（电力电子与电力传动专业论文）城市轨道交通列车运行与供电联合仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t r e l y i n go nt w or e s e a r c hp r o je c t s ， r e s e a r c ho ns i m u l a t i o na n df i t t i n go f h i g h - s p e e dr a i l w a yl o c o m o t i v ea n dv e h i c l e i nt r a c t i o np o w e rc a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i so fu r b a nr a i l w a yt r a i np a r a m e t e r sf i t t i n ga n dp o w e rs u p p l yc h a r a c t e r i s t i c s ”， t h ep a p e rs t u d i e sj o i n ts i m u l a t i o no fu r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o nt r a i np e r f o r m a n c ea n d p o w e rs u p p l y t h es i m u l a t i o nc a l lp r e d i c ti n t e r v a lr u n n i n gt i m e ，a s s e s se n e r g y c o n s u m p t i o na n dc a l c u l a t ep o w e rs u p p l ye q u i p m e n tc a p a b i l i t i e s i tn o to n l ys a v et h e p r e c o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n t ，b u ta l s ol o w e rt h eo p e r a t i n gc o s t ，s ot h ee c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t so fu r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o na r ei m p r o v e d i th a sg r e a tt h e o r e t i c a lv a l u e a n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e t o d e v e l o pt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o nt r a i np e r f o r m a n c ea n dp o w e rs u p p l yw h i c hw eh a v ei n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h es i m u l a t i o ns y s t e mo fu r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o ni s c o m p o s e do ft w om a i n p a r t s o n ei st p s ( t r a i np e r f o r m a n c es i m u l a t i o n ) ；t h eo t h e ri sn s ( n e ts i m u l a t i o n ) t h ep u r p o s eo ft p si st oc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft r a i n sa n dd e t e r m i n et r a i n s e n e r g yc o n s u m p t i o n ；t h ep u r p o s eo fn si st os o l u t i o nt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o no ft h e t r a c t i o ne l e c t r i c a ln e t w o r ka n dt r a c k s i ti sd e p e n d e do nt r a i n s p o s i t i o n sa n de n e r g y c o n s u m p t i o n si nt p s t h ec o r ei s s u ei nt p si st h et r a i nc o n t r o la l g o r i t h m s a na n a l y s i so nt h e e n e r g y - e f f i c i e n tc o n t r o lo