城市轨道交通列车运行过程仿真系统研究报告.docx
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城市轨道交通列车运行过程仿真系统研究报告
城市轨道交通列车运行过程仿真系统探究报告
1概述
1.1探究的背景与意义
随着城市化进程的加快和城市人口的急剧膨胀,公共交通被认为是将来交通的主要形式。
尤其是城市轨道交通,被认为是公共交通系统的骨架。
但是,限于国情,目前我国的城市轨道交通根本上靠引进国外设备与技术,自主研发实力薄弱。
所以,对列车的运行过程及其相关问题的探究,可以发觉列车运行过程中的影响因素,有助于提高列车限制水平,节约能耗,提高运行正点率,削减停站误差,增加乘客舒适度等一系列问题。
本课题的探究涉及列车牵引计算、运行仿真限制优化等一系列问题,属于多学科领域的穿插问题。
列车运行过程的仿真,既是计算运行时分,验算制动实力的探究范畴,也是降低能耗、提高运营平安性、供应正点率等效劳水平的核心问题。
而且,单列车运行过程仿真根底上的列车群的运行过程仿真对于缩小列车运行间隔,提高行车密度,提高通过实力,降低运行本钱,分析突发事务下的列车运行延误影响程度等方面都具有重要意义。
总之,对于城市轨道交通列车运行过程的探究,可以优化列车限制,降低列车能耗,提高效劳水同等方面均具有重要的理论意义和实际价值。
1.2探究目的
对列车运行过程的仿真探究,主要目的有以下几个方面:
Ø计算不同编组条件,不同运输组织方案下的列车运行时分
Ø计算线路的接近实际通过实力
Ø计算合理的列车运行间隔时间
Ø分析列车群运行过程中的相互影响关系,从而提高列车限制水平
Ø分析突发事务下的列车运行延误影响程度
1.3探究方法
由于列车的运行过程是一个特别困难的非线性动力学系统,受到线路和列车等多种因素的影响。
因此,采纳计算机仿真的方法来解决问题,同时结合一些限制优化方法。
2单列车运行过程仿真探究
2.1概述
由于城市轨道交通系统大多采纳国外设备成套进口的方法,使得国内对城市轨道交通运行仿真的探究相对滞后,缺乏相关的城市轨道交通技术标准。
《牵规》是城际铁路的牵引计算国家标准,对于城市轨道交通中的列车牵引计算问题并无涉及。
所以,本系统一方面参考《牵规》的计算方法,另一方面,在借鉴前人的经历和探究根底上,采纳适合城市轨道交通列车运行的计算方法。
因此,主要针对以下几个方面进展探究:
Ø城市轨道交通列车牵引计算分析
Ø列车运行过程的计算方法
2.2单质点列车模型
因为城市轨道交通的列车编组一般是4-8辆,每列车在出厂时,已经遵照预定编组进展组装并交付运用,在运行过程中,列车的编组一般不再改变,所以,可以假定每列车是一个质量集中的质点,通过对该质点的受力分析来分析列车的运动规律,如图1所示。
图1列车受力分析
列车受到的外力全部作用在质点上,主要包括:
Ø牵引力
Ø根本阻力
Ø由于曲线、坡道和隧道等产生的附加阻力
Ø制动力
Ø列车自身的重力
Ø线路对列车的支持力
在城市轨道交通列车牵引计算中,前四种力是影响列车运行的根本力,由他们矢量叠加产生的合力,是推动列车运行状态不断改变的源泉。
列车的局部重力构成了坡道的附加阻力,另一局部通过轮轨之间的形变转化为列车的根本阻力,而线路的支持力那么与列车重力以及列车运行时的竖向冲击力构成一对平衡力,使得列车在竖直方向上存在很小的振动。
但是,探究列车的运行过程主要是探究列车在水平方向上的运动规律,所以可以忽视列车在竖向上的受力改变。
2.3城市轨道交通列车牵引计算分析
影响列车运行过程的外力主要有:
Ø牵引力
Ø根本阻力
Ø附加阻力
Ø制动力
这四方面的外力的探究和计算是分析列车运行过程的重要根底。
2.3.1牵引力
由列车中的动车产生,是列车前进的动力。
