（电力系统及其自动化专业论文）上海地铁列车运行建模及仿真.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h es u b w a yi nc h i n a , i ti su r g e n t l yt oi m p r o v e t h ek n o w l e d g ea n dt h ed r i v i n gs k i l lo fd r i v e r s a n dt h es t u d yo ft h ed r i v i n gs i m u l a t o r c a na c c e l e r a t et h ei n d i g e n o u s n e s so ft h es u b w a y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r y t h r o u g ht h es t u d ya b o u t t h et r a i no ft h es u b w a y t h ec i r c u i tl o g i co ft h et r a i ni st h ec o r eo ft h ed r i v i n gs i m u l a t o r t h i sp a p e ri s a i m i n ga ts o l v et h el o g i cc a l c u l a t i o nt h r o u g hs u i t a b l ea r i t h m e t i c i to u t p u t st h es t a t u s t h et r a i na n dc o n t r o l st h es o u n ds u b s y s t e ma n dv i d e os u b s y s t e mt ok e e p s y n c h r o n o u s l yr u n n i n g t h ep a p e rp r o c e s st h er e s e a r c ho ft h et r a i nc i r c u i tm o d e l t h e n ，t h ec i r c u i to ft h et r a i ni sa n a l y z e da n dt h ec o n t r o l l i n gm o d e li sc o n s t r u c t e d t h ec o n t r o l l i n gm o d e lh a sb e e ns t r i c t l yt e s t e d t h ep a p e rd o e st h ef o r c ea n a l y s i so ft h et r a i n a n di tc o n s t r u c t st h et r a i n s s i n g l ep a r t i c l em o d e l a n di t sm u l t i - p a r t i c l em o d e l o nt h eb a s eo fc o m p a r i n gt h et w o m o d e l s ，i ts i m u l a t e st h ew h o l er u n n i n gp r o c e s so ft h e t r a i n t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ea u t o m a t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h et r a i n t h e t h r e e s u b s y s t e mo ft h et r a i n ，w h i c hc o n t a i n sa t os y s t e m ，a t ps y s t e ma n da t s s y s t e m ，h a sb e e na n a l y z e di n d e t a i l a n di tc o n s t r u c t st h em o d e lo ft h ea t c t h e i n t r i n s i cc o n s t r u c t i o na n dt h ed a t am o d e lh a v eb e e nc o n s t r u c t e d a tt h eb a s eo ft h ea n a l y s i s ，i tf i n d st h ed i s c i p l i n eo ft h ee x t e r n a lf o r c eo nt h e t r a i n a n di ta l s od o e ss o m er e s e a r c ht h et r a c t i o ns