列車運行過程模擬與分析課件

城市軌道交通

系統(tǒng)運營管理

列車運行過程模擬與分析城市軌道交通

系統(tǒng)運營管理1對列車運行過程進行良好的設計是更好的滿足運輸需求并管理好城市軌道交通系統(tǒng)的基本要求。

列車運行過程中涉及到許多元素，列車運行計算旨在快速準確的計算列車在不同條件下的運行效果并加以評價。

本章介紹列車運行過程的影響因素、列車運行的基本原理，同時對相關軟件進行介紹，最后通過案例進行說明。對列車運行過程進行良好的設計是更好的滿足運輸需求并管28.1列車運行過程影響因素8.2城市軌道交通系統(tǒng)列車運行基本原理8.3計算機模擬方法的應用8.4相關軟件介紹8.5RAILSYS系統(tǒng)及應用8.1列車運行過程影響因素38.1列車運行過程影響因素

列車的移動是在一個復雜多變的環(huán)境下，由眾多因素作用的結(jié)果，既有動態(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?信號條件?供電參數(shù)?計算原則8.1列車運行過程影響因素4列車運行過程模擬與分析ppt課件58.2城市軌道交通系統(tǒng)列車運行基本原理

8.2.1列車運動原理

列車運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列車制動力B⑤車輛重力P⑥車鉤作用力⑦其他作用力

牽引運行時車上合力為：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)列車運行基本原理8.2.16上式中：F—輪周牽引力，N；Wk—列車運行總阻力，N；P—動車計算總質(zhì)量，t；G—拖車計算總質(zhì)量，t；f—單位輪周牽引力，N/kN；wk—列車運行時單位總阻力，N/kN。

惰行時，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)制動時列車合力為：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—列車運行總阻力，N7上式中：B—列車制動力；b—列車單位制動力顯而易見的是C<0時，列車減速運行；C>0時列車加速前進；C=0時列車做勻速運行，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）都會使列車獲得12.96km/h2的加速度上式中：B—列車制動力；b—列車單位制動力8實際上在考慮消耗的情況下，列車實際獲得要低于上述數(shù)值，計算時一般取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

牽引計算時，一般將列車速度分為多個間隔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，計算到的速度與時間就越精確。

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

圖8—1是車輪對鋼軌之間相互作用的一種描述

vRiMi

T

Fi’

Fi’

fifi’Pi8.2.2牽引力計算動車借助其動輪和鋼軌間的相互10圖8—1中牽引電機作用在輪對上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mi形成一對力偶Fi和Fi’，F(xiàn)i作用在輪對和鋼軌接觸面，使車輪具有向左移動的趨勢，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’與軸承對動輪的反作用力是一對內(nèi)力，

Fi=

Fi’=

Mi/Ri，Ri為動輪半徑。Fi增大時，

fi’隨之增大，增加超過某一水平時，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，實驗表明粘著力最大值fmax=μPi

,μ為粘著系數(shù)，Pi為正壓力。

動輪不空轉(zhuǎn)所能實現(xiàn)的最大牽引力為粘著牽引力FμFμ=

μjPμ

式中：μj—計算粘著系數(shù)；

Pμ—粘著質(zhì)量圖8—1中牽引電機作用在輪對上的驅(qū)動轉(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，其取值與列車運行速度和操縱手把位有關，例如在一個計算步長內(nèi)有FL0=f（Ns，v0）FL1=f（Ns，v1）

式中v0，v1—分別為該步長內(nèi)的初速與末速。

步長較小時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行計算的關鍵，其取值應盡量精確和符合實際情況，一般認為列車在2.5km/h下為起動狀態(tài)，采用黏著牽引力；超過該速度時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行計算的關鍵，其取值應盡量精確133.有級牽引與無級牽引

根據(jù)牽引特性，分為有級和無級兩種。

（1）有級牽引有級牽引時，牽引力取值是按不同牽引級位（手柄位）牽引特性曲線上與速度對應的值來確定的，對中間手柄位的取值計算需要采用線性插值法進行。

3.有級牽引與無級牽引根據(jù)牽引特性，分為有級142.無級牽引

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

圖8-3為某列車牽引力特性曲線（1000V為標準特性）：2.無級牽引無級牽引時機車沒有級位之分，牽引15②按加速度來計算牽引力，即根據(jù)列車當前速度以及目標速度來計算所需牽引力：F=f(v，vtarget)

亦即：

F=(Mm+Mt)·g·a(v，vtarget)

式中：Mm，Mt—分別為動車與拖車總質(zhì)量，kg；

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

g—重力加速度。

上述無級牽引模式也可用于無機車牽引曲線可用條件下列車運行歸結(jié)的框架性計算。

②按加速度來計算牽引力，即根據(jù)列車當前速度以及目標168.2.3列車運行阻力計算

動力集中條件下，列車運行阻力分為機車阻力和車輛阻力；城市軌道交通系統(tǒng)中，采用動力分散結(jié)構，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行時，由列車內(nèi)部與外界接觸摩擦和沖擊而產(chǎn)生的阻力，它主要與列車構造有關。

