建立在信號(hào)系統(tǒng)上的地鐵多車牽引供電實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)

【摘要】隨著信號(hào)系統(tǒng)的完善和發(fā)展，信號(hào)系統(tǒng)在鐵路運(yùn)營(yíng)中越來越起到主導(dǎo)的作用，特別是目前廣泛采用于地鐵中的移動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)。本篇主要描述一個(gè)建立在信號(hào)系統(tǒng)之上的多車運(yùn)行實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)可以優(yōu)化和確定列車最小運(yùn)行間隔，在預(yù)定的時(shí)刻表、發(fā)車間隔、線路條件、列車性質(zhì)下，對(duì)全線的列車運(yùn)行情況進(jìn)行虛擬仿真模擬；同時(shí)在該系統(tǒng)中嵌入供電模塊，可以實(shí)時(shí)再現(xiàn)列車、牽引網(wǎng)、供電臂、變電所的電壓及電流情況，并對(duì)網(wǎng)壓變化對(duì)列車運(yùn)行的影響進(jìn)行模擬分析。因此，此系統(tǒng)將成為鐵路運(yùn)營(yíng)及牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有利計(jì)算機(jī)。
【關(guān)鍵詞】信號(hào) 牽引計(jì)算 供電 模擬
1 系統(tǒng)概述
模擬研究是較為先進(jìn)的研究方法之一，許多重大項(xiàng)目都要經(jīng)過各種仿真模擬研究后才能夠進(jìn)入實(shí)施階段；在設(shè)計(jì)階段這一點(diǎn)尤顯得重要，每一個(gè)參數(shù)的選擇和確定將有可能影響到整個(gè)工程的質(zhì)量或運(yùn)行效果以及工程投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性。因此，在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行大量的、準(zhǔn)確科學(xué)的仿真模擬是非常必要的。
目前列車的運(yùn)行都是以信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，一個(gè)合理、科學(xué)的信號(hào)系統(tǒng)配置將對(duì)整個(gè)線路的輸送能力、運(yùn)行速度、列車密度產(chǎn)生根本的影響，而列車密度又在供電系統(tǒng)的變電所的個(gè)數(shù)、分布、容量確定及接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面的選擇等方面具有決定性的作用。
在過去的牽引供電模擬計(jì)算中，對(duì)列車運(yùn)行的模擬是在理想的恒定網(wǎng)壓狀態(tài)下進(jìn)行的。而在實(shí)際上，列車在其運(yùn)行過程中，由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線的阻抗的作用，其受電電壓并非恒定不變的；由于列車受電電壓的變化，列車的電機(jī)功率發(fā)揮將受到不同程度的影響，進(jìn)而影響列車的整體牽引特性。因此，用這種方法初步模擬計(jì)算確定出來的列車間隔、變電所容量和分布并不一定是最優(yōu)的。這樣，一種新的、能夠?qū)崟r(shí)反映網(wǎng)壓變化對(duì)列車運(yùn)行影響的模擬系統(tǒng)成為行車與牽引供電設(shè)計(jì)所必須。本文主要對(duì)這種模擬系統(tǒng)的方法與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要討論。
2 系統(tǒng)功能
(1)根據(jù)不同的線路特性、速度限制，確定最小列車追蹤間隔
(2)對(duì)不同特，陛的列車和線路進(jìn)行模擬分析比較；
(3)對(duì)既有的運(yùn)行圖進(jìn)行校核與調(diào)整；
(4)對(duì)每日、月、年的電力消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；
(5)模擬分析壓降對(duì)列車運(yùn)行的影響；
(6)模擬供電系統(tǒng)事故狀態(tài)下的列車運(yùn)行狀況，為供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 方法與模型
3.1信號(hào)模型
由于鐵路系統(tǒng)的負(fù)荷越來越大、列車密度越來越高，移動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)Moving-Block-System)一這種能夠有效減小列車發(fā)車間隔的信號(hào)系統(tǒng)被認(rèn)為是取代過去廣泛應(yīng)用的固定信號(hào)系統(tǒng)(Fixed-Block-system)的較好方式。
目前，MBS已經(jīng)被成功的廣泛應(yīng)用于高密、繁忙的地鐵、輕軌鐵路中。實(shí)踐證明，在地鐵輕軌系統(tǒng)中，MBS可將列車最小發(fā)車間隔降至1～1．5min。這樣，線路輸送能力將被大大提高。
純理論上的移動(dòng)信號(hào)系統(tǒng)(Pure-Moving-Block-System)是依賴于列車與控制中b間的不間斷的雙向通訊來實(shí)現(xiàn)的。在這種系統(tǒng)中，所有的列車都要不斷地向控制中心報(bào)告它們的位置、速度、操作狀態(tài)，同時(shí)也要不斷的從控制中心那里獲得操作指令(如速度限制、操作狀態(tài)等)。這種雙向傳輸?shù)男畔⒈ＷC列車在安全制動(dòng)距離的前提下，最大可能的提高列車運(yùn)行速度。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于此種系統(tǒng)的復(fù)雜性和造價(jià)高等原因，很少被用于現(xiàn)實(shí)的鐵路系統(tǒng)中。