t r a t e g y i ta d o p t st h em e t h o do fd i s t r i b u t e ds y s t e ma n di tu s e st h em e t h o do fo o pt o c o n s t r u c tt h et r a i nc o n t r o l l i n gm o d e l ，w h i c hc a nb ec l e a ra n dc o n t r o l l e d c o m b i n e d w i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h m ，an e wt r a c t i o ns t r a t e g yi sd e s i g n e da n dr e a l i z e di n t h i s p a p e l k e yw o r d s ：s h a n g h a is u b w a y , a t c ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，l o g i cc o n t r o l l i n gm o d e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 琵、 ， d 0 8 年弓月h 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 虢簟睦孟、 弘。矿年等月，日 第1 章绪论 第1 章绪论 自1 8 6 3 年英国伦敦市第一条地铁建成运营至今，世界上已有1 3 0 多个城市 建成了城市轨道交通。城市轨道交通服务于城市客运交通，具有运能大、速度 快、成本低、节约能源以及能缓解地面交通拥挤和有利于环境保护等优点。 从已建和规划建设项目的情况看，根据轨道交通技术发展趋势和不同的运 能需求，我国将形成类型众多的轨道交通系统来满足城市交通需求，并引入现 代控制、现代通信和现代网络等技术，使轨道交通在城市交通中发挥更大的作 用，安全更有保证，服务水平不断提高。我国轨道交通已拥有大运量的地铁系统、 城市高架轨道交通系统、高架跨座式单轨系统和中低运量的地面轻轨系统，另外 还有高速磁浮系统、快速市郊铁路系统等。现有6 个城市( 北京、上海、广州、 天津、深圳、南京) 拥有和j 下在建设地铁，4 个城市( 北京、上海、武汉、重庆) 已建设高架轨道交通系统，天津、大连两城市建设了市郊铁路，长春市建设了地 面轻轨，上海市建成了高速磁浮系统，北京和广州正在规划建设直线电机系统。 1 9 9 9 年，国务院办公厅转发国家计委关于城市轨道交通设备国产化实施意 见，提出城市轨道交通全部车辆和机电设备的平均国产化率要确保不低于7 0 。 国产化政策实施以来，我国城市轨道交通车辆等设备的生产能力有了显著提高， 总体上能达到7 0 的国产化率要求。 国际上，列车驾驶仿真器的研发始于2 0 世纪8 0 年代，国内始于2 0 世纪9 0 年 代初。目前，列车驾驶仿真器在国内外列车司机培训领域得到了广泛的应用。 随着地铁的迅速发展及在我国各地的普及，对司机操作人员的技术素质提 出了更高的要求。而模拟驾驶仿真器的设计也为国产化进程的自主研发奠定了 一定的基础。因此，地铁模拟驾驶仿真的研究是很有必要的。 1 1 研究背景及问题的提出 计算机仿真可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题，可以进 行重复可控的实验，避免实施危险、节约开销，与传统的数学解析方法和实物 仿真方法相比具有高效、优质、安全、经济的优势。用计算机仿真的方法研究 列车运行可以更好地评估和优化铁路运行计划编制、行车调度指挥，加快新技 第l 章绪论 术应用进程，并对铁路运输现代化起到积极的作用。我国既有的列车运行仿真 研究在仿真的精度、规模方面还有局限，不能满足面向路网的大规模铁路运输 综合研究的需求，所以应当加强对路网条件下的大规模列车运行仿真研究，并 细化仿真的精度来增强决策、评估的科学性。 规模的扩大和精度的细化使得仿真复杂度增高，要求采用适当的技术降低 系统建模的复杂性、支持规模的灵活性、保证系统运行的高效性、并能够更加 精细、真实地再现仿真过程。而现代仿真技术中，面向对象技术能够提高建模 时仿真对象刻画的直观性，分布并行技术可以提高规模的适用性和高效性，可 视化仿真可以实现数值仿真过程的逼真再现，这为进行大规模、高精度的仿真 提供了有效的技术手段。 因此本文将列车运行的大规模、高精度仿真作为研究主题，借助面向对象、 分布并行、可视化仿真的技术进行设计和实现。 1 2 论文研究的主要内容 本文以地铁三号线列车为主要研究对象，本文的主要工作同时也是地铁三 号线模拟驾驶器的主要设计内容。列车的控制电路以及列车的基本参数等均参 照上海地铁三号线列车。 本文要研究的主要内容，就是以地铁列车运行模型为基础，研究列车的操 作结构模型，根据列车的牵引过程，研究列车上的外力变化规律，研究探讨a t o 运行的牵引策略问题，分析研究列车的a t c 系统。