动车组牵引力的大小不但取决于动车的功率,机械传动效率,还取决于列车的运行速度,列车运行工况,以及列车动轮与轨道间的摩擦系数等因素。
牵引计算中,牵引力的取值一般来自动车组的牵引特性数据。
依据当前的速度,可以计算得到当前列车的牵引力数值。
牵引力与速度的关系可用下式表示:
式中,Fqy是当前列车的牵引力,v是当前速度。
列车的牵引特性曲线是车辆生产厂家给出的,有的以单电机特性曲线的形式给出,有的以牵引单元的形式给出,不同于城际铁路机车的牵引特性曲线。
如图2、3、4所示,为上海地铁2号线8节编组的Alstom车辆的牵引特性曲线。
图2上海地铁2号线列车空载时的牵引特性曲线
图3上海地铁2号线列车定员时的牵引特性曲线
图4上海地铁2号线列车满载时的牵引特性曲线
假设点〔v1,w1〕和〔v2,w2〕是牵引特性曲线上确定的两点,点〔vx,wx〕在两点之间,速度vx确定,求牵引力的大小wx。
这里采纳线性插值法来求该点的牵引力,如下公式:
单位重量的牵引力为:
式中,Mg是列车的重量,
是单位重量的列车牵引力〔N/KN〕。
2.3.2根本阻力
列车运行过程中,由于机械摩擦、空气摩擦等因素的作用,产生的固有阻力称为列车的根本阻力。
根本阻力中有些因素是不能通过定量的公式来计算,因此,一般通过大量的试验确定针对不同车型和编组的经历公式来近似表达列车的根本阻力。
依据《牵规》,列车根本阻力的计算公式为:
式中,a、b、c为与车辆有关的经历常数。
《牵规》只给出了平凡列车的根本阻力计算公式,并无适合城市轨道交通列车的运行阻力计算公式。
这要依据计算须要,针对不同的动车与列车编组,从特定厂家查定这些数据。
2.3.3附加阻力
附加阻力是由于线路平纵断面改变或者隧道以及其他缘由产生的,分为坡度附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力。
坡度附加阻力的产生是由于列车在坡道上运行时,其重力在沿下坡道方向的分力引起的。
坡道附加阻力的计算依据《牵规》规定,采纳坡度千分数近似表示计算坡度的单位附加阻力:
曲线附加阻力的产生是因为列车在曲线上运动时,局部车轮轮缘接触钢轨产生摩擦,局部车轮在转动的同时伴随着纵向和横向的滑动摩擦,以及转向架心盘和旁承的摩擦都要加剧,于是发生了曲线附加阻力。
曲线附加阻力和曲线半径、列车速度、曲线外轨超高以及轨距加宽等很多因素有关,很难用理论方法推导其解法。
所以,一般采纳经历公式来计算,如下为一般形式:
式中,A是经历常数,依据《牵规》规定,我国标准轨距的曲线附加单位阻力的计算采纳的A=600,R是曲线半径。
隧道附加阻力是隧道空气附加阻力。
隧道空气附加阻力与隧道长度、隧道截面积、列车截面积、列车外形等因素有关。
隧道越长,隧道附加阻力就越大,列车越长、速度越高,隧道附加阻力也越大。
当前,理论上计算隧道附加阻力尚不成熟,通常采纳经历公式或试验数据来代替,如下公式:
式中,
是隧道长度〔m〕。
因此,一般状况下,附加阻力的计算采纳下式:
式中,
为线路附加阻力。
2.3.4制动力
制动力是限制列车运行的人为施加的阻力。
通常由列车上安装的制动装置产生。
制动力的大小与列车运行速度、制动方式等因素相关。
一般地,列车确定后,制动力的计算仅与当前速度有关,即
目前,城市轨道交通中的制动方式普遍采纳的是电空协作制动形式,其制动特性在低速时,由于空气制动的补偿,显著改善了电制动的特性。
更准确地说,是电空混合制动特性弥补了单一电制动特性的缺乏,一般地,电空混合制动特性曲线如图5所示。
图5上海地铁2号线列车制动特性曲线
由于空气制动力的补偿作用,使得地铁列车的制动实力在停站制动初速〔5~12Km/h〕以后,可以在很长一段速度范围内保持稳定,速度超过必须值以后,电制动受到制动电流的限制而呈现线性下降趋势。
