轨道列车(收集5篇)
轨道列车篇1
关键词：地铁列车;司控器;故障;电路;改进
引言
司机控制器（简称司控器）是用来操纵地铁车辆运行的主令控制器，是通过控制电路的低压电器间接控制主电路的设备。广州市轨道交通四号线列车在运行过程中，曾多次出现司控器控制手柄稍微偏离0位，而处于临界状态，导致列车可以实现ATO牵引，但无法响应ATO制动，造成列车停车制动距离过大，存在较大的运营安全隐患。
1司控器结构原理及其临界状态分析
广州市轨道交通四号线列车采用S355F司控器，司控器的面板上有控制手柄、换向手柄两种可操作机构，如图1所示。控制手柄有牵引区、0位、制动区、快速制动位；换向手柄有“向前”“0”“向后”三个档位。司控器的控制手柄0位、牵引最大位、制动最大位、快速制动位均有定位，这些档位之间为无级调节，通过转动同轴的驱动电位器来调节输入到电子柜的电压指令，从而达到调节牵引力和制动力的目的。换向手柄每个档位均有定位，可稳定在相应的档位中。控制手柄、换向手柄和机械锁之间相互机械联锁，即控制手柄在0位时，换向手柄方可操作；换向手柄在非0位时，控制手柄方可操作；换向手柄只有在0位时，机械锁方可锁闭司控器。列车ATO模式驾驶时，司控器控制手柄应处于0位，如图2所示。如果此时将控制手柄往前推一点点，司控器处于牵引位与0位的临界位置，但又未触发牵引，司控器控制手柄将处于一个特殊的状态，即临界状态，如图3所示。司控器控制手柄出现临界状态的原因为司控器控制手柄未置于完全垂直位置，造成了司控器行程开关动作的不一致。行程开关动作不一致则是因为行程开关的伸缩臂、滚轮及安装存在微小的尺寸误差，而这一轻微误差目前仍无法避免。
2故障原因分析
广州市轨道交通四号线列车牵引制动控制回路如图4所示。正常情况下，司控器控制手柄位于0位时，行程开关S21、S24均保持闭合状态，列车316线得电，惰行位继电器NPR得电。ATO模式运行时，司控器行程开关S21、S24闭合，列车316线和339线均得电，车辆显示屏和信号显示屏均显示ATO驾驶模式。
3改进方案
针对上述分析，采用自动列车运行模式（ATOMR）继电器的一对常开触点对司控器S21行程开关进行并联改进（见图4）。司控器S21行程开关导通时，列车通过316线检测ATO驾驶模式，同时接收ATO制动指令。ATO模式下ATOMR继电器得电，其常开触点闭合，如果司控器控制手柄处于临界状态，S21行程开关异常断开，可通过ATOMR继电器的触点自动短接S21行程开关，保证316线得电，确保409线正常得电，列车可以接收并执行ATO制动指令。利用ATOMR继电器的常开触点进行并联改造，可以保证ATO模式下列车的正常功能；相比直接采用硬线进行并联的方案，更加可靠；且改造不需要增加新的继电器，改造成本较低。列车ATO牵引和ATO制动正常。当司控器控制手柄处于临界状态时，司控器行程开关的动作会出现不同步，具体表现为：一方面，S21行程开关跳开，列车316线失电，制动指令线409线无法得电，列车无法响应ATO制动，且车辆显示屏显示人工驾驶模式；另一方面，S24行程开关保持闭合，列车339线得电，NPR继电器得电给OBCU（车载控制单元）ATO允许信号，OBCU输出信号激活ATO模式，信号屏显示ATO驾驶模式。
4结束语
通过对司控器电路的改进，有效地解决了司控器控制手柄处于临界状态时列车无法响应ATO制动的安全隐患，对保证列车安全运行具有重要的意义。目前广州市轨道交通四号线列车已经完成了相应的改造，列车运行中未再出现临界状态故障。同时在四号线延长线新车电路设计中对控制电路进行了相应优化，消除了该故障隐患。
参考文献：
[1]广州市轨道交通四、五号线直线电机车辆说明书[G].青岛：南车四方机车车辆股份有限公司，2008.
