摘要：目前對靈活編組動車組的研究多是估算靈活編組動車組的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，缺乏更加準(zhǔn)確有效的能耗仿真分析方法。因此，本文設(shè)計(jì)了一種列車編組能耗仿真方法，并選取了北方某市一組規(guī)劃中線路進(jìn)行驗(yàn)證，基于Simulink建立了相應(yīng)的城軌列車編組對比模型，利用實(shí)時仿真機(jī)求解最低能耗值，得到了靈活編組與固定編組動車組的能耗仿真對比。結(jié)果顯示，靈活編組運(yùn)營方式比固定編組運(yùn)營方式實(shí)際能耗下降28.81%，證明了仿真實(shí)現(xiàn)方法的有效性和可行性。

　　關(guān)鍵詞：靈活編組;固定編組;Simulink;對比模型;實(shí)時仿真機(jī);能耗仿真;仿真實(shí)現(xiàn)方法;量化分析

　　相較于傳統(tǒng)市域車固定編組的運(yùn)營模式，靈活編組市域車能夠根據(jù)客流的需要調(diào)整動車組的編組模式。客流量小的情況，合理配置小編組動車組可有效降低車重，從而降低列車能耗;在區(qū)域客流分布不均衡的情況下，將列車進(jìn)行合理聯(lián)編和解編，可優(yōu)化列車的發(fā)車間隔，解決區(qū)域性運(yùn)力不平衡問題。

　　隨著世界高速鐵路和軌道交通裝備技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，動車組在鐵路旅客運(yùn)輸中發(fā)揮著越來越重要的作用。國外正努力發(fā)展具有靈活編組特點(diǎn)的動車組，如德國ICE動車組能實(shí)現(xiàn)輛14輛編組，是西門子正在為德國鐵路股份公司研制的比較有代表性的新型城際動車組[1]，法國TVG動車組可實(shí)現(xiàn)10輛20輛編組，日本采用多種型號重聯(lián)方式，均可實(shí)現(xiàn)列車的靈活編組運(yùn)營[24]。

　　國內(nèi)有關(guān)單位也對可靈活編組動車組進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。從本世紀(jì)初到2015年，李宇東等[5]學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)非高峰運(yùn)營時段的列車運(yùn)行存在能力虛糜現(xiàn)象，論證開行編掛輛數(shù)少的“短列”的可行性和經(jīng)濟(jì)效益，而仍然屬于固定編組的范疇。2017年康洪軍等人[6]研究指出，可變編組動車組在運(yùn)能充裕的城際線路和長大干線的適用性更強(qiáng);20172019年，肖翔等[7,8]利用多元回歸的方法初步建立起靈活編組動車組經(jīng)濟(jì)效益評價模型。

　　從2019年至今，閆振英等[9]建立概率非線性規(guī)劃模型，主要研究靈活編組動車組客座分配問題，得出在客流需求強(qiáng)度較小時靈活編組動車組更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的結(jié)論;2021年，范海寧、何勇浩[10]以深圳地鐵號線為例介紹了具體的靈活編組方案、功能需求及其實(shí)施，分析了平峰期采用節(jié)編組列車運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益。以深圳地鐵號線為例介紹了具體的靈活編組方案、功能需求及其實(shí)施分析了平峰期采用節(jié)編組列車運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益霍亮等[11]對比分析不同速度等級條件下八輛兼顧四輛編組列車車型的主要技術(shù)參數(shù)，研究該型編組列車在輸送能力、追蹤間隔、加速性能、定員設(shè)置等方面特性，以長株潭城際線路為例驗(yàn)證其公交化開行的技術(shù)優(yōu)勢。

　　目前對靈活編組動車組的研究多是從客流高低峰的時間角度揭示靈活編組動車組的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，粗略估算可能達(dá)到的節(jié)能效果。此類研究多以定性分析為主，缺乏針對特定線路、特定車型有效可行的靈活編組能耗仿真方法，因此需要探索新的針對列車編組模式的仿真方案及評價指標(biāo)，更加準(zhǔn)確地量化分析靈活編組運(yùn)營方案的優(yōu)勢。

　　1靈活編組能耗仿真方法設(shè)計(jì)

