基于大數(shù)據(jù)的地鐵列車能耗仿真和節(jié)能操縱論文
0 引言
近年來，我國城市軌道交通步入快速發(fā)展階段，成為了公共設(shè)施中最大的能量消耗系統(tǒng)之一，給城市的供電系統(tǒng)帶來極大的負(fù)載壓力。在地鐵列車運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施(包括線路環(huán)境、線路站間距、線路坡道彎道、牽引供電系統(tǒng)等硬件設(shè)施)建成且列車運(yùn)行圖等運(yùn)營管理確定的情況下，利用計算機(jī)仿真技術(shù)可優(yōu)化列車操縱方法，即在滿足列車安全、準(zhǔn)點(diǎn)和舒適性要求的同時，通過合理運(yùn)用節(jié)能運(yùn)行原理并優(yōu)化列車的操縱模型，可達(dá)到列車節(jié)能操縱的目的。與此同時，如何準(zhǔn)確測量計算列車單位能耗的問題，也越來越受到各車輛運(yùn)營公司的關(guān)注。
計算單位能耗時，需要有高精度的列車質(zhì)量(包括列車自重和載荷)數(shù)據(jù)。由于列車質(zhì)量、行駛距離和存儲計算能耗的實(shí)際測量值存在著絕對誤差，若以此進(jìn)行單位能耗的計算，必然會存在著較大的誤差。若仿真的運(yùn)行曲線能與實(shí)際的運(yùn)行曲線基本一致，那么在相同列車運(yùn)行速度下，仿真計算結(jié)果更貼近真實(shí)值。本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析下的列車單位能耗仿真計算方法，并基于某一條實(shí)際線路對提出的方法進(jìn)行解算驗證，將仿真計算結(jié)果與實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算出該線路上列車的單位能耗。同時，依據(jù)線路的實(shí)際情況，在符合列車運(yùn)營情況的條件下，提出了該線路節(jié)能操縱的方法，并對采用節(jié)能操縱后的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較。
1 地鐵列車大數(shù)據(jù)特性
地鐵列車中的大數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)中具有挖掘和分析價值的有效數(shù)據(jù)信息的集合，包含了針對數(shù)據(jù)的處理行為，且各數(shù)據(jù)之間存在一定的`關(guān)聯(lián)，需要應(yīng)用特定的數(shù)據(jù)管理和分析技術(shù)對其進(jìn)行處理。
雖然地鐵列車中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄模塊記錄了列車每天運(yùn)行過程中各節(jié)車輛的電壓、電流、速度及力矩等所有與耗電量和列車運(yùn)行相關(guān)的變量數(shù)據(jù)，但由于列車在運(yùn)行過程中的工況復(fù)雜多變，若要整理出一條完整的列車運(yùn)行曲線，需要在列車多天運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)中，對線路上的每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析與整理。
2 地鐵列車能耗的仿真計算
2.1 城軌地鐵列車能耗模型的建立
2.1.1 單質(zhì)點(diǎn)和多質(zhì)點(diǎn)地鐵列車運(yùn)動學(xué)模型
首先，建立描述列車隨時間運(yùn)動變化規(guī)律的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1407-1998《列車牽引計算規(guī)程》，視列車為一個整體;在列車運(yùn)動學(xué)模型中，列車被視為線路上的一個運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)。
2.1.2 地鐵列車能耗模型
基于列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用采集分析整理后的列車牽引力和制動力進(jìn)行列車能耗計算。
2.2 仿真模型的實(shí)現(xiàn)
若要建立基于列車運(yùn)行大數(shù)據(jù)的列車能耗模型，首先需從大數(shù)據(jù)中分析整理出能耗計算所需數(shù)據(jù)。
列車能耗計算數(shù)據(jù)的挖掘步驟具體如下：
(1)跟車數(shù)據(jù)記錄。即在列車正線運(yùn)營的過程中，隨車記錄整個運(yùn)營線路的列車到達(dá)各站點(diǎn)的時間，運(yùn)營線路包括上下行全程和折返。
(2)下載單個列車運(yùn)行數(shù)據(jù)。下載該車在記錄時間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，解析出列車運(yùn)行過程中的運(yùn)行速度、運(yùn)行工況、運(yùn)行時間、實(shí)際列車牽引力、實(shí)際列車的電制動力、列車級位信息等。
(3)數(shù)據(jù)整理。整理列車運(yùn)行線路數(shù)據(jù)，包括線路的公里標(biāo)，以及與公里標(biāo)一一對應(yīng)的坡道大小和長度、彎道大小和彎道、限速大小和距離、隧道位置和長度等。
3 地鐵列車節(jié)能操縱的研究
3.1 節(jié)能操縱措施
列車的牽引能耗主要是受基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營模式所影響�；A(chǔ)設(shè)施一旦建成，其能耗即基本確定，很難進(jìn)一步行優(yōu)化;而由列車運(yùn)營模式所產(chǎn)生的能耗是可控的，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計和研究列車的操縱模式，通過改變列車的技術(shù)速度和停站時間等設(shè)定運(yùn)營方案，降低這部分牽引能耗。
3.2 節(jié)能操縱仿真計算與分析
列車的3 種運(yùn)行工況中，牽引包括牽引加速、勻速等情況;惰行包括減速惰行、工況轉(zhuǎn)換時必要的惰性、下坡的節(jié)能惰行等情況;制動包括列車運(yùn)行中的調(diào)速制動、進(jìn)站時的電阻制動和空電混合制動、空氣制動等情況。
4 結(jié)語
地鐵列車逐漸成為了城市交通不可或缺的一部分，也是城市耗能最大的單位之一。通過對地鐵列車單位能耗的準(zhǔn)確計算，可為城市的供電提供一個有效的方案。基于城市軌道地鐵車輛大數(shù)據(jù)特性，本文分別建立了列車的多質(zhì)點(diǎn)模型、列車運(yùn)動學(xué)模型和能耗計算模型，開發(fā)了一套基于大數(shù)據(jù)的地鐵列車能耗仿真算法;并基于實(shí)際線路探討了列車牽引特性下的節(jié)能操縱問題，在滿足列車安全、平穩(wěn)、定時約束條件下，提出了節(jié)能操縱方法。這些方法，不僅可以廣泛應(yīng)用于城軌車輛單位能耗的仿真計算，也可以應(yīng)用于電力機(jī)車的優(yōu)化操縱仿真分析和能耗的仿真計算等領(lǐng)域，為車輛節(jié)能設(shè)計提供參考。
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