ft r a i n si sd o n ei nt h i sp a p e r t h em o t i o no ft r a i n si s d e s c r i b e db yd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s t o s u b j e c tn o n l i n e a r c o n d i t i o n sa n dt h e e n e r g y - e f f i c i e n to b je c tb yt h ei n t e g r a lo ft r a c t i o n t h em a x i m u mp r i n c i p l ei sa p p l i e d t os o l v et h ep r o b l e ma n dg e tt h es t r a t e g i e so fe n e r g y - e f f i c i e n tc o n t r 0 1 t h ec o n t r o l s t r a t e g i e s ，w h i c hi n s u r et r a i n ss a f e t y , a r ep l e n t yu s e dt h eg r a d e so ft h eg i v e nr o u t e w i t hr e s i s t a n c e so fs p e e da n dt r a v e lt i m e i tm i n i m i z e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o n 。i n r e s p e c tt h a tt h em o d e li so d d ，i t sn e c e s s a r yt oa d ds o m eo p e r a t i o n a le x p e r i e n c e st o g e ta l lo ft h es t a t u sc h a n g ep o i n t s an u m e r i c a lc a l c u l a t i o na l g o r i t h mh a sb e e n d e v e l o p e da n du s e df o rt r a i np e r f o r m a n c es i m u l a t i o n a st h er e s u l to ft e s t s ，t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc o u l db eo b t a i n i n ge f f e c t i v e l ye n e r g yc o s tb e n e f i t a tt h ee n do f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 t h i sc h a p t e r , t h ef u z z yl o g i cc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e dt oi m p r o v et h ea l g o r i t h m s 。s o t h a ti tc a l lb e u s e dt oc o n t r o ld i s c r e t ec l a s st r a i n s t h ep a r to fp o w e rs u p p l yc a l c u l a t i o na n a l y z e st h ee x t e r n a lf e a t u r e so fd c t r a c t i o ns u b s t a t i o nf i r s t l y t h e ni t sm o d e l e da st h r e en o r t o ne q u i v a l e n tc i r c u i t sa n d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fi t sp a r a m e t e r sa r ep r o p o s e d a f t e rt h a t ，i te s t a b l i s h e st h e p h y s i c a lm o d e lo ft h ep o w e rs u p p l ys i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o no ft h e t r a c t i o nn e t w o r kw i t hi g n o r i n gs o m es e c o n d a r yf a c t o r s i nt h es o l u t i o no ft h e e l e c t r i c a ln e t w o r kc a l c u l a t i o n ，t h es p a r s em a t r i xt e c h n o l o g yi su s e da n dt h ef l