CN109101672B - 轨道交通系统列车运行能效研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于列车各运行工况动力学差分方程，建立了列车运行能耗和能效计算方法，并在该计算方法的基础上，提出一种基于列车运行工况时空优化的列车运行能效仿真方法。其主要特征，主要包括：1)建立了按区间、列车、线路和整个轨道交通运输系统的列车运行能效计算层次架构，列车运行能耗和能效计算方法基于该层次架构，由下而上、由微观到宏观顺序展开；2)列车运行能耗和能效计算，不仅能够反映列车的满载率、轻量化对列车运行能耗和能效的影响，而且与列车行为细节密切相关，可以在各运行工况能耗计算结果的基础上，进行列车运行能耗和能效分析，并给出具体的节能措施建议。

Description

轨道交通系统列车运行能效研究方法
技术领域
本发明涉及轨道交通运输领域，基于列车各运行工况的动力学差分模型，具体给出列车运行能效计算及其仿真方法，可用于列车运行能效的评估、分析和提高。
背景技术
列车运行过程中的总能耗包括列车运行能耗和列车环控系统能耗。列车环控系统能耗，主要指列车照明、空调和其他辅助能耗；列车运行能耗，主要指列车为完成运输任务在运行过程中通过自身动力系统实现列车牵引、制动而消耗的能耗的能量。
“能效”概念，与“能耗”密切相关，但不能等同于“能耗”。“能效”，以能耗为其基本内涵，同时又强调节能的效果，可用以分析一个轨道交通系统在不同发展时期或比较分析不同轨道交通系统之间的节能情况，在一定意义上具有超越具体轨道交通系统及其生命时空的分析能力。
轨道交通运输企业或行业管理部门，一般是利用宏观统计数据，计算“单位周转能耗”(见式(1)所示)，以对辖内轨道交通运输系统的“能效”进行评估，并不涉及列车运行过程中的行为细节。
Figure BDA0001693644330000011
而列车运行能效，不仅涉及列车运行距离和载运数量(重量)，而且与列车各运行工况下的能耗累积密切相关。列车运行能效的提升，显然既受到运输组织水平的约束，也离不开与列车行为细节密切相关的先进列控技术的具体运用。因此，列车运行能效的计算，并非像“单位周转能耗”那样完全依赖于能耗数据的统计，其内涵不同于基于宏观统计数据的“单位周转能耗”。目前对于列车运行能效的研究，虽然围绕能耗开展相关工作，取得了可喜的成绩，但尚未发现有文献就“列车运行能效”的定量计算，给出明确的计算公式。
需要说明的是，本发明针对列车运行能效研究的上述现状，提出一种适用于轨道交通系统领域列车运行能效计算及其仿真方法，即通过建立列车各运行工况的动力学差分模型，计算不同列控方案的列车运行能耗，并在此基础上给出列车的运行能效计算方法，进而可以通过仿真方法的运用寻求能效提升的最佳方案。
发明内容
本发明基于列车各运行工况的动力学差分模型，提出一种列车运行能效计算及其仿真方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种基于列车各运行工况动力学差分方程的列车运行能效研究方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)建立列车运行能效的计算公式。
列车运行能效，可定义为“单位能耗拉多少人(货)跑多少路”。其计算公式如下：
Figure BDA0001693644330000021
式中，e表示列车运行能效，N表示列车运输的旅客总人数或货物的总重量，S表示列车运行的总距离，E表示列车完成运输任务的总能耗。
2)针对具体线路、具体列车、具体运行区间，统计运输的旅客总人数或货物的总重量Ni,j.q和列车运行距离Si,j,q，计算列车在各区间运行过程中具体能耗Ei,j,q。其中i,j,q分别表示线路编号、列车编号和区间编号，假定0≤i≤m，0≤j≤ni，0≤q≤wi,j，m、ni、wi,j分别为线路数量、第i条线路的列车数量和该线路上第j趟列车的运行区间数量。
列车在各区间运行过程中具体能耗Ei,j,q的计算公式，遵循以下步骤确定：
Step1：建立列车各运行工况下动力学行为差分模型。
Step2：运用所建立的列车在各工况条件下行为调整的差分模型，建立列车运行于各区间的具体能耗Ei,j,q的计算公式。其中，各区间满载率变化、列车轻量化和列车行为细节对列车运行能耗的影响，能够通过Ei,j,q的计算过程和结果得到反映。
3)在区间列车运行能耗计算公式的基础上，确定按每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，顺序计算列车运行消耗的总电能的计算公式。
4)然后，确定按列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，分别计算列车运行能效的计算公式。
