CN110414109A - 一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，包括仿真列车、轨道仿真系统、车站仿真系统和调度总站仿真系统，所述轨道仿真系统用于仿真列车在其轨道上的运行，所述调度总站仿真系统用于仿真列车在仿真轨道上运动状态的调整；所述调度总站仿真系统包含基础数据处理模块、人机界面显示模块、牵引计算模块、运行仿真模块和能耗分析模块，所述人机界面显示模块、牵引计算模块、运行仿真模块、性能分析模块和均与基础数据处理模块连接。该列车能耗及最优牵引速度仿真系统，从列车运行控制的角度分析列车动力、运行速度和能耗计算，并在仿真结果的基础上，进行牵引速度的优化，更为重要的是能实现对能耗等性能指标的精确和可信的计算。
Description
技术领域
本发明涉及列车轨道仿真技术领域，具体为一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统。
背景技术
近年来，随着我国高速列车事业的迅猛发展，在为人们提供极大便利的同时，也带来了巨大的能源消耗和极高的运营成本，高速列车在运行过程中有可能突然遭遇接触网故障，指导司机如何依靠有限的车载储能装置进行自牵引到就近车站。为了尽可能的挖潜降耗，有效的降低高速列车系统的运营成本，提高经济效益，对列车运行能耗优化的研究具有重要的实际意义。本专利对列车运行过程进行仔细分析建模，从而对能耗进行精确而可控的计算，以此作为实现其中一个最节能仿真速度的计算的基础。
基于上述需求，建立基于CBTC的高速列车列车运行能耗仿真系统，通过对线路土建参数、车辆参数、信号系统参数等进行配置，并从CBTC列车运行控制的角度对列车运行过程中的速度状态和能耗进行了研究，从而得出精确可控的能耗性能指标和图形化的性能分析报告，为进一步能耗优化提供理论依据，本系统遵循IEEE1474.1推荐的列车安全制动模型建立了列车速度调整模型，从列车运行控制的角度分析了列车动力学模型和能耗计算模型，采用时间片与位移片相结合的方式仿真，并在仿真结果的基础上，进行能耗优化分析。本系统能针对不同的线路和不同的车型，进行列车运行过程中的速度状态和能耗指标的定量分析，从而为高速列车工程设计和验证提供参考，并以此作为能耗优化方案的基础，对于降低运营成本，实现节能环保具有重要的实际意义。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，具备对列车轨道交通项目中不同线路和不同车型进行能耗等性能指标的检算等优点。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，包括仿真列车、轨道仿真系统、车站仿真系统和调度总站仿真系统，所述轨道仿真系统用于仿真列车在其轨道上的运行，所述调度总站仿真系统用于仿真列车在仿真轨道上运动状态的调整；
所述调度总站仿真系统包含基础数据处理模块、人机界面显示模块、牵引计算模块、运行仿真模块和能耗分析模块，所述人机界面显示模块、牵引计算模块、运行仿真模块、能耗分析模块和均与基础数据处理模块连接；
所述运行仿真模块用于对仿真列车的速度进行调整，所述运行仿真模块根据紧急制动包络线、紧急制动触发曲线、全常用制动触发曲线、速度命令曲线和实际速度曲线对仿真列车的速度进行调节；
所述能耗分析模块用于仿真列车在轨道仿真系统上受到的列车牵引能耗计算、列车制动能耗计算和列车运行阻力能耗计算；
列车运行仿真：
(1)、将仿真列车视为质点；
(2)牵引和制动时根据车辆专业提供的牵引及制动特性曲线，并叠加轨道的坡度产生的加/减速度，计算出列车的牵引力和制动力；
(3)根据列车牵引规范中的公式计算列车的运行阻力。
优选的，所述基础数据处理模块包括任务管理主程序单元、数据库单元、线路基础数据单元和数据解析单元，所述数据解析单元连接线路基础数据单元，所述线路基础数据单元连接主程序单元，所述主程序单元和数据库单元双向连接。
优选的，所述数据解析单元数据来源为线路数据、列车路径和车辆数据。
优选的，所述牵引计算模块包括列车牵引、列车制动、列车进站、列车出站、列车惰行、列车巡航、能耗计算和再生制动的牵引力计算。
优选的，所述能耗分析模块包括列车合力单元和运行工况单元，所述列车合力单元计算基本阻力、附加阻力、牵引力和制动力，所述运行工况单元计算牵引工况、巡航工况、惰性工况和制动工况。
优选的，所述基本阻力根据戴维斯公式计算，所述附加阻力根据铁路设计规范计算，所述牵引力根据牵引力曲线计算，所述制动力根据制动特性曲线计算。