　　1.1線路概況

　　選取北方某市(簡稱市)待規(guī)劃市域鐵路(統(tǒng)稱R1線)搭建靈活編組市域車模型，進(jìn)行仿真。根據(jù)市實(shí)際規(guī)劃情況，R1線主要包括個支線段和個干線段，構(gòu)成“H”型線路圖。支線段分別為：AE、BE、CF、DF支線段;干線段為EF干線段。其中AE支線線路規(guī)劃長度約為27km;BE支線線路規(guī)劃長度為16.1km;CF支線線路規(guī)劃長度約為34.13km;DF支線規(guī)劃線路長度為38.6km;EF干線線路長度約為27.3km。線路速度等級為140160km/h。

　　干線段地處市市中心，貫穿整個城市，承擔(dān)著連結(jié)各條支線的作用，因此，干線段客流量遠(yuǎn)高于支線段。在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建數(shù)字化線路，建立城軌列車編組對比仿真模型，模擬市R1線路上單輛列車真實(shí)運(yùn)行情況，利用實(shí)時仿真機(jī)求解最低能耗值，給出了靈活編組與固定編組的仿真能耗對比。整個仿真模型包括信號控車仿真、車輛仿真、供電仿真三部分。

　　1.2仿真設(shè)計(jì)

　　1.2.1仿真場景設(shè)定仿真主要分兩種情況執(zhí)行：

　　1)固定編組能耗仿真固定編組能耗仿真模型共對R1線上兩條主要行車路線進(jìn)行仿真：

　　2)路線;

　　3)路線。兩條路線列車全程均采用編組運(yùn)營模式，列車定員人數(shù)為664人列。

　　4)靈活編組能耗仿真靈活編組能耗仿真列車在支線段采用編組，列車定員人數(shù)為664人;在列車行駛至干線段后，兩條支線的列車進(jìn)行聯(lián)編，形成編組列車，列車定員人數(shù)為1328人列;到達(dá)干線末端后列車解編，形成兩列編組列車分別去往兩個方向，列車定員人數(shù)為664人列。

　　1.2.2信號控車仿真方法

　　分別針對干線和支線，根據(jù)實(shí)際線路規(guī)劃和車數(shù)情況，通過牽引計(jì)算[1獲得車輛站間運(yùn)行的最優(yōu)“時間速度曲線”，并根據(jù)車輛的“時間速度曲線”得到不同車輛在站間運(yùn)行的信號控車指令。

　　1.2.3供電系統(tǒng)仿真方法

　　對靈活編組與固定編組運(yùn)營模式分別建立Simulink模型，進(jìn)行仿真對比，評估靈活編組節(jié)能效果。R1線支線段和干線段的供電仿真模型均采用AT供電方式[1。AT所規(guī)劃布置間隔約為5km10km，考慮實(shí)際支線與干線線路的長度，單供電臂長度20~30km。線路仿真模型的搭建需要輸入相應(yīng)的線路信息并對線路運(yùn)營車輛的參數(shù)進(jìn)行配置，線路信息主要包括車站數(shù)量、位置、線路坡道、曲線、限速等。高速鐵路牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)體數(shù)目多，各導(dǎo)體間存在電容耦合和互感。根據(jù)牽引網(wǎng)降解方法[1，將牽引網(wǎng)系統(tǒng)簡化為五組等值導(dǎo)體[1，如此，可將單位長度模型進(jìn)行組合得到任意長度的牽引網(wǎng)線路模型。

　　為降低搭建的模型規(guī)模和復(fù)雜度，提高模型實(shí)時化調(diào)試效率，將R1線路拆分，構(gòu)造成AE、BE、EF、FC、FD五條線路段進(jìn)行單車仿真。AE段由變電所左供電臂供電;EF段由變電所左供電臂、變電所右供電臂、變電所左供電臂分區(qū)供電;FC段由變電所左供電臂、變電所右供電臂分區(qū)供電;BE段由變電所左供電臂供電，F(xiàn)D段由變電所左供電臂供電。對各線路段分別進(jìn)行單車運(yùn)行仿真，再將各線路段的能耗進(jìn)行合理組合加和，即可分別對固定編組模式下路線及路線的總能耗進(jìn)行分析。

　　1.2.4車輛仿真方法

　　R1線運(yùn)營車輛車型采用市域型車，參考車型為CRH6F[1,1，最高運(yùn)行時速為160km/h，需搭建對應(yīng)的車輛仿真模型。固定編組動車組列車基準(zhǔn)模型的定義為：列車為固定編組，列車定員人數(shù)為664人列，車輛變流器為Si功率器件，采用異步牽引電機(jī)，工頻AC380V輔助電源，考慮再生制動能量。靈活編組運(yùn)行模式為列車在各支線運(yùn)行時，采用編組列車運(yùn)行，在干線通道時編組運(yùn)行。編組列車定員人數(shù)為664人，編組列車定員人數(shù)為1328人。