在此基础上，寻求更合理， 更节能的列车操纵方法。并为科学地设计、试验、运行提供条件和理论依据， 进一步满足地铁运营发展的需要。 采用面向对象方法构建清晰可控的列车控制逻辑模型。对列车进行牵引分 析，分析列车的受力情况，建立列车的单质点及其多质点模型，并分析各模型 的优缺点，在此基础上对列车进行运行模拟。对列车的a t c 系统进行剖析及建 模，采用遗传算法对a t o 控制进行速度的跟踪控制，分析列车的a t p 系统，对 列车的a t s 进行仿真及模拟。 第1 章绪论 1 3 列车运行系统的总体设计及结构 系统的总体设计图如图1 1 所示： 图1 1 列车运行及控制系统的总体设计 上海地铁三号线模拟驾驶器采用分布式体系结构，包括逻辑控制及a t c 子 系统，声音模拟子系统，前方视景模拟子系统，站台情况模拟子系统，数据采 集输出子系统，以及模拟驾驶评分子系统。 在此模拟驾驶器中，列车的运行操纵部分是列车的关键部分，是模拟器的 核心。本论文主要的任务也即模拟驾驶器的列车运行及控制部分系统的建模及 仿真。列车运行及控制系统的总体设计如图1 1 。 逻辑控制子系统是的功能是通过对采集系统采集到的司机操作进行实时的 仿真运算，输出列车的控制状态，包括整个列车的线路的状态以及列车设备的 状态等等。同时，逻辑控制子系统也接收a t o 子系统a t p 子系统a t s 子系统等 信息，并且协调各个子系统的运行。 1 4 论文的主要关键技术 ( 1 ) 面向对象的软件开发和程序设计方法 面向对象技术的定义 第l 章绪论 面向对象技术是目前流行的系统设计开发技术，它包括面向对象分析和面 向对象程序设计。 面向对象程序设计是一种围绕真实世界的概念来组织模型的程序设计方 法，它采用对象来描述问题空间的实体。对象是包含现实世界物质特征的抽象 实体，它反映了系统为之保存信息和与它交互的能力。它是一些属性及服务的 封装体，在程序设计领域，可以用“对象二数据+ 作用于这些数据上的操作”这 一公式来表达。 类、对象和消息驱动 类是具有相同操作功能和相同的数据格式( 属性) 的对象的集合。它规定了 这些对象的公共属性和方法；对象是类的一个实例，为类所定义。比如：定 义列车是一个类，而在线运行的列车则是其一个对象。 消息是向某对象请求服务的一种表达方式。外部的用户或对象可以通过向 该对象发送消息提出服务请求，对象响应消息并执行相应的动作。 面向对象技术的基本特征 a 数据抽象： 定义数据类型和施加于该对象上的操作，并限定了对象的值只能通过使用 这些操作来修改和观察。 b 类的继承： 一个新类可以从现有的类中继承其方法和变量，并且新类可以修改或增加 新的变量成员和方法。 c 类的封装： 封装是把过程和数据包围起来，对数据的访问只能通过己定义的接口。封 装保证了模块具有较好的独立性，对应用程序的修改仅限于类的内部，因而可 以将应用程序修改带来的影响减少到最低限度，便于程序的维护 d 多态性： 多态性是指允许不同类的对象对同一消息作出响应。多态性语言具有灵活、 抽象、行为共享、代码共享的优势，很好的解决了应用程序函数同名问题。 由仿真系统的实体模型设计可以得知，在系统中存在很多实体的或虚拟的 模型，这些模型间相互间有着信息交互和一些动作，因此比较适合运用面向对 象的技术来对系统进行设计与开发。 ( 2 ) 多线程技术 4 第1 章绪论 当前流行的w i n d o w s 操作系统，它能同时运行几个程序( 独立运行的程序 又称之为进程) ，对于同一个程序，它又可以分成若干个独立的执行流，我们称 之为线程，线程提供了多任务处理的能力。 进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据和其它系统资源组成。进程在 运行时创建的资源随着进程的终止而死亡。线程是进程内部的一个独立的执行 单元一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，使用该进程的全局 变量和系统资源。操作系统给每个线程分配不同的c p u 时间片，在某一个时刻， c p u 只执行一个时间片内的线程，多个时间片中的相应线程在c p u 内轮流执行， 由于每个时间片时间很短，所以对用户来说，仿佛各个线程在计算机中是并行 处理的。操作系统是根据线程的优先级来安排c p u 的时间，优先级高的线程优 先运行，优先级低的线程则继续等待。 线程被分为两种：用户界面线程和工作线程( 又称为后台线程) 。用户界面 线程通常用来处理用户的输入并响应各种事件和消息。工作者线程用来执行程 序的后台处理任务。 在系统仿真过程中，在线运行的有很多列车，每一个列车都是一个独立的 对象，都有自己的属性和动作，并按照运行计划在各站运行，所有在线列车的 仿真运行都会访问车站线路等配制数据存储结构，并且按一定时钟间隔动作， 因而无法在同一个线程中同时共用c p u 时间片，因此，为了解决多个列车在同 一线路上进行并行仿真运行，为每一个列车的仿真运行开辟一个工作者线程来 处理，线程随列车的上线而产生下线而结束。