在实际的列车运行过程仿真中,一般制动采纳电阻制动方式,依据电阻制动特性曲线,或者电空制动混合特性曲线,采纳线性插值法计算随意速度的制动力。
2.4列车运行过程的计算方法
2.4.1列车运行限制策略
列车运行限制策略是指列车在必须的牵引算法根底上,依据计算的实际须要对列车在运行过程中的操纵方法进展假定而建立的自动化运行限制仿真模型。
本系统主要采纳以下两种限制策略:
Ø最快速策略
要让列车以最少的时间完成运行任务,须要尽可能发挥列车的牵引性能和制动性能,在此种算法下,列车运行的策略是尽可能高速度或者节约时间。
因此,牵引时采纳最大牵引力,制动时采纳最大制动力,到达限速时,以限制速度匀速运行。
这一列车运行策略根本上满意了牵引计算的要求,可以用来计算区间运行时分,绘制速度-位移曲线等。
Ø最经济策略
即采纳最节能的方法运行。
实践说明,较节能的方法是:
加速阶段以最大牵引力加速,中间阶段采纳匀速运行和尽可能的惰行,直至最终不须要制动力就可以进站精确停车。
假如区间运行时分比拟富有的话,速度越低,列车能耗就越小。
另外,运行速度的波动越小,能耗也越小。
因此,可以这样设计最经济的列车限制策略:
起先采纳最大牵引力加速至某一速度,然后维持这个速度匀速运行,最终在某一个位置起先,依靠列车的根本阻力和附加阻力,实现列车的进站停车过程。
Ø确定运行时分策略
即依据实际的区间运行时分,采纳优化算法,使列车在整个区间内的运行时分等于实际的区间运行时分。
在探究的第一阶段,以最快速策略的列车运行限制策略为主。
2.4.2列车运行过程中的各种工况分析
一般地,将列车运行过程分为以下几个阶段:
Ø起动过程
Ø牵引过程
Ø惰性过程
Ø匀速过程
Ø制动过程
Ø进站制动过程
为了探究的便利,对其中的一些限制过程进展合并,所以本系统采纳将列车运行过程分为以下几个过程:
起动过程、加速过程、匀速过程、惰性过程及制动过程。
因为城市轨道交通系统列车的起动比拟频繁,所以对起动过程进展单独计算〔v≤2.5km/h〕,并将这一速度内的列车运行阻力视为不变的。
假设起动阻力
〔e为起动阻力经历常数〕,起动过程单位合力计算如下:
〔
〕
式中,C是列车受到的合力〔N〕,
是回转质量系数〔常取0.06〕,M是列车总质量。
因此,列车在起动阶段的速度-距离计算公式为:
式中,Si,Si+1是列车到i和i+1步长时的走行距离,vi和vi+1是列车到i和i+1步长时的速度,
是步长时间。
同理,在加速过程中,列车受到的合力计算公式为:
采纳公式,就可以得到列车的速度和位移大小。
在匀速过程中,由于列车所受到的合力为0,所以c=0。
这里的“匀速”状态是一种志向的状态,实际的操纵限制很难做到完全“匀速”的状态。
特殊是当线路比拟困难,大多数列车的运行速度-位移曲线是上下波动的。
但是,对于比拟平直的线路而言,在计算机仿真中,可以采纳匀速工况。
所以,采纳公式,就可以得到列车的速度和位移大小。
在惰性过程中,列车所受到的合力计算公式为:
采纳公式,就可以得到列车的速度和位移大小。
在制动过程中,列车受到的合力计算公式为:
采纳公式,就可以得到列车的速度和位移大小。
2.4.3列车运行过程的算法设计
依据上述条件,设计了如下的城市轨道交通单列车运行过程仿真模型:
依据线路的平纵断面数据,即坡度状况和曲线状况,将线路进展划分,使得不同的分段内具有唯一的限制速度〔称为限速分段〕。
依据列车的牵引特性曲线和制动特性曲线来计算列车在随意状况下的牵引力和制动力大小。
列车简化为一个刚性质点进展受力分析,不考虑列车的长度。
列车的制动过程,采纳递推的方法,严格保证列车在限制速度下运行,且列车可以精确停站。