[2]彭宝林，林平.新型轨道交通司机控制器研究[J].机车电传动，2014（2）：58-61.
轨道列车篇2
关键词umlrhapsody面向对象嵌入式系统建模
统一建模语言uml(unifiedmodelinglanguage)是迄今为止最好的面向对象的统一建模语言,它取代了以往各种面向对象表示法,可以全面、细致地同时描叙业务和软件系统,实现软件开发全生命周期建模的无缝统一。uml与ooad(面向对象分析和设计)工具的结合,更使软件工程思想的实现往前走了一大步。
美国i-logix公司的rhapsody是一种基于uml2.0的面向嵌入式应用开发的集成可视化环境,它为嵌入式软件的开发提供了一个“四化”的支撑平台,即可视化、工程化、自动化和团队化。rhapsody正在迅速成为国防/航空航天领域首选的mdd(模型驱动开发,modeldrivendevelopment)开发环境,在一系列项目中(如futurecombatsystems(fcs)andf22等)被作为主要开发工具来使用。
列车自动防护系统(atp系统)是城市轨道交通运行控制系统的组成部分之一。它主要保证提供速度限制信息以保持列车间的安全间隔,使列车在符合限制速度的标准下运行。atp车载设备是列车自动防护系统的一个重要组成部分,负责完成atp车载部分的功能。北京地铁1号线所采用的lcf100dt型车载设备是保证列车运行安全、提高运输能力的地铁信号专用技术的行车安全控制设备。本文首先介绍了rhapsody的主要特性———实时框架,然后分析了atp系统的工作原理,并在rhapsody基础上对北京地铁1号线的atp系统车载设备软件系统进行建模,最后分析了系统级调试功能。
1rhapsody框架特性
rhapsody的实时框架是一个垂直框架,嵌入式和实时应用专门选择和优化的设计模板,实现了用于内务处理(如状态机的实现、容器类的实现等)代码的重写,实时框架使得设计的模型与操作系统无关,通过实时框架,应用程序可以方便地从一个实时操作系统移植到其他的操作系统。
实时框架包含4个主要部分,如图1所示。对象执行框架提供uml模型执行的基本结构管理线程状态机的执行,对象间关联模式管理对象间的一对多、多对多关系,抽象操作系统与框架自身和实时操作系统无关,便于框架的移植动画,调试框架可以使用户进行基于模型的调试,如基于状态图的断点设置、捕捉不同对象间消息映射等。下面分析对象执行框架中的主要元素。
2自动超速防护系统
2.1自动超速防护系统概要
atp(automatictrainprotection,列车自动防护系统)具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能,提供速度限制信息,以保持列车间的安全间隔,使列车在符合限制速度的标准下运行。超速防护车载设备是列车超速防护系统的一个重要组成部分,它是依据从atp地面设备接收到的列车运行控制命令,对列车进行实时速度监督的一种安全保障设备。
2.2北京地铁1号线atp系统
atp子系统实现所需的设备包括地面设备和车载设备。地面设备主要由集中设置的地面轨道电路fs2500无绝缘轨道电路构成,由发送器、接收器、码发生器及调谐单元组成;其发码由微机联锁设备及控制中心控制,以保证安全追踪间隔及临时限速等。车载设备的功能由地面信息接收部分、测速部分、速度比较控制部分等完成,当列车运行速度超过允许速度时,自动完成减速控制,车载设备由以微处理器为基础的安全子系统和非安全子系统、速度表、天线及装在不同轴上的测速电机组成。
atp系统的功能包括:在设置区间闭塞分区时,保证列车追踪运行时的最小安全间隔,防止列车尾追事故;列车按线路最大允许安全速度运行,防止列车超速运行;确保所排进路正确、安全;确保提供车门正确开闭条件;区间临时限速。
2.3利用软件rhapsody对atp(车载设备)建模
为了使系统软件具有较高的可靠性、可维护性,结构化、模块化是系统软件设计的关键,软件模块的划分应尽量明确、相对独立,入口参数、出口参数意义范围明确。软件rhapsody只支持英文环境,图中英文都有相应的解释。