在實(shí)際應(yīng)用中，軌道傳感線圈可以比較簡(jiǎn)易的實(shí)現(xiàn)列車間的雙向通訊。傳感線圈按一定間隔沿軌道鋪設(shè)(如25m)，它記錄了速度限制、列車位置、列車速度、發(fā)車間隔等信息，并通過一定的邏輯關(guān)系連動(dòng)相關(guān)的傳感器。這種方式已在世界許多地區(qū)的地鐵、輕軌系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
3．2 牽引計(jì)算模型
列車在運(yùn)行中的操作狀態(tài)以信號(hào)指示為基礎(chǔ)。每種操作狀態(tài)的運(yùn)行軌跡由相應(yīng)的列車特性計(jì)算確定；同時(shí)還受線路縱斷面、曲線、隧道、氣候環(huán)境等因素的影響，通過有關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果作為單步列車運(yùn)行計(jì)算的輸人數(shù)據(jù)。
3．3 列車特性分析模型
此模塊對(duì)各種列車的各種特性曲線或數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象，為每個(gè)列車在不同的位置、狀態(tài)下提供準(zhǔn)確的相關(guān)特性數(shù)據(jù)，采用的主要方法是“拉格朗日插值法”。
3．4 網(wǎng)壓分析模型
當(dāng)多組列車在線路上運(yùn)行，由于接觸網(wǎng)導(dǎo)線的阻抗作用，列車在不同的位置接受的電壓應(yīng)該有所不同。這種網(wǎng)壓變化達(dá)到一定程度時(shí)，將對(duì)列車功率的正常發(fā)揮造成影響。此模塊就是將這種影響進(jìn)行分析處理并結(jié)合牽引計(jì)算模型獲得新的列車特性來指導(dǎo)列車運(yùn)行。主要利用擬合的方法對(duì)多個(gè)網(wǎng)壓系列下的特性數(shù)據(jù)構(gòu)成特性曲面進(jìn)行擬和分析，獲取對(duì)應(yīng)網(wǎng)壓、速度下的各種特性數(shù)據(jù)，作為每一步模擬計(jì)算的輸入特性數(shù)據(jù)。
3．5 供電系統(tǒng)分析模型
首先在模擬啟動(dòng)前建立供電節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)全線的供電網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行分段切割，形成每個(gè)切割斷面的特性矩陣；系統(tǒng)啟動(dòng)后，在系統(tǒng)模擬的每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，供電模型將獲取當(dāng)前時(shí)刻每一列車地的位置與電流、電壓信息，從而形成大型方程組，經(jīng)過解變帶寬方程的方法，模擬計(jì)算出每一列車位置的新的網(wǎng)壓值、網(wǎng)絡(luò)每個(gè)斷面上的電流值，進(jìn)而得到每個(gè)時(shí)刻每個(gè)供電臂的電流、每個(gè)供電區(qū)間的最低電壓。最后將生成的電壓值作為下一步牽引模擬的輸人數(shù)據(jù)；使系統(tǒng)進(jìn)人下一步長(zhǎng)的模擬。
3．6 能耗統(tǒng)計(jì)分析模型
此模塊對(duì)全線所有列車在任何時(shí)刻的電流、電壓進(jìn)行記錄與統(tǒng)計(jì)；其結(jié)果將成為供電系統(tǒng)分析模擬、計(jì)算得重要依據(jù)；同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的耗電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
4 效果分析
由于整個(gè)模擬是建立在信號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，列車運(yùn)行模擬基本真實(shí)反映了運(yùn)營(yíng)過程，從而在模擬基礎(chǔ)上更準(zhǔn)確、更科學(xué)。由于系統(tǒng)模擬是以時(shí)間為步長(zhǎng)，每個(gè)時(shí)刻都對(duì)全線所有列車進(jìn)行近似同步的分析，所以在運(yùn)行中出現(xiàn)的列車間由于網(wǎng)壓變化或延遲造成的相互影響及影響程度，可以在模擬中反映出來，這樣就在沒計(jì)階段將整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)誤差控制在盡可能小的范圍之內(nèi)，并且對(duì)運(yùn)營(yíng)運(yùn)營(yíng)、信號(hào)提出有益的建議。
供電系統(tǒng)是列車運(yùn)行的動(dòng)力來源，也是決定列車運(yùn)行效果的最重要因素之一。而供電系統(tǒng)的各個(gè)部分的容量確定既要滿足運(yùn)營(yíng)的要求，又要考慮其配置的經(jīng)濟(jì)合理性，這樣，—個(gè)精確、科學(xué)的模擬仿真方法就尤為顯得重要，而本文所描述的系統(tǒng)功能正是提出了一種很好的方法。通過本系統(tǒng)的模擬分析，可以更為精確的模擬出供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段所需的各種參數(shù)，為供電系統(tǒng)的各種設(shè)備布置、容量選擇提供科學(xué)、可靠的依據(jù)。
5 軟體設(shè)計(jì)
由于此系統(tǒng)涉及的相關(guān)信息比較多(包括線路、車輛、機(jī)車、信號(hào)、運(yùn)營(yíng)、供電系統(tǒng)等等)，因此對(duì)每個(gè)處理模塊的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量獨(dú)立結(jié)構(gòu)化，應(yīng)具有清晰的數(shù)據(jù)接口；同時(shí)認(rèn)為：應(yīng)該改變以往以列車運(yùn)行為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)思路，而應(yīng)代以以信號(hào)系統(tǒng)為平臺(tái)的控制方法。這樣可以大大簡(jiǎn)化模擬列車運(yùn)行的復(fù)雜度，而且使信號(hào)系統(tǒng)可以被完全獨(dú)立設(shè)汁，提高整個(gè)系統(tǒng)的適用性與可調(diào)性。軟體結(jié)構(gòu)見附圖。