列車運(yùn)行過程模擬與分析課件

城市軌道交通

系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理

列車運(yùn)行過程模擬與分析城市軌道交通

系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)管理1對(duì)列車運(yùn)行過程進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)是更好的滿足運(yùn)輸需求并管理好城市軌道交通系統(tǒng)的基本要求。

列車運(yùn)行過程中涉及到許多元素，列車運(yùn)行計(jì)算旨在快速準(zhǔn)確的計(jì)算列車在不同條件下的運(yùn)行效果并加以評(píng)價(jià)。

本章介紹列車運(yùn)行過程的影響因素、列車運(yùn)行的基本原理，同時(shí)對(duì)相關(guān)軟件進(jìn)行介紹，最后通過案例進(jìn)行說明。對(duì)列車運(yùn)行過程進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)是更好的滿足運(yùn)輸需求并管28.1列車運(yùn)行過程影響因素8.2城市軌道交通系統(tǒng)列車運(yùn)行基本原理8.3計(jì)算機(jī)模擬方法的應(yīng)用8.4相關(guān)軟件介紹8.5RAILSYS系統(tǒng)及應(yīng)用8.1列車運(yùn)行過程影響因素38.1列車運(yùn)行過程影響因素

列車的移動(dòng)是在一個(gè)復(fù)雜多變的環(huán)境下，由眾多因素作用的結(jié)果，既有動(dòng)態(tài)因素又有靜態(tài)因素。其中環(huán)境因素主要包括：?線路條件?列車條件?信號(hào)條件?供電參數(shù)?計(jì)算原則8.1列車運(yùn)行過程影響因素4列車運(yùn)行過程模擬與分析ppt課件58.2城市軌道交通系統(tǒng)列車運(yùn)行基本原理

8.2.1列車運(yùn)動(dòng)原理

列車運(yùn)行中受到多種力的作用，主要包括①牽引力F②列車基本阻力③線路附加阻力（坡道、曲線等阻力）④列車制動(dòng)力B⑤車輛重力P⑥車鉤作用力⑦其他作用力

牽引運(yùn)行時(shí)車上合力為：C=F-Wk(N)

單位合力為：

c=C/[(P+G)*g]=f-wk(N/kN)8.2城市軌道交通系統(tǒng)列車運(yùn)行基本原理8.2.16上式中：F—輪周牽引力，N；Wk—列車運(yùn)行總阻力，N；P—?jiǎng)榆囉?jì)算總質(zhì)量，t；G—拖車計(jì)算總質(zhì)量，t；f—單位輪周牽引力，N/kN；wk—列車運(yùn)行時(shí)單位總阻力，N/kN。

惰行時(shí)，牽引力為零，

作用于列車上的合力為：C=-Wk(N)單位合力為：c=-Wk/[(P+G)*g]=-wk(N/kN)制動(dòng)時(shí)列車合力為：C=-(B+Wk)(N)單位合力為：c=-(b+wk)(N/kN)上式中：F—輪周牽引力，N；Wk—列車運(yùn)行總阻力，N7上式中：B—列車制動(dòng)力；b—列車單位制動(dòng)力顯而易見的是C<0時(shí)，列車減速運(yùn)行；C>0時(shí)列車加速前進(jìn)；C=0時(shí)列車做勻速運(yùn)行，根據(jù)牛頓定律可知：C=ma(N)a—列車加速度，m/s2；m—列車質(zhì)量，kg；計(jì)算方法為：m=1000(P+G)(kg)從而列車加速度為：a=dv/dt=C/m=C/[1000(P+G)](m/s2)若將加速度表示為km/h2，則有：a=12960C/[1000(P+G)]=12.96C/(P+G)(km/h2)亦：

a=12.96c(km/h2)

換言之，作用于列車上每一單位合力（N/t）都會(huì)使列車獲得12.96km/h2的加速度上式中：B—列車制動(dòng)力；b—列車單位制動(dòng)力8實(shí)際上在考慮消耗的情況下，列車實(shí)際獲得要低于上述數(shù)值，計(jì)算時(shí)一般取12.2km/h2，即：dv/dt=12.2(km/h2)dt=dv/12.2c∫dt=∫dv/12.2c

由于ds=vdt，故：∫ds=∫vdv/12.2c

牽引計(jì)算時(shí)，一般將列車速度分為多個(gè)間隔ΔV，

用有限小的速度增量代替理論上無限小的速度增量dv，推導(dǎo)可得：ΔS=S2—S1=（V22-V12）/（2*12.2c）(km)

或

ΔS=

41（V22-V12）/c(m)