优选的，根据所述牵引工况计算牵引能耗，根据所述巡航工况计算牵引及再生制动能，所述惰性工况无能耗产生，根据所述制动工况计算再生制动能。
优选的，所述运行仿真模块生成仿真结果，仿真结果传输至所述能耗分析模块，所述能耗分析模块生成图形化报告。
优选的，所述调度总站仿真系统内部设置中央ATS设备，所述车站仿真系统内部设有车站ATS设备。
优选的，所述车站ATS设备连接区域控制器，所述区域控制器通过TWC系统连接轨道仿真系统。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，具备以下有益效果：
1、该列车能耗及最优牵引速度仿真系统，从列车运行控制的角度分析了列车动力、运行速度和能耗计算，采用时间片与位移片相结合的方式仿真，并在仿真结果的基础上，进行牵引速度的优化，更为重要的是能实现对能耗等性能指标的精确、可信的计算，本系统能针对不同的线路和不同的车型，进行列车运行过程中的速度状态和能耗指标的定量分析，从而为高速列车工程设计和验证提供参考，并以此作为能耗优化方案的基础，对于降低运营成本，实现节能环保具有重要的实际意义。
2、该列车能耗及最优牵引速度仿真系统，本系统的总体结构具有基础数据处理模块、人机界面显示模块、牵引计算模块、运行仿真模块、能耗分析模块综合功能，能针对列车轨道交通项目中不同线路和不同车型进行能耗等性能指标的检算，从而为能耗优化打下坚实的基础，能够有效的降低高速列车系统的运营成本，提高经济效益，对列车运行能耗优化的研究具有重要的实际意义。
附图说明
图1为本发明提出的系统结构图；
图2为本发明提出基础数据处理模块的系统结构图；
图3为本发明提出能耗计算模型流程图。
图中：1-基础数据处理模块、2-人机界面显示模块、3-牵引计算模块、4-运行仿真模块、5-能耗分析模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，包括仿真列车、轨道仿真系统、车站仿真系统和调度总站仿真系统，轨道仿真系统用于仿真列车在其轨道上的运行，调度总站仿真系统用于仿真列车在仿真轨道上运动状态的调整；
调度总站仿真系统包含基础数据处理模块1、人机界面显示模块2、牵引计算模块3、运行仿真模块4和能耗分析模块5，人机界面显示模块2、牵引计算模块3、运行仿真模块4、能耗分析模块5和均与基础数据处理模块1连接；
运行仿真模块4用于对仿真列车的速度进行调整，列车速度调整是根据IEEE1474.1中关于CBTC系统列车安全制动模型而建立的数学模型，该模型明确解释了移动闭塞制式下列车速度防护曲线之间的限制关系，不仅是CBTC系统中实现列车安全和精确地列车运行控制的基础，更是决定列车运行能耗大小的关键因素，运行仿真模块4根据紧急制动包络线、紧急制动触发曲线、全常用制动触发曲线、速度命令曲线和实际速度曲线对仿真列车的速度进行调节，紧急制动包络线：当紧急制动建立后，列车将按照此曲线运行，历经失控加速、惰行、紧急制动等阶段，直到列车在目标点之前完全停止，紧急制动包络线是表明列车在任何最不利情况下的开环控制曲线，将不能超过线路土建限速，紧急制动触发曲线：是ATP监控的超速防护曲线，一旦列车速度检测设备发现列车当前速度超过该曲线，就会立即触发紧急制动，全常用制动触发曲线：是为了避免列车频繁地触发紧急制动，而引入的一条可缓解的常用制动曲线，当列车速度超过FSB触发曲线是，系统将实时常用制动，当列车速度降至正常范围时，制动即可缓解，从而提高系统的可用性，命令速度曲线：是列车期望运行达到的速度，是ATO系统根据ATP实时计算的速度命令和从ATS获得的运行等级命令而综合生成的。在本仿真系统中，命令速度曲线低于FSB触发曲线，其差为一个当前速度的函数。由于列车进站过程需采用恒定的制动率，因此在列车到运营停车点停车时，需要对命令速度曲线进行修正，实际速度曲线：列车按照命令速度根据最大速度的运行策略(全加速-巡航全减速)，采用最大牵引制动力来模拟列车在各种工况下自动运行而得到的实际速度。
能耗分析模块5用于仿真列车在轨道仿真系统上受到的列车牵引能耗计算、列车制动能耗计算和列车运行阻力能耗计算；
列车运行仿真：
(1)、将仿真列车视为质点；
(2)牵引和制动时根据车辆专业提供的牵引及制动特性曲线，并叠加轨道的坡度产生的加/减速度，计算出列车的牵引力和制动力；
(3)根据列车牵引规范中的公式计算列车的运行阻力。