同时为了进行实时通信和列车车 次跟踪传递，也要设置工作者线程进行协调工作。 ( 3 ) 时钟控制技术 由系统仿真模型得知，系统仿真是按列车时刻表生成列车运行仿真数据， 系统一启动就需要每隔一定间隔不断访问时刻表数据库；在列车的仿真过程中， 每一轨道区段、信号机和道岔设备元件也都有一定的被占用状态显示时间，这 些访问间隔时间和设备状态变化时间都需要一定的时间周期或时间延迟，因此 要用到时钟中断技术配合多线程技术来加以解决。 ( 4 ) 遗传算法 遗传算法模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型， 是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。由于遗传算法的整体搜索策 略和优化搜索方法在计算上不依赖于梯度信息或其它辅助知识，而只需要影响 第1 章绪论 搜索方向的目标函数和相应的适应度函数，所以遗传算法提供了一种求解复杂 系统问题的通用框架，它不依赖于问题的具体领域，对问题的种类有很强的鲁 棒性，广泛应用于许多科学中。 6 第2 章逻辑控制系统的设计 第2 章逻辑控制系统的设计 2 1 逻辑控制系统的功能 逻辑控制子系统是整个模拟器的核心部分，通过对采集系统采集到的司机 操作进行实时的仿真运算，输出列车所处的状态，以及控制视景模拟子系统及 声音模拟子系统的同步运行。本章主要讨论如何对逻辑控制系统的分析与建模。 逻辑控制系统的主要功能： ( 1 ) 对列车进行模式选择，牵引制动选择； ( 2 ) 对列车运行设备的操作，例如弓的升降，空调、压缩机的控制等； ( 3 ) 对列车开关门系统的进行操作； ( 4 ) 实现列车内部通讯及与外部的通讯； ( 5 ) 列车整车管理，监测列车设备状况，对列车进行故障检测及显示； ( 6 ) 控制列车的照明等。 2 2 列车模型设计思想及列车控制逻辑功能划分 对于一个列车来说，其内部控制电路无疑是庞大而且复杂的。电路原理图 错综复杂，图与图之间通过线路或者继电器相互联系，给分析列车电路带来很 大的难度。如何使用有效的方法把其内部电路抽象出来，建立明晰合理的模型 是整个逻辑控制系统的关键。 列车控制逻辑电路具有以下特点：功能模块化，电路的层次性强，模块之 间的电路接口清晰不复杂，设备多且具备其自身属性功能。正因为有着这样的 特点，使得模型非常适合面向对象的设计。 采用面向对象的方法，通过对列车的控制逻辑电路进行模块化分析，依据 其属性以及功能，建立起控制逻辑模型。 整个列车电路根据实现功能可以划分为以下几个模块，驾驶模块，紧急制 动模块，照明模块，受电弓控制模块，气制动模块，列车推进模块，整车管理 系统模块，辅助逆变，空调通风，通信部分，能源分配，门控制模块等。 7 第2 章逻辑控制系统的设计 驾驶模块主要完成列车的唤醒功能，断开列车功能，钥匙闭合所引发的继 电器闭合，司机驾驶台指示灯的显示，除霜功能，司机室的风挡清洗，列车救 援用到的挂钩解钩等功能。 照明模块实现客室普通照明，紧急照明，司机室照明，头灯尾灯阅读灯的 功能。 受电弓控制模块完成受电弓的升弓降弓等操作功能。 制动模块实现正常的气制动，电制动，气电混合制动，以及停车制动等功 能。 紧急制动部分，通过对紧急制动阀的控制来实现列车不正当操作或者列车 故障或者按下紧急手柄等引起的紧急制动。 推进模块主要的功能有列车驾驶模式的选择，以及对主控器驾驶手柄位置 解码的功能。 整车管理系统模块实现对列车设备的控制和监测。 空调通风实现列车客室司机室的空调控制以及通风控制。 辅助逆变，对从电网上得到的1 5 0 0 v d c 的电流进行逆变，得到4 0 0 v a c 的电流。 通信主要实现接收地面信号以及司机室和客室广播通信功能。 能源分配，为其他部分提供相应的电源。 门控制部分主要实现门的开关等。 每个模块并不是孤立的，它们之间存在着联系。例如弓控制部分的电源来 自于能源分配，推进部分的操作也影响到制动部分。 2 3 控制子系统的模块设计图 根据上文对列车控制系统的模块分析，建立列车控制系统的模块结构图， 如图2 1 。 第2 章逻辑控制系统的设计 图2 1 控制子系统的模块设计图 2 4 逻辑控制的详细设计 整个逻辑控制系统可以抽象为一个类。它的各个组成部分设计为类的成员 变量，而其实现的功能则设计为成员函数。各个组成部分继续细分，抽象出内 部设备设计为类。通过类之间继承、多态、“有”、“是”等的关系把整个逻辑系 统联系起来，组成一个整体。 2 4 1 控制逻辑类基本成员变量 列车控制电路主要有电路导线、开关、断路器、继电器，以及其他一些设 9 第2 章逻辑控制系统的设计 备如受电弓、门、逆变器等。 电路导线的仿真。地铁列车内部电路分为1 5 0 0 v ，1 1 0 v ，4 0 0 v 等多种电 压等级线路，但用于计算机仿真时，只有两种状态，即得电与失电。对列车线 路的仿真便可以采用布尔变量定义。 同样断路器，开关等设备的状态也只有两种，采用布尔变量定义。 在对列车电路的模拟设计中，有很多的设备有着共同的特性，某一设备可 以继承另一个设备的设计。