不難看出，所取的ΔS越小，計(jì)算到的速度與時(shí)間就越精確。

實(shí)際上在考慮消耗的情況下，列車實(shí)際獲得要低于上述數(shù)值98.2.2牽引力計(jì)算動(dòng)車借助其動(dòng)輪和鋼軌間的相互作用將牽引電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)換為輪周牽引力，這種牽引力為列車提供前進(jìn)的動(dòng)力。牽引力的產(chǎn)生

圖8—1是車輪對(duì)鋼軌之間相互作用的一種描述

vRiMi

T

Fi’

Fi’

fifi’Pi8.2.2牽引力計(jì)算動(dòng)車借助其動(dòng)輪和鋼軌間的相互10圖8—1中牽引電機(jī)作用在輪對(duì)上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mi形成一對(duì)力偶Fi和Fi’，F(xiàn)i作用在輪對(duì)和鋼軌接觸面，使車輪具有向左移動(dòng)的趨勢(shì)，產(chǎn)生鋼軌上的力fi’，輪軌間的摩擦力又引起向右的靜摩擦力fi，也就是輪周牽引力，

Fi’與軸承對(duì)動(dòng)輪的反作用力是一對(duì)內(nèi)力，

Fi=

Fi’=

Mi/Ri，Ri為動(dòng)輪半徑。Fi增大時(shí)，

fi’隨之增大，增加超過某一水平時(shí)，出現(xiàn)‘蠕滑’現(xiàn)象，即黏著狀態(tài)被破壞，粘著力反而迅速減少，實(shí)驗(yàn)表明粘著力最大值fmax=μPi

,μ為粘著系數(shù)，Pi為正壓力。

動(dòng)輪不空轉(zhuǎn)所能實(shí)現(xiàn)的最大牽引力為粘著牽引力FμFμ=

μjPμ

式中：μj—計(jì)算粘著系數(shù)；

Pμ—粘著質(zhì)量圖8—1中牽引電機(jī)作用在輪對(duì)上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mi形成一112.牽引力取值

牽引力大小由牽引特性曲線決定，其取值與列車運(yùn)行速度和操縱手把位有關(guān)，例如在一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)有FL0=f（Ns，v0）FL1=f（Ns，v1）

式中v0，v1—分別為該步長(zhǎng)內(nèi)的初速與末速。

步長(zhǎng)較小時(shí)可以使用初速作為步內(nèi)的參數(shù)。

牽引力的大小還要考慮粘著力的限制：FL2=μ0WL

式中μ0—粘著牽引力系數(shù)。2.牽引力取值牽引力大小由牽引特性曲線決12牽引力的確定是列車運(yùn)行計(jì)算的關(guān)鍵，其取值應(yīng)盡量精確和符合實(shí)際情況，一般認(rèn)為列車在2.5km/h下為起動(dòng)狀態(tài)，采用黏著牽引力；超過該速度時(shí)原則上可按牽引特性曲線取牽引力值，圖8—2為牽引特性曲線（橫軸為速度km/h，縱軸為牽引力kN）：牽引力的確定是列車運(yùn)行計(jì)算的關(guān)鍵，其取值應(yīng)盡量精確133.有級(jí)牽引與無級(jí)牽引

根據(jù)牽引特性，分為有級(jí)和無級(jí)兩種。

（1）有級(jí)牽引有級(jí)牽引時(shí)，牽引力取值是按不同牽引級(jí)位（手柄位）牽引特性曲線上與速度對(duì)應(yīng)的值來確定的，對(duì)中間手柄位的取值計(jì)算需要采用線性插值法進(jìn)行。

3.有級(jí)牽引與無級(jí)牽引根據(jù)牽引特性，分為有級(jí)142.無級(jí)牽引

無級(jí)牽引時(shí)機(jī)車沒有級(jí)位之分，牽引力取值有兩種情況：①按機(jī)車牽引特性曲線取值，牽引力是實(shí)際速度的函數(shù)：F=f（v）

圖8-3為某列車牽引力特性曲線（1000V為標(biāo)準(zhǔn)特性）：2.無級(jí)牽引無級(jí)牽引時(shí)機(jī)車沒有級(jí)位之分，牽引15②按加速度來計(jì)算牽引力，即根據(jù)列車當(dāng)前速度以及目標(biāo)速度來計(jì)算所需牽引力：F=f(v，vtarget)

亦即：

F=(Mm+Mt)·g·a(v，vtarget)