o w c h a r t so ft h ep r o c e s so fc r e a t i n gn o d ea d m i t t a n c em a t r i xa n dt h es p a r s em a t r i xl u d e c o m p o s i t i o n a r eg i v e n a tl a s t ，t h es t r u c t u r eo ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e p i c t e d t h e ni ti n t r o d u c e s t h ed a t a b a s es t r u c t u r ei nt h es y s t e ma n dm u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y t a k i n gg u a n g z h o u m e t r ol i n eo n ea se x a m p l e ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h es i m u l a t i o ns y s t e mi st e s t e d k e yw o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s p o r t a t i o n ；m a x i m u mp r i n c i p l e ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ； t r a c t i o np o w e rs u p p l yc a l c u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校霄关保留、使用学位论文的规定，同意学校保蟹并 向国家有关郝门或襁构遴交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权透蔫交通大学可戳将本论文魏全都藏部分蠹容编天霄关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复印警段保存和汇编本学位论文。 嚣黹搬第躲 瑾唾 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 用带有非线性约束的微分方程来描述列车运行过程，用牵引力积分形式描述 节能优化目标，并将最大值原理应用于模型求解，得到列车节能控制控制策 略，并给出数值实现算法。在此基础上，使用模糊逻辑控制对算法进行了改 进，使其适用于离散级位的列车。 ( 2 ) 将列车运行仿真和牵引网潮流计算结合起来。通过对城市轨道交通系统牵引 网络的分析，建立了系统物理模型，给出了导纳矩阵的生成算法；并应用稀 疏矩阵技术求解牵引网络电压分布。牵引供电计算可以与列车运行仿真同步 进行，计算得到的牵引网电压分布和列车运行数据更加贴近实际。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪 论 1 1 选题的背景和意义 随着我国国民经济的发展，人们对出行交通服务水平的要求越来越高，城 市轨道交通作为一种廉价，快捷，安全的短途出行手段，越来越多的受到人们 的青睐。世界范围的能源危机，环境污染，城市规模不断扩大造成公路交通的 拥堵不堪，也让人们更加重视城市轨道交通。 目前，北京，天津，上海，广州，深圳，香港等城市已经有地铁，并陆续 扩建。成都，南京，重庆等城市的地铁和轻轨已经通过国务院和国家发改委的 审批，投入建设。其他许多大中城市也计划打造自己的城市轨道交通系统，满 足社会和经济发展的需要。目前，我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国 已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。 城市轨道交通设计中一个重要的部分就是进行列车运行和供电仿真。通过 仿真分析，可以预测区间运行时间，规划列车的追踪间隔，评估运行能耗和计 算供电设备的容量，合理规划轨道线路设计坡度，从而不仅可以节约前期建设 的投资，而且降低后期运营的成本，提高城市轨道交通系统的经济和社会效益。 计算机技术的飞速发展，为进行更加复杂的城市轨道交通列车运行与供电联合 仿真提供了条件。因此，开发出具有我国自主知识产权的新型轨道交通列车运 行和供电联合仿真系统势在必行。 1 2 国内外研究现状 国外对轨道交通仿真的研究起步较早，开发出许多成熟的仿真软件，常见 的有r a i l s i m ，r a i lp l a n ，o nt r a c k 和u t r a s 等。s y s t r a 公司的r a i l s i m ， 可以完成单列车的运行计算( t r a i np e r f o r m a n c ec a l c u l a t o r ) ，也可以完成多列车 仿真分析( n e t w o r ks i m u l a t i o n ) ，同时可以进行列车荷载分析( l o a df l o w a n a l y z e r ) 。仿真的结果可以输出为多种形式，方便用户的分析使用。