例如继电器与延时继电器的设计。 继电器分为普通继电器和延时继电器。它们共同的特点是都包含控制电路、 常开触点及常闭触点。常开触点及常闭触点的断开及闭合都是由控制电路控制 的。不同点是普通继电器的常开和常闭触点的控制是实时的，而延时继电器的 常开和常闭触点的控制是有延时特性的。 在对继电器进行设计时，则可以把继电器抽象成一个类，延时继电器可以 继承于普通继电器。 普通继电器的设计： c l a s sc r e l a y p u b l i c ： b o o ln o ； 7 i 常开触点 b o o ln c ；常闭触点 b o o lc l ； 控制线圈 p f i v a t e ： b o o lf a u l t f l a g ； 故障标志 p u b l i c ： v o i df a u l t s e t ( b 0 0 1 ) ； 故障设置 v i r t u a lv o i du p d a t e ( ) ； n 更新函数 ) ； 定义了个常丌触点，一个常闭触点，一个线圈，一个更新函数。更新函 数完成功能为：当线圈得电时，常开触点闭合，常闭触点断开。当线圈失电时， 常开触点断开，常闭触点闭合。故障设置函数功能为当设置故障后，该继电器 出现不正常动作。 延时继电器的设计：继承于普通继电器，并增加时间参数，使得继电器的 l o 第2 章逻辑控制系统的设计 接触器可以延时闭合或者延时断开。 c l a s sc t i m e r e l a y ：p u b l i cc r e l a y p u b l i c ： c t i m e r e l a y 0 ； ， t i m e s e t ( i n t ) ； 设置延时时间常数 v i r t u a l - c t i m e r e l a y ( ) ； p r i v a t e ： i n tt i m e 0 ； i n tt i m e l ； p u b l i c ： v i r t u a lv o i du p d a t e ( ) ； ) ； 设置了两个私有变量来控制延时继电器的时间，设计了一个函数用来设置 延时时间常数。 对于列车中其他一些具有自己属性，能完成一定功能的设备，也直接设计 为类。例如门对象类的设计，内部的开关，线路，可以定义为私有的布尔变量， 对外的开门、关门动作可以设计为公有的函数。 在整个逻辑类中，类之间的关系多样化，或为继承关系，或为包含关系。 在对象的实例化上也多种多样。有一对一的关系，即一个类实例化一个对象， 有一对多的关系，即一个类实例化多个对象，还有多对一的关系，即多个类实 例化为一个对象。 2 4 2 控制逻辑系统类成员函数的设计 ( 1 ) 对于具体的列车控制电路：可以直接通过电路之间的逻辑关系进行计 算。 函数设计实例： 第2 章逻辑控制系统的设计 图2 2 列下唤醒及睡眠功能电路图 图2 2 是驾驶模块的唤醒睡眠功能实现的示意图，完成的功能为列车的唤 醒及睡眠。 其中，l 1 ，l 2 ，l 3 ，l 4 ，l 5 ，l 6 ，l 7 为电路导线，用b o o l 变量定义。 s 1 ，s 2 ，s 3 是列车司机台上的按钮，用b o o l 变量定义。 b 1 为断路器，用b o o l 变量定义。 r 1 为普通继电器，用c r e l a y 类定义。 r r l 为延时继电器，用c t i m e r e l a y 类定义。 c 1 ，c 2 为延时继电器r r l 的常开触点。 c 3 为继电器r 1 的常闭触点。 函数实现流程图( 图2 3 ) ： 第2 章逻辑控制系统的设计 图2 3 计算流程图 ( 2 ) 对于黑箱的函数设计 对于只知道功能，而不清楚内部实际电路的部分，就要对其进行逻辑推理， 根据其输入输出模拟其中的关系。 图2 4b c e 模块部分控制电路 图2 4 是列车制动系统中的部分模块电路。对于这个电路来说，列车制动 控制电子单元( b c e ) 的内部逻辑关系并不能直接从图中得到，只能通过列车 的性能以及相关参数来进行推断。 速度传感器传递给b c e 的变量是当前列车的速度，载重传感器传递给b c e 的变量是列车的重量，制动要求和牵引是列车控制线发过来的信号。 通过分析得到： 在一般制动时， 呈 第2 章逻辑控制系统的设计 当列车速度大于1 3 5 k m h 时，列车采用再生制动及电阻制动。 当列车 2 5 k m h ) ，基本阻力会显著减小。速度 继续升高以后，随着车辆震动的加剧、滚子与轴承座间的相对滑动，基本阻力 还会有所增大。 ( 2 ) 车轮与钢轨耦合产生的滚动阻力 车轮及钢轨虽然可以近似看作刚性，但是在研究基本阻力时，不能将其视 为是刚性的。车轮及钢轨的变形，使车轮有“陷入”钢轨的趋势，在车辆运动 时形成车轮前进的阻力。 ( 3 ) 车轮与钢轨耦合产生的滑动阻力 动轮在钢轨上运动时，不但有滚动运动，还有滑动运动。车轮踏面与钢轨 接触的不均匀，不但造成了车轮在钢轨上的滚动中伴随着部分滑动，还造成机 车和车辆的横向滑动，产生横向滑动摩擦甚至轮缘与钢轨的摩擦。