式中：Mm，Mt—分別為動(dòng)車與拖車總質(zhì)量，kg；

a(v,vtarget)—與列車速度和目標(biāo)速度相關(guān)的加速度，可從事先定義的表格中查到；

g—重力加速度。

上述無級(jí)牽引模式也可用于無機(jī)車牽引曲線可用條件下列車運(yùn)行歸結(jié)的框架性計(jì)算。

②按加速度來計(jì)算牽引力，即根據(jù)列車當(dāng)前速度以及目標(biāo)168.2.3列車運(yùn)行阻力計(jì)算

動(dòng)力集中條件下，列車運(yùn)行阻力分為機(jī)車阻力和車輛阻力；城市軌道交通系統(tǒng)中，采用動(dòng)力分散結(jié)構(gòu)，阻力按來源可分為基本阻力和附加阻力。1.基本阻力

基本阻力是指列車在平直軌道上運(yùn)行時(shí)，由列車內(nèi)部與外界接觸摩擦和沖擊而產(chǎn)生的阻力，它主要與列車構(gòu)造有關(guān)。

我國(guó)城市間列車基本阻力模型可按“列車牽引計(jì)算規(guī)程”中給出的模型計(jì)算，在城市鐵路中這方面還沒有系統(tǒng)的規(guī)范和條文，一般可參考前述規(guī)程。

8.2.3列車運(yùn)行阻力計(jì)算動(dòng)力集中條件下，列車172.列車啟動(dòng)阻力

啟動(dòng)時(shí)的基本阻力一般按5N/KN計(jì)算，滾動(dòng)軸承車輛按3.5N/KN計(jì)算。

圖8-4描述了列車阻力隨速度變化的一般形式，起動(dòng)速度一般按2.5~5km/h左右。2.列車啟動(dòng)阻力183.列車附加阻力

列車附加阻力主要是由線路引起的，這些因素包括坡道、曲線、隧道等，在牽引計(jì)算中，這些附加阻力是通過換算一個(gè)等值的坡道當(dāng)量即加算坡道ij引起的單位阻力ωj來刻畫的。8.2.4列車制動(dòng)力計(jì)算

制動(dòng)時(shí)列車調(diào)速的重要手段，尤其在速度限制、下坡道和進(jìn)站停車時(shí)。

根據(jù)列車制動(dòng)設(shè)備類型，制動(dòng)方法可分為以下三種：3.列車附加阻力19（1）摩擦制動(dòng)

摩擦制動(dòng)分為閘瓦制動(dòng)和盤式制動(dòng)。

摩擦制動(dòng)主要指我國(guó)城市間長(zhǎng)距離鐵路運(yùn)輸?shù)那闆r，根據(jù)牽引計(jì)算規(guī)程，列車單位制動(dòng)力模型為b=1000θhφh(N/kN)

式中：θh—列車換算制動(dòng)率；

φh—換算摩擦系數(shù)。（1）摩擦制動(dòng)20（2）電氣制動(dòng)

電氣制動(dòng)包括電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)。電氣制動(dòng)是利用電機(jī)的可逆原理，在制動(dòng)工況下將牽引電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)從而形成反響扭矩，并作用在動(dòng)輪上形成電制動(dòng)力。

地鐵列車中多采用此種方法，一般可按照以下幾種典型的速度控制類型來計(jì)算：①利用制動(dòng)曲線直接取值，如圖所示：（2）電氣制動(dòng)21②列車減速按給定的減速度計(jì)算

不考慮列車所能獲得的制動(dòng)力，所取的減速度值就是列車的最終減速度值，可以考慮與以下兩個(gè)因素有關(guān)：a.列車當(dāng)前速度與由當(dāng)前位置決定的目標(biāo)速度間的差值。該差值越大減速度越大。b.線路速度決定于線路加算坡度，一般可按下表確定減速度值：

（3）電磁制動(dòng)

電磁制動(dòng)包括磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)，最大優(yōu)點(diǎn)是是不受黏著條件限制。加算坡度速度差(km/h)6‰以上6‰—2‰2‰—-2‰-2‰及以下K以上-0.5m/s2-0.3m/s2-0.2m/s2-0.1m/s2②列車減速按給定的減速度計(jì)算228.2.5城市軌道交通站間運(yùn)行模式城市軌道交通站間距較短，一般有兩種模式：（1）牽引—恒速—制動(dòng)模式（2）牽引—惰性—制動(dòng)模式上述兩種模式適合大多數(shù)場(chǎng)合，當(dāng)站間距較大、線路變化也很大時(shí)可能需要多次牽引—惰行的組合。