列车运行仿真主要是根据站内和区间的具体线路情况，由列车速度调整模型生成列车运行的速度防护曲线，来指导列车运行，其中，命令速度曲线为列车运行期望达到的速度，由此可以描绘出列车在该线路中沿着运行方向的总休运行趋势，列车按照命令速度曲线，根据最大速度运行策略(全加速巡航-全减速)膜拟列车多种工况下的自动运行，仿真系统中采用时间片和位移片相结合的方式，循环计算列车的出口速度和出口位置，并根据列车速度调整模型和能耗计算模型，计算列车在全线运行过程中精确的速度状态、区间运行时分，能耗等性能指标，并可以导出图形化的分析报告，本系统能针对不同的线路和不同的车型，通过模拟列车进站/出站、牵引/制动、巡航/惰行等多种工况下的自动运行，得出了列车运行过程中的速度状态、区间运行时分、实际牵引力/制动力、牵引能耗/再生制动能等性能指标，在此基础上，结合行车组织和线路设计，从再生制动能的吸收利用、列车运行等级调整、节能线路设计三个方面进行能耗优化分析，进行列车运行过程中的速度状态和能耗指标的定量分析，从而为高速列车工程设计和验证提供参考，并以此作为能耗优化方案的基础，对于降低运营成本，实现节能环保具有重要的实际意义。
从列车运行控制的角度分析了列车动力、运行速度和能耗计算，采用时间片与位移片相结合的方式仿真，并在仿真结果的基础上，进行牵引速度的优化，更为重要的是能实现对能耗等性能指标的精确、可信的计算，并系统的总体结构具有基础数据处理模块1、人机界面显示模块2、牵引计算模块3、运行仿真模块4、能耗分析模块5综合功能，能针对列车轨道交通项目中不同线路和不同车型进行能耗等性能指标的检算，从而为能耗优化打下坚实的基础，能够有效的降低高速列车系统的运营成本，提高经济效益，对列车运行能耗优化的研究具有重要的实际意义。
基础数据处理模块1包括任务管理主程序单元、数据库单元、线路基础数据单元和数据解析单元，数据解析单元连接线路基础数据单元，线路基础数据单元连接主程序单元，主程序单元和数据库单元双向连接。
数据解析单元数据来源为线路数据、列车路径和车辆数据。
牵引计算模块3包括列车牵引、列车制动、列车进站、列车出站、列车惰行、列车巡航、能耗计算和再生制动的牵引力计算。
能耗分析模块5包括列车合力单元和运行工况单元，列车合力单元计算基本阻力、附加阻力、牵引力和制动力，运行工况单元计算牵引工况、巡航工况、惰性工况和制动工况，在高速列车系统中，在沿轨道水平方向上列车运行过程所受的外力主要有列车牵引力、列车制动力、列车运行阻力(基本阻力、附加阻力)，其中列车的牵引力和制动力可以通过车辆专业提供的牵引/制动特性曲线得出，列车运行阻力也可以由列车牵引规范中推荐的经验公式计算得到，而上述力的矢量叠加构成列车所受合力。列车所受合力的不同情况也对应着四种的运行工况，即牵引工况、巡航工况、惰行工况、制动工况，不同工况F列车牵引/制动系统所施加的实际牵引力/制动力沿列车运行方向上做功情况，最终决定了列车运行能耗的大小。
该系统建立基于CBTC的高速列车列车运行能耗仿真系统，通过对线路土建参数、车辆参数、信号系统参数等进行配置，并从CBTC列车运行控制的角度对列车运行过程中的速度状态和能耗进行了研究，从而得出精确可控的能耗性能指标和图形化的性能分析报告，为进一步能耗优化提供理论依据，本系统遵循IEEE1474.1推荐的列车安全制动模型建立了列车速度调整模型，从列车运行控制的角度分析了列车动力学模型和能耗计算模型，采用时间片与位移片相结合的方式仿真，并在仿真结果的基础上，进行能耗优化分析。本系统能针对不同的线路和不同的车型，进行列车运行过程中的速度状态和能耗指标的定量分析，从而为高速列车工程设计和验证提供参考，并以此作为能耗优化方案的基础，对于降低运营成本，实现节能环保具有重要的实际意义。
基本阻力根据戴维斯公式计算，附加阻力根据铁路设计规范计算，牵引力根据牵引力曲线计算，制动力根据制动特性曲线计算。
根据牵引工况计算牵引能耗，根据巡航工况计算牵引及再生制动能，惰性工况无能耗产生，根据制动工况计算再生制动能。
运行仿真模块4生成仿真结果，仿真结果传输至能耗分析模块5，能耗分析模块5生成图形化报告。
调度总站仿真系统内部设置中央ATS设备，车站仿真系统内部设有车站ATS设备。
车站ATS设备连接区域控制器，区域控制器通过TWC系统连接轨道仿真系统。
