建立在信號系統(tǒng)上的地鐵多車牽引供電實時模擬系統(tǒng)

【摘要】隨著信號系統(tǒng)的完善和發(fā)展，信號系統(tǒng)在鐵路運營中越來越起到主導的作用，特別是目前廣泛采用于地鐵中的移動信號系統(tǒng)。本篇主要描述一個建立在信號系統(tǒng)之上的多車運行實時模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)可以優(yōu)化和確定列車最小運行間隔，在預定的時刻表、發(fā)車間隔、線路條件、列車性質下，對全線的列車運行情況進行虛擬仿真模擬；同時在該系統(tǒng)中嵌入供電模塊，可以實時再現(xiàn)列車、牽引網(wǎng)、供電臂、變電所的電壓及電流情況，并對網(wǎng)壓變化對列車運行的影響進行模擬分析。因此，此系統(tǒng)將成為鐵路運營及牽引供電系統(tǒng)設計的有利計算機。
【關鍵詞】信號 牽引計算 供電 模擬
1 系統(tǒng)概述
模擬研究是較為先進的研究方法之一，許多重大項目都要經(jīng)過各種仿真模擬研究后才能夠進入實施階段；在設計階段這一點尤顯得重要，每一個參數(shù)的選擇和確定將有可能影響到整個工程的質量或運行效果以及工程投資和系統(tǒng)的經(jīng)濟合理性。因此，在項目的設計階段進行大量的、準確科學的仿真模擬是非常必要的。
目前列車的運行都是以信號系統(tǒng)為基礎的，一個合理、科學的信號系統(tǒng)配置將對整個線路的輸送能力、運行速度、列車密度產生根本的影響，而列車密度又在供電系統(tǒng)的變電所的個數(shù)、分布、容量確定及接觸網(wǎng)導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算中，對列車運行的模擬是在理想的恒定網(wǎng)壓狀態(tài)下進行的。而在實際上，列車在其運行過程中，由于接觸網(wǎng)導線的阻抗的作用，其受電電壓并非恒定不變的；由于列車受電電壓的變化，列車的電機功率發(fā)揮將受到不同程度的影響，進而影響列車的整體牽引特性。因此，用這種方法初步模擬計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、能夠實時反映網(wǎng)壓變化對列車運行影響的模擬系統(tǒng)成為行車與牽引供電設計所必須。本文主要對這種模擬系統(tǒng)的方法與實現(xiàn)進行簡要討論。
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)對不同特，陛的列車和線路進行模擬分析比較；
(3)對既有的運行圖進行校核與調整；
(4)對每日、月、年的電力消耗進行統(tǒng)計分析；
(5)模擬分析壓降對列車運行的影響；
(6)模擬供電系統(tǒng)事故狀態(tài)下的列車運行狀況，為供電系統(tǒng)的設計提供可靠、準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 方法與模型
3.1信號模型
由于鐵路系統(tǒng)的負荷越來越大、列車密度越來越高，移動信號系統(tǒng)Moving-Block-System)一這種能夠有效減小列車發(fā)車間隔的信號系統(tǒng)被認為是取代過去廣泛應用的固定信號系統(tǒng)(Fixed-Block-system)的較好方式。
目前，MBS已經(jīng)被成功的廣泛應用于高密、繁忙的地鐵、輕軌鐵路中。實踐證明，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。
純理論上的移動信號系統(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告它們的位置、速度、操作狀態(tài)，同時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列車在安全制動距離的前提下，最大可能的提高列車運行速度。但在實際應用中，由于此種系統(tǒng)的復雜性和造價高等原因，很少被用于現(xiàn)實的鐵路系統(tǒng)中。
在實際應用中，軌道傳感線圈可以比較簡易的實現(xiàn)列車間的雙向通訊。傳感線圈按一定間隔沿軌道鋪設(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系連動相關的傳感器。這種方式已在世界許多地區(qū)的地鐵、輕軌系統(tǒng)中得到廣泛應用。
3．2 牽引計算模型
列車在運行中的操作狀態(tài)以信號指示為基礎。每種操作狀態(tài)的運行軌跡由相應的列車特性計算確定；同時還受線路縱斷面、曲線、隧道、氣候環(huán)境等因素的影響，通過有關計算方法進行計算，其結果作為單步列車運行計算的輸人數(shù)據(jù)。
3．3 列車特性分析模型
此模塊對各種列車的各種特性曲線或數(shù)據(jù)進行分析并進行數(shù)據(jù)抽象，為每個列車在不同的位置、狀態(tài)下提供準確的相關特性數(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
當多組列車在線路上運行，由于接觸網(wǎng)導線的阻抗作用，列車在不同的位置接受的電壓應該有所不同。這種網(wǎng)壓變化達到一定程度時，將對列車功率的正常發(fā)揮造成影響。此模塊就是將這種影響進行分析處理并結合牽引計算模型獲得新的列車特性來指導列車運行。主要利用擬合的方法對多個網(wǎng)壓系列下的特性數(shù)據(jù)構成特性曲面進行擬和分析，獲取對應網(wǎng)壓、速度下的各種特性數(shù)據(jù)，作為每一步模擬計算的輸入特性數(shù)據(jù)。
3．5 供電系統(tǒng)分析模型
首先在模擬啟動前建立供電節(jié)點網(wǎng)絡，對全線的供電網(wǎng)絡特性進行分段切割，形成每個切割斷面的特性矩陣；系統(tǒng)啟動后，在系統(tǒng)模擬的每個時間步長，供電模型將獲取當前時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，模擬計算出每一列車位置的新的網(wǎng)壓值、網(wǎng)絡每個斷面上的電流值，進而得到每個時刻每個供電臂的電流、每個供電區(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)進人下一步長的模擬。
3．6 能耗統(tǒng)計分析模型
此模塊對全線所有列車在任何時刻的電流、電壓進行記錄與統(tǒng)計；其結果將成為供電系統(tǒng)分析模擬、計算得重要依據(jù)；同時對整個系統(tǒng)的耗電情況進行統(tǒng)計分析。
4 效果分析
由于整個模擬是建立在信號系統(tǒng)的基礎上，列車運行模擬基本真實反映了運營過程，從而在模擬基礎上更準確、更科學。由于系統(tǒng)模擬是以時間為步長，每個時刻都對全線所有列車進行近似同步的分析，所以在運行中出現(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，這樣就在沒計階段將整個系統(tǒng)的基礎誤差控制在盡可能小的范圍之內，并且對運營運營、信號提出有益的建議。
供電系統(tǒng)是列車運行的動力來源，也是決定列車運行效果的最重要因素之一。而供電系統(tǒng)的各個部分的容量確定既要滿足運營的要求，又要考慮其配置的經(jīng)濟合理性，這樣，—個精確、科學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)設計階段所需的各種參數(shù)，為供電系統(tǒng)的各種設備布置、容量選擇提供科學、可靠的依據(jù)。
5 軟體設計
由于此系統(tǒng)涉及的相關信息比較多(包括線路、車輛、機車、信號、運營、供電系統(tǒng)等等)，因此對每個處理模塊的設計應盡量獨立結構化，應具有清晰的數(shù)據(jù)接口；同時認為：應該改變以往以列車運行為主導的設計思路，而應代以以信號系統(tǒng)為平臺的控制方法。這樣可以大大簡化模擬列車運行的復雜度，而且使信號系統(tǒng)可以被完全獨立設汁，提高整個系統(tǒng)的適用性與可調性。軟體結構見附圖。