焦 源 原 萍 陸鑫源 楊明來

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生)

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上海軌道交通2號(hào)線列車運(yùn)行能耗仿真及優(yōu)化*

焦 源 原 萍 陸鑫源 楊明來

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生)

基于上海軌道交通2號(hào)線列車運(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù),從節(jié)能角度建立仿真模型,利用OPENTRACK軟件對(duì)列車不同運(yùn)行等級(jí)下的牽引能耗進(jìn)行仿真模擬,從運(yùn)行時(shí)分和能源消耗兩個(gè)方面綜合考慮速度目標(biāo)值的選取,通過構(gòu)建模糊綜合評(píng)判模型,建立城市軌道交通列車目標(biāo)速度的選取方法。最后,對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,根據(jù)仿真結(jié)果提出了優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行的一種方式。

城市軌道交通; 列車; 運(yùn)行能耗; 仿真

Author′s address Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

城市軌道交通的能耗主要集中產(chǎn)生于列車運(yùn)行的牽引過程。其中，運(yùn)輸組織模式對(duì)列車運(yùn)行能耗有較大的影響[1]。在城市軌道交通運(yùn)輸組織模式中最主要的是列車操縱控制模式。列車的操縱控制包括列車運(yùn)行等級(jí)、列車再生制動(dòng)能量回收等[2]?；谏虾＼壍澜煌?號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“2號(hào)線”)列車的技術(shù)參數(shù)建立列車運(yùn)行仿真模型[3],利用OPENTRACK軟件進(jìn)行仿真分析列車運(yùn)行等級(jí)對(duì)列車運(yùn)行節(jié)能的影響,通過調(diào)整列車運(yùn)行等級(jí)和停站時(shí)間,降低城市軌道交通運(yùn)輸成本[4]。

1 列車主要技術(shù)參數(shù)

城市軌道交通車輛中，MP車為帶受電弓的動(dòng)車,將電能送到牽引系統(tǒng)中。接觸網(wǎng)電壓額定值為DC 1 500 V,電壓變動(dòng)范圍最大為1 800 V,最小為1 000 V。根據(jù)2號(hào)線全線的初、近、遠(yuǎn)期客流情況確定實(shí)際運(yùn)營(yíng)的行車交路。2號(hào)線初、近期采用分段運(yùn)營(yíng)模式,分段雙向折返點(diǎn)設(shè)置在廣蘭路站；徐涇東路站至廣蘭路站采用全8輛編組的大、小交路套跑的行車交路；廣蘭路站至浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)站采用4輛編組的分段行車交路。遠(yuǎn)期采用貫通運(yùn)營(yíng)模式,徐涇東站至浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)站采用6、8輛編組混行或全8輛編組的大小交路套跑的行車交路。其中，徐涇東站至浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)站的大交路采用6或8輛編組,淞虹路站至廣蘭路站的小交路采用8輛編組。該8車編組按TC(有駕駛室的施車)+MP+M(無(wú)受電弓的動(dòng)車)+MP+M+MP+M+TC組合方式連掛。列車最高運(yùn)行速度為80 km/h(列車上所有設(shè)備都按最高運(yùn)行速度設(shè)計(jì))。列車定員載荷時(shí)平均起動(dòng)加速度為1.06 m/s2；列車超員載荷時(shí)平均起動(dòng)加速度為1.16 m/s2，平均制動(dòng)減速度為-1.0 m/s2，緊急制動(dòng)減速度為-1.3 m/s2。

2 列車能耗仿真計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

2.1 列車運(yùn)行阻力計(jì)算

列車運(yùn)行中受到的總阻力包括牽引阻力和加速阻力,即

R=Rf+Ra

(1)

式中:

R——總阻力;

Rf——牽引阻力;

Ra——加速阻力。

牽引阻力包括滾動(dòng)阻力和延程阻力，即

Rf=RL+RStr

(2)

式中:

RL——總滾動(dòng)阻力;

RStr——延程阻力。

總滾動(dòng)阻力包括隧道空氣阻力和滾動(dòng)阻力。在計(jì)算中利用Sauthoff公式計(jì)算滾動(dòng)阻力:

RLP=g×

式中：

RLP——車輛滾動(dòng)阻力,N;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

m——列車總質(zhì)量，kg;

n——車輛數(shù),n=1;

v——行車速度,m/s;

Δv——風(fēng)阻，取4.17 m/s;

Ksa1——阻力系數(shù)，取0.002 5 s/m;

Ksa2——阻力系數(shù)，取0.006 96 kg·s2/m2。

隧道中運(yùn)行的列車受到隧道空氣阻力,計(jì)算式為:

RT=fT·v2

(3)

式中:

RT——隧道空氣阻力;

fT——隧道空氣阻力因子。

總滾動(dòng)阻力為列車滾動(dòng)阻力和隧道空氣阻力之和,即

RL=RLP+RT

(4)

延程阻力包括坡度阻力、曲線阻力和岔道附加阻力,計(jì)算公式如下:

RStr=Rs+RB+Rw

(5)

式中:

Rs——坡度阻力，N;

RB——曲線阻力，N;

Rw——岔道附加阻力，N。

岔道附加阻力在路網(wǎng)環(huán)境下對(duì)列車運(yùn)行影響較小,仿真中被忽略。假設(shè)α為坡道角度，則列車在坡道上的受力分解如圖1所示。

圖1 坡度列車受力分解

(6)

當(dāng)α較小時(shí),Rs=m·g·i

式中:

i——坡度，‰;

Rs——坡度阻力。

若r為曲率半徑(以m計(jì))，則曲線阻力計(jì)算式為

(7)

(8)

當(dāng)列車加速或制動(dòng)時(shí)受到加速阻力,加速阻力計(jì)算式為:

Ra=m·a(1+0.01·ρ1)

(9)

式中：

a——列車加速度 m/s2;

ρ1——經(jīng)驗(yàn)質(zhì)量因子,取ρ1=1。

2.2 仿真中的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

列車仿真中的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算基于運(yùn)動(dòng)微分方程,采用連續(xù)仿真法,對(duì)涉及安全的信號(hào)系統(tǒng)和延遲采用離散仿真方法。

數(shù)值仿真算法用來計(jì)算列車運(yùn)動(dòng),列車運(yùn)動(dòng)方程依據(jù)牛頓定理給出:

F=m·a

(10)

F——?jiǎng)榆嚑恳Α?/p>

為了使列車加速,動(dòng)車必須提供大于牽引阻力的驅(qū)動(dòng)力。牽引力與牽引阻力的差值即功率余量為：

Fz=F-Rf

(11)

牽引力通過牽引力-速度曲線計(jì)算,該值和當(dāng)前速度以及黏著情況有關(guān)。牽引阻力與速度以及軌道參數(shù)(里程)有關(guān)。列車獲得最大加速度為:

(12)

式中:

ρ2——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量因子,ρ2=1。

利用前一時(shí)刻的速度,計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻列車速度的,計(jì)算式為:

v(t0)=v0

(13)

則列車速度v和里程s為:

(14)

(15)

2.3 制動(dòng)工況

模型應(yīng)能模擬動(dòng)車和拖車的制動(dòng)特征,且這些特征應(yīng)于實(shí)際列車駕駛員操作方式一致。制動(dòng)工況模擬采用從制動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)(如停車點(diǎn))和目標(biāo)速度值(在目標(biāo)點(diǎn)的目標(biāo)速度)進(jìn)行反算來確定當(dāng)前速度的方法。圖2顯示列車根據(jù)停車信號(hào)機(jī)指示到信號(hào)機(jī)前停車的制動(dòng)過程。當(dāng)列車通過經(jīng)反算得出的制動(dòng)點(diǎn)BEP1后,列車按照制動(dòng)曲線運(yùn)行軌跡開始制動(dòng)直至停車。一旦列車在制動(dòng)過程中達(dá)到目標(biāo)速度值或自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)認(rèn)為當(dāng)前速度值能夠保證列車運(yùn)行安全,則認(rèn)為當(dāng)前制動(dòng)過程完成。列車開始考慮后續(xù)運(yùn)行的制動(dòng)工況。

圖2 列車的停車制動(dòng)