2.3.1需求分析
需求分析就是明确从系统的角度,要求列车运行控制仿真系统提供什么功能。在以往的需求分析中,始终没有一种合适的工具来保证系统需求的完整表达,所以直接导致了系统在完成后的检测中发现与真实情况不符。
在分析阶段引入全面支持uml的rhapsody这个有效的形式化工具,以完整的、无歧义的语言表达上述功能需求,减少了设计人员的理解偏差,简化了开发过程中的交流。
图2为本案例的用例图,该图形象地表示了各个对象和用例之间的关系。driver(司机)启动是否进行atp的操作,一旦启动atp超速防护系统,atpdevice(atp车载设备)就处于超速防护状态,接受目标速度和实时运行速度,进行比较;如果司机按照允许速度操纵列车,速度监督设备不干预司机的正常操作。当司机违章操作或列车运行超过允许速度时,atp车载设备将自动实施制动。其中,车载设备主要实现以下几个功能:initialtrain(自检并初始化车载设备),acquireactualspeed(获得实际速度),acquireactualspeed(获得列车实际运行的实时速度),acquirelmiitedspeed(获得允许速度,即入口区段的列车速度),acquiregoalspeed(获得出口区段的目标速度),protectspeed(对列车运行进行速度防护及监督),announceemergency(超速告警),braketrain(当发现列车超过允许速度,强行制动列车),司机要实现的功能是:brakebyhuman(人工制动)以及activitateatp(模式开关的选择和司控开关状态的采集)。
2.3.2类的划分和处理
由功能需求分析确定,利用面向对象设计思想,将各个部分用对象来描述,将具有一定属性和操作的对象聚集成类的表现形式。从逻辑上看,一个对象是独立存在的模块,从外界来看,只需要了解它具有哪些功能,至于如何实现这些功能对外界都是屏蔽的。系统中的各个对象通过消息激活机制被动态联系在一起,并可利用面向对象建模中类的继承性,简化类和对象的生成。如果不同的类有共同的属性和方法,依据类的层次把这些共同性概括为总类。
图3为本系统的对象模型图。北京地铁1号线使用的控制方式是分级速度控制方式的出口检查方式:在一个闭塞分区中,只按照一种允许速度判断列车是否超速,并且要求司机在闭塞分区内将列车运行降低到目标速度,设备在闭塞分区出口检查列车运行速度,这个过程主要通过protectspee(防护速度)类来实现。列车的允许速度为该区段的入口速度,机车信号显示器给出目标速度。本区段的目标速度就是下个闭塞分区的允许速度,各种速度的获得是在signalconditionin(信号输入)中实现的,另外还设立了drivercommand(驾驶命令)类以及brakecontrolle(制动控制)类来完成atp启动列车制动的动作。各个类中的函数及其事件在这里就不再详细描述。
2.3.3状态图分析
uml编程过程是在状态图中定义的,由于状态图的表达性和可伸缩性都很好,uml用它们作为正式的fsm(有限状态机)表示。有限状态机是由已存在的条件(称为“状态”)的有限集定义的机器,同样也是状态间因事物触发的状态转移有限集。本案例的行为是通过各个类的状态和转换关系进行定义的,为了使状态图不趋于复杂化,并方便以后的更精确化,我们将各个类分配状态图。在这里,我们将主要类———protectspeed(防护速度类)进行讨论(见图4),包括comparespeed(防护区段内列车速度控制在允许速度之下)、getdownactualspeed(保证列车在区段出口时速度降低到目标速度)、refreshactualspeed(不断得到列车实际运行速度)。
比如,在refreshactualspeed(刷新实际速度)中需要获得处理好的数字速度,在该状态中加入actual-speed=signalconditionerin-getactualspeed(),这样就可以从signalconditionin(信号输入)中得到最大列车实际运行速度。
