CN110450825A - 城市轨道交通列车运行控制方法 - Google Patents

城市轨道交通列车运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了城市轨道交通列车运行控制方法，包括步骤：1)建立单列列车在牵引、制动、惰行三种工况下的合力模型，从而构建基于动力学的单列车运动模型；2)建立单列列车的运行仿真模型，包括列车起动阶段、加速阶段、惰行阶段、进站制动阶段、停站阶段、折返阶段；3)建立基于列车运行计划的列车群追踪运行仿真模型，包括列车区间追踪间隔保持阶段、列车车站间隔保持阶段、高峰期加车阶段、平峰期退车阶段。考虑了列车起动、牵引、惰行、制动工况的转换等完整运行过程，可以根据轨道、车辆、载客量条件，分析测算列车区间运行时分、全程运行时间、运行图周期、区间即时速度、技术速度、旅行速度、平均运行速度，甚至列车能耗、操纵数据。

Description

城市轨道交通列车运行控制方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通列车开行计划的技术领域，具体而言，涉及城市轨道交通列车运行控制方法。
背景技术
中国发明专利CN109377037A公开了一种基于分时列车数量序列的地铁峰期设置方法及系统，该方法及系统充分考虑了地铁出行起讫点客流数据，确定各时段的峰期类型，能够为城市轨道交通运营过程中峰期设置提供可靠的制定方法。中国发明专利CN107766969A公开了一种基于地铁服务能力瓶颈区段识别的大站快线布设方法，该方法考虑了地铁服务能力瓶颈区段的地铁运输能力和断面客流以及站点数、线路长度、载客能力的约束，利用遗传算法确定地面公交大站快线服务停靠的站点，使得地铁服务能力瓶颈区段的客流断面饱和度平均值最小，缓解地铁服务能力瓶颈区段的供求矛盾。中国发明专利CN104866931A公开一种基于大站停车和多站协同限流的地铁客流组织方法，该方法克服了孤立、静态考虑单个车站限制客流的局限性，考虑了各个车站客流变化对相邻车站的影响，把车站和线路作为一个整体，使得整条线路的客流变化动态联系起来，比既有的单站限流方案有明显的改善。上述现有技术均未考虑列车的实际牵引过程，也未考虑列车的真实运行环境，无法对列车的开行计划进行适应性地实时调整。
发明内容
本发明的主要目的在于提供城市轨道交通列车运行控制方法，以解决现有技术中未考虑列车的实际牵引过程和真实运行环境，无法对列车的开行计划进行适应性地实时调整的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了城市轨道交通列车运行控制方法。该方法包括以下步骤：
1)建立单列列车在牵引、制动、惰行三种工况下的合力模型，从而构建基于动力学的单列车运动模型；
2)建立单列列车的运行仿真模型，包括列车起动阶段、加速阶段、惰行阶段、进站制动阶段、停站阶段、折返阶段；
3)建立基于列车运行计划的列车群追踪运行仿真模型，包括列车区间追踪间隔保持阶段、列车车站间隔保持阶段、高峰期加车阶段、平峰期退车阶段。
基于列车牵引计算理论，考虑了列车起动、牵引、惰行、制动工况的转换等完整运行过程，可以根据轨道、车辆、载客量条件，分析测算列车区间运行时分、全程运行时间、运行图周期、区间即时速度、技术速度、旅行速度、平均运行速度，甚至列车能耗、操纵数据。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明城市轨道交通列车运行控制方法的速度时分曲线。
图2为本发明城市轨道交通列车运行控制方法的移动闭塞原理示意图。
图3为本发明城市轨道交通列车运行控制方法的单列列车运行逻辑的流程图。
图4为本发明城市轨道交通列车运行控制方法的列车群运行逻辑的流程图。
图5为本发明城市轨道交通列车运行控制方法的追踪运行的方法的流程图。
图6为本发明实施例1的城市轨道交通列车运行控制方法的列车牵引制动特性曲线。
图7为本发明实施例1的城市轨道交通列车运行控制方法的实迹运行图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。
本发明的城市轨道交通列车运行控制方法包括以下步骤：
一、建立单列列车在牵引、制动、惰行三种工况下的合力模型，从而构建基于动力学的单列车运动模型；
1.1坡道处理
轨道平面并不是平坦的，存在上下坡，对列车的运行会产生一定的影响。根据《牵引计算规程》TB/T1407-1998(下文简称《牵规》)，单位坡道附加阻力具体公式如下所示：
