完全启动的最小速度；V_cur为列车当前速度；T为完全启动最小运行时间；T_C1为牵引手柄“1”级的最小持续时间；V_T为道岔限速下列车所能达到的最大允许速度；P1表示牵引1级；SpeedSize表示一定值速度，在选取手柄级位时，主要用来避免手柄级位合理性判断，提升算法效率；S_temp、V_temp、H_temp和H_cur分别表示临时位移、临时速度、临时手柄位和当前手柄位。

步骤1、准备基础数据，主要包括线路数据和列车数据。其中线路数据包括线路里程、坡道、曲线、隧道、电分相、道岔等数据。列车数据主要包括列车长度、列车重量、列车手柄极位、列车基本阻力、列车最大运行速度、牵引特性曲线、制动特性曲线等数据。

步骤2、结合司机操纵特征，选择高速列车启动运行阶段的司机操纵手柄极位，做到启动稳、加速快。

步骤2.1、高速列车从静止到启动的仿真，方法中以速度和时间同时满足一定值来说明列车完全启动，当某一条件不满足时，列车继续以P1级运行。

步骤2.2、当列车完全启动且当前速度与最大允许速度的差值小于speedsize时，说明当前速度较小，需快速加速，此时列车可以跨级操纵且不会超限速。

步骤2.3、当最大允许速度与当前速度的差值小于SpeedSize时，说明当前速度已接近于允许速度，选取手柄级位时需向前推算至列车惰行以判断列车是否会超限速。通过手柄级位逐级降为“0”级来判断是否超限速而选取合理手柄级位时，算法需进行两次前推判断来决定列车是否需要变化。当两次前推判断都满足时，列车手柄级位提升一级；当第一次前推判断满足，第二次前推判断不满足时，列车手柄级位保持不变；当第一次前推判断不满足时，列车手柄级位降一级。

步骤3、计算高速列车运动方程，获取列车在每一个时间步长的速度和位移。列车在运行过程中主要受牵引力、制动力和运行阻力三种不同的力，为了得到列车在每一个时间步长下的运行状态，就必须对列车进行受力分析，获得列车所受合力。

步骤3.1、牵引力计算。牵引力主要来源于厂家所提供的列车牵引特性曲线。牵引特性曲线是一条牵引力与速度关系的变化曲线，通过列车的当前速度和牵引特性曲线，可以计算出列车当前牵引力的大小。计算时如附图2所示，首先基于牵引特性曲线查出与列车当前速度最接近的两组牵引力——速度数据(F_t1，v₁)和(F_t2，v₂)，然后可得到列车速度为v时的牵引力

步骤3.2、制动力计算。制动力也主要来源于厂家所提供的制动特性曲线。制动特性曲线是一条制动力与速度关系的变化曲线，通过列车的当前速度和制动特性曲线，可以计算出列车当前制动力的大小。计算方式与步骤3.1计算牵引力相同。

步骤3.3、运行阻力计算。高速列车的运行阻力主要是指基本阻力和附加阻力。基本阻力通常采用戴维斯公式计算。附加阻力主要包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力三种，可以通过《列车牵引计算规程》中相关换算公式对线路数据进行换算获得。坡道附加阻力

曲线附加阻力

曲线附加阻力w_s＝0.00013·L_s。式中：L_tr为列车长度，l_a为跨过变坡点的长度，i_a为变坡前的计算坡度，i_b为变坡后的，R为曲线半径，L_s为隧道长度。

步骤3.4、纵向合力计算。高速列车在运行过程中主要受牵引力F_t、运行阻力W和制动力F_b。当列车牵引运行时，合力有牵引力和运行阻力；当列车惰行运行时，合力主要指运行阻力；当列车制动运行时，合力有运行阻力和制动力。根据牛顿运动定律可以获得列车在不同工况下所受的合力F＝F_t-F_b-W。

