列车运行过程模拟与分析

城市轨道交通系统运营管理列车运行过程模拟与分析对列车运行过程进行良好的设计是更好的满足运输需求并管理好城市轨道交通系统的基本要求。列车运行过程中涉及到许多元素，列车运行计算旨在快速准确的计算列车在不同条件下的运行效果并加以评价。本章介绍列车运行过程的影响因素、列车运行的基本原理，同时对相关软件进行介绍，最后通过案例进行说明。8.1列车运行过程影响因素8.2城市轨道交通系统列车运行基本原理8.3计算机模拟方法的应用8.4相关软件介绍8.5RAILSYS系统及应用8.1列车运行过程影响因素列车的移动是在一个复杂多变的环境下，由众多因素作用的结果，既有动态因素又有静态因素。其中环境因素主要包括：•线路条件•列车条件•信号条件•供电参数•计算原则线路条件：线路是列车运行的基础，涉及到坡道、曲线、桥梁、隧道等土木问题，也有轨道电器等电气方面的问题。列车条件：列车作为系统主要研究对象本身又是多变因素之一，涉及到机车类型（影响牵引及制动能力）、车辆类型及数量（影响列车质量、长度）等。信号条件：信号影响着列车运行，列车运行特性又是确定信号机位置的重要方面。供电参数：包括牵引供电方式、供变电所的位置及参数，重点针对电力牵引环境。计算原则：如节能操作（注重经济性）、节时操作（注重效率）等。8.2城市轨道交通系统列车运行基本原理8.2.1列车运动原理列车运行中受到多种力的作用，主要包括①牵引力F②列车基本阻力③线路附加阻力（坡道、曲线等阻力）④列车制动力B⑤车辆重力P⑥车钩作用力⑦其他作用力牵引运行时车上合力为：C=F-Wk(N)单位合力为：c=C/[(P+G)*g]=f-wk(N/kN)上式中：F—轮周牵引力，N；Wk—列车运行总阻力，N；P—动车计算总质量，t；G—拖车计算总质量，t；f—单位轮周牵引力，N/kN；wk—列车运行时单位总阻力，N/kN。惰行时，牵引力为零，作用于列车上的合力为：C=-Wk(N)单位合力为：c=-Wk/[(P+G)*g]=-wk(N/kN)制动时列车合力为：C=-(B+Wk)(N)单位合力为：c=-(b+wk)(N/kN)上式中：B—列车制动力；b—列车单位制动力显而易见的是C0时，列车减速运行；C0时列车加速前进；C=0时列车做匀速运行，根据牛顿定律可知：C=ma(N)a—列车加速度，m/s²；m—列车质量，kg；计算方法为：m=1000(P+G)(kg)从而列车加速度为：a=dv/dt=C/m=C/[1000(P+G)](m/s²)若将加速度表示为km/h²，则有：a=12960C/[1000(P+G)]=12.96C/(P+G)(km/h²)亦：a=12.96c(km/h²)换言之，作用于列车上每一单位合力（N/t）都会使列车获得12.96km/h²的加速度实际上在考虑消耗的情况下，列车实际获得要低于上述数值，计算时一般取12.2km/h²，即：dv/dt=12.2(km/h²)dt=dv/12.2c∫dt=∫dv/12.2c由于ds=vdt，故：∫ds=∫vdv/12.2c牵引计算时，一般将列车速度分为多个间隔ΔV，用有限小的速度增量代替理论上无限小的速度增量dv，推导可得：ΔS=S2—S1=（V2²-V1²）/（2*12.2c）(km)或ΔS=41（V2²-V1²）/c(m)不难看出，所取的ΔS越小，计算到的速度与时间就越精确。8.2.2牵引力计算动车借助其动轮和钢轨间的相互作用将牵引电机的扭矩转换为轮周牵引力，这种牵引力为列车提供前进的动力。1.牵引力的产生图8—1是车轮对钢轨之间相互作用的一种描述vRiMiTFi’Fi’fifi’Pi图8—1中牵引电机作用在轮对上的驱动转矩Mi形成一对力偶Fi和Fi’，Fi作用在轮对和钢轨接触面，使车轮具有向左移动的趋势，产生钢轨上的力fi’，轮轨间的摩擦力又引起向右的静摩擦力fi，也就是轮周牵引力，Fi’与轴承对动轮的反作用力是一对内力，Fi=Fi’=Mi/Ri，Ri为动轮半径。