ωi＝ig (1)
其中，i为列车当前所在线路的坡度，负值代表上坡，正值代表下坡；g为重力加速度。
1.2曲线处理
轨道线路由于站点的设置，难免产生一定的曲线。曲线轨道附加阻力大小与曲线半径、列车速度、轨距、曲线外轨超高等因素相关，采用理论计算方法难以得出具体数值，根据《牵规》，其单位阻力公式如下所示：
ωr＝600g/R (2)
其中，R为列车所在线路的曲率半径。
1.3机车动力
列车机车提供的牵引力通过查询厂家提供的列车牵引特性曲线查得，具体速度下的牵引动力可以通过插值法计算，即取牵引力特性曲线上已知的两点(v1,F1)，(v2,F2)，(vx,Fx)位于 (v1,F1)和(v2,F2)之间，速度vx已知，牵引力Fx如下所示：
则列车单位重量的牵引力大小为：
其中，M为列车重量，Fx'为单位重力的列车牵引力。
1.4列车基本阻力
基本阻力是指列车在运行过程中由于列车机械设备摩擦、空气阻力等因素而产生的固有阻力，其具体的计算公式因列车机械设备传动特性和空气动力学外壳的不同而难以计算，一般是通过厂商的牵引实验来确定，对于不同的车型，列车基本阻力经验公式不同，根据《牵规》，列车的单位基本阻力计算公式为：
ω0＝a+bv+cv2 (5)
其中，ω0为列车基本阻力，v为列车车速，a,b,c为实验得出的经验常数。
1.5机车制动力计算
列车机车提供的制动力是由安装在机车和车辆上的制动装置产生的，数值通过查询厂家提供的电制动力-速度曲线查得，一般为恒定的数值，不随列车速度大小的变化而变化，在此使用符号ωf表示列车所受单位制动力。
1.6列车合力模型
牵引工况合力模型：列车受到牵引力、基本运行阻力和附加阻力影响
F＝F'x-ω0-ωi-ωr (6)
惰行工况合力模型：列车不受牵引力影响
F＝-ω0-ωi-ωr (7)
制动工况合力模型：列车受到制动力、基本运行阻力和附加阻力影响
F＝-ωf-ω0-ωi-ωr (8)
1.7列车运动方程计算模型
根据牛顿第二运动定律，列车所受合力产生的加速度公式为：
其中，F根据1.6中的三种形式来进行取值
最终得到列车的运动模型如下：
其中，Δt为仿真模型计算间隔，vt和vt+1分别为计算间隔前后列车的速度，St和St+1分别为计算间隔前后列车的里程。
1.8列车运行过程
列车在起动阶段，采用最大牵引力以使列车最快速将列车速度提升至限速；接近限速后的中间运行阶段，一般采取惰行、牵引两种工况不断切换(牵引-惰行对)的运行方式，以保证列车的运行速度维持在一个较高且安全的水平，并随着运行，在允许的范围内上下波动；进站阶段采用进站制动力，采用快速、安全制动模式，平稳停车。列车运行的速度时分曲线如图1所示，其中，(a)-(b)段为列车开始运行的加速曲线，(b)-(c)段为列车达到限速后惰行曲线， (c)-(d)段为列车为保持一定的运行速度，再次加速运行的曲线，(e)-(f)段为列车为停在车站而制动运行的曲线。
二、建立单列列车的运行仿真模型，包括列车起动阶段、加速阶段、惰行阶段、进站制动阶段、停站阶段、折返阶段；
2.1移动闭塞原理
移动闭塞模式下，后车根据前车的位置调整自身运行速度。如图2所示，为了保证后车与前车间的安全距离Ls，可以得到后车限速曲线，于是后车的速度不能高于当前限速值vlimit。
2.2单列列车运行逻辑
列车在一个区间内，在移动闭塞条件下运行的逻辑如图3所示，由于前车亦在不断向前运行，因此列车终将运行至区间的尽头，即前方车站。
单列列车运行逻辑如下：
step1：根据列车当前位置S获取前车位置Sb-t、前车站位置Sb-s和前后列车对象，根据列车运动模型和列车牵引制动特性曲线计算列车制动运行至速度0的制动距离Lb；
step2：取前车位置Sb-t，附加安全距离Ls，前车站位置Sb-s，设定目的地 St＝min(Sb-t-Ls,Sb-s)；
step3：比较制动距离Lb与列车当前位置S和目的地St之间的距离，若St-S＞Lb，则跳至step4，反之，跳至step5；
step4：列车按照牵引-惰行对方式运行：如图1中的(b)-(e)段；
step5：列车制动运行：如图1中的(e)-(f)段；
step6：判断列车是否到达目的地St，若已到达，则列车停站或折返，反之，回到step1。
三、建立基于列车运行计划的列车群追踪运行仿真模型，包括列车区间追踪间隔保持阶段、列车车站间隔保持阶段、高峰期加车阶段、平峰期退车阶段。
3.1初始化部分列车
初始化部分列车即根据运营方案，在轨道中指定的车站实例化列车对象。
3.2客流高峰加车作业