3 仿真結(jié)果

3.1 仿真步驟

利用opentrack軟件對(duì)列車運(yùn)行情況進(jìn)行仿真,主要步驟如下。

(1) 利用路網(wǎng)編輯器,構(gòu)建車站及行車區(qū)間的軌道網(wǎng)拓?fù)鋱D,并對(duì)與列車運(yùn)行有關(guān)的線路長(zhǎng)度、曲線半徑、坡度、線路限速等信息進(jìn)行編輯。

(2) 在軌道網(wǎng)拓?fù)鋱D中定義列車運(yùn)行的運(yùn)行路線。利用列車屬性編輯器,設(shè)置列車各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),如長(zhǎng)度、質(zhì)量、速度、牽引制動(dòng)等信息。

(3) 根據(jù)3種不同的載客工況(空載,定員載荷,超員載荷),構(gòu)建調(diào)整不同的牽引力-速度曲線。

(4) 根據(jù)4種不同的列車運(yùn)行等級(jí)在區(qū)間中分別輸入不同的速度目標(biāo)值進(jìn)行仿真。

(5) 構(gòu)建不同時(shí)刻列車運(yùn)行方案,同時(shí)在時(shí)刻表管理數(shù)據(jù)庫(kù)中,輸入各次列車到達(dá)和出發(fā)時(shí)間、停站時(shí)間等信息。

(6) 輸出仿真結(jié)果并進(jìn)行分析。

3.2 列車不同運(yùn)行等級(jí)下的仿真結(jié)果分析

速度目標(biāo)是列車運(yùn)行的核心指標(biāo)。提高速度目標(biāo)值的主要目的是節(jié)省運(yùn)行時(shí)間。但是，提高速度目標(biāo)值也會(huì)造成運(yùn)行能耗的增加。運(yùn)行時(shí)間主要影響乘客的服務(wù)水平,而能耗增加會(huì)影響節(jié)能問題。因此，在仿真試驗(yàn)時(shí)應(yīng)從運(yùn)行時(shí)間和能耗兩個(gè)方面綜合考慮來選取速度目標(biāo)值。通過構(gòu)建模糊綜合評(píng)判模型,建立城市軌道交通列車目標(biāo)速度的選取方法,進(jìn)而可確定各個(gè)區(qū)間在保證乘客服務(wù)水平的前提下,應(yīng)該選取哪種運(yùn)行等級(jí)以達(dá)到節(jié)能的效果。

實(shí)際中不同的速度目標(biāo)值對(duì)應(yīng)不同的列車運(yùn)行等級(jí),根據(jù)相關(guān)運(yùn)營(yíng)資料,2號(hào)線列車共有4個(gè)運(yùn)行等級(jí):等級(jí)1是全速行駛方式,一般在高峰時(shí)采取;等級(jí)2是惰行的運(yùn)行方式;等級(jí)3和等級(jí)4分別是以最高速度的75%和60%限速行駛。不同運(yùn)行等級(jí)的速度-時(shí)間曲線如圖3所示。

在仿真系統(tǒng)中,基于列車4個(gè)運(yùn)行等級(jí)的技術(shù)參數(shù)建立模型,以對(duì)列車的牽引能耗進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算時(shí)不考慮再生制動(dòng)能量的回收情況。這4個(gè)模型的運(yùn)行范圍是2號(hào)線凌空路站與遠(yuǎn)東大道站間的運(yùn)行區(qū)間。在模型中設(shè)定了70 km/h、65 km/h、60 km/h、50 km/h等4個(gè)不同的速度目標(biāo)值。列車在4個(gè)不同的速度目標(biāo)值區(qū)間仿真運(yùn)行,得到區(qū)間不同速度目標(biāo)值下的運(yùn)行時(shí)間-距離曲線(見圖4)。

圖3 運(yùn)行等級(jí)的速度-時(shí)間曲線

圖4 區(qū)間不同速度目標(biāo)值下運(yùn)行時(shí)間-距離曲線

列車在4個(gè)不同的速度目標(biāo)值區(qū)間仿真運(yùn)行,得到區(qū)間不同速度目標(biāo)值下的運(yùn)行能耗-距離曲線如(見圖5)。