步骤3.5、运行加速度、速度和位移计算。基于上述高速列车的受力分析，可以根据《列车牵引计算规程》中相关换算公式得到列车在每一时间步长下的运行加速度

速度v_i+1＝v_i+a·Timer和位移

公式中M、g、a和γ分别为列车质量、重力加速度、加速度和转动惯量，s_i、v_i和Timer分别为第i个时间步长的位移、第i个时间步长的速度和时间步长。

步骤4、判断高速列车启动运行阶段是否完成。当高速列车的车尾完整越过出站信号机，则认为高速列车完成启动运行阶段，进入下一运行阶段。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：准备基础数据，包括线路数据和列车数据；

S2：结合司机操纵特征，选择高速列车启动运行阶段的司机操纵手柄极位；

S3：计算高速列车运动方程，获取列车在每一个时间步长的速度和位移；

S4：判断高速列车启动运行阶段是否完成：当高速列车的车尾完整越过出站信号机，则认为高速列车完成启动运行阶段，进入下一运行阶段。

2.根据权利要求1所述的考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，其特征在于：步骤S1中，所述线路数据包括线路里程、坡道、曲线、隧道、电分相、道岔数据，所述列车数据包括列车长度、列车重量、列车手柄极位、列车基本阻力、列车最大运行速度、牵引特性曲线、制动特性曲线。

3.根据权利要求1所述的考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，其特征在于：高速列车起车前司机在列车运行监控装置中输入车次、列车种类、列车重量、计长、交路号；当对CIR、GSM-R手持终端注册列车车次并选定CIR设备运行区段(线路)和工作模式后，司机需确认操纵台各仪表、显示屏显示正常，各开关、手柄位置正确，各门窗处于锁闭状态，并确认行车凭证和开车时间，待车门关闭后，准确呼唤，鸣笛起动列车；高速列车具备一切启动条件后，司机操作牵引手柄进行列车启动；高速列车启动运行阶段的司机操纵特征如下：

(1)在操作主控牵引手柄置于牵引区前，制动手柄置“0”位；

(2)高速列车启动时，在牵引1级稍作停留，直到列车完全启动后再提升牵引手柄级位；

(3)高速列车完全起动后增加牵引力时，主控手柄级位逐次晋级；

(4)高速列车完全启动后，在保证平稳的前提下快速提升牵引手柄级位，以达到启动稳、加速快。

4.根据权利要求1所述的考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：

S21：判断高速列车是否完全启动：若高速列车没有完全启动，下一时间步长继续选择牵引1级；若高速列车完全启动，执行步骤S22；

S22：判断高速列车手柄极位合理性提升情况：若高速列车可以提升手柄，则下一时间步长手柄极位提升一级；若高速列车不能提升手柄极位，则下一时间步长继续选择当前手柄极位。

5.根据权利要求1所述的考虑司机操纵特征的高速列车启动运行仿真模拟方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：

S31：牵引力计算：首先基于牵引特性曲线查出与列车当前速度最接近的两组牵引力-速度数据(F_t1，v₁)和(F_t2，v₂)，从而得到列车速度为v时的牵引力

S32：制动力计算：首先基于制动特性曲线查出与列车当前速度最接近的两组制动力-速度数据(F_b1，v₁)和(F_b2，v₂)，从而得到列车速度为v时的制动力

S33：运行阻力计算：高速列车的运行阻力包括基本阻力和附加阻力，所述基本阻力通常采用戴维斯公式计算；所述附加阻力包括坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力，其中：

坡道附加阻力：

曲线附加阻力：

曲线附加阻力：w_s＝0.00013·L_s；

式中L_tr为列车长度，l_a为跨过变坡点的长度，i_a为变坡前的计算坡度，i_b为变坡后的，R为曲线半径，L_s为隧道长度。

S34：纵向合力计算：高速列车在运行过程中具有牵引力F_t、运行阻力W和制动力F_b，列车在不同工况下所受的合力F＝F_t-F_b-W；

S35：运行加速度、速度和位移计算：列车在每一时间步长下：

运行加速度：

速度：v_i+1＝v_i+a·Timer；

位移：

式中M、g、a和γ分别为列车质量、重力加速度、加速度和转动惯量，s_i、v_i和Timer分别为第i个时间步长的位移、第i个时间步长的速度和时间步长。

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