Fi增大时，fi’随之增大，增加超过某一水平时，出现‘蠕滑’现象，即黏着状态被破坏，粘着力反而迅速减少，实验表明粘着力最大值fmax=μPi,μ为粘着系数，Pi为正压力。动轮不空转所能实现的最大牵引力为粘着牵引力FμFμ=μjPμ式中：μj—计算粘着系数；Pμ—粘着质量2.牵引力取值牵引力大小由牵引特性曲线决定，其取值与列车运行速度和操纵手把位有关，例如在一个计算步长内有FL0=f（Ns，v0）FL1=f（Ns，v1）式中v0，v1—分别为该步长内的初速与末速。步长较小时可以使用初速作为步内的参数。牵引力的大小还要考虑粘着力的限制：FL2=μ0WL式中μ0—粘着牵引力系数。牵引力的确定是列车运行计算的关键，其取值应尽量精确和符合实际情况，一般认为列车在2.5km/h下为起动状态，采用黏着牵引力；超过该速度时原则上可按牵引特性曲线取牵引力值，图8—2为牵引特性曲线（横轴为速度km/h，纵轴为牵引力kN）：3.有级牵引与无级牵引根据牵引特性，分为有级和无级两种。（1）有级牵引有级牵引时，牵引力取值是按不同牵引级位（手柄位）牵引特性曲线上与速度对应的值来确定的，对中间手柄位的取值计算需要采用线性插值法进行。2.无级牵引无级牵引时机车没有级位之分，牵引力取值有两种情况：①按机车牵引特性曲线取值，牵引力是实际速度的函数：F=f（v）图8-3为某列车牵引力特性曲线（1000V为标准特性）：②按加速度来计算牵引力，即根据列车当前速度以及目标速度来计算所需牵引力：F=f(v，vtarget)亦即：F=(Mm+Mt)·g·a(v，vtarget)式中：Mm，Mt—分别为动车与拖车总质量，kg；a(v,vtarget)—与列车速度和目标速度相关的加速度，可从事先定义的表格中查到；g—重力加速度。上述无级牵引模式也可用于无机车牵引曲线可用条件下列车运行归结的框架性计算。8.2.3列车运行阻力计算动力集中条件下，列车运行阻力分为机车阻力和车辆阻力；城市轨道交通系统中，采用动力分散结构，阻力按来源可分为基本阻力和附加阻力。1.基本阻力基本阻力是指列车在平直轨道上运行时，由列车内部与外界接触摩擦和冲击而产生的阻力，它主要与列车构造有关。我国城市间列车基本阻力模型可按“列车牵引计算规程”中给出的模型计算，在城市铁路中这方面还没有系统的规范和条文，一般可参考前述规程。2.列车启动阻力启动时的基本阻力一般按5N/KN计算，滚动轴承车辆按3.5N/KN计算。图8-4描述了列车阻力随速度变化的一般形式，起动速度一般按2.5~5km/h左右。3.列车附加阻力列车附加阻力主要是由线路引起的，这些因素包括坡道、曲线、隧道等，在牵引计算中，这些附加阻力是通过换算一个等值的坡道当量即加算坡道ij引起的单位阻力ωj来刻画的。8.2.4列车制动力计算制动时列车调速的重要手段，尤其在速度限制、下坡道和进站停车时。根据列车制动设备类型，制动方法可分为以下三种：（1）摩擦制动摩擦制动分为闸瓦制动和盘式制动。摩擦制动主要指我国城市间长距离铁路运输的情况，根据牵引计算规程，列车单位制动力模型为b=1000θhφh(N/kN)式中：θh—列车换算制动率；φh—换算摩擦系数。（2）电气制动电气制动包括电阻制动和再生制动。电气制动是利用电机的可逆原理，在制动工况下将牵引电机转变为发电机从而形成反响扭矩，并作用在动轮上形成电制动力。地铁列车中多采用此种方法，一般可按照以下几种典型的速度控制类型来计算：①利用制动曲线直接取值，如图所示：②列车减速按给定的减速度计算不考虑列车所能获得的制动力，所取的减速度值就是列车的最终减速度值，可以考虑与以下两个因素有关：a.列车当前速度与由当前位置决定的目标速度间的差值。该差值越大减速度越大。b.线路速度决定于线路加算坡度，一般可按下表确定减速度值：（3）电磁制动电磁制动包括磁轨制动和涡流制动，最大优点是是不受黏着条件限制。