在comparespeed(速度比较)中对得到的实际速度和最大允许速度比较,若超出规则进入制动状态,状态图进入brakecontroller(制动控制)的状态图中。
2.4代码生成及系统级调试
当以上设计完成时,我们能够产生代码并测试系统模型。我们需要用component组件来告诉rhapsody产生什么样的环境。通常我们使用的是microsoft环境(windows操作系统和visualc++编译器),这样rhapsody可以产生visualc++6.0和基于vxworks的c++程序。
rhapsody通过动态化状态图和顺序图促进了建模级的调试。用户可以在一个“面向对象”尺度上(操作调用,单个事件处理,整个事件队列)单步调试应用,并可以观察状态图的影响(如活动图的变化)。rhapsody提供了3种不同层次的动画控制指令(在configuration中进行设置添加)。第1种是none,即要生成的是可的代码;第2种是tracing,它能够随着执行过程在主机的标准输出设备上显示文本的执行跟踪信息,第3个层次是anmiation(图形动画),以动画形式进行演示。
rhapsody代码在目标机上运行的同时,运行情况动态反馈到设计模型中来,例如基于状态图的断点设置、在顺序图上捕捉不同对象之间的消息映射等。在进行设计级调试的同时,与代码级调试工具联合调试。rhapsody通过模型级/代码级联合调试、验证,能够直观地尽早发现系统的设计错误或缺陷,从而较早地确定或降低项目风险。
另外,rhapsody可以生成高质量的中文文档,可以生成软件应用所需的框架结构、运行库、编译文件、通讯方式、实施策略等。而且模型和代码的一致性更保证了文档和代码的一致性,为我们顺利地完成开发、后期经验的累积提供了很好的平台。可以通过定制模板,生成适合具体工作要求的文档。
3结论
通过对北京地铁1号线的uml建模,可以缩短车载设备软件的开发周期。本文针对北京地铁1号线的lcf-100dt型车载设备进行uml建模,利用了rhapsody这个基于uml语言的开发环境,uml的状态机模型与车载设备极好地对应,且便于借助case工具实现代码自动生成,能够极大地提高车载设备软件的开发效率和项目可管理性。rhapsody采用基于模型的开发方式,为系统的开发提供了清晰的结构以及可复用的软件模块,能够切实提高实时软件的开发效率和可维护性,并可在系统级进行调试,从而提高系统的可靠性和实时性。rhapsody提供了一个完整的用于复杂实时嵌入式的应用软件,是从分析、设计一直到代码实现和软件测试的开发环境。
参考文献
[1]boochg,等.uml用户指南[m].北京:机械工业出版社,2001.
[2]brueggeb,dutoitah.面向对象的软件工程[m].北京:清华大学出版社,2002.
[3]doulassbp.实时设计模式[m].麦中凡,陶伟,译.北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[4]rinatr.aframework-basedapproachtoreal-tmiedevelopmenwithuml[eb/ol].i-logix,israeljune4,2000[20060301].cseserv.engr.scl.ledu/nquinn/cden120fal2001/rhapsody/frameworkrtuml.pd.f
轨道列车篇3
关键词城市轨道交通,车辆选择,预测客流,发展预留
上海市轨道交通线网的快速发展对车辆的需求量越来越大,然而车辆选型及列车编组等关键问题至今尚待解决。在上海市于2023年将建成的14条轨道交通线中,除r1、r2、m3、m4、t等6条线外,其余9条线的车辆选型和制式均未确定(其中l1线、l4线采用与莘闵线相同的小型车辆可基本肯定)。在r4线、m7线、m8线等轨道交通线的前期研究过程中,选用大型车还是选用小型车及采用何种列车编组的问题,每每引起激烈的争论,始终难以达成共识,一定程度上影响了轨道交通建设发展进程。本文旨在以发展的观点,从工程总体角度对此进行探讨。
