城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行延誤及其傳播特點(diǎn)的仿真研究

隨著城市交通壓力不斷增大,人們的交通需求無(wú)法得到充分滿(mǎn)足,城市軌道交通隨之發(fā)展起來(lái)本文在建立單質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算分析,對(duì)城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真研究,希望能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌熊?chē)運(yùn)營(yíng)提供參考。

地鐵列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏離計(jì)劃運(yùn)行圖的情況,為使列車(chē)盡量正點(diǎn)運(yùn)行,提升列車(chē)的正點(diǎn)率及乘客滿(mǎn)意度,需對(duì)偏離運(yùn)行圖的列車(chē)進(jìn)行調(diào)整。改變列車(chē)的運(yùn)行等級(jí)是列車(chē)調(diào)整的一種重要手段。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行等級(jí)的研究,改進(jìn)了列車(chē)運(yùn)行等級(jí)劃分,將列車(chē)運(yùn)行等級(jí)劃分為p1—p8共8個(gè)等級(jí),每個(gè)運(yùn)行等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)運(yùn)行的速度上限,包括列車(chē)允許的最大行駛速度、最大牽引加速度及制動(dòng)減速度。并基于鄭州地鐵1號(hào)線(xiàn)的部分線(xiàn)路進(jìn)行牽引仿真計(jì)算,驗(yàn)證該運(yùn)行等級(jí)劃分的合理性。仿真結(jié)果表明,運(yùn)行等級(jí)的劃分合理,通過(guò)改變列車(chē)的運(yùn)行等級(jí),能夠在很大程度上改善列車(chē)偏離的情況。

主要對(duì)列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行科學(xué)劃分,相應(yīng)地由信號(hào)系統(tǒng)生成不同的運(yùn)行等級(jí)。通過(guò)單車(chē)測(cè)試、載客測(cè)試等方式,測(cè)算和分析不同運(yùn)行等級(jí)與牽引能耗的關(guān)系。在滿(mǎn)足正線(xiàn)運(yùn)營(yíng)周期及單邊運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上,分析運(yùn)行等級(jí)節(jié)能的成效,研究運(yùn)行圖編制的科學(xué)性和節(jié)能性。

研究了單列和多列列車(chē)運(yùn)行能耗優(yōu)化決策問(wèn)題。城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)能源的需求量非常大,通過(guò)對(duì)列車(chē)的合理調(diào)度,可使列車(chē)的運(yùn)行能耗進(jìn)一步降低。列車(chē)運(yùn)行環(huán)境和線(xiàn)路路型的復(fù)雜性,導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中其本身所受到的力是隨時(shí)變化的。通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)得出優(yōu)化模型,具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。主要采用極大值原理、非線(xiàn)性方程模型、多目標(biāo)二次規(guī)劃對(duì)列車(chē)消耗的能量進(jìn)行優(yōu)化。在能量最優(yōu)化的情況下,對(duì)速度與位移和時(shí)間與速度的變換規(guī)律進(jìn)行了研究。

介紹列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)(satm)中數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控核心部件、列車(chē)運(yùn)行仿真和列車(chē)調(diào)度終端系統(tǒng)的功能特點(diǎn),給出該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。

探討了開(kāi)發(fā)城市軌道交通多列車(chē)運(yùn)行模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題.研制了可用于多列車(chē)運(yùn)行模擬、牽引計(jì)算、方案評(píng)價(jià)的模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ê湍K化的設(shè)計(jì),具有良好的可擴(kuò)展性.重點(diǎn)介紹了模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多列車(chē)追蹤運(yùn)行的計(jì)算模型.此外,本文以實(shí)際線(xiàn)路為背景,對(duì)多列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果表明,系統(tǒng)可用于分析列車(chē)安全運(yùn)行間隔、研究多列車(chē)運(yùn)行時(shí)相互間的影響、研究不同的信號(hào)顯示制式對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響等.

本文根據(jù)目前我國(guó)地鐵車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)際情況,按照車(chē)輛和線(xiàn)路最高運(yùn)行速度80km/h,以b型車(chē)為例,分析了列車(chē)運(yùn)行的基本過(guò)程,計(jì)算出列車(chē)在不同運(yùn)行距離情況下列車(chē)運(yùn)行時(shí)間,從而為制定城市軌道交通列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表提供具體的參數(shù)支持.