加算坡度速度差(km/h)6‰以上6‰—2‰2‰—-2‰-2‰及以下K以上-0.5m/s²-0.3m/s²-0.2m/s²-0.1m/s²8.2.5城市轨道交通站间运行模式城市轨道交通站间距较短，一般有两种模式：（1）牵引—恒速—制动模式（2）牵引—惰性—制动模式上述两种模式适合大多数场合，当站间距较大、线路变化也很大时可能需要多次牵引—惰行的组合。考虑到旅客舒适度与货物运输安全，列车在牵引运行过程中对加减速的极限应该有一定的限制。国外实践表明，当所有旅客均有座位时，最大加速度不宜超过2.41m/s²；有乘客站立时不宜超过1.52m/s²。8.2.6列车运动中的其他参数1.牵引供电计算当前电压制式主要有直流600V，750V及3000V；交流6250V，15000V和25000V。2.能耗计算①电力牵引能耗计算②内燃牵引能耗计算3.运营费计算4.信号机布局（1）信号系统配置的目安全、效率和经济。（2）信号系统配置考虑的因素主要包括：①列车紧急制动距离②信号显示制式③轨道电路长度④列车种类⑤列车运行组织模式⑥线路具体条件8.3计算机模拟方法的应用8.3.1牵引计算的应用1.铁路运输方面2.机车运用方面3.选线设计方面4.通信信号方面5.运输经济方面8.3.2牵引计算模拟系统的适用范围（1）可为工程设计人员提供各种条件下系统相关指标的自动计算，输出工程设计基本图纸。（2）可为工程咨询人员提供多方案比选的结果，分析最佳配置方案，分析相关技术经济指标。（3）可用于机车运用方案及操纵方案的优化、提速方案的分析模拟、运行图技术参数的确定、技术指标的计算等方面。（4）可为教学人员提供动态演示，为相关的研究分析提供参考依据。8.4相关软件的介绍（1）城市列车运行计算系统1997—1999年间，由北方交通大学与香港理工大学合作，在北京城建院等单位的配合下采用面向对象的程序设计方法开发了城市列车运行计算系统。（2）RAILSIM系统RAILSIM是北美铁路常用的一套模拟软件，用于铁路运营和工程建模、设计、模拟和分析的软件，以TPC（TrainPerformanceCalculator）为基础，可以精确模拟任何铁路系统中任何列车的运行。（3）列车牵引计算及操纵（4）机车司机操纵评价系统（5）牵引电算系统8.5RAILSYS系统及实例RAILSYS是由德国汉诺威大学（UniversityofHannover）和德国铁路管理咨询公司（RMCon）共同研发的基于路网的铁路运输微观模拟仿真系统。作为一款铁路基础设施及时刻表仿真、优化和管理软件，该系统适用于各种规模铁路网络的分析、设计和优化等。本门课程模拟实践主要基于本软件进行(以西安地铁二号线数据为例)。主要组成：1.InfrastructureManager基础建设1.InfrastructureManager基础建设1.InfrastructureManager基础建设1.InfrastructureManager基础建设基础建设是所有项目的起点，在此部分进行工程线路的铺画。通过使用绘图组件将全线线路展现出来，站台、信号机、道岔、闭塞等线路组成部分需要准确数据绘制于本部分。绘制错误部分系统会自动提示并且详细解释。绘制完成如图：2.TimetableAndSimulationManager仿真模拟仿真模拟是整个系统最重要的部分，需要在已建线路中输入数据以进行运行评估。在本部分中需要输入的数据有：•牵引单位数据•阻力数据•车辆参数•动力运行模型•车次信息•车辆运行状态•制定越行计划等牵引单位输入界面越行线设置界面配置完成后全日运行图在相关数据输入完成后，即可查看相关模拟报告。•仿真模拟统计•仿真运行图统计•仿真线路统计•阻塞统计•机车列表等统计都可分别在宏观和微观模式下查看，可分别依托于车站和线路进行统计•为了检查线路系统的可靠性，系统提供人为添加扰动（以延误为主）来进行试验。可分别针对某一时段、某些车次进行扰动的添加，进而查看这些扰动对全线乃至某些车站的影响。3.EvaluationManager评估管理器评估管理器是在已完成路线以及在其上添加的数据的基础上对工