轮对中两个 车轮直径的差异，也会造成轮对的滑动摩擦。 ( 4 ) 车轮与钢轨的冲击与震动产生的阻力 由于钢轨接缝、轨道不平顺、车轮擦伤等原因，使得动车组在钢轨上运行 2 8 第3 章列车牵引制动计算建模 时，产生冲击和震动，吸收了动车组的机械能，变成运行中的阻力功。 ( 5 ) 空气阻力 列车在大气中运行时，必然受到空气阻力。 从以上对基本阻力的分析可以发现，构成基本阻力的因素很多，有的因素 并不能通过定量的公式计算，因此，为了简化其基本阻力的计算方法，一般大 量的试验确定针对不同车型和编组的经验公式来近似表征列车的基本阻力。列 车基本阻力的一般公式为： w o = 口+ 6 1 ，+ 洲2 ( 3 5 ) 式中，a ，b ，c 为与车辆类型有关的经验常数。 3 2 2 附加阻力 附加阻力是由线路或隧道等原因形成的阻力，包括坡道附加阻力，曲线附 加阻力和隧道附加阻力。 ( 1 ) 坡道附加阻力 坡道附加阻力的产生是当动车组在坡道上运行时， 的分力引起的。在实际线路中，坡道的夹角都比较小， f = 1 0 0 0 s i n 0 1 0 0 0 t a n 乡 其重力在沿下坡道方向 则 式中，i ，坡道的坡度，是坡道高度差与坡道水平长度的比值， 表示，规定取两位小数。 p ，坡道夹角。 动车组的单位坡道阻力可以这样计算： ( 3 6 ) 以其千分数 w ：竺l 一1 0 0 0 ：1 0 0 0a n 0 1 0 0 0 1 0 0 0 t a n 0 ：i( 3 7 ) w = 二一 = ( 7 ) ( m ，+ m ) g ( 2 ) 曲线附加阻力 曲线附加阻力的产生是因为机车、车辆在曲线上运动时，部分车轮轮缘接 触钢轨产生摩擦，部分车轮在转动的同时伴随纵向和横向的滑动摩擦，以及转 向架心盘和旁承的摩擦都要加剧。曲线附加阻力与曲线半径、列车速度、曲线 外轨超高以及轨距加宽、机车车辆的轴距等许多因素有关，很难用理论方法推 导其解法，一般采用经验公式来计算。其一般公式为： 2 9 第3 章列下牵引制动计算建模 么 w ，2 页 ( 3 8 ) 彳，经验或试验常数 r ，曲线半径( m ) 我国的标准轨距的曲线附加单位阻力计算公式为 w _ _ 竺( 3 9 ) = 一 l6 了， 尺 ( 3 ) 隧道附加阻力 隧道附加阻力是隧道空气附加阻力。列车在隧道中运行时，由于隧道横截 面面积较小，列车在其中穿行时，阻力较空旷地带增加很多，这就是隧道中的 “活塞效应。隧道中的空气附加阻力是相对于列车在空旷地带运行时空气阻力 而言的，是两者的差值。 隧道空气附加阻力与隧道长度、隧道截面积、列车截面积、列车外形等因 素有关。隧道越长，隧道附加阻力越大；列车越长、速度越高，隧道附加阻力 也越大。当前，理论上计算隧道附加阻力尚不成熟，通常采用经验公式或试验 数据代替。 嵋= o 0 0 0 1 3 l , ( 3 1 0 ) 式中，为隧道长度。 3 3 制动力 列车的制动分为两种：常用制动和紧急制动。常用制动是在列车正常运行 情况下，调节和控制列车运行速度的措施，作用比较缓和，制动力可以人为调 节。紧急制动是列车在出现事故等紧急情况下的异常措施，其目的是要求列车 尽快停止运动，因此，制动作用比较猛烈，制动力为制动装置的全部制动能力。 另外，紧急制动装置经常有冗余设备，其可靠性非常高，以确保在列车发生断 电、车体分离等紧急情况下也能保证制动效果，这是与常用制动有区别的。 当前，国内城际铁路和城市轨道交通中应用较多的制动方式是闸瓦制动、 盘形制动、电阻制动、再生制动以及电空混合制动。空气闸瓦制动和盘形制动 是基础制动装置，以压缩空气为动力源，通过机械摩擦消耗掉列车的动能，形 3 0 第3 章列车牵引制动计算建模 成制动能力。不同之处在于闸瓦制动是利用闸瓦和车轮踏面构成摩擦面，盘形 制动则是利用制动盘和转动夹钳上的闸片形成摩擦面。这两种制动方式是国内 城际铁路的主要制动方式，也是所有轮轨交通的基本制动方式。 当前地铁的制动方式主要是：空气制动、电制动，以及电空配合制动。空 气制动即空气闸瓦制动，电制动是电阻制动和再生制动的总称。电阻制动的原 理是通过将动车组的牵引电机转换为发电电机，从而将列车的动能转换为电能， 并通过电阻发热消耗掉。再生制动也是利用电机转换的原理消耗机械能，只是 将制动中产生的电能反馈到电网中去加以利用，再生制动能够节约能源，属于 比较理想的制动方式。 3 3 1 电制动 在地铁列车中，采用电制动优先，空气制动配合的制动方式。 ( 1 ) 电制动原理 电制动是利用直流电机的可逆原理，即电力驱动直流电机使之旋转，这时 它作为电动机将电能转换为机械能；当外力驱动直流电机时，它变成发电机， 将机械能转换为电能。因此电制动，就是当列车处于制动工况时，轮对上的牵 引电机变成发电机，消耗列车的动能并转换为电能。将转换出来的电能反馈回 牵引电网上的制动为再生制动。 ( 2 ) 电制动的控制 当前，地铁列车动车组的制动主要是电空混合制动形式，电制动优先，用 于调速制动控制，空气制动配合电制动，当列车速度降低时( v 2 5l ( 1 - n h ) 在牵引迭代以前，要计算列车换算质量( m h ) ，即 m h = m ( 1 + ) = ( m ，+ 以) ( 1 + y ) 式中，y 为回转质量系数，常取0 0 6 列车运行的加速度： 丑：旦：一c m g ：堡 口= = 一= 一 1 m m 1 0 0 0 ( 1 + 7 ) 式中，a ，列车加速度( m s 2 ) ； c ，列车合力( n ) ； m 。，列车换算质量( k g ) ； c ，列车单位重力合力( n k n ) 。 ) ) ) ) 1 2 3 4 1 - 1 - 1 1 1 l 3 3 3 3 ( ( ( ( 第3 章列车牵引制动计算建模 启动加速阶段牵引计算的递推公式为： s i + l - s i + 虻半 ( 3 1 5 ) v ：，+ c a t ( 3 1 6 ) v + - 2 屹+ 百 。 中间运行过程 中间运行过程主要是指列车达到限速后，并且保持速度不变的运行过程。 在此阶段，列车进入匀速运行阶段。 此时，列车合力为0 ，速度不变。此过程的递推公式可以简化为： 墨+ l = s + + l f ( 3 1 7 ) 叶+ i = u = 吒 ( 3 1 8 ) 制动及进站过程 制动过程的列车合力计算采用下式： c2 一屹一一 w z d ( 3 1 9 ) = - ( a + b v + c v 2 ) 一( w + w r + w 3 一w z d 制动过程的牵引计算递推公式为： s i + l = 墨+ 盟产 c a t u + t2 u 一百 ( 3 ) 单质点模型的整体计算流程( 图3 4 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 第3 章列车牵引制动计算建模 l 上一区间结束 土 l 区间信息读入 上 l 判断夕u 乍运仃上 况 0 j 荭仃t l 、i 刊t 况 受力计算 上 i 列车力劳度计 上 i 速度及距离的 迭代计算 j i 修改迭代点 j r l 进入下一区间 图3 4 单质点牵引计算流程 3 4 3 多质点列车模型 单质点模型以手工计算的分析方法为基础进行构造，将列车简化为一个刚 性的质点，受力分析计算简便，编程实现比较容易。但是单质点的牵引计算模 型，由于将列车视为单个刚性质点，忽略了列车长度，也不考虑列车车辆间的 相互作用力，当列车跨越换坡点及曲率变化点时，列车受力是瞬时变化的，这 种简化较大的偏离了列车实体属性，不能反应出列车纵向力的变化。另外，当 列车经过变坡点或变曲率点时，模型计算的受力分析与实际误差较大，成为计 算误差的重要来源，因此，更好的描述列车的实际运行状态，提出了多质点的 计算模型。 多质点模型，对列车的建模更加复杂，通常将机车和每节车辆分别简化为 一个质点，构成一个质点链，能够反应出列车编组对受力和牵引运行的影响， 并对列车长度有所反映。但仍然是刚性系统。 第3 章列车牵引制动计算建模 图3 5 多质点的列车模型 本模型将列车视为多个质点构成的质点链，没一辆车视为一个质点， 其运行状态取决于该辆车受到的合力。如图3 5 所示。 ( 1 ) 车辆的受力分析 如图所示，第n 辆车的受力为，前车钩受力朋、后车钩受力为。，还 有附加阻力和基本阻力。所以第n 辆车加速度为： 铲鳖专产盎 2 2 ， 式中，口。，第n 辆车的加速度； w 拗，第1 1 辆车的基本阻力； w 丘。，第n 辆车的附加阻力； 则，整列车的加速度为： 口：生： 竺：鳖二鉴二鉴二些 ( 3 2 3 ) 口i = = 一= 2 o o 一 l ) 1 出 m i ( 1 + 7 )m 式中，、屹分别为列车牵引力、基本阻力、附加阻力和制 动力。 根据列车的刚性假设，列车任何部分的平移加速度与列车整体的加速度口。 相等，即 口n = 口月一i = 口h l = = 口i ( 3 2 4 ) 故可得到第n 辆车的合力： = m 。( 1 + c e ) a l = 一 一一一 ( 3 2 5 ) 3 6 第3 章列下牵引制动计算建模 根据牵规的说明，我国的机车牵引力以轮周牵引力为计算标准，则机 车的牵引力。，容易得到，机车阻力和制动力可以分别计算出来。然后利用公 式计算，可以求得第辆车的车钩力，以及第二辆车的前车钩力。依次类推， 求得其他车辆的车钩力。计算方法如下： w l = m i ( 1 + q ) 口i = 一l 一l 一l w z d l ( 3 2 6 ) 2 92 l h ( 3 2 7 ) w 2 = m 2 ( 1 + q ) 口l = 2 9 一2 一2 一2 一心d 2 ( 3 2 8 ) 匆3 92 0 2 ( 3 2 9 ) = m 。( 1 + q ) 口l = w 钐w 一锄 一w 一w 么。一w ( 3 3 0 ) 朋2 ( 川) ( 3 3 1 ) ( 2 ) 变坡道和曲线段受力分析 单质点列车模型在变坡段的附加阻力变化是突变式的，没有一个渐变的过 程，因为单质点的列车模型是忽略列车长度的。多质点列车模型考虑了列车长 度的因素，对于这种附加阻力的变化情况可以更加的准确。 