根据运营计划设定的时间点，在进入客流高峰前，缩短列车追踪间隔，在车辆段或停车场与正线连接的车站处进行加车的判断，若该站前后方附加安全距离内均无列车存在，则可进行加车作业，作业流程如图4中(1)-(2)流程所示。其中，列车追踪间隔根据地铁运营方的运营计划自行设置，一般为缩短50％。
3.3客流平峰退车作业
在客流进入平峰阶段后，根据运营计划中规定的退车车次，在车辆段与正线连接的车站处进行退车作业，并逐渐增大未退出运营的列车追踪间隔，流程如图4中(3)-(4)流程所示。
另外，图4中流程(5)中所有列车运行一个仿真时间段Δt的方法流程如图3所示。
综上，列车群运行逻辑如图4所示，具体步骤如下：
step1：设定仿真结束时间点Tend、早高峰开始时间Ta-s、早高峰结束时间Ta-e、晚高峰开始时间Tp-s、晚高峰结束时间Tp-e、高峰追踪间隔tpeak、平峰追踪最大间隔tflat和仿真实时时间T；
step2：获取仿真实时时间T，当前追踪间隔t，车站位置Ss，附加安全距离Ls，前车位置Sb-t，后车位置Sa-t；
step3：判断当前时间是否为客流高峰期：若Tp-s≤T<Tp-e或Ta-s≤T＜Ta-e，则在客流高峰期，转到step4，反之转到step6；
step4：判断车站是否可进行加车作业：若Sb-t-Ss>Ls、Ss-Sa-t>Ls、t>tpeak，转到step5，反之转到step8；
step5：在车站新增列车：根据列车类和轨道类实例化新的列车对象；
step6：判断车站是否应该进行退车作业：若t＜tflat且有列车停于Ss，则转到step7，反之转到step8；
step7：在车站进行退车作业：将当前站停靠列车对象删除；
step8：仿真实时时间T自增一个仿真时间段ΔT；
step9：判断仿真是否结束：若T>Tend，则转到step10，反之转到step2；
step10：结束仿真，输出运行日志。
其中，在高峰时段，追踪间隔最小为tpeak，在平峰时段，追踪间隔最大为tflat，追踪间隔 t满足tpeak≤t≤tflat，t＝(高峰时段最大列车数/当前列车数)*tpeak；优选地，所述tflat＝2tpeak。
所述运行日志记录各个仿真时间段ΔT的以下数据：列车名、档位、所处轨道、位置、速度和重量。
所述轨道类包括轨道信息，所述轨道信息包括车站、里程、轨道坡度、轨道曲线曲率半径、轨道限速和轨道是否占用信息，所述轨道信息以六维数组的数据结构实现。
所述列车类包括列车信息、获取轨道信息的方法以及追踪运行的方法；所述列车信息包括档位(牵引、制动、惰行)、速度、加速度、位置、所处轨道(正向或反向)、停站时长、目的地、重量、列车限速、列车是否停站、上次停站时间点和列车能耗。所述获取轨道信息的方法包括根据轨道的一个轨道信息在轨道类中得到其它轨道信息。
其中，所述追踪运行的方法如图5所示，其逻辑如下：
step1：根据列车当前位置S获取附加安全距离Ls、前车位置Sb-t和后车位置Sa-t，若列车处于停站中，则转至step2，反之转至step5；
step2：判断后方列车是否进入追踪安全距离：若S-Sa-t＜Ls，则转至step3，反之转至 step4；
step3：列车减少停站时间，转至step10；
step4：列车正常停站，转至step10；
step5：判断列车是否越过终点站：若S＞轨道长度，则转至step6，反之转至step7；
step6：列车折返运行，转至step10；
step7：若前车存在且已停站，则转至step8，反之转至step9；
step8：列车减速运行，转至step10；
step9：列车按照单列列车运行逻辑运行，转至step10；
step10：更新列车速度、位置、加速度属性，结束。
其中，step3中，优选使列车停站时间的减少程度为减少剩余停站时间的三分之一；step8 中，优选使列车速度的减少程度为减少速度的三分之一。
以下通过具体的实例来说明本发明的效果。该实例的开行计划设置方法具体如下：
实施例1
1、地铁某线路参数如下
设定站台数为站1～站8，停站时长(stop_time)为45s，高峰时期列车追踪间隔tpeak为 2min，平峰追踪间隔tflat为4min，附加安全距离Ls为1400米，仿真时间段ΔT＝0.3s，获取的列车牵引制动特性曲线如图6所示，车站位置信息如表1所示，轨道曲线如表2所示，轨道坡度信息如表3所示，运营时间信息如表4所示。
表1地铁某线路车站表
表2地铁某线路曲线表
曲线起点位置里程(米) 曲线终点位置里程(米) 曲线曲率半径(米)
1105 1319 1500