5)将整个轨道交通运输系统的最优能效eOptimal初始化为0，即eOptimal＝0。
6)计算每条线路每趟列车的行为细节：以vC为列车最高运行速度，vC*＝vC，随机生成vA、vB、vD、vE，并满足vA＜vB＜vC、vE＜vD＜vC约束条件(A、B、C、C*、D、E为恒力矩区、恒功率区、自然特性区、匀速运行区、惰行区、再生制动区和空气制动区的分界点，见说明书图1所示)，然后以列车运行的区间长度为约束条件，运用步骤2)中的Step1确定的各工况下列车行为计算的差分方程，计算列车在各工况下每个采样周期的牵引力、制动力、加速度、速度、运行时间、运行距离等参数。
7)顺序执行步骤3)和步骤4)确定的各级总电能和各级能效计算公式，计算得到列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统的能耗和能效。
8)将整个轨道交通运输系统能效e的计算结果与最优能效eOptimal计算结果相比较，保留能效高的列控方案并更新eOptimal。转步骤6)，共循环计算
Figure BDA0001693644330000031
次。
根据均匀分布的规律，确保能够通过仿真得到可接受的“最优解”，
Figure BDA0001693644330000032
的取值所遵循的规则为“保证仿真得到‘可接受的最优解’的期望值E(accepted optimal solution)≥1”，即
Figure BDA0001693644330000033
可得
Figure BDA0001693644330000034
9)取能效高的列控与行车组织方案为最优方案。
以上技术方案，体现出本发明的研究方法：
i)建立了按区间、列车、线路和整个轨道交通运输系统的列车运行能效计算层次架构，列车运行能耗和能效计算方法基于该层次架构，由下而上、由微观到宏观顺序展开；
ii)列车运行能耗和能效计算，不仅能够反映列车的满载率、轻量化对列车运行能耗和能效的影响，而且与列车行为细节密切相关，可以在各运行工况能耗计算结果的基础上，进行整个区间、整条线路和整个轨道交通系统的列车运行能耗和能效分析，并给出具体的节能措施建议。
附图说明
图1为列车牵引制动特性曲线；
图2高速列车运行能效多尺度仿真算法
图3列车减重4％后的行为优化与能耗情况。
具体实施方式
一、结合附图详细陈述本发明技术方案。
(1)列车运行能效计算方法
1)建立列车运行能效的计算公式。
列车运行能效，可定义为“单位能耗拉多少人(货)跑多少路”。其计算公式如下：
Figure BDA0001693644330000041
式中，e表示列车运行能效，N表示列车运输的旅客总人数或货物的总重量，S表示列车运行的总距离，E表示列车完成运输任务的总能耗。
2)针对具体线路、具体列车、具体运行区间，统计运输的旅客总人数或货物的总重量Ni,j.q和列车运行距离Si,j,q，计算列车在各区间运行过程中具体能耗Ei,j,q。其中i,j,q分别表示线路编号、列车编号和区间编号，假定0≤i≤m，0≤j≤ni，0≤q≤wi,j，m、ni、wi,j分别为线路数量、第i条线路的列车数量和该线路上第j趟列车的运行区间数量。
列车在各区间运行过程中具体能耗Ei,j,q的计算遵循以下步骤：
Step1：建立列车各运行工况的动力学差分模型。
图1为列车牵引制动特性曲线。
1)牵引工况的列车行为模型
牵引工况包含图1所示的恒力矩区OA段、恒功率区AB段和匀速运行区BC段。
i)恒力矩区
列车速度调节的差分方程为
Figure BDA0001693644330000042
其中，T为采样周期，k为正整数，表示第k个采样周期，且满足
Figure BDA0001693644330000043
m为列车质量，v为列车运行速度，v(0)＝0，v(tA)＝vA，FA为大于0的常数，fs为坡道附加牵引力(下坡道时，fs>0；平直线路和上坡道时，fs＝0)，W为列车运行阻力，W0为基本阻力，Wa为附加阻力力，满足
Figure BDA0001693644330000044
式中，Ws为坡道附加阻力，Wc为曲线附加阻力，Wt为隧道附加阻力。下坡道时,Ws＝0。
单位基本阻力w0为
Figure BDA0001693644330000045
式中，λ1、λ2、λ3为常数，v为列车运行速度。
ii)恒功率区
列车速度调节的差分方程为
Figure BDA0001693644330000051
其中，k为正整数，表示第k个采样周期，且满足
Figure BDA0001693644330000052
v(tA)＝vA，v(tB)＝vB，功率P为大于0的常数。
iii)自然特性区
列车速度调节的差分方程为
Figure BDA0001693644330000053