列車(chē)運(yùn)行圖是軌道交通生產(chǎn)的綜合性計(jì)劃,結(jié)合天津地鐵1號(hào)線(xiàn)實(shí)際編制列車(chē)運(yùn)行圖的經(jīng)驗(yàn),分析列車(chē)運(yùn)行圖的編制要素及編制程序,歸納、總結(jié)列車(chē)運(yùn)行圖的編制技巧,以提高列車(chē)運(yùn)行圖編制的水平,使城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖計(jì)劃做到科學(xué)、合理和經(jīng)濟(jì)。

分析了列車(chē)開(kāi)行方案的特點(diǎn)和要素,運(yùn)用多質(zhì)點(diǎn)模型設(shè)計(jì)了多列車(chē)追蹤運(yùn)行計(jì)算模型,討論了多方案運(yùn)行仿真中遇到的多種問(wèn)題及其解決方案,如單交路情況、多交路情況、交路間的協(xié)調(diào)控制、不同方案間的平滑過(guò)渡等。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了仿真系統(tǒng)的總體流程,并通過(guò)算例驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

列車(chē)運(yùn)行噪聲是高架線(xiàn)路聲屏障、地下線(xiàn)路活塞風(fēng)井消聲器的設(shè)計(jì)輸入條件。通過(guò)列車(chē)運(yùn)行噪聲影響因素分析,建立了列車(chē)運(yùn)行噪聲估算的簡(jiǎn)化模型,推導(dǎo)了城市軌道交通列車(chē)在不同運(yùn)行條件、不同運(yùn)行速度時(shí)的運(yùn)行噪聲估算方法。

城市軌道交通列車(chē)駕駛仿真器是城市軌道交通部門(mén)進(jìn)行技能培訓(xùn)的高科技設(shè)備,能夠進(jìn)行精確的列車(chē)操縱性能仿真和逼真的列車(chē)駕駛環(huán)境仿真?；竟δ馨M操縱功能、列車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能、故障判斷培訓(xùn)功能、視景和聲音仿真功能以及運(yùn)動(dòng)仿真功能。針對(duì)城市軌道交通特點(diǎn),給出了軌道交通列車(chē)駕駛仿真器的運(yùn)行仿真數(shù)學(xué)模型,提出采用分布式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、mpeg視頻壓縮技術(shù)和基于directsound技術(shù)的多媒體聲音系統(tǒng),設(shè)計(jì)具有4層5自由度液壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的駕駛仿真器。并基于以上技術(shù)完成了北京地鐵交流傳動(dòng)電動(dòng)客車(chē)列車(chē)駕駛仿真器的研制,成功應(yīng)用于北京地鐵技術(shù)學(xué)校學(xué)員和北京地鐵司機(jī)的教育培訓(xùn)。

為了使城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行曲線(xiàn)能更好地為司機(jī)提供駕駛指導(dǎo),進(jìn)一步保證列車(chē)高效運(yùn)行,在前人研究的基礎(chǔ)上,建立包含巡航模式的列車(chē)運(yùn)行過(guò)程優(yōu)化模型。在建模過(guò)程中綜合考慮列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的時(shí)間、能耗、乘坐舒適度、精確停車(chē)等多個(gè)性能指標(biāo),并使用差分進(jìn)化算法對(duì)建立的模型進(jìn)行求解。由于傳統(tǒng)的差分進(jìn)化算法存在許多不足,采用一種具有自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略的改進(jìn)差分進(jìn)化算法。通過(guò)調(diào)整算法的變異因子和交叉因子,增加了種群的多樣性、擴(kuò)大了全局搜索區(qū)域,避免了局部最優(yōu)解,同時(shí)在后期也加快了收斂速度。通過(guò)對(duì)所選線(xiàn)路的仿真優(yōu)化,使各優(yōu)化性能指標(biāo)達(dá)到了整體相對(duì)最優(yōu),驗(yàn)證了模型與算法的有效性。

為了測(cè)定城市軌道交通列車(chē)的運(yùn)行阻力特性,利用gps(全球定位系統(tǒng))測(cè)速測(cè)距方法,對(duì)列車(chē)進(jìn)行運(yùn)行阻力試驗(yàn),得出該列車(chē)的單位基本運(yùn)行阻力公式及運(yùn)行阻力大小。通過(guò)能耗計(jì)算,驗(yàn)證了利用gps信號(hào)進(jìn)行列車(chē)運(yùn)行阻力特性測(cè)試方法的有效性。與近年國(guó)內(nèi)其他同類(lèi)型列車(chē)的單位基本運(yùn)行阻力對(duì)比,該列車(chē)具有較好的運(yùn)行特性。

在編制城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖時(shí),需要綜合考慮不同時(shí)間段的發(fā)車(chē)間隔、車(chē)底折返及車(chē)底出入庫(kù)方式等問(wèn)題。介紹了計(jì)算機(jī)編制城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、總體結(jié)構(gòu)。研究了城軌交通列車(chē)運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)編制過(guò)程中的行車(chē)間隔、車(chē)底數(shù)量、運(yùn)行周期之間相互影響和制約,列車(chē)出入庫(kù)運(yùn)行線(xiàn)的自動(dòng)編制,高峰與非高峰時(shí)間段過(guò)渡運(yùn)行線(xiàn)的編制,大小交路列車(chē)運(yùn)行圖的鋪畫(huà)等問(wèn)題。

運(yùn)用多質(zhì)點(diǎn)列車(chē)運(yùn)行計(jì)算模型和列車(chē)節(jié)能運(yùn)行算法,分析列車(chē)運(yùn)行圖要素與能耗間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線(xiàn)為例,提出了滿(mǎn)足不同運(yùn)行策略下的列車(chē)運(yùn)行圖優(yōu)化方案,為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)在編制綠色節(jié)能列車(chē)運(yùn)行圖時(shí)提供了參考依據(jù).