1两种基本车型技术规格和性能
目前,上海市已建和在建的轨道交通线(磁悬浮线除外)车辆的两种基本车型为:
(1)大容量铝制宽体a型车,架空接触网供电。如r1、r2、m3、m4和即将开工的m8线均采用这种车型。
(2)小容量铝制metropolis系列c型车,架空接触网供电。如莘闵轻轨交通线采用这一车型。Www.133229.cOM表1为两种基本车型车辆的主要技术规格和性能对照情况。由表可见:大型车的结构尺寸较大,需要较大的结构限界;大型车的额定负载较大,是小型车的1.42倍;小型车轴距小,对平面曲线的适应能力较强,利于线路平面布置;大型车爬坡能力强,利于线路纵断面布置;大型车平均起动加速度较小型车大;车辆自重相差不大,大型车拖车自重小,小型车动车自重小。在同样的运能条件下,由于小型车编组大,线路年总运量(含自重)反而较大型车大。其他指标基本相同。
2若干问题的探讨
2.1关于预测客流
预测客流是确定车辆选型、车辆编组的重要依据之一。一般中小运量(如高峰高断面客流量≤3万人/h)轨道交通选用小型(c型)车辆,较大运量或大运量(高峰高断面客流量3万人/h)的轨道交通宜选用大型(a型)车辆或b型车辆。而且,应该肯定客流预测机构对轨道交通的预测结果无可非议。但是,如果将该预测客流作为确定车辆选型和列车编组的唯一依据或者充分条件,则不仅是不科学的,也是不可靠的。其理由如下:
(1)首先,远期客流预测年限是25年,而轨道交通工程的设计使用年限是100年,用第25年的预测客流来确定使用年限为100年的轨道交通工程的建设规模和标准,在时域上就存在很大的差异(且不说预测客流本身的波动性或不定性)。
其次,城市总体规划是客流预测的重要依据。上海市城市总体规划年限是20年(2023年),城市发展规划在时域上与轨道交通使用年限也存在很大差异。同时,城市发展是可持续的,也是可变的。预测客流只是在某一时期的城市发展规划基础上取得的,不是恒数,而是变数。另外,单从客流预测来看,除前述的总体规划外,预测客流还受很多因素的影响,包括居民出行方式、出行次数、轨道交通网发展计划、线路的服务水平(发车间隔、旅行速度、舒适程度等)、票价等。这些因素的变化,对客流预测结果有很大的影响。
(2)上海交通发展战略是:优先发展公共交通,大力发展城市轨道交通;加快大容量城市轨道交通2.2关于发展预留系统建设,形成以轨道交通为骨干,地面公共交通轨道交通建设必须考虑适当的发展预留。而为基础的客运网络;在中心城控制私人小汽车和摩这一发展预留应包括运能储备和舒适度两个方面。托车,逐步取消燃油助动车,自行车成为地区内部关于客流量的增长或波动性以及运能储备方的辅助交通工程。这个基本政策为轨道交通的建面的发展预留前已述及,不再赘述。在此主要从舒设和发展开辟了广阔天地。随着社会经济的发展,适度方面对发展预留进行论证。人们的社会经济活动日益频繁,对出行的条件提出城市的发展是可持续性的,人们对出行条件或了更高要求。轨道交通以其特有的快捷、准点、安乘车环境的要求将越来越高。这一点在现代化城全、舒适的优势必将吸引更多的客流乘坐轨道交市发展中显得异常突出。因此,轨道交通建设既要通。这个事实,已被国内外运营的轨道交通所证考虑到客运量的持续增长或者波动性,更要考虑出实。这种因素,在考虑车辆制式及列车编组时,应行条件的提高和舒适度的改善。该作适当考虑留有余地。因此,预测客流只是轨道交通建设的一个较为厢内站席为6人/m2。这一标准显然太低,不仅不重要的参考因素,而不是决定性的因素。故在确定适合未来人们对出行的要求,即使在今天,与现代轨道交通车辆选型、列车编组和建设规模及标准化的城市发展也是不相适应的。运营中的地铁1时,以远期预测客流为基础,适当预留一定的运能号线实际已证实了这一点。(根据地铁运营公司的储备量是十分必要的。