在这一思路下,具体的列车运行过程算法设计如图6和图7所示。
图6单列车运行过程算法
图7单列车运行过程算法
2.4.4系统实现的结果分析
经过以上的分析,并结合上海轨道交通二号线的实际数据,通过编程得到如下列图8的结果:
3多列车运行过程探究
在单列车运行过程探究的根底上,可以分析列车群的运行过程规律。
但是,为了保证每列车的运行平安,列车群的运行过程还须要考虑线路的信号闭塞方式。
因此,本章主要分析以下几局部内容:
Ø准移动闭塞方式下的列车群运行过程中的列车间相互影响
Ø基于通信的列车限制系统〔简称CBTC〕下的列车群运行过程中的列车间
相互影响
Ø列车群运行过程的算法设计
3.1准移动闭塞方式下的列车运行过程中的列车间相互影响
世界各国的城市轨道交通普遍采纳基于音频数字轨道电路的信号限制系统,用于保证行车平安和提高。
这种限制系统既曲臂于设置固定信号分区的常规自动闭塞,也区分于基于通信的移动闭塞系统,因此称为准移动闭塞。
采纳准移动闭塞方式的信号系统,列车得到的信息为距运行前方停车点的距离数据,列车速度限制方式采纳一次模式速度限制曲线,列车的目标制动点为前行列车尾部所占用的轨道电路的起点再加上平安距离,追踪列车间隔由后续列车的常用制动距离内包含的轨道电路单元数确定,如图8所示。
图8准移动闭塞追踪列车间隔示意图
准移动闭塞方式下的追踪列车间隔时间按下式确定:
式中,
为列车追踪间隔时间,
为司机确认信号及制动反响时间,
为列车以最大速度Vmax制动停车时间,
为列车在平安距离内走行的时间,
为列车长度内的走行时间。
为前行列车在尾部距所占用轨道电路起点的距离内的走行时间。
3.2CBTC下的列车群运行过程中的列车间相互影响
CBTC是目前通过实力利用效率最高的信号闭塞方式,与固定闭塞方式相比,CBTC没有固定划分的闭塞分区,它通过先进的通信手段来提高列车的定位精度,实现车地间的双向数据传输。
由于CBTC能够比固定闭塞更好地确定列车的位置和传输列车信息,所以CBTC系统可以依据列车的动态运行确定更小的列车间隔。
在CBTC中,列车之间的平安间隔是依据列车当前的运行速度,制动曲线以及列车在线路上的位置动态计算得出的。
由于列车位置定位精度高,因此后续列车可以按该线路区段最大允许速度平安地接近最终一次确认的前行列车尾部位置,并与之保持平安距离。
同时,列车不须要在被占用的轨道电路分区入口处的前方停车,运行间隔显著缩短,移动闭塞信号系统的列车速度限制方式也采纳一次模式速度限制曲线,如图9所示。
图9移动闭塞追踪列车间隔示意图
移动闭塞方式下的追踪列车间隔时间遵照下式确定:
式中,
为列车追踪间隔时间,
为司机确认信号及制动反响时间,
为列车以最大速度Vmax制动停车时间,
为列车在平安距离内走行的时间,
为列车长度内的走行时间。
3.3列车群运行过程的算法设计
依据以上的分析以及对单列车的运行过程探究,设计了如下的多列车运行过程算法,如图10和图11所示。
图10列车群运行过程算法
图11列车群运行过程算法
4系统的数据构造设计
为了满意将来探究和开发的须要,对各种文件和数据进展统一规划,下面进展具体的说明和分析。
4.1列车信息
列车信息主要包括列车的编组信息、牵引力特性信息、制动力特性信息、列车的根本阻力信息等,本报告主要对上述四个方面的数据构造进展具体说明。
表1列车编组信息表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
列车名称
String
3
列车长度
Single
米
4
电机数量
Integer
5
阻力系数a
Single
6
阻力系数b
Single
7
阻力系数c
Single
8
起动阻力