综上所述，该列车能耗及最优牵引速度仿真系统，在使用时，从列车运行控制的角度分析了列车动力、运行速度和能耗计算，采用时间片与位移片相结合的方式仿真，并在仿真结果的基础上，进行牵引速度的优化，更为重要的是能实现对能耗等性能指标的精确、可信的计算，本系统的总体结构具有基础数据处理模块1、人机界面显示模块2、牵引计算模块3、运行仿真模块4、能耗分析模块5综合功能，能针对列车轨道交通项目中不同线路和不同车型进行能耗等性能指标的检算，从而为能耗优化打下坚实的基础，本系统能针对不同的线路和不同的车型，通过模拟列车进站/出站、牵引/制动、巡航/惰行等多种工况下的自动运行，得出了列车运行过程中的速度状态、区间运行时分、实际牵引力/制动力、牵引能耗/再生制动能等性能指标，在此基础上，结合行车组织和线路设计，从再生制动能的吸收利用、列车运行等级调整、节能线路设计三个方面进行能耗优化分析，进行列车运行过程中的速度状态和能耗指标的定量分析，从而为高速列车工程设计和验证提供参考，并以此作为能耗优化方案的基础，对于降低运营成本，实现节能环保具有重要的实际意义，能够有效的降低高速列车系统的运营成本，提高经济效益，对列车运行能耗优化的研究具有重要的实际意义。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，包括仿真列车、轨道仿真系统、车站仿真系统和调度总站仿真系统，其特征在于：所述轨道仿真系统用于仿真列车在其轨道上的运行，所述调度总站仿真系统用于仿真列车在仿真轨道上运动状态的调整；
所述调度总站仿真系统包含基础数据处理模块(1)、人机界面显示模块(2)、牵引计算模块(3)、运行仿真模块(4)和能耗分析模块(5)，所述人机界面显示模块(2)、牵引计算模块(3)、运行仿真模块(4)、能耗分析模块(5)和均与基础数据处理模块(1)连接；
所述运行仿真模块(4)用于对仿真列车的速度进行调整，所述运行仿真模块(4)根据紧急制动包络线、紧急制动触发曲线、全常用制动触发曲线、速度命令曲线和实际速度曲线对仿真列车的速度进行调节；
所述能耗分析模块(5)用于仿真列车在轨道仿真系统上受到的列车牵引能耗计算、列车制动能耗计算和列车运行阻力能耗计算；
列车运行仿真：
(1)将仿真列车视为质点；
(2)牵引和制动时根据车辆专业提供的牵引及制动特性曲线，并叠加轨道的坡度产生的加/减速度，计算出列车的牵引力和制动力；
(3)根据列车牵引规范中的公式计算列车的运行阻力。
2.根据权利要求1所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述基础数据处理模块(1)包括任务管理主程序单元、数据库单元、线路基础数据单元和数据解析单元，所述数据解析单元连接线路基础数据单元，所述线路基础数据单元连接主程序单元，所述主程序单元和数据库单元双向连接。
3.根据权利要求2所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述数据解析单元数据来源为线路数据、列车路径和车辆数据。
4.根据权利要求1所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述牵引计算模块(3)包括列车牵引、列车制动、列车进站、列车出站、列车惰行、列车巡航、能耗计算和再生制动的牵引力计算。
5.根据权利要求1所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述能耗分析模块(5)包括列车合力单元和运行工况单元，所述列车合力单元计算基本阻力、附加阻力、牵引力和制动力，所述运行工况单元计算牵引工况、巡航工况、惰性工况和制动工况。
6.根据权利要求5所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述基本阻力根据戴维斯公式计算，所述附加阻力根据铁路设计规范计算，所述牵引力根据牵引力特性曲线计算，所述制动力根据制动特性曲线计算。
7.根据权利要求5所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：根据所述牵引工况计算牵引能耗，根据所述巡航工况计算牵引及再生制动能，所述惰性工况无能耗产生，根据所述制动工况计算再生制动能。
8.根据权利要求1所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述运行仿真模块(4)生成仿真结果，仿真结果传输至所述能耗分析模块(5)，所述能耗分析模块(5)生成图形化报告。
9.根据权利要求1所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述调度总站仿真系统内部设置中央ATS设备，所述车站仿真系统内部设有车站ATS设备。
10.根据权利要求9所述的一种列车能耗及最优牵引速度仿真系统，其特征在于：所述车站ATS设备连接区域控制器，所述区域控制器通过TWC系统连接轨道仿真系统。
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2019
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