u t r a s 是日本交通控制实验室2 0 世纪8 0 年代开始研制的一个具有通用意义的铁路模 拟系统，并在2 0 世纪9 0 年代开始得到应用。该系统从研究新干线的交通控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 系统出发，通过列车牵引计算，可以进行不同列车模型对运营影响分析，不同 信号制式的影响分析，延误恢复分析，多列车运行仿真等，为列车牵引计算、 运行控制、运营分析提供系统的指导。 列车自动控制( a t o ) 是仿真软件的核心技术。a t o 系统最主要的功能是 自动调整车速，并能进行站内定点停车。良好的a t o 算法可以满足正点，舒适 和节能的要求。 日本，澳大利亚，新加坡和英国等国家的学者在这方面进行了大量的研究， 并且开发出应用到实际的系统。 日本学者较早研究了模糊与预测模糊原理的应用，通过设置模糊规则和多 个模糊评价指标( 安全、舒适、运行时间和能量消耗) 构建了模糊预测系统控 制规则。8 0 年代后期，日本学者成功开发出列车预测模糊控制系统，并将其应 用到仙台地铁中，通过和人工驾驶方式对比，列车的操纵更加平滑，取得了很 好的经济和社会效益1 7 j 。 澳大利亚学者p h i lh o w l e r 在9 0 年代中期给出了离散级位列车的控制方法。 他证明列车在有限的级位可以使用的条件下，最小能耗控制可以通过优化控制 队列中的关键点来实现。同时，他研究发现，在小坡度线路上，使用惰行和全 力牵引就可以逼近最优控制曲线。但是，这些结论都是在没有考虑线路限速的 情况下得到的【i 2 。 新加坡学者c s c h a n g ，s s s i m 将遗传算法应用到a t o 算法中。该算法通 过评价列车的正点，舒适度和能量消耗等指标产生惰行队列。在列车发车前， 生成初始惰行控制表。然后，对惰行表中惰行的起点，终点进行基因编号。通 过每对染色体的杂交，变异，复制和淘汰得到多目标优化的列车惰性表。2 0 0 0 年c s 。c h n a g 等人又提出了基于d e ( d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ) 的模糊a t o 技术的 调整算法，用于m r t 系统的控制操纵优化问题。d e 算法简单易用，具有较好 的收敛性，另外，通过使用浮点型字符串，d e 较之遗传算法在搜索空间的范围 上扩大了许多一j 。 美国学者r o n g f a n g ( r a c h e l ) l i u 等应用最大值原理求解了列车节能控制 问题，给出了列车各种工况的应用条件。但是，这种方法对于离散级位的列车 不适用，而且没有给出列车遇到限速情况的具体实现方法，将其应用到实际的 a t o 或者是仿真系统中还有大量的工作要做【z j 。 英国开发了用计算机控制的列车惰行系统t c a s ( t r a i nc o a s t i n ga d v i s o r y 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 s y s t e m ) 。该装置的主要是通过惰行来降低列车的运行能耗。该程序用p a s c a l 语言编制，占内存7 2 k ，并有3 2 k 的标准数据，主要用于市郊列车上【6 】。 国内在方面研究起步较晚，但也取得了一系列成果。如王自力的列车离线 操纵优化研究，王海鹰的列车操纵指导系统，何鸿云、朱金陵等人的列车操纵 示意图软件，金炜东的操纵优化研究等。这些优化操纵的思路是建立在国内外 关于节能操纵的原则上【i 】【3 1 【4 】【2 1 1 。 西南交通大学的冯晓云教授于2 0 0 1 提出了将模糊预测控制和满意优化方法 应用于列车自动驾驶系统的思想；给出了以满意优化控制取代传统的最优控制 对模糊预测控制中的控制性能进行优化的方法；论述了列车优化操纵原则及其 控制指标评价体系：针对列车运行控制系统的特点，对列车控制系统模糊预测 控制算法进行了研列。 仿真软件的另外一个重要的部分是牵引网的潮流计算。国内这一领域的仿 真设计软件多采用平均运量法或者列车运行图截面法【1 6 】。 平均运量法是以大量相容事件的统计和概率论为基础的计算方法。应用平 均运量法，首先应知道列车在供电区间的平均电流和列车电流间断系数两个量 值；然后根据运量( 列车对数) 求出馈电段、牵引变电所的电流、电压损失、 功率损失等。列车运行图截面法在进行计算时，以牵引变电所将供电系统分为 多个独立的供电区段，认为正常双边供电时列车仅从相邻的两个牵引变电所取 流。而实际上全线牵引网为连通的整体。近年来，也有学者提出一些新的计算 方法，将整个牵引网作为一个整体计算。本文的潮流计算方法就是基于这种思 想。 1 3 本文的主要研究内容 本文以开发国产城市轨道交通列车运行与供电联合仿真系统为目标，着眼 于解决该仿真系统中的核心问题，分5 章进行了阐述。 第一章为绪论。首先分析了开发城市轨道交通列车运行和供电联合仿真系 统的必要性，并将该系统的核心问题划分为列车控制系统的算法和供电系统潮 流的解算。接着从两个方面分别介绍了国内外的研究现状。最后对论文的主要 研究内容进行了说明。 第二章介绍城市轨道交通列车运行和供电联合仿真系统的组成。本章的主 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 要从城市轨道交通的分类，车辆，供电系统和信号系统四个方面进行概述，说 明了仿真对象的特点。 