　　2結(jié)果對比與分析

　　2.1能耗評價指標(biāo)

　　能耗分析主要評價指標(biāo)包括區(qū)間運(yùn)行時間內(nèi)的牽引實(shí)際總能耗、列車每人每公里的能耗以及列車每節(jié)每公里的能耗。由于列車制動會產(chǎn)生電能回饋，因此牽引實(shí)際的總能耗為供電網(wǎng)總能耗減去制動回饋產(chǎn)生的電能。單車區(qū)間運(yùn)行時間為列車上行或下行從起始站運(yùn)行至終點(diǎn)站的時間。

　　1)AE、FC兩支線段由于固定編組模式為編組，靈活編組模式為編組，靈活編組模式下單輛列車節(jié)數(shù)少，因此列車每節(jié)每公里的能耗指標(biāo)高，列車每公里每噸載人多，但區(qū)間運(yùn)行總能耗減少，每人每公里能耗指標(biāo)低，可見在支線段靈活編組模式相對固定編組模式載客效率大幅提升;

　　2)EF干線段，不同編組模式的單輛列車均為編組，但靈活編組模式單輛列車定員人數(shù)1328人，高于固定編組模式單輛定員人數(shù)664人，總重量增加，因此靈活編組模式總能耗指標(biāo)數(shù)值稍高，但列車每人每公里的能耗低，載客效率高;

　　3)靈活編組運(yùn)營模式下各支線的實(shí)際能耗相比固定編組模型的實(shí)際能耗有明顯降低，實(shí)際總能耗下降28.81%。結(jié)合仿真場景設(shè)計(jì)，對仿真結(jié)果產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析：

　　4)在支線段保證載客能力相同(列車定員同為664人)的前提下，靈活編組運(yùn)營方式將列車編組由編組減為編組，降低了車重，從而有效節(jié)省了牽引能耗。

　　5)在干線段，靈活編組運(yùn)營方式將兩個編組列車聯(lián)編形成編組列車，對比固定編組運(yùn)營模式，雖然列車編組同為編組，但載客能力翻倍(列編組列車定員同為664人，聯(lián)編后列車定員為1328人)，獲取同等運(yùn)力所需列車發(fā)車次數(shù)由列減為列，有效降低了能耗。

　　6)靈活編組模式對比固定編組模式，靈活編組的支線段可同時發(fā)車，到達(dá)干線段后聯(lián)編，駛出干線段后解編;而由于干線段單向僅一條軌道，固定編組同一時間僅可發(fā)車路線或路線。靈活編組模式在保證干線段相同發(fā)車間隔下，有效增加了支線段的發(fā)車密度，縮短了支線段的發(fā)車間隔。

　　3結(jié)論

　　1)本文設(shè)計(jì)了一種靈活編組運(yùn)營模式的能耗仿真實(shí)現(xiàn)方法，包括信號控車仿真方法、車輛仿真方法、供電系統(tǒng)仿真方法，對靈活編組模式進(jìn)行了能耗仿真計(jì)算，驗(yàn)證了該仿真方法的有效性和可行性。2)給出了不同列車編組模式能耗評價指標(biāo)，能夠更加準(zhǔn)確有效地評估不同編組模式下的列車節(jié)能效果。3)根據(jù)實(shí)際線路情況搭建了城軌列車編組模式對比模型，在實(shí)驗(yàn)室借助實(shí)時仿真機(jī)模擬一組特定線路上單車運(yùn)行情況，得到了不同列車編組模式的能耗仿真結(jié)果。

　　結(jié)果顯示，靈活編組運(yùn)營方式與固定編組運(yùn)營方式相比牽引總能耗下降28.81%，節(jié)能效果顯著，且靈活編組列車能夠有效提高支線段的發(fā)車間隔，解決區(qū)域性運(yùn)力不平衡的問題。綜上所述，本文對于列車靈活編組運(yùn)營模式的能耗評估采用規(guī)范指標(biāo)、建模仿真、量化計(jì)算的方法，對于指導(dǎo)列車編組能耗仿真計(jì)算，以及運(yùn)力不平衡的區(qū)域列車編組規(guī)劃或優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。

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　　作者：張清華，韓坤，楊鵬，王子贏