能耗在城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本中占據(jù)著很大的比重,節(jié)能已經(jīng)成為日益關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。著重分析了實(shí)現(xiàn)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的運(yùn)行模式,提出了相應(yīng)的節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化算法。采用移動(dòng)閉塞技術(shù)的列車(chē)控制系統(tǒng)是節(jié)能的有效途徑。

介紹列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)(satm)中數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控核心部件、列車(chē)運(yùn)行仿真和列車(chē)調(diào)度終端系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，給出該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。

結(jié)合城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(mtcs)的發(fā)展現(xiàn)狀以及將來(lái)的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略,參考?xì)W洲列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(etcs)和中國(guó)鐵路列車(chē)控制系統(tǒng)(ctcs)分級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)化的思路,闡述mtcs分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作的重要性,對(duì)mtcs的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方式給出一定的建議。mtcs體系以車(chē)載設(shè)備為核心,通過(guò)對(duì)地面控制設(shè)備的擴(kuò)展以增強(qiáng)系統(tǒng)功能,可以分為1～4個(gè)不同的等級(jí)。系統(tǒng)可在低等級(jí)的基礎(chǔ)上疊加設(shè)備來(lái)構(gòu)成高等級(jí)的系統(tǒng),不同等級(jí)間的主要差別在于地-車(chē)信息傳輸?shù)姆绞胶拖到y(tǒng)自動(dòng)化的程度。給出mtcs的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各等級(jí)的概述,并對(duì)不同等級(jí)的功能進(jìn)行對(duì)比。

針對(duì)高峰時(shí)間客流量大、換乘站客流風(fēng)險(xiǎn)突出的情況,從能力匹配角度研究了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)方法.分析了站臺(tái)客流的變化規(guī)律,確定了列車(chē)疏解能力、候車(chē)客流需求、站臺(tái)最大聚集人數(shù)的計(jì)算方法.提出了運(yùn)力協(xié)調(diào)度的概念,用以描述客流需求與各線(xiàn)運(yùn)輸能力的匹配程度.以換乘站整體的運(yùn)力協(xié)調(diào)度最優(yōu)為目標(biāo),以首班列車(chē)發(fā)車(chē)時(shí)刻和列車(chē)運(yùn)行間隔為決策變量,以保證站內(nèi)客流安全為主要約束,建立了列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化的非線(xiàn)性整數(shù)規(guī)劃模型,并采用遺傳算法求解.對(duì)某兩線(xiàn)相交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例分析表明:采用運(yùn)力協(xié)調(diào)方案后,列車(chē)開(kāi)行總數(shù)僅增加1列,留乘人數(shù)減少了68.44%,運(yùn)力協(xié)調(diào)度更接近1,大客流方向站臺(tái)的最大聚集人數(shù)分別降低11.77%與19.68%,各方向的運(yùn)能供給更好地適應(yīng)客流需求,可有效提高乘客和運(yùn)營(yíng)企業(yè)雙方的利益.

當(dāng)下,城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快,城市內(nèi)的人口也逐年增加,增加了人們對(duì)交通工具的需求,而道路的擁堵已經(jīng)成為城市交通的主要問(wèn)題,所以,城市軌道交通列車(chē)的設(shè)計(jì),是基于當(dāng)下交通擁堵的基本情況,增設(shè)安全、環(huán)保的交通工具,改善城市的交通環(huán)境,但交通列車(chē)運(yùn)行的部分問(wèn)題還有待解決。

列車(chē)牽引計(jì)算是整個(gè)城市軌道交通的重要組成部分。利用計(jì)算機(jī)對(duì)列車(chē)的牽引計(jì)算進(jìn)行模擬研究,可以較好地實(shí)現(xiàn)在整個(gè)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中牽引過(guò)程的模擬。

基于人工模擬法編制列車(chē)運(yùn)行圖,保證每個(gè)時(shí)間段的對(duì)數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí),根據(jù)虛擬鏈接及調(diào)整,使其滿(mǎn)足列車(chē)折返約束,之后根據(jù)列車(chē)出入庫(kù)的情況進(jìn)行調(diào)整,使生成的運(yùn)行圖更好地符合設(shè)計(jì)需求,能夠高效地對(duì)不同線(xiàn)路的不同全日行車(chē)計(jì)劃進(jìn)行鋪畫(huà)。另外,將生成的運(yùn)行圖轉(zhuǎn)換為cad腳本,也減少了設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。以深圳地鐵6號(hào)線(xiàn)為例實(shí)現(xiàn)全日運(yùn)行圖的鋪畫(huà),表明該方法是有效可行的。