第三章列车节能控制的理论与算法实现。本文用带有非线性约束的微分方 程来描述列车运行过程，用牵引力积分形式描述节能优化目标，并将最大值原 理应用于模型求解：在确保安全运行，满足线路的限速约束、机车的性能约束 和运行时间约束的条件下，充分利用线路坡道，以能量消耗最小为控制目标， 得到列车优化控制的策略：然后给出列车节能控制算法，并利用列车运行仿真 平台验证了优化控制理论与算法的正确性。最后使用模糊逻辑控制理论对算法 进行改进，使其能够应用于离散级位列车控制。 第四章对城市轨道供电系统进行建模求解。本章首先分析了直流牵引变电 所的外部特性，确定了三段等效诺顿电路为其仿真模型并给出计算方法。然后， 根据牵引网络的构成，忽略次要影响因素，建立了供电系统仿真的物理模型。 在网络电气解算中，应用稀疏矩阵技术，给出了稀疏矩阵l u 分解的算法流程 图。 第五章仿真系统的实现，使用u m l 建立系统的用例图，并介绍了软件中使 用的数据库和多线程技术。然后，通过实例，检验了仿真系统的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章城市轨道交通运行系统 2 1 城市轨道交通的分类 城市轨道交通包括( 地铁) 、市域快速铁路( 市郊铁路) 、轻轨、独轨及新 交通系统等多种模式。 地铁是城市快速轨道交通的先驱。地铁不仅具有运量大、速度快、安全、 准时、节省能源、不污染环境等优点，而且可以在建筑物密集而不便于发展地 面交通和高架轻轨的地区大力发展。因此，地铁在城市公共交通中发挥着巨大 的作用，给城市居民出行提供了便捷的交通工具。 所谓城市铁路，指的是建在城市内部或内外结合部，线路设施与干线铁路 基本相同，服务对象以城市公共交通客流，即短途、通勤旅客为主，而不是如 干线铁路一样承担城际或省际间的客货运输任务。如果把城市作为一个单元来 看，干线铁路形成对外交通体系，而城市铁路则承担内部运输任务，按照城市 铁路在单元内部服务范围的大小，国外通常把城市铁路分成两部分： 1 ) 市郊铁路：主要指把城市与郊区连接在一起的铁路，一般和干线铁路设 有联络。而且设备与干线铁路相同，线路大多建在地面，其运行特点接近干线 铁路，只是服务对象不同。 2 ) 城市快速铁路：通常指运营在城市中心，包括近郊城市化地区交通轨道 的系统，其线路采用电气化，运行速度在4 0 - - 5 0 k m h ，与地面交通大多采用立 体交叉。 轻轨交通是个比较广泛的概念，包括准地铁( 运量略小于地铁) 和现代有 轨电车( 铰接式) 两种形式。轻轨的建设方式大体可以分为三种：改造旧式有 轨电车、改建废弃铁路线路和建设轻轨新线路。 独轨交通，国外也称为独轨铁道，是指车辆在一根轨道上运行的一种轨道 交通系统。通常区分为跨座式和悬挂式两种。跨座式是车辆坐在轨道梁上行驶， 悬挂式是车辆悬挂在轨道梁下方行驶。 新交通系统是一个模糊概念，这个词源于美国著名的交通咨询报告未来 的运输城市的新交通系统，不同国家和城市对此都有不同的理解。目前世 界上比较公认的新交通系统取自于日本的分类标准，特指全自动控制的中等运 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 量的轨道快速客运系统，包括导轨交通、自导向交通、磁浮交通等，以导轨交 通为主要类型【8 1 。 2 2 城市轨道交通车辆 城市轨道交通车辆是城市轨道交通的重要组成部分，也是技术含量较高的 机电设备，直接为乘客提供服务，应具有先进性、可靠性和实用性，应满足容 量大、安全、快速、舒适、美观和节能的要求。下面就影响城市轨道交通运行 车辆的几个关键技术分别进行介绍。 2 2 1车辆动力配置 城市轨道交通车辆按牵引动力配置分为： 动车：车辆自身具有动力装置( 装有牵引电机) ，具有牵引与载客双重功能。 拖车：车辆不装备动力装置，需具有动力牵引功能的车辆牵引拖带的车辆， 仅有载客功能。 将动车和拖车以固定形式编组，形成动车组，一般根据牵引需要和运量要 求决定编组方案，同时满足在线路最困难区段故障运行及具有故障救援能力。 2 2 2 车辆牵引传动系统 牵引传动系统是车辆的核心部分，其性能优劣直接影响车辆的牵引性能。 目前，国内外地铁车辆牵引传动系统分为直流牵引传动系统和交流牵引传动系 统。随着电力电子器件和微电子技术的发展，现代控制理论和控制技术的应用， 交流牵引传动取得了突破性的进展，已经具备了调速范围宽、稳态精度高、动 态响应快以及四象限运行等优良技术性能。采用交流传动系统除了以上优点外， 还具有以下优点：( 1 ) 牵引电机体积小，质量轻，可减少簧质量及对轨道的冲 击：( 2 ) 维修量少，噪声小；( 3 ) 启动牵引力大，粘着性能好。 2 2 3 车辆制动系统 车辆制动系统一般由电制动系统和空气制动系统组成。为保证电制动的可 靠性，地铁车辆一般设有再生制动和电阻制动。空气制动系统是列车停车的保 证，在制动系统中是不可缺少的。空气制动系统独立于电制动，单独实施机械 制动，也可在电制动力不足或失效的情况下自动产生并补偿电制动力的不足， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 保证车辆制动力达到指令值，以确保车辆的减速度和停车。 2 2 4 受电电压及受流方式 地铁车辆主要有d c1 5 0 0 v 和d c7 5 0 v 两种供电制式，这两种供电制式在 技术上都是成熟的，各有其优缺点，也都有国际和国内市场。 