考慮到旅客舒適度與貨物運(yùn)輸安全，列車在牽引運(yùn)行過程中對(duì)加減速的極限應(yīng)該有一定的限制。

國(guó)外實(shí)踐表明，當(dāng)所有旅客均有座位時(shí)，最大加速度不宜超過2.41m/s2；有乘客站立時(shí)不宜超過1.52m/s2。8.2.5城市軌道交通站間運(yùn)行模式城市軌道交通站間距較238.2.6列車運(yùn)動(dòng)中的其他參數(shù)1.牽引供電計(jì)算當(dāng)前電壓制式主要有直流600V，750V及3000V；交流6250V，15000V和25000V。2.能耗計(jì)算①電力牽引能耗計(jì)算②內(nèi)燃牽引能耗計(jì)算3.運(yùn)營(yíng)費(fèi)計(jì)算4.信號(hào)機(jī)布局

（1）信號(hào)系統(tǒng)配置的目安全、效率和經(jīng)濟(jì)。8.2.6列車運(yùn)動(dòng)中的其他參數(shù)1.牽引供電計(jì)算24（2）信號(hào)系統(tǒng)配置考慮的因素

主要包括：列車緊急制動(dòng)距離信號(hào)顯示制式軌道電路長(zhǎng)度列車種類列車運(yùn)行組織模式線路具體條件（2）信號(hào)系統(tǒng)配置考慮的因素258.3計(jì)算機(jī)模擬方法的應(yīng)用8.3.1牽引計(jì)算的應(yīng)用1.鐵路運(yùn)輸方面2.機(jī)車運(yùn)用方面3.選線設(shè)計(jì)方面4.通信信號(hào)方面5.運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)方面8.3計(jì)算機(jī)模擬方法的應(yīng)用8.3.1牽引計(jì)算的應(yīng)用268.3.2牽引計(jì)算模擬系統(tǒng)的適用范圍（1）可為工程設(shè)計(jì)人員提供各種條件下系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算，輸出工程設(shè)計(jì)基本圖紙。

（2）可為工程咨詢?nèi)藛T提供多方案比選的結(jié)果，分析最佳配置方案，分析相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（3）可用于機(jī)車運(yùn)用方案及操縱方案的優(yōu)化、提速方案的分析模擬、運(yùn)行圖技術(shù)參數(shù)的確定、技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算等方面。

（4）可為教學(xué)人員提供動(dòng)態(tài)演示，為相關(guān)的研究分析提供參考依據(jù)。8.3.2牽引計(jì)算模擬系統(tǒng)的適用范圍（1）可為工程設(shè)計(jì)278.4相關(guān)軟件的介紹（1）城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)1997—1999年間，由北方交通大學(xué)與香港理工大學(xué)合作，在北京城建院等單位的配合下采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法開發(fā)了城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)。（2）RAILSIM系統(tǒng)RAILSIM是北美鐵路常用的一套模擬軟件，用于鐵路運(yùn)營(yíng)和工程建模、設(shè)計(jì)、模擬和分析的軟件，以TPC（TrainPerformanceCalculator）為基礎(chǔ)，可以精確模擬任何鐵路系統(tǒng)中任何列車的運(yùn)行。（3）列車牽引計(jì)算及操縱（4）機(jī)車司機(jī)操縱評(píng)價(jià)系統(tǒng)（5）牽引電算系統(tǒng)8.4相關(guān)軟件的介紹（1）城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)288.5RAILSYS系統(tǒng)及實(shí)例

RAILSYS是由德國(guó)漢諾威大學(xué)（UniversityofHannover）和德國(guó)鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的基于路網(wǎng)的鐵路運(yùn)輸微觀模擬仿真系統(tǒng)。作為一款鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及時(shí)刻表仿真、優(yōu)化和管理軟件，該系統(tǒng)適用于各種規(guī)模鐵路網(wǎng)絡(luò)的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化等。本門課程模擬實(shí)踐主要基于本軟件進(jìn)行(以西安地鐵二號(hào)線數(shù)據(jù)為例)。

主要組成：1.InfrastructureManager基礎(chǔ)建設(shè)1.InfrastructureManager基礎(chǔ)建設(shè)1.InfrastructureManager基礎(chǔ)建設(shè)8.5RAILSYS系統(tǒng)及實(shí)例RAILSYS是由291.InfrastructureManager基礎(chǔ)建設(shè)基礎(chǔ)建設(shè)是所有項(xiàng)目的起點(diǎn)，在此部分進(jìn)行工程線路的鋪畫。通過使用繪圖組件將全線線路展現(xiàn)出來，站臺(tái)、信號(hào)機(jī)、道岔、閉塞等線路組成部分需要準(zhǔn)確數(shù)據(jù)繪制于本部分。

繪制錯(cuò)誤部分系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示并且詳細(xì)解釋。

繪制完成如圖：1.InfrastructureManager基礎(chǔ)建設(shè)302.TimetableAndSimulationManager仿真模擬

仿真模擬是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分，需要在