其中，k为正整数，表示第k个采样周期，且满足
Figure BDA0001693644330000054
v(tB)＝vB，v(tC)＝vC，M为大于0的自然特性常数。
iv)匀速运行区
列车匀速运行的差分方程可以表示为
v(k+1)-v(k)＝0 (7)
其中，k为正整数，表示第k个采样周期，且满足
Figure BDA0001693644330000055
v(tC)＝vC，v(tC*)＝vC*，且vC＝vC*。
2)惰行工况的列车行为模型
列车速度调节的差分方程为
Figure BDA0001693644330000056
其中，k为正整数，表示第k个采样周期，且满足
Figure BDA0001693644330000057
v(tC*)＝vC*，v(tD)＝vD。
3)制动工况的列车行为模型
列车速度调节的差分方程为
Figure BDA0001693644330000058
再生制动和空气制动区DE段，式(9)中
B(k)＝-fDE (10)
其中t∈[tD,tE]，k为正整数，表示第k个采样周期，且满足
Figure BDA0001693644330000059
fDE为列车制动力常数，v(tD)＝vD，v(tE)＝vE。
纯粹的空气制动区EO段，t∈[tE,tO]，且v(tE)＝vE，v(tO)＝0。
Step2：计算列车运行于各区间的具体能耗Ei,j,q。
列车在各运行工况的功耗，等于列车在各运行工况下所做的功。故列车运行于各区间的具体能耗Ei,j,q的计算公式如下：
Figure BDA0001693644330000061
式中，r为列车运行工况的顺序编号，tr表示运行工况r下列车行驶时间，＜t r /T＞表示取不大于t r /T的最大正整数。
由于在不同区间列车质量mi,j,q随运输的货物重量不同或旅客人数的不同而不完全一样，因此式(11)可以反映各区间满载率变化对列车运行能耗的影响。同理，列车轻量化对列车运行能耗的影响，也可以由式(11)得到反映。
3)在区间列车运行能耗计算(见式(11)所示)的基础上，按每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，顺序计算列车运行消耗的总电能。
Step3：第i线路第j趟列车的运行能耗：
Figure BDA0001693644330000062
Step4：第i线路所有列车的运行能耗：
Figure BDA0001693644330000063
Step5：整个轨道交通系统的列车运行能耗：
Figure BDA0001693644330000064
4)按列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，分别计算列车运行能效。
Step6：第i线路第j趟列车在第q区间的运行能效：
Figure BDA0001693644330000065
式中：Ni,j,q表示第i线路第j趟列车在第q区间运输的旅客总人数或货物的总重量，Si,j,q表示第i线路第j趟列车在第q区间运行的总距离。
Step7：第i线路第j趟列车的运行能效：
Figure BDA0001693644330000066
式中，u表示按照列车运行方向以时间为序对运程相同(始发站至终点站)的旅客或货物进行的统一编号，hj表示第j趟列车运输任务u的实际最大编号。
Step8：第i线路所有列车的运行能效：
Figure BDA0001693644330000071
Step9：整个轨道运输系统的列车运行能效：
Figure BDA0001693644330000072
(2)基于列车运行工况时空优化的列车运行能效仿真方法
对列车运行工况进行时空优化的目的，在于求解列车节能运行的控制方案，实现列车运行能效的提升。
基于运行工况时空优化的列车运行能效仿真算法流程，见图2所示。
具体步骤如下：
Step10：将整个轨道交通运输系统的最优能效eOptimal初始化为0，即eOptimal＝0。
Step11：计算每条线路每趟列车的行为细节：以vC为列车最高运行速度，vC*＝vC，随机生成vA、vB、vD、vE，并满足vA＜vB＜vC、vE＜vD＜vC，然后以列车性能、线路条件为约束条件，按照Step1确定的各工况下列车行为计算的差分方程，计算列车在各工况下每个采样周期的牵引力、制动力、加速度、速度、运行时间、运行距离等参数。
Step12：顺序执行Step2至Step9，计算得到列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统的能耗和能效。
Step13：将整个轨道交通运输系统能效e的计算结果与最优能效eOptimal相比较，保留能效高的列控方案并更新eOptimal，转Step11，共循环计算