我國城市間列車基本阻力模型可按“列車牽引計算規(guī)程”中給出的模型計算，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列車運行阻力計算動力集中條件下，列車172.列車啟動阻力

啟動時的基本阻力一般按5N/KN計算，滾動軸承車輛按3.5N/KN計算。

圖8-4描述了列車阻力隨速度變化的一般形式，起動速度一般按2.5~5km/h左右。2.列車啟動阻力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，在牽引計算中，這些附加阻力是通過換算一個等值的坡道當量即加算坡道ij引起的單位阻力ωj來刻畫的。8.2.4列車制動力計算

制動時列車調(diào)速的重要手段，尤其在速度限制、下坡道和進站停車時。

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

摩擦制動分為閘瓦制動和盤式制動。

摩擦制動主要指我國城市間長距離鐵路運輸?shù)那闆r，根據(jù)牽引計算規(guī)程，列車單位制動力模型為b=1000θhφh(N/kN)

式中：θh—列車換算制動率；

φh—換算摩擦系數(shù)。（1）摩擦制動20（2）電氣制動

電氣制動包括電阻制動和再生制動。電氣制動是利用電機的可逆原理，在制動工況下將牽引電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機從而形成反響扭矩，并作用在動輪上形成電制動力。

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算：①利用制動曲線直接取值，如圖所示：（2）電氣制動21②列車減速按給定的減速度計算

不考慮列車所能獲得的制動力，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因素有關：a.列車當前速度與由當前位置決定的目標速度間的差值。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

電磁制動包括磁軌制動和渦流制動，最大優(yōu)點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算228.2.5城市軌道交通站間運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—制動模式（2）牽引—惰性—制動模式上述兩種模式適合大多數(shù)場合，當站間距較大、線路變化也很大時可能需要多次牽引—惰行的組合。

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

國外實踐表明，當所有旅客均有座位時，最大加速度不宜超過2.41m/s2；有乘客站立時不宜超過1.52m/s2。8.2.5城市軌道交通站間運行模式城市軌道交通站間距較238.2.6列車運動中的其他參數(shù)1.牽引供電計算當前電壓制式主要有直流600V，750V及3000V；交流6250V，15000V和25000V。2.能耗計算①電力牽引能耗計算②內(nèi)燃牽引能耗計算3.運營費計算4.信號機布局

（1）信號系統(tǒng)配置的目安全、效率和經(jīng)濟。8.2.6列車運動中的其他參數(shù)1.牽引供電計算24（2）信號系統(tǒng)配置考慮的因素

主要包括：列車緊急制動距離信號顯示制式軌道電路長度列車種類列車運行組織模式線路具體條件（2）信號系統(tǒng)配置考慮的因素258.3計算機模擬方法的應用8.3.1牽引計算的應用1.鐵路運輸方面2.機車運用方面3.選線設計方面4.通信信號方面5.運輸經(jīng)濟方面8.3計算機模擬方法的應用8.3.1牽引計算的應用268.3.2牽引計算模擬系統(tǒng)的適用范圍（1）可為工程設計人員提供各種條件下系統(tǒng)相關指標的自動計算，輸出工程設計基本圖紙。

（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，分析相關技術經(jīng)濟指標。

（3）可用于機車運用方案及操縱方案的優(yōu)化、提速方案的分析模擬、運行圖技術參數(shù)的確定、技術指標的計算等方面。

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

RAILSYS是由德國漢諾威大學（UniversityofHannover）和德國鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的基于路網(wǎng)的鐵路運輸微觀模擬仿真系統(tǒng)。作為一款鐵路基礎設施及時刻表仿真、優(yōu)化和管理軟件，該系統(tǒng)適用于各種規(guī)模鐵路網(wǎng)絡的分析、設計和優(yōu)化等。本門課程模擬實踐主要基于本軟件進行(以西安地鐵二號線數(shù)據(jù)為例)。

主要組成：1.InfrastructureManager基礎建設1.InfrastructureManager基礎建設1.InfrastructureManager基礎建設8.5RAILSYS系統(tǒng)及實例RAILSYS是由291.InfrastructureManager基礎建設基礎建設是所有項目的起點，在此部分進行工程線路的鋪畫。通過使用繪圖組件將全線線路展現(xiàn)出來，站臺、信號機、道岔、閉塞等線路組成部分需要準確數(shù)據(jù)繪制于本部分。

繪制錯誤部分系統(tǒng)會自動提示并且詳細解釋。

繪制完成如圖：1.InfrastructureManager基礎建設302.TimetableAndSimulationManager仿真模擬

仿真模擬是整個系統(tǒng)最重要的部分，需要在