上海軌道交通2號線列車運行能耗仿真及優化*

焦 源 原 萍 陸鑫源 楊明來

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者，碩士研究生)

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上海軌道交通2號線列車運行能耗仿真及優化*

焦 源 原 萍 陸鑫源 楊明來

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者，碩士研究生)

基于上海軌道交通2號線列車運行的主要技術參數,從節能角度建立仿真模型,利用OPENTRACK軟件對列車不同運行等級下的牽引能耗進行仿真模擬,從運行時分和能源消耗兩個方面綜合考慮速度目標值的選取,通過構建模糊綜合評判模型,建立城市軌道交通列車目標速度的選取方法。最后,對仿真結果進行分析,根據仿真結果提出了優化節能運行的一種方式。

城市軌道交通; 列車; 運行能耗; 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生于列車運行的牽引過程。其中，運輸組織模式對列車運行能耗有較大的影響[1]。在城市軌道交通運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行等級、列車再生制動能量回收等[2]。基于上海軌道交通2號線(以下簡為“2號線”)列車的技術參數建立列車運行仿真模型[3],利用OPENTRACK軟件進行仿真分析列車運行等級對列車運行節能的影響,通過調整列車運行等級和停站時間,降低城市軌道交通運輸成本[4]。

1 列車主要技術參數

城市軌道交通車輛中，MP車為帶受電弓的動車,將電能送到牽引系統中。接觸網電壓額定值為DC 1 500 V,電壓變動范圍最大為1 800 V,最小為1 000 V。根據2號線全線的初、近、遠期客流情況確定實際運營的行車交路。2號線初、近期采用分段運營模式,分段雙向折返點設置在廣蘭路站；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；廣蘭路站至浦東國際機場站采用4輛編組的分段行車交路。遠期采用貫通運營模式,徐涇東站至浦東國際機場站采用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，徐涇東站至浦東國際機場站的大交路采用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(無受電弓的動車)+MP+M+MP+M+TC組合方式連掛。列車最高運行速度為80 km/h(列車上所有設備都按最高運行速度設計)。列車定員載荷時平均起動加速度為1.06 m/s2；列車超員載荷時平均起動加速度為1.16 m/s2，平均制動減速度為-1.0 m/s2，緊急制動減速度為-1.3 m/s2。

2 列車能耗仿真計算的數學模型

2.1 列車運行阻力計算

列車運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。

牽引阻力包括滾動阻力和延程阻力，即

Rf=RL+RStr

(2)

式中:

RL——總滾動阻力;

RStr——延程阻力。

總滾動阻力包括隧道空氣阻力和滾動阻力。在計算中利用Sauthoff公式計算滾動阻力:

RLP=g×

式中：

RLP——車輛滾動阻力,N;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

m——列車總質量，kg;

n——車輛數,n=1;

v——行車速度,m/s;

Δv——風阻，取4.17 m/s;

Ksa1——阻力系數，取0.002 5 s/m;

Ksa2——阻力系數，取0.006 96 kg·s2/m2。

隧道中運行的列車受到隧道空氣阻力,計算式為:

RT=fT·v2

(3)

式中:

RT——隧道空氣阻力;

fT——隧道空氣阻力因子。

總滾動阻力為列車滾動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環境下對列車運行影響較小,仿真中被忽略。假設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α較小時,Rs=m·g·i

式中:

i——坡度，‰;

Rs——坡度阻力。

若r為曲率半徑(以m計)，則曲線阻力計算式為

(7)

(8)

當列車加速或制動時受到加速阻力,加速阻力計算式為:

Ra=m·a(1+0.01·ρ1)

(9)

式中：

a——列車加速度 m/s2;

ρ1——經驗質量因子,取ρ1=1。

2.2 仿真中的運動學計算

列車仿真中的運動學計算基于運動微分方程,采用連續仿真法,對涉及安全的信號系統和延遲采用離散仿真方法。

數值仿真算法用來計算列車運動,列車運動方程依據牛頓定理給出:

F=m·a

(10)

F——動車牽引力。

為了使列車加速,動車必須提供大于牽引阻力的驅動力。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-速度曲線計算,該值和當前速度以及黏著情況有關。牽引阻力與速度以及軌道參數(里程)有關。列車獲得最大加速度為:

(12)

式中:

ρ2——旋轉質量因子,ρ2=1。

利用前一時刻的速度,計算當前時刻列車速度的,計算式為:

v(t0)=v0

(13)

則列車速度v和里程s為:

(14)

(15)

2.3 制動工況

模型應能模擬動車和拖車的制動特征,且這些特征應于實際列車駕駛員操作方式一致。制動工況模擬采用從制動目標點(如停車點)和目標速度值(在目標點的目標速度)進行反算來確定當前速度的方法。圖2顯示列車根據停車信號機指示到信號機前停車的制動過程。當列車通過經反算得出的制動點BEP1后,列車按照制動曲線運行軌跡開始制動直至停車。一旦列車在制動過程中達到目標速度值或自動防護系統認為當前速度值能夠保證列車運行安全,則認為當前制動過程完成。列車開始考慮后續運行的制動工況。