2 3 城市轨道交通供电系统 2 3 1 供电系统的构成 城市轨道交通的供电系统是牵引动力和照明动力的能量源。一般分为两个 部分：城市电网和城市轨道内部供电系统。城市轨道内部由牵引供电系统和照 明动力系统组成。 牵引供电系统由牵引变电所，接触网( 第三轨) 和回流钢轨组成。牵引变 电所负责将城市电网中的高压交流电降压并转化为直流电；然后接触网( 第三 轨) 将电力传输到在线运行的列车，提供牵引动力。城市轨道交通一般采用钢 轨回流。 牵引变电所 接触网( 第三轨 回流钢轨 图2 - 1 牵引供电系统 动力照明供电系统提供车站和区间的各类照明，扶梯，风机，水泵等动力 机械设备电源和通信、信号、自动化等设备电源。它由降压变电所和动力照明 配电线组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 2 供电方式 城市电网对城市轨道交通的供电方式有三种：集中供电、分散供电和混合 供电。 集中供电方式是指沿着轨道交通线路，根据用电量和线路的长短，建立城 市轨道交通专用主变电所。主变电所设置两路独立的l l o k v 电源，由主变电所 对线路牵引变电所和降压变电所供电。上海、广州和香港地铁即为这个供电方 式。 主变电所 牵引变电所 或者降压变 电所 图2 - 2 集中供电方式 分散供电方式是指沿城市铁路线路沿线直接由城市电网引入多路电源，电 源电压等级一般为l o k v ，供给各牵引或降压变电所。分散式供电应保证每座牵 引变电所和降压变电所能获得双路电源。 图2 - 3 分散供电方式 混合供电方方式即前两种供电方式的结合，以集中式供电为主、个别地段 引入城市电网电源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可靠。北京 网 电j 市城 网 电ii 市城网 电j b 城 网 电i1 城网电 k 城 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 地铁l 号线和环线即为此种供电方式。 集中供电方式和分散供电方式各有优缺点，混合供电方式是两个的结合。 但是集中供电方式在运行期间的优点更加突出，主要表现在以下几个方面： 1 ) 可靠性高，便于统一调度管理，维护方便和费用较低。 2 ) 施工方便，维护容易。电缆敷设径路比较好走。在城市铁路地下部分， 可沿隧道内壁上的支架敷设，在高架区段，电缆可沿线路两侧的支架敷设，不 存在另选径路开挖道路的问题，可以节省投资，方便电缆的维护保养。 3 ) 抑制谐波的效果较好。城市铁路系统是直流牵引供电系统，其牵引整流 系统是较大的谐波源，为减少谐波对电网的影响和危害，一是采用较高脉波( 2 4 脉波) 整流机组，二是选用较高电压( 1l o k v ) 的电源，因为大容量、高电压电 网的承受能力强，同时国标规定的谐波总畸变率和谐波电压含有率容量比低电 压电网要低得多，而且也有利于今后集中采取高次谐波防治。 4 ) 对交叉或临近城市铁路线路供电，能进行综合优化，节约投资及土地资 源，充分利用公用电网的电力资源，减少对公共电网影响。 2 4 城市轨道交通信号系统 2 4 1信号系统基本组成 城市轨道交通系统列车运行速度快，发车间隔时间短，车站站间距较短， 这些运行特征和外界条件，对列车运行的安全和控制提出了较高的要求。同时， 作为城市大运量客运系统，对列车运行的安全可靠性也有极高的要求。因此， 城市轨道交通系统的信号与通信的地位与作用十分重要，也是技术水平发展最 快的部分之一。 城市轨道交通信号与通信设备从早期的机械装置，发展到后期的继电设备 时代，近年来由于电子工业及计算机运用技术的飞跃发展，自动化、远动化理 论发展与运用，已发展成为专门的轨道交通自动控制和远程控制体系。 城市轨道交通信号系统包括轨道交通信号设备、联锁设备、闭塞设备和列 车自动控制系统。信号设备是轨道交通列车运行指挥命令；联锁设备保证轨道 交通车站( 包括车辆基地) 列车运行的安全；闭塞设备则是保证区间内列车运 行安全的专门装置。列车自动控制系统是以安全设备为基础，集行车指挥、运 行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的综合自动化系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 4 2 列车自动控制系统 列车自动控制系统是城市轨道交通信号系统最重要的组成部分，它实现行 车指挥和列车运行自动化，能最大程度地保证列车运行安全，提高运输效率， 减轻运营人员的劳动强度，发挥城市轨道交通的通过能力。a t o 系统的技术含量 高，运用了许多当代重要的科技成果。 a t c 系统包括三个子系统：列车自动防护( a t p ，a u t o m a t i ct r a i n p r o t e c t i o n ) 、列车自动运行( a t o ，a u t o m a t i c t r a i no p e r a t i o n ) 、列车自动 监控( a t s ，a u t o m a t i ct r a i ns u p e r v i s i o n ) 。 。 a t p 子系统a t p 子系统即列车运行超速防护或列车运行速度监督。