计算机仿真技术在城市轨道交通设计中的应用

华东理工大学学报(自然科学版)

Journal of East China University of Science and Technology (Natural Science Edition )

Vol.33No.22007204

收稿日期:2006205223

作者简介:万　衡(19672),男,上海人,副研究员,博士,研究方向:电气自动控制与EDA 。E 2mail :wanheng @

文章编号:100623080(2007)022*******

计算机仿真技术在城市轨道交通设计中的应用

万　衡1,　陈江岸1,　江彩玉2

(1.华东理工大学信息科学与工程学院,上海200237;2.上海市电气自动化设计研究所,上海200023) 摘要:介绍了轨道交通牵引特性的要求和特点,为估算轨道交通线路数据和运行车辆参数,设计了具有良好交互特性的软件,并将仿真结果与实际轨道线路参数进行了对比,获得了接近实际的实验数据。

关键词:计算机仿真;电气技术;铁路;地铁中图分类号:TM273文献标识码:A

Application of Computer Simulation T echniques to Metro Design

W A N Hen g 1

,　C H EN J i ang 2an 1

,　J I A N G Cai 2y u

2

(1.S chool of I nf orm ation S cience and Engi neeri ng ,East Chi na U ni versit y of S cience and Technolog y ,S han g hai 200237,Chi na;2.S hang hai Desi gn an d Research I nstit ute of

Elect rical A utom ation ,S hang hai 200023,Chi na )

Abstract :The requirement and characteristics of met ro are int roduced in t he paper ,A software system wit h good interactivity is desigued and implemented for evaluating met ro’s railroad data and operating t rains ′parameters.Simulation result s are compared wit h real railroad parameters and show t hat experi 2mental data are clo se to real data.

K ey w ords :comp uter simulation ;elect rical technology ;railroad ;met ro

城市快速轨道交通系统是近代高科技的产物,是目前解决大城市交通问题的最佳途径。由于轨道

交通基建投资巨大,进行实际线路试验困难,人工计算工作量巨大,且难以到达计算精度和实效要求,因此采用计算机仿真技术进行先期参数估算具有独特的优势。

作为轨道交通设计的关键技术之一,在以往上海地铁设计规划中,相关仿真实验均由外方负责,价格昂贵,且只提供最终数据,具体运行参数和仿真机理均不得而知。因此这给大规模自建轨道交通线路带来了技术瓶颈,也会大大增加建设成本。为此,我们对计算机仿真这一技术展开了相关研究。

1　设计要求

在城市轨道交通设计规划时,必须进行主要参数的估算。其中包括:(1)根据选定的不同的机车参数,对规划确定区间中牵引状况进行估算,其中包括区段的牵引重量、运行速度、运行时间、能量消耗等数据并绘制运行图。(2)根据设计线路的需要,为新车设计提供计算机车功率、粘着重量、机构速度等参数依据,为计算供电系统提供基础参数。

如上所述,轨道交通基建投资巨大,不可能通过开挖地铁试验段来进行设计数据的采集、分析和修改,只能通过建立数学模型,在仿真模型软件中,输入不同数据,组合模拟出各种地铁交通状况,为机车

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的模拟运行提供一条虚拟轨道,以此来探讨线路结构的合理性和参数对系统稳态、暂态特性的影响,从而确定最佳的控制方案,最佳结构和最优的系统参数,实现优化设计,提高设计质量[1]。

2　软件实现

牵引特性是整个轨道交通设计的重点,且仿真技术具有独特的优势,在结合以往铁路设计相关软件的基础上,根据上海电气轨道交通相关课题的要求,本文进行了相关仿真系统的研究。

常规铁路的仿真模型相对成熟,可以作为主要的设计参考依据,但城市轨道交通与之相比,具有站间距离短,加减速频繁,停站要求快速平稳等一系列特点;在这点上,与垂直运动的高速升降机有相似之处,但城市轨道交通车辆比高速升降机具有更大的运行质量,因此控制难度更大。因此必须结合常规铁路和高速升降机的运行模型,建立城市轨道交通的仿真模型[2]

。

图1　工况选择流程图

Fig.1　Running process of operating condition ’s choice

城市轨道交通的电动车组的牵引特性和制动特性属于非线性的,因此采用了精度较高的抛物线拟合曲线求值算法。根据不同段面的车辆限速要求,电动车组以曲段和坡段为界进行仿真计算,引入段面牵引加速度和惰行加速度概念,采用当前段面与

下一段面限速相结合来选择列车运行状况。同时为了满足转换段面限速要求和停站要求,采用了以下的方式:以特定段面限速估算出制动距离和到达换段面前的制动距离,结合当时运行实际速度,反复缩短制动距离直到满足规定速度要求[3]。这样既可发挥仿真计算精度高、速度快和可靠性高的优势,也更接近实际的驾驶操作过程。2.1　牵引计算分析

根据相关资料可知,轨道交通的车组在各个曲段、坡段上运行工况主要包括了牵引、惰行、电气制动和机械制动4种。如何选择必须根据当前的所处线路的具体条件,根据线路和车组参数,模拟控制中心自动优选工况。该原理引入了对应曲段的曲率、限速和坡段的坡度的牵引加速度a f 和惰行加速度

a d 的概念,结合电动车组当时实际运行速度νv 和运

行中对应的各区段限速ννmax

来选择工况并建立了数学模型,并以此建立仿真模型,其软件框图如图1[3～5]。图中:gk =1、2、3分别表示牵引、惰行及制

动工况,a f 为牵引加速度,a d 为惰性加速度,νv 为实

际运行速度,ννmax 为各区段限速,ννqmax 为牵引工况限速,ννzmax

为制动工况限速。 在各个曲段、坡段上运行采用什么工况,必须根据当前的具体线路条件,模拟司机操作自动优选工况。为此本文引入了对应曲段的曲率、限速和坡段

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32第2期万　衡,等:计算机仿真技术在城市轨道交通设计中的应用