Single
N/KN
9
列车构造速度
Single
KM/H
10
转动惯量系数
Single
11
制动方式
String
表2列车牵引特性曲线表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
列车名称
String
3
列车速度
Single
KM/H
4
列车牵引力
Single
KN
表3列车制动力特性曲线表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
列车名称
String
3
列车速度
Single
KM/H
4
列车制动力
Single
KN
4.2线路信息
线路信息主要包括车站信息、坡段信息、曲线信息、线路相关信息等。
同时,为了实现程序设计的须要,设计了运营线路遵照限制速度不同的分段信息数据构造表。
具体信息如下表所示。
表4车站信息表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
车站名称
String
3
车站位置
Single
米
4
车站长度
Single
米
5
停站时间
Integer
秒
6
线路名称
String
7
线路方向
String
表5线路相关信息表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
线路名称
String
3
线路运营限速
Single
KM/H
表6线路坡段信息表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
线路名称
String
3
线路方向
String
4
坡段起点
Single
米
5
坡度大小
Single
千分数
6
坡段长度
Single
米
表7曲线信息表
序号
数据项
数据类型
单位
1
序号
Integer
2
线路名称
String
3
线路方向
String
4
曲线起点
Single
米
5
曲线半径
Single
米
6
曲线长度
Single
米
7
曲线限速
Single
KM/H
8
弯曲方向
String
5突发事务下的列车运行延误影响分析
城市轨道交通系统具有列车运行间隔时间短、站间距离短、车站线路布置简洁等特点,一旦发生列车运行延误,其传播的速度快,影响范围大,由此造成对乘客出行的不便以及城市轨道交通的效劳水平下降。
因此,在列车群的运行过程仿真探究的根底上,可以分析突发事务下的列车运行过程特征和规律,从而为城市轨道交通运营管理部门供应参考。
5.1列车运行延误的系统总体设计
由于影响列车正常运行的因素很多,随机性大,无法用传统的解析方法来进展定量的分析评价。
所以在上述探究的根底上,构建如下的系统构造,来对列车运行延误进展定量的分析和评价,如图12所示。
图12突发事务下的列车运行延误影响分析系统构造
5.2列车运行延误的定量分析
为了进展列车运行延误的影响分析定量评价,可定义如下的指标。
Ø延误列车的总数量〔由于延误所影响的列车总数〕
式中,Xi表示列车i是否延误〔Xi取值为0或1〕。
Ø额外延误列车的总数量〔受到初始延误列车所产生延误的列车总数〕
式中,Xia表示由列车Xi产生延误列车的列车总数。
Ø每天列车延误时间总值
式中,Xi为0、1变量〔当列车延误时,取1〕,Ti为第i列车的延误时间。
Ø每天列车额外延误时间总值
式中:
Xia为0、1变量〔当有额外延误时,取1〕,Tia为第i列车的额外延误时间。
Ø列车晚点率
式中:
Np为区间每天运行延误列车的数量,N为区间每天运行的列车数。
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