a t p 系统 的功能是对列车运行进行超速防护，对与安全有关的设备实行监控，实现列车 位置检测，保证列车间的安全间隔，保证列车在安全速度下运行，完成信号显 示，故障报警，降级提示，列车参数和线路参数的输入，与a t s 、a t o 及车辆系 统接口并进行信息交换。 a t p 系统不断将来自联锁设备和操作层面上的信息、线路信息、前方目标点 的距离和允许速度信息等从地面通过轨道电路等传到车上，从而由车载设备计 算得到当前所允许的速度，或由行车指挥中心计算出目标速度传到车上，由车 载设备测得实际运行速度，依此来对列车速度实行监督，使之始终在安全速度 下运行。当列车速度超过a t p 装置所指示的速度时，a t p 的车上设备就发出制动 命令，使列车自动地制动；当列车速度降至a t p 所指示的速度以下时，可自动 缓解。而运行操作仍由司机完成。这样，可缩短列车运行间隔，可靠地保证列 车不超速、不冒进。 a t o 子系统a t o 子系统主要用实现“地对车控制”，即用地面信息实现对列 车驱动、制动的控制，包括列车自动折返，根据控制中心指令自动完成对列车 的启动、牵引、惰行和制动，送出车门和屏蔽门同步开关信号，使列车按最佳 工况正点、安全、平稳地运行。 a t o 为非故障安全系统，其控制列车自动运行，主要目的是模拟最佳司 机的驾驶，实现正常情况下高质量的自动驾驶，提高列车运行效率，提高列车 运行的舒适度，节省能源。a t p 系统是城市轨道交通列车运行时必不可少的安全 保障，a t o 系统则是提高城市轨道交通列车运行水平( 准点、平稳、节能) 的技 术措施。 a t o 系统采用的基本功能模块与a t p 系统相同。和a t p 系统一样，a t o 也载 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 有有关轨道布置和坡度的所有资料，以便能优化列车控制指令。a t o 还装有一个 双向的通信系统，使列车能够直接与车站内的a t s 系统接口，保证实现最佳的 运行图控制。 当列车处在自动驾驶模式下，车载a t o 运用牵引和制动控制，实现列车自 动运行。 a t s 子系统a t s 子系统主要实现对列车运行的监督和控制，包括：运行情 况的集中监视、自动排列进路、自动列车运行调整、自动生成时刻表、自动记 录列车运行实迹、自动进行运行数据统计及自动生成报表、自动监测设备运行 状态等，调度人员对全线列车进行管理。 a t s 系统主要是实现对列车运行及所控制的道岔、信号等设备运行状态的监 督和控制，给行车调度人员显示出全线列车的运行状态，监督和记录运行图的 执行情况，在因故偏离运行图时及时做出调整，辅助行车调度人员完成对全线 列车运行的管理。 a t s 在a t p 和a t o 系统的支持下，根据运行时刻表完成对全线列车运行进行 监控，可自动或由人工监督控制正线( 车辆段、停车场、试车线除外) 列车进 路行车，并为调度员和外部系统提供信息_ o m s 工作方式为集中管理，分散控制。 m s 系统能与a t p 系统、计算机联锁设备或继电联锁设备配套使用，并有与 时钟系统、旅客向导系统和综合监控系统相连的接口【引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章列车节能控制理论与算法实现 列车的运行控制即研究列车在给定线路条件和运行时间的条件下，如何控 制列车安全，正点运行，同时对于满足客运列车还要满足旅客舒适度的要求。 这是一个多目标优化的问题。对于这个问题，如果考虑列车的运行效率和工况 转化约束，一般无法给出解析解。本文对列车模型进行适当简化，从而得出在 理想情况下的列车节能运行要满足的条件，然后通过在数值算法中增加控制约 束，得到问题的满意解。 3 1 列车运行计算模型 列车运行仿真中多采用牵引计算模型。由于列车运行过程涉及到诸多因素， 因此如何准确、快速地计算出列车在各种不同条件下的运行效果并予以评价是 列车运行计算的首要任务。列车运行计算主要包括列车运行的牵引和制动计算。 3 1 1 牵引力计算 牵引力的大小由机车或动车的牵引特性曲线决定，其取值与列车运行速度 和操纵手柄位有关。牵引力的大小还要考虑粘着力限制，即尼2 = 鳓宰呒，鳓为 粘着牵引力系数，孵为列车重量，牵引力的确定是列车运行计算的关键，其取 值需要尽量精确且符合实际情况。一般地，列车速度在2 5 k m h 以下时被认为 是起动状态，可以采用粘着牵引力；超过该速度时，原则上可以按牵引特性曲 线取牵引力值【8 】【3 。 3 1 2 阻力计算 与列车运行方向相反、阻碍列车运行且不能被操纵的外力叫列车运行阻力， 简称列车阻力，以字母肜表示。 按照引起阻力的原因，列车阻力可分为基本阻力和附加阻力两类。基本阻 力是指列车在任何线路( 平直道、坡道或曲线等) 上运行都存在的阻力。基本 阻力主要来自：机车、车辆轴颈与铀承之间的摩擦阻力；车轮在钢轨上滚动产 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 生的阻力：车轮与钢轨间的滑动摩擦阻力；冲击振动产生的阻力：空气阻力等。 附加阻力是指列车在某些特殊线路上运行时，除基本阻力外所增加的阻力，如 列车在坡道上运行时的坡道附加阻力彬；通过曲线时的曲线附加阻力彬；列车 起动时的起动附加阻力睨；通过隧道时的隧道空气附加阻力形等等。列车在平 直道上运行时只有基本阻力，没有附加阻力。由于影响阻力的因素极为复杂， 很难用理论公式进行计算，往往根据大量试验数据，综合得出经验公式进行计 算。 