列车的计算坡度为： 乞：华州竿) ： ( 3 3 2 ) 对于曲线，整个列车受力如下： 眵名= k r ( 若) ( 3 3 3 ) 陟名= k x l ，( r x 三) ( 若 ) ( 3 3 4 ) 式中，k ，常数，一般取7 0 0 ； ，列车长度； t ，曲线段长度； ( 3 ) 多质点模型整体计算流程( 图3 6 ) 第3 章列车牵引制动计算建模 l 上区间结束 上 l 区间f 言。息读入 j r l 州断硎赢4 行工 上 l 进行不同7 - 况 受力计算 j r i 歹u 车力f 1 b 长度计 算 j r l 速度及足丘离的 j 幺代0 卜算 上 l 修改迭代点 j r i 进入下一区：i f t j 图3 6 多质点计算流程 3 5 三号线列车运行仿真结果 由上面的分析可知，多质点的列车牵引计算模型更加的精确。所以在对三 号线列车进行牵引制动仿真时采用了多质点的运算模型。 下面对三号线列车进行仿真运行。 列车的基本参数： 列车可以采用6 节或者8 节编组，所有动车工作时运行速度为8 0k m b ， 一个动车不工作时运行速度为6 0k m b ，无a t p 运行时为6 0k l v e h 常用制动距离为2 7 0 米，紧急制动为1 9 0 米 列车重量：a 车 6 0 吨，b 车 6 4 吨，c 车 6 4 吨 速度特性：最大设计速度1 0 0 k i w h ，最大运营速度8 0k m b ，限制模式速 度15 心讹，退行速度1 0 心讹，挂钩洗车速度3 删h ，零速3 怂讹 加速度特性：常用制动减速度1 0m s 2 ，快速制动减速度1 3n d s 2 。 根据列车的运行特征和参数，对列车进行了牵引特性曲线的模拟以及列车 制动特性曲线的模拟。 列车的牵引特性曲线图如图3 7 所示。 第3 章列车牵引制动计算建模 图3 7 牵引特性曲线 列车的制动曲线图3 8 所示。 图3 8 制动特性曲线 3 9 硝i t 碹_ d * j q - a 【- h 瓣 睦 h f 象锋1 ，i 中棚废船，_ 臣栩- e 压f1 1 0 呻 t “馋蛇比田 咋 ：+ 4 l i h $ “- - 丑 毒“寨1 辑1 = ：= = 7 ： ，+ 、 需c 啦 i j矧 i ，翰? 。 ； ：j ：津i j j 蒸 ； 彦 鼷 嬲 馨 t 1 嚣l 汰l 澍 ； ： 了鹾 1 沁_ l ； o k ： ； 呻忡 萨。 甘 ：1 越； - + ； 衫 8 l ；礴 一 r 撩蛩；| 豫? 鬯 黔i r _ “ ” + - z 。裳s 手彳 ； - 一、慕 一上 i ：；。 。 4 。 j i l +一 no ；。j p ? 1 | 毒j ，- _ 矗 + t ； 01 9 如阮 0 + _ ；群；_ j ；i ? ， ：赫赘等 g ； ；j i l 。 2 j t 。：4 t溺： ， 自拟m ? r ； f 车霸堆 ， 一罩一摹一箍妊嚣_|矗象静 一p-t一善落辜 ；兰萋墓誊 j j | | j | | | | j j | | 0 j j0j 0j0 。 0 j | | o j0 | | j | | j j 0 0 j 000 jj 。 j o j | | | | j 00 0 | | 亲竹，葺童t 崩j ：函k ，j 并 琳咀成4 t 1 2 t 明电压_l m ，刊 ：l ；面一 一 no 山列 艟比7 槽u 叫 什车轮i 晴- j 一 1 月 一 1 7 f y i ，k x 、 r ， 、 一， r _ ， ， ， 1 i 1 壬 y ， y ， ， ， ， 、 ， 。杉 ， ， c | h ， 譬 一一名 ，。 ，j。 _， ， ， ， ! 一一 j 6 r ， 第3 章列车牵弓1 5 , 1 动计算建模 列车编组的设置接口如图3 9 所示。 图3 9 列车编组设置 列车行车参数的设置，如图3 1 0 所示。 图3 1 0 列车行车参数设置 列车运行的结果图如图3 1 1 所示。 第3 章列车牵引制动计算建模 参敷设置仿真血鞠显示帮助 z 嚣二勰= = 篇：= 篇：= = 1 1 0 船 髫8 0 卅7 0 晕6 0 5 0 q 0 3 0 2 0 10 二邂冉盘占 塾 车站 _ _ 、_ 气 l 。荔缆 ， | 3 6 本章小结 图3 1 1 列车运行结果显示 本章对列车运行进行了深刻的受力分析，对列车所受力的计算均给出了详 细的解答。建立了列车的单质点模型和多质点模型。在此基础上对上海地铁三 号线列车进行了运行的仿真运算。并进行了可视化的实现。 4 l 第4 章列- t a t c 系统的建模 第4 章列车a t c 系统的建模 4 1 自动列车运行控制( a t c ) 系统简介 a t c ( a u t o m a t i c t r a i nc o n t r 0 1 ) ，自动列车运行控制。a t c 系统包含三个子 系统：列车自动保护( a t p ) ，列车自动运行( a t o ) ，列车自动监控( a t s ) 。 4 2 自动列车运行控制的基本结构及其功能 图4 1 自动列车控制的基本结构图 上海地铁三号线列车采用连续式自动列车运行控制系统。连续式自动列车 控制系统是适应高速干线与高行车密度的地