1937 2148 400
2188 4053 2200
7954 9166 6000
10148 11026 6200
11176 11697 4000
11760 11976 2800
12856 13799 6000
17492 17738 1500
18332 19007 500
19280 19805 800
20188 20395 800
20418 20514 1500
20535 20632 1500
21074 21437 1500
22044 22578 2000
22680 23767 600
24328 24549 2000
25470 25701 2000
26413 27191 450
27901 28521 1200
29162 30314 550
31983 31076 1000
表3地铁某线路坡段表
表4地铁某线路运营计划基础数据表
2、结果分析
以时间段6:00-9:30为例，根据运行日志计算得到整条线路中每列列车的距离-时间关系，即实迹运行图如图7所示。图7中：06:00轨道内部分车站已停放有10辆列车，开始运营后即开始运行，即站1有一辆车正向行驶，站2-4和站6各有一辆正向行驶和反向行驶的列车，站8有一辆反向行驶的列车；07:30进入客流高峰期，从站1和站3处开始进行加车作业；08:30 起，客流逐渐回落，系统开始进行部分列车退出运营作业，在09:30左右完成退车作业，系统进入客流平峰阶段。可见，本发明可以根据一日内客流平峰、高峰、平峰、高峰、平峰的变化趋势，根据客流分布和数量特征仿真全日开行计划，适应性调整开行计划，从而计算列车车底需要数量，分析计算通过能力。根据客流情况和开行计划的仿真，可以比较和评价不同列车开行计划，找出同样客流条件下最合理、车底最少的开行计划，提升开行计划的效益。根据列车、线路、信号系统、运输组织要求，分析系统最大通过能力和最大客流输送能力，安全保障水平，提供基础数据。
通过计算运行日志得出线路能力、旅行速度等技术参数如表5所示。表5中：运行时间为列车在各区间走行时间之和；运行速度为线路长度除以运行时间；旅行时间为列车在整条线路中运行的时间，包括了列车在车站的停站时间；旅行速度为线路长度除以旅行时间；追踪间隔为前后两列列车通过线路同一位置的时刻之差；开行对数为一段时间内从起点站运行至终点站的列车对数，一列上行一列下行合计为一对；车底数为具体使用的列车列数。可见，本发明的单列车运行过程基于列车牵引计算理论，考虑了列车起动、牵引、惰行、制动工况的转换等完整运行过程，可以根据轨道、车辆、载客量条件，分析测算列车区间运行时分、全程运行时间、运行图周期、区间即时速度、技术速度、旅行速度、平均运行速度，甚至列车能耗、操纵数据。
表5地铁某线路列车运行计划仿真数据统计
在实际运用中，采用本发明的城市轨道交通列车运行控制方法后，可以使地铁的开行计划根据实时仿真结果实时控制车次的增加和减少，自动化程度高，且资源利用合理。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.城市轨道交通列车运行控制方法，包括以下步骤：
1)建立单列列车在牵引、制动、惰行三种工况下的合力模型，从而构建基于动力学的单列车运动模型；
2)建立单列列车的运行仿真模型，包括列车起动阶段、加速阶段、惰行阶段、进站制动阶段、停站阶段、折返阶段；
3)建立基于列车运行计划的列车群追踪运行仿真模型，包括列车区间追踪间隔保持阶段、列车车站间隔保持阶段、高峰期加车阶段、平峰期退车阶段。
2.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：
单列车运动模型：
其中，Δt为计算间隔，vt和vt+1分别为计算间隔前后列车的速度，St和St+1分别为计算间隔前后列车的里程，列车所受合力产生的加速度a＝Fg，F为单列列车在牵引、制动、惰行中任一种工况下所产生的单位合力，g为重力加速度。
3.如权利要求2所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：
单列车合力模型：
牵引工况合力模型：F＝F′x-ω0-ωi-ωr；
惰性工况合力模型：F＝-ω0-ωi-ωr；
制动工况合力模型：F＝-ωf-ω0-ωi-ωr；
其中，列车单位重量的牵引力F′x＝1000Fx/(Mg)，牵引力(v1,F1)和(v2,F2)分别为牵引力特性曲线上已知的两点，(vx,Fx)位于(v1,F1)和(v2,F2)之间，M为列车重量；