按列车牵引计算规程，对阻力的有关计算公式如下： 1 单位基本阻力 w ：a + b v + c v 2 ( 3 1 ) 式中a 、b 、c 为常数，v 为列车运行速度。 2 单位坡道附加阻力 机车、车辆的单位坡道附加阻力w 的数值等于坡道坡度的千分数，即： w = i ( 3 2 ) 式中f 坡道坡度( 0 ) ；上坡取正值，下坡取负值。 3 单位曲线附加阻力 机车、车辆的单位曲线附加阻力w ，按下列公式计算： ( 1 ) 列车长度小于或等于曲线长度时 q ：型 ( 3 一- 3 一)以= lj 。 r ( 2 ) 列车长度大于曲线长度时 畔：婴 ( 3 - 4 ) 畔2 百t - 4 ) 式中r 曲线半径( m ) ； l ，曲线长度( m ) ； l 。列车长度( m ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 计算 单位隧道空气附加阻力 机车、车辆在隧道内运行的单位空气附加阻力比，由试验确定。 5 单位加算附加阻力 单位加算附加阻力w j 表示因线路条件产生的各单位附加阻力之和，按下式 彤。蟛+ 彬+ 嘭 ( 3 5 ) 由于加算附加阻力_ 的数值等于坡道的加算坡度，故又可表示为 吩2 j2f + i r + ( 3 6 ) 3 1 3 制动力计算 制动力是由制动装置产生、与列车运行方向相反、阻碍列车运行的、司机 根据需要可以调节的外力。列车制动的目的是调节列车速度或使列车停车。制 动力可以由机械制动装置或电气制动装置两种方式来产生；至于车辆制动力， 普遍使用的仍然是由机械制动来产生。产生列车制动力的方法很多，除了广泛 使用的闸瓦制动以外，还有盘形制动、电阻制动、再生制动、液力制动、磁轨 制动、涡流制动等。由于闸瓦制动较易控制，而且能够产生巨大的制动力，故 我国机车、车辆上目前使用的主要是闸瓦制动，即以压缩空气作原动力，推动 制动缸使其产生推力，再经杠杆系统放大后传至闸瓦，闸瓦压紧车轮踏面，由 车轮与闸瓦的摩擦将列车的动能转化成热能，从而产生制动作用。对电力机车 而言，还有一种电制动力，它是利用牵引电机的可逆原理，在牵引时作为电动 机产生动力，而在制动时将电动机改接为发电机将动能转变为电能，或者消耗 在制动电阻上( 电阻制动) ，或者返送到电网上( 再生制动) ，从而也产生制动 作用。 对于列车的制动，依其作用条件和性质的不同，可分为常用制动和紧急制 动两种。常用制动是指列车在正常运行的情况下，依实际调速需要而随时可以 使用的一种制动方式。紧急制动只是在某些偶然遇到的特殊情况下，要求列车 在最短的距离内立即停车时才使用的制动方式，也称为非常制动。制动是列车 调速的重要手段，尤其在限制速度、下坡道及进站停车时。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 城市轨道交通列车中，多采用电气制动模式。列车一般是以动车组型式编 组，列车的牵引运行、制动均有较强的整体特性。地铁列车的制动过程目前没 有专门的计算规范，一般可以按照以下两种典型的速度控制类型来计算： 1 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 减速度值就是列车最终的减速度值。 2 考虑列车制动能力的计算模式，采用与列车牵引力的计算相似的方式计 算列车制动力，然后与列车所受其它力求和，最后根据列车质量求得列车的减 速度。 3 2 节能控制列车模型假设 为了便于在数学上的描述和求解，对列车模型作如下的假设： 1 将列车的电制动和空气制动特性归并到同一制动特性曲线下，并且不考 虑空气制动的充风时间和缓解时间。 2 列车的牵引和制动力是连续的，可以为包络线下任意点力的值。 3 列车的制动特性可以满足列车在线路的任意位置安全减速。 4 列车控制不存在牵引和制动同时使用的负载制动工况。 5 列车质量为单位1 。 对于线路的坡度，给出大上坡道，大下坡道和一般坡道的定义。列车在给 定速度下，使用全部牵引力牵引，机车的速度仍旧下降，这样的坡度定义为大 上坡道；列车在给定速度下，使用惰性工况，机车的速度仍旧上升，这样的坡 度定义为大下坡道；不属于大上坡或者大下坡的坡道定义为一般坡道。 3 3 节能控制问题描述 首先，对问题中使用的变量做如下的说明： f ( s ) 列车当前运行时刻： j 列车当前运行位置； 丁区间给定时间； s 区间给定长度； 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 k ( s ) 列车在位置s 处的动能； 尸( s ) 列车在位置s 处的势能，并且假设p ( s ) 为分段连续函数，即假定 线路是由一系列恒值坡道连接而成，设p ( s ) = g ( j ) ，g ( s ) 即列车的坡道阻力； ( s ) 列车在位置s 处的牵引控制量，并且满足o ( s ) l ； ( s ) 列车在位置s 处的制动控制量，并且满足0 ( s ) 1 ； z ( k ) 列车在动能k 时的最大牵引力； 五( k ) 列车在7 9 ) j f l 邑k 时的最大制动力； 以k ) 一一列车在动能k 时的基本运行阻力，根据列车牵引计算规程 w ( k ) = 2 a k + b 豕+ c ，并且假设口，b ，c 均大于0 。 k ( s ) 线路限速。将限速表示为和动能相对应的格式，以便模型的描述。 根据上文