Figure BDA0001693644330000073
次。
将列车运行的站间区间长度L米按ΔL米均匀分割，列车运行能效最优条件下，列车运行工况的五个分界点A、B、C、D、E必是确定的，不妨称之为“最优分界点”。假定仿真试验过程中如图1所示的列车运行工况的五个分界点A、B、C、D、E分别落在以上述“最优分界点”所在的分隔段内，则计算所得到列车运行能效及列控方案可作为可接受的“最优解”。根据均匀分布的规律，确保能够通过仿真得到可接受的“最优解”，
Figure BDA0001693644330000074
的取值所遵循的规则为“保证仿真得到‘可接受的最优解’的期望值E(accepted optimal solution)≥1”，即
Figure BDA0001693644330000081
可得
Figure BDA0001693644330000082
Step14：取能效高的列控方案为最优列控方案。
二、下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
将整个轨道交通运输系统的最优能效eOptimal初始化为0，即eOptimal＝0。
1)计算每条线路每趟列车的行为细节：以vC为列车最高运行速度，vC*＝vC，随机生成vA、vB、vD、vE，并满足vA＜vB＜vC、vE＜vD＜vC(见图1所示)，然后以列车性能、线路条件为约束条件，按照确定的各工况下列车行为计算的差分方程，计算列车在各工况下每个采样周期的牵引力、制动力、加速度、速度、运行时间、运行距离等参数。
2)计算列车运行于各区间的具体能耗Ei,j,q和能效ei,j,q，计算公式如下：
Figure BDA0001693644330000083
式中，i,j,q分别表示线路编号、列车编号和区间编号，假定0≤i≤m，0≤j≤ni，0≤q≤wi,j，m、ni、wi,j分别为线路数量、第i条线路的列车数量和该线路上第j趟列车的运行区间数量。T为采样周期，k为正整数，表示第k个采样周期。r为列车运行工况的顺序编号，tr表示运行工况r下列车行驶时间，＜t r /T＞表示取不大于t r /T的最大正整数。mi,j,q表示第j趟列车运行于第i条线路第q区间时的列车重量，能够反映列车轻量化和满载率的变化。vi,j,q表示第j趟列车运行于第i条线路第q区间时的速度。Ni,j.q为第j趟列车运行于第i条线路第q区间时的旅客总人数或货物的总重量，Si,j,q为第j趟列车运行于第i条线路第q区间的距离。Fs为下坡道附加牵引力(仅列车运行于下坡道时大于0，否则为0)，W表示阻力(含基本阻力、上坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道附加阻力)。
3)在区间列车运行能耗Ei,j,q计算的基础上，按每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，顺序计算列车运行消耗的总电能。
第i线路第j趟列车的运行能耗：
Figure BDA0001693644330000091
第i线路所有列车的运行能耗：
Figure BDA0001693644330000092
整个轨道运输系统的列车运行能耗：
Figure BDA0001693644330000093
4)按列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，分别计算列车运行能效。
第i线路第j趟列车在第q区间的运行能效：
Figure BDA0001693644330000094
第i线路第j趟列车的运行能效：
Figure BDA0001693644330000095
式中，u表示按照列车运行方向以时间为序对运程相同(始发站至终点站)的旅客或货物进行的统一编号，hj表示第j趟列车运输任务u的实际最大编号。
第i线路所有列车的运行能效：
Figure BDA0001693644330000096
整个轨道运输系统的列车运行能效：
Figure BDA0001693644330000097
5)将整个轨道交通运输系统能效e的计算结果与最优能效eOptimal相比较，保留能效高的列控方案并更新eOptimal。转步骤1)，共循环计算
Figure BDA0001693644330000098
次。
根据均匀分布的规律，确保能够通过仿真得到可接受的“最优解”，
Figure BDA0001693644330000099
的取值所遵循的规则为“保证仿真得到‘可接受的最优解’的期望值E(accepted optimal solution)≥1”，即
Figure BDA0001693644330000101
可得
Figure BDA0001693644330000102