圖5 區(qū)間不同速度目標(biāo)值下運(yùn)行能耗-距離曲線圖

從圖5中可以看出,列車的區(qū)間運(yùn)行等級(jí)越低，其區(qū)間行駛時(shí)的速度目標(biāo)值越小，其能耗越小,區(qū)間運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)。圖6為典型列車運(yùn)行1個(gè)區(qū)間的耗時(shí)-起動(dòng)牽引對(duì)比情況。

目前2號(hào)線在8輛編組區(qū)域非高峰時(shí)段共有7 369次列車運(yùn)行起動(dòng)牽引。不同的運(yùn)行等級(jí)在非高峰時(shí)段耗電總量預(yù)測(cè)如圖7所示。

由仿真計(jì)算結(jié)果可見,2號(hào)線8輛編組區(qū)域非高峰時(shí)段如采用運(yùn)行等級(jí)3，則每年能節(jié)約用電14 739 474 kWh,節(jié)省費(fèi)用1 200萬(wàn)元左右;如采用運(yùn)行等級(jí)4，則每年能節(jié)約用電23 857 506 kWh,節(jié)省費(fèi)用2 000萬(wàn)元左右。

圖6 不同運(yùn)行等級(jí)下列車牽引能耗-時(shí)間偏移圖

圖7 不同運(yùn)行等級(jí)非高峰時(shí)段耗電總量預(yù)測(cè)圖

3.3 優(yōu)化節(jié)能的運(yùn)行方式

建議列車在非高峰時(shí)段把運(yùn)行等級(jí)調(diào)整到3或4,降低運(yùn)行的速度目標(biāo)值,則在考慮到乘客的服務(wù)水平的情況下,節(jié)能效果最好。

根據(jù)統(tǒng)計(jì),非高峰時(shí)段小客流車站在20 s以內(nèi)完成上下客作業(yè)。目前不同車站設(shè)定的停站時(shí)間為25～50 s,可縮短車站停站時(shí)間以提高列車的旅行速度。

4 結(jié)語(yǔ)

在相同的線路條件、列車動(dòng)力學(xué)和牽引控制特性的前提下，列車運(yùn)行等級(jí)的速度目標(biāo)值對(duì)能耗及運(yùn)行時(shí)間影響明顯。因此，可結(jié)合地鐵乘客服務(wù)水平，通過調(diào)整非高峰時(shí)段列車運(yùn)行等級(jí)和停站時(shí)間來降低列車運(yùn)行的能耗。

[1] 曹家明.單線鐵路列車運(yùn)行調(diào)整優(yōu)化模型及算法[J].鐵道學(xué)報(bào),1994,16(3):72.

[2] 楊利軍,胡用生,孫麗霞.城市軌道交通節(jié)能線路仿真算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)板),2012,40(2):235.

[3] AVERILL M L,KELTON W D.Simulation modeling and analysis[M].3rd ed.Beijing:Tsinghua University Press,2000.

[4] 劉海東,毛保華,丁勇等.城市軌道交通列車節(jié)能問題及方案研究[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2007,7(5):68.

Simulation and Optimization of Train Running Energy Consumption on Shanghai Metro Line 2

JIAO Yuan, YUAN Ping, LU Xinyuan, YANG Minglai

Based on the main technical parameters of Shanghai metro Line 2, a simulation model is established from the energy-saving point of view. The software Opentrack is used to simulate the traction energy consumption of train running on different operation levels, and the target values of speed are selected based on the running time and the energy consumption. After setting up a fuzzy comprehensive evaluation model, the selection method of urban rail transit train velocity is confirmed. Finally, the simulation results are analyzed, a method to optimize the energy-saving operation is put forward according to the simulation results.

urban rail transit; train; running energy consumption; simulation

*上海申通地鐵集團(tuán)有限公司與上海工程技術(shù)大學(xué)校企合作項(xiàng)目(JS-KY12R025;JS-KY12R014-1;JS-KY12R014-2);上海工程技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目(E1-0903-14-01175)

U 260.15+35

10.16037/j.1007-869x.2016.09.031

2014-10-29)