列车的单位基本阻力ω0＝a+bv+cv2，v为列车车速，a、b和c为实验得出的经验常数；
单位坡道附加阻力ωi＝ig，i为列车当前所在线路的坡度，负值代表上坡，正值代表下坡；
列车单位阻力ωr＝600g/R，R为列车所在线路的曲率半径；
ωf为列车所受单位制动力。
4.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：
单列列车运行仿真模型：
step1：根据列车当前位置S获取前车位置Sb-t、前车站位置Sb-s和前后列车对象，根据列车运动模型和列车牵引制动特性曲线计算列车制动运行至速度0的制动距离Lb；
step2：取前车位置Sb-t，附加安全距离Ls，前车站位置Sb-s，设定目的地St＝min(Sb-t-Ls,Sb-s)；
step3：比较制动距离Lb与列车当前位置S和目的地St之间的距离，若St-S＞Lb，则跳至step4，反之，跳至step5；
step4：列车按照牵引-惰行对方式运行；
step5：列车制动运行；
step6：判断列车是否到达目的地St，若已到达，则列车停站或折返，反之，回到step1。
5.如权利要求1所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：
列车群追踪运行仿真模型：
step1：设定仿真结束时间点Tend、早高峰开始时间Ta-s、早高峰结束时间Ta-e、晚高峰开始时间Tp-s、晚高峰结束时间Tp-e、高峰追踪间隔tpeak、平峰追踪最大间隔tflat和仿真实时时间T；
step2：获取仿真实时时间T，当前追踪间隔t，车站位置Ss，附加安全距离Ls，前车位置Sb-t，后车位置Sa-t；
step3：判断当前时间是否为客流高峰期：若Tp-s≤T<Tp-e或Ta-s≤T＜Ta-e，则在客流高峰期，转到step4，反之转到step6；
step4：判断车站是否可进行加车作业：若Sb-t-Ss>Ls、Ss-Sa-t>Ls、t>tpeak，转到step5，反之转到step8；
step5：在车站新增列车：根据列车类和轨道类实例化新的列车对象；
step6：判断车站是否应该进行退车作业：若t＜tflat且有列车停于Ss，则转到step7，反之转到step8；
step7：在车站进行退车作业：将当前站停靠列车对象删除；
step8：仿真实时时间T自增一个仿真时间段ΔT；
step9：判断仿真是否结束：若T>Tend，则转到step10，反之转到step2；
step10：结束仿真，输出运行日志。
6.如权利要求5所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：所述轨道类包括轨道信息，所述轨道信息包括车站、里程、轨道坡度、轨道曲线曲率半径、轨道限速和轨道是否占用信息，所述轨道信息以六维数组的数据结构实现。
7.如权利要求5所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：所述列车类包括列车信息、获取轨道信息的方法以及追踪运行的方法；所述列车信息包括档位、速度、加速度、位置、所处轨道、停站时长、目的地、重量、列车限速、列车是否停站、上次停站时间点和列车能耗。
8.如权利要求7所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：获取轨道信息的方法包括根据轨道的一个轨道信息在轨道类中得到其它轨道信息。
9.如权利要求7所述的城市轨道交通列车运行控制方法，其特征在于：
追踪运行的方法包括以下逻辑：
step1：根据列车当前位置S获取附加安全距离Ls、前车位置Sb-t和后车位置Sa-t，若列车处于停站中，则转至step2，反之转至step5；
step2：判断后方列车是否进入追踪安全距离：若S-Sa-t＜Ls，则转至step3，反之转至step4；
step3：列车减少停站时间，转至step10；
step4：列车正常停站，转至step10；
step5：判断列车是否越过终点站：若S＞轨道长度，则转至step6，反之转至step7；
step6：列车折返运行，转至step10；
step7：若前车存在且已停站，则转至step8，反之转至step9；
step8：列车减速运行，转至step10；
step9：列车按照单列列车运行逻辑运行，转至step10；
step10：更新列车速度、位置、加速度属性，结束。
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