上海轨道交通2号线列车运行能耗仿真及优化*

焦 源 原 萍 陆鑫源 杨明来

(上海工程技术大学城市轨道交通学院,201620,上海∥第一作者，硕士研究生)



上海轨道交通2号线列车运行能耗仿真及优化*

焦 源 原 萍 陆鑫源 杨明来

(上海工程技术大学城市轨道交通学院,201620,上海∥第一作者，硕士研究生)

基于上海轨道交通2号线列车运行的主要技术参数,从节能角度建立仿真模型,利用OPENTRACK软件对列车不同运行等级下的牵引能耗进行仿真模拟,从运行时分和能源消耗两个方面综合考虑速度目标值的选取,通过构建模糊综合评判模型,建立城市轨道交通列车目标速度的选取方法。最后,对仿真结果进行分析,根据仿真结果提出了优化节能运行的一种方式。

城市轨道交通; 列车; 运行能耗; 仿真

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

城市轨道交通的能耗主要集中产生于列车运行的牵引过程。其中，运输组织模式对列车运行能耗有较大的影响[1]。在城市轨道交通运输组织模式中最主要的是列车操纵控制模式。列车的操纵控制包括列车运行等级、列车再生制动能量回收等[2]。基于上海轨道交通2号线(以下简为“2号线”)列车的技术参数建立列车运行仿真模型[3],利用OPENTRACK软件进行仿真分析列车运行等级对列车运行节能的影响,通过调整列车运行等级和停站时间,降低城市轨道交通运输成本[4]。

1 列车主要技术参数

城市轨道交通车辆中，MP车为带受电弓的动车,将电能送到牵引系统中。接触网电压额定值为DC 1 500 V,电压变动范围最大为1 800 V,最小为1 000 V。根据2号线全线的初、近、远期客流情况确定实际运营的行车交路。2号线初、近期采用分段运营模式,分段双向折返点设置在广兰路站；徐泾东路站至广兰路站采用全8辆编组的大、小交路套跑的行车交路；广兰路站至浦东国际机场站采用4辆编组的分段行车交路。远期采用贯通运营模式,徐泾东站至浦东国际机场站采用6、8辆编组混行或全8辆编组的大小交路套跑的行车交路。其中，徐泾东站至浦东国际机场站的大交路采用6或8辆编组,淞虹路站至广兰路站的小交路采用8辆编组。该8车编组按TC(有驾驶室的施车)+MP+M(无受电弓的动车)+MP+M+MP+M+TC组合方式连挂。列车最高运行速度为80 km/h(列车上所有设备都按最高运行速度设计)。列车定员载荷时平均起动加速度为1.06 m/s2；列车超员载荷时平均起动加速度为1.16 m/s2，平均制动减速度为-1.0 m/s2，紧急制动减速度为-1.3 m/s2。

2 列车能耗仿真计算的数学模型

2.1 列车运行阻力计算

列车运行中受到的总阻力包括牵引阻力和加速阻力,即

R=Rf+Ra

(1)

式中:

R——总阻力;

Rf——牵引阻力;

Ra——加速阻力。

牵引阻力包括滚动阻力和延程阻力，即

Rf=RL+RStr

(2)

式中:

RL——总滚动阻力;

RStr——延程阻力。

总滚动阻力包括隧道空气阻力和滚动阻力。在计算中利用Sauthoff公式计算滚动阻力:

RLP=g×

式中：

RLP——车辆滚动阻力,N;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

m——列车总质量，kg;

n——车辆数,n=1;

v——行车速度,m/s;

Δv——风阻，取4.17 m/s;

Ksa1——阻力系数，取0.002 5 s/m;

Ksa2——阻力系数，取0.006 96 kg·s2/m2。

隧道中运行的列车受到隧道空气阻力,计算式为:

RT=fT·v2

(3)

式中:

RT——隧道空气阻力;

fT——隧道空气阻力因子。

总滚动阻力为列车滚动阻力和隧道空气阻力之和,即

RL=RLP+RT

(4)

延程阻力包括坡度阻力、曲线阻力和岔道附加阻力,计算公式如下:

RStr=Rs+RB+Rw

(5)

式中:

Rs——坡度阻力，N;

RB——曲线阻力，N;

Rw——岔道附加阻力，N。

岔道附加阻力在路网环境下对列车运行影响较小,仿真中被忽略。假设α为坡道角度，则列车在坡道上的受力分解如图1所示。

图1 坡度列车受力分解

(6)

当α较小时,Rs=m·g·i

式中:

i——坡度，‰;

Rs——坡度阻力。

若r为曲率半径(以m计)，则曲线阻力计算式为

(7)

(8)

当列车加速或制动时受到加速阻力,加速阻力计算式为:

Ra=m·a(1+0.01·ρ1)

(9)

式中：

a——列车加速度 m/s2;

ρ1——经验质量因子,取ρ1=1。

2.2 仿真中的运动学计算

列车仿真中的运动学计算基于运动微分方程,采用连续仿真法,对涉及安全的信号系统和延迟采用离散仿真方法。

数值仿真算法用来计算列车运动,列车运动方程依据牛顿定理给出:

F=m·a

(10)

F——动车牵引力。

为了使列车加速,动车必须提供大于牵引阻力的驱动力。牵引力与牵引阻力的差值即功率余量为：

Fz=F-Rf

(11)

牵引力通过牵引力-速度曲线计算,该值和当前速度以及黏着情况有关。牵引阻力与速度以及轨道参数(里程)有关。列车获得最大加速度为:

(12)

式中:

ρ2——旋转质量因子,ρ2=1。

利用前一时刻的速度,计算当前时刻列车速度的,计算式为:

v(t0)=v0

(13)

则列车速度v和里程s为:

(14)

(15)

2.3 制动工况

模型应能模拟动车和拖车的制动特征,且这些特征应于实际列车驾驶员操作方式一致。制动工况模拟采用从制动目标点(如停车点)和目标速度值(在目标点的目标速度)进行反算来确定当前速度的方法。图2显示列车根据停车信号机指示到信号机前停车的制动过程。当列车通过经反算得出的制动点BEP1后,列车按照制动曲线运行轨迹开始制动直至停车。一旦列车在制动过程中达到目标速度值或自动防护系统认为当前速度值能够保证列车运行安全,则认为当前制动过程完成。列车开始考虑后续运行的制动工况。

图2 列车的停车制动

3 仿真结果

3.1 仿真步骤

利用opentrack软件对列车运行情况进行仿真,主要步骤如下。

(1) 利用路网编辑器,构建车站及行车区间的轨道网拓扑图,并对与列车运行有关的线路长度、曲线半径、坡度、线路限速等信息进行编辑。

(2) 在轨道网拓扑图中定义列车运行的运行路线。利用列车属性编辑器,设置列车各项技术参数,如长度、质量、速度、牵引制动等信息。

(3) 根据3种不同的载客工况(空载,定员载荷,超员载荷),构建调整不同的牵引力-速度曲线。

(4) 根据4种不同的列车运行等级在区间中分别输入不同的速度目标值进行仿真。

(5) 构建不同时刻列车运行方案,同时在时刻表管理数据库中,输入各次列车到达和出发时间、停站时间等信息。

(6) 输出仿真结果并进行分析。

3.2 列车不同运行等级下的仿真结果分析

速度目标是列车运行的核心指标。提高速度目标值的主要目的是节省运行时间。但是，提高速度目标值也会造成运行能耗的增加。运行时间主要影响乘客的服务水平,而能耗增加会影响节能问题。因此，在仿真试验时应从运行时间和能耗两个方面综合考虑来选取速度目标值。通过构建模糊综合评判模型,建立城市轨道交通列车目标速度的选取方法,进而可确定各个区间在保证乘客服务水平的前提下,应该选取哪种运行等级以达到节能的效果。

实际中不同的速度目标值对应不同的列车运行等级,根据相关运营资料,2号线列车共有4个运行等级:等级1是全速行驶方式,一般在高峰时采取;等级2是惰行的运行方式;等级3和等级4分别是以最高速度的75%和60%限速行驶。不同运行等级的速度-时间曲线如图3所示。

在仿真系统中,基于列车4个运行等级的技术参数建立模型,以对列车的牵引能耗进行仿真计算。计算时不考虑再生制动能量的回收情况。这4个模型的运行范围是2号线凌空路站与远东大道站间的运行区间。在模型中设定了70 km/h、65 km/h、60 km/h、50 km/h等4个不同的速度目标值。列车在4个不同的速度目标值区间仿真运行,得到区间不同速度目标值下的运行时间-距离曲线(见图4)。

图3 运行等级的速度-时间曲线

图4 区间不同速度目标值下运行时间-距离曲线

列车在4个不同的速度目标值区间仿真运行,得到区间不同速度目标值下的运行能耗-距离曲线如(见图5)。

图5 区间不同速度目标值下运行能耗-距离曲线图

从图5中可以看出,列车的区间运行等级越低，其区间行驶时的速度目标值越小，其能耗越小,区间运行时间越长。图6为典型列车运行1个区间的耗时-起动牵引对比情况。

目前2号线在8辆编组区域非高峰时段共有7 369次列车运行起动牵引。不同的运行等级在非高峰时段耗电总量预测如图7所示。

由仿真计算结果可见,2号线8辆编组区域非高峰时段如采用运行等级3，则每年能节约用电14 739 474 kWh,节省费用1 200万元左右;如采用运行等级4，则每年能节约用电23 857 506 kWh,节省费用2 000万元左右。

图6 不同运行等级下列车牵引能耗-时间偏移图

图7 不同运行等级非高峰时段耗电总量预测图

3.3 优化节能的运行方式

建议列车在非高峰时段把运行等级调整到3或4,降低运行的速度目标值,则在考虑到乘客的服务水平的情况下,节能效果最好。

根据统计,非高峰时段小客流车站在20 s以内完成上下客作业。目前不同车站设定的停站时间为25～50 s,可缩短车站停站时间以提高列车的旅行速度。

4 结语

在相同的线路条件、列车动力学和牵引控制特性的前提下，列车运行等级的速度目标值对能耗及运行时间影响明显。因此，可结合地铁乘客服务水平，通过调整非高峰时段列车运行等级和停站时间来降低列车运行的能耗。

[1] 曹家明.单线铁路列车运行调整优化模型及算法[J].铁道学报,1994,16(3):72.

[2] 杨利军,胡用生,孙丽霞.城市轨道交通节能线路仿真算法[J].同济大学学报(自然科学板),2012,40(2):235.

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

[4] 刘海东,毛保华,丁勇等.城市轨道交通列车节能问题及方案研究[J].交通运输系统工程与信息,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

*上海申通地铁集团有限公司与上海工程技术大学校企合作项目(JS-KY12R025;JS-KY12R014-1;JS-KY12R014-2);上海工程技术大学创新项目(E1-0903-14-01175)

U 260.15+35

10.16037/j.1007-869x.2016.09.031

2014-10-29)