6)取能效高的列控方案为最优列控方案，仿真结束。
下面是城市轨道交通系统列车运行于1.8km站间平直线路行为优化、能耗与能效的仿真情况：
图3为列车减重4％后的行为优化与能耗情况。
表1描述了列车运行于某区间满载率增加与效能提升情况。
表1满载率增加致列车运行效能提升情况
Figure BDA0001693644330000103
注：满载率0％的能效42.4241，为列车运行工况优化组合后列车运行能效的最优值。
满载率涉及到客流的时空分布、客流组织、列车开行方案、列车运行图编制等诸多环节，属于行车组织的范畴。
表2为列车减重3％的情况下增加满载率时采取优化列控方案的效能提升情况。
表2列车减重4％的情况下增加满载率时采取优化列控方案的效能提升情况
Figure BDA0001693644330000104
注：满载率0％的效能42.4241，为列车运行工况优化组合后列车运行效能的最优值。
显然，通过列车的轻量化、先进列控技术的运用、科学的行车组织，节能提效能够取得更显著的成效。
表3列出了优化列控方案、列车轻量化和满载率提升条件下列车运行过程中不同运行阶段的能耗统计与能效情况。
表3列控方案与节能措施实施条件下列车运行过程能耗统计与能效情况
Figure BDA0001693644330000111

Claims (1)

1.一种基于列车各运行工况动力学差分方程的列车运行能效研究方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)建立列车运行能效的计算公式；
列车运行能效，可定义为“单位能耗拉多少人货跑多少路”；其计算公式如下：
Figure FDA0004147350870000011
式中，e表示列车运行能效，N表示列车运输的旅客总人数或货物的总重量，S表示列车运行的总距离，E表示列车完成运输任务的总能耗；
2)针对具体线路、具体列车、具体运行区间，统计运输的旅客总人数或货物的总重量Ni，j，q和列车运行距离Si，j，q，计算列车在各区间运行过程中具体能耗Ei，j，q；其中i，j，q分别表示线路编号、列车编号和区间编号，假定0≤i≤m，0≤j≤ni，0≤q≤wi，j，m、ni、wi，j分别为线路数量、第i条线路的列车数量和该线路上第j趟列车的运行区间数量；
列车在各区间运行过程中具体能耗Ei，j，q的计算公式，遵循以下步骤确定：
Step1：建立列车各运行工况下动力学行为差分模型；
Step2：运用所建立的列车在各工况条件下行为调整的差分模型，建立列车运行于各区间的具体能耗Ei，j，q的计算公式.其中，各区间满载率变化、列车轻量化和列车行为细节对列车运行能耗的影响，能够通过Ei，j，q的计算过程和结果得到反映；
3)在区间列车运行能耗计算公式的基础上，确定按每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，顺序计算列车运行消耗的总电能的计算公式；
4)然后，确定按列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统，分别计算列车运行能效的计算公式；
5)将整个轨道交通运输系统的最优能效eOptimal初始化为0，即eOptimal＝0；
6)计算每条线路每趟列车的行为细节：以vC为列车最高运行速度，vC*＝vC，随机生成vA、vB、vD、vE，并满足vA＜vB＜vC、vE＜vD＜vC约束条件，A、B、C、C*、D、E为恒力矩区、恒功率区、自然特性区、匀速运行区、惰行区、再生制动区和空气制动区的分界点，然后以列车运行的区间长度为约束条件，运用步骤2)中的Step1确定的各工况下列车行为计算的差分方程，计算列车在各工况下每个采样周期的牵引力、制动力、加速度、速度、运行时间、运行距离参数；
7)顺序执行步骤3)和步骤4)确定的各级总电能和各级能效计算公式，计算得到列车运行各区间、每趟列车、每条线路和整个轨道交通运输系统的能耗和能效；
8)将整个轨道交通运输系统能效e的计算结果与最优能效eOptimal相比较，保留能效高的列控方案并更新eOptimal；转步骤6)，共循环计算
Figure FDA0004147350870000024
次；
根据均匀分布的规律，确保能够通过仿真得到可接受的“最优解”，
Figure FDA0004147350870000021
的取值所遵循的规则为“保证仿真得到‘可接受的最优解，的期望值E≥1”，即
Figure FDA0004147350870000022
可得
Figure FDA0004147350870000023
9)取能效高的列控与行车组织方案为最优方案。
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