圖2 列車的停車制動

3 仿真結果

3.1 仿真步驟

利用opentrack軟件對列車運行情況進行仿真,主要步驟如下。

(1) 利用路網編輯器,構建車站及行車區間的軌道網拓撲圖,并對與列車運行有關的線路長度、曲線半徑、坡度、線路限速等信息進行編輯。

(2) 在軌道網拓撲圖中定義列車運行的運行路線。利用列車屬性編輯器,設置列車各項技術參數,如長度、質量、速度、牽引制動等信息。

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

(4) 根據4種不同的列車運行等級在區間中分別輸入不同的速度目標值進行仿真。

(5) 構建不同時刻列車運行方案,同時在時刻表管理數據庫中,輸入各次列車到達和出發時間、停站時間等信息。

(6) 輸出仿真結果并進行分析。

3.2 列車不同運行等級下的仿真結果分析

速度目標是列車運行的核心指標。提高速度目標值的主要目的是節省運行時間。但是，提高速度目標值也會造成運行能耗的增加。運行時間主要影響乘客的服務水平,而能耗增加會影響節能問題。因此，在仿真試驗時應從運行時間和能耗兩個方面綜合考慮來選取速度目標值。通過構建模糊綜合評判模型,建立城市軌道交通列車目標速度的選取方法,進而可確定各個區間在保證乘客服務水平的前提下,應該選取哪種運行等級以達到節能的效果。

實際中不同的速度目標值對應不同的列車運行等級,根據相關運營資料,2號線列車共有4個運行等級:等級1是全速行駛方式,一般在高峰時采取;等級2是惰行的運行方式;等級3和等級4分別是以最高速度的75%和60%限速行駛。不同運行等級的速度-時間曲線如圖3所示。

在仿真系統中,基于列車4個運行等級的技術參數建立模型,以對列車的牽引能耗進行仿真計算。計算時不考慮再生制動能量的回收情況。這4個模型的運行范圍是2號線凌空路站與遠東大道站間的運行區間。在模型中設定了70 km/h、65 km/h、60 km/h、50 km/h等4個不同的速度目標值。列車在4個不同的速度目標值區間仿真運行,得到區間不同速度目標值下的運行時間-距離曲線(見圖4)。

圖3 運行等級的速度-時間曲線

圖4 區間不同速度目標值下運行時間-距離曲線

列車在4個不同的速度目標值區間仿真運行,得到區間不同速度目標值下的運行能耗-距離曲線如(見圖5)。

圖5 區間不同速度目標值下運行能耗-距離曲線圖

從圖5中可以看出,列車的區間運行等級越低，其區間行駛時的速度目標值越小，其能耗越小,區間運行時間越長。圖6為典型列車運行1個區間的耗時-起動牽引對比情況。

目前2號線在8輛編組區域非高峰時段共有7 369次列車運行起動牽引。不同的運行等級在非高峰時段耗電總量預測如圖7所示。

由仿真計算結果可見,2號線8輛編組區域非高峰時段如采用運行等級3，則每年能節約用電14 739 474 kWh,節省費用1 200萬元左右;如采用運行等級4，則每年能節約用電23 857 506 kWh,節省費用2 000萬元左右。

圖6 不同運行等級下列車牽引能耗-時間偏移圖

圖7 不同運行等級非高峰時段耗電總量預測圖

3.3 優化節能的運行方式

建議列車在非高峰時段把運行等級調整到3或4,降低運行的速度目標值,則在考慮到乘客的服務水平的情況下,節能效果最好。

根據統計,非高峰時段小客流車站在20 s以內完成上下客作業。目前不同車站設定的停站時間為25～50 s,可縮短車站停站時間以提高列車的旅行速度。

4 結語

在相同的線路條件、列車動力學和牽引控制特性的前提下，列車運行等級的速度目標值對能耗及運行時間影響明顯。因此，可結合地鐵乘客服務水平，通過調整非高峰時段列車運行等級和停站時間來降低列車運行的能耗。

[1] 曹家明.單線鐵路列車運行調整優化模型及算法[J].鐵道學報,1994,16(3):72.

[2] 楊利軍,胡用生,孫麗霞.城市軌道交通節能線路仿真算法[J].同濟大學學報(自然科學板),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能問題及方案研究[J].交通運輸系統工程與信息,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

*上海申通地鐵集團有限公司與上海工程技術大學校企合作項目(JS-KY12R025;JS-KY12R014-1;JS-KY12R014-2);上海工程技術大學創新項目(E1-0903-14-01175)

U 260.15+35

10.16037/j.1007-869x.2016.09.031

2014-10-29)