统计,在高峰时间内车厢内拥挤不堪的情况下,车厢内站席平均密度最高只能达到5人/m2。)如果仍然按照这一标准来建设轨道交通,将来总有一天人们会感到拥挤不堪,并逐渐失去与其他交通方式的竞争力。拥挤的客运交通将不可避免地引发治安方面的问题(如性骚扰、抢劫、偷窃等)。这种情况在世界上有些城市,如莫斯科、墨西哥、东京、纽约等都普遍存在。为了给人们(尤其是妇女、儿童)提供一个较为安全的乘车环境,这些城市的地铁运营管理者不得不采取男女分车厢乘车的措施。显然这是迫不得已的做法。然而,如果适当地提高标准,降低拥挤程度,车厢比较宽松,不仅增加了乘客乘车的舒适度,而且也增加了安全感。
既然轨道交通建设必须考虑发展预留,那么首先可以从线路设计通过能力方面来做文章。
2.3关于车辆来源及价格
(1)车辆来源
根据国家计委关于轨道交通车辆国产化的要求和我国车辆生产(组装)能力,两种车型的车辆来源如下:
大型车有四家定点厂,分别是长春客车厂、浦镇车辆厂、株州电力机车厂和四方车辆厂。
小型车有一家组装厂,即上海阿尔斯通闵行组装厂(尽管其他厂家也能生产或组装小型车辆,但与上海目前所采用的小型车不同)。
显然,大型车的来源较小型车广。如果说小型车的供货不成问题的话,那么大型车的供货则更有保障。目前我国已加入wto,今后无论是大型车还是小型车,其供货来源将越来越广阔。以完全满足运能储备和舒适度两方面的预留要求。因此,还必须在车辆方面做文章,如选用大容量车型,或者适当增大列车编组。
(2)车辆价格
表1为两种车型车辆价格及人车价格对照表。
表1车辆价格及人车价格对照表
表1表明,尽管大型车的单价较小型车高,但由于大型车的额定负载远比小型车大,其人车价格仅为小型车的90%。从人车价格上讲,大型车较为经济。对于一条轨道交通线的车辆购置总价来讲,在保证同样的运能条件下,采用大型车要比采用小型车经济。上海市m8线初期采用两种不同车型车辆配属总数及购置总价对照结果已充分证实这一点(见表3)。m8线若采用小型车辆,初期车辆购置费将比大型车增加1355万美元(约合人民币1.125亿元)。
表2m8线车辆配属及购置费对照表
2.4关于车辆选型及列车编组对工程投资的影响来讲,其建筑限界仍然不能缩小。因此,对于以地
下线为主的上海市轨道交通工程,无论采用小型车
(1)车辆选型对区间土建工程投资的影响采用大型车时,结构限界较大,对于高架线和矩形隧道来讲,将增加一定的土建费用;但由于车辆高度和授电方式相同,对于盾构法圆形区间隧道还是大型车,区间土建工程投资基本相同。
(2)车辆选型对车站土建工程投资的影响
在同样的运能条件下,采用大型车时列车的编组数较小型车的编组数小得多(如4辆编组的大型车与6辆编组的小型车运能几乎一样,前者为3.72万人/h,后者为3.82万人/h),车站站台有效长度可很大程度地缩短,从而缩小车站规模,降低车站工程投资。当然,采用小型车时,车站宽度可以缩小,但非常有限,对车站规模和土建投资影响不大。采用大型车使车站规模缩小后,还有利于减少环控等设备系统的投资,并有利于减小运营费用。表3为两种车型与车站规模的关系对照情况。
表3两种车型列车编组与车站规模关系
(3)列车编组对工程造价的影响
毋容置疑,列车编组增大,工程造价增大。但这主要是车站土建造价方面,而对于整个工程来讲,列车编组对工程造价的影响究竟到什么程度呢,答案可以从以下分析和对比中得到。
正在建设中的轨道交通明珠线二期工程全长22km,17座车站,基本为地下线,采用6辆列车编组设计;即将开工建设的轨道交通m8线一期工程,全长23km,22座车站,全部为地下线,采用5辆列车编组设计。前者工程直接费用平均造价指标为2.7亿元/km,较后者的2.58亿元/km仅增加4%左右。增加幅度较小。这固然与明珠线二期工程车站较少、有部分高架区间(1.25km)有关。然而,即使如此,对于同一条线路来讲,采用6节编组与采用5节编组相比,估计其工程造价充其量也就增加5%～6%。这是因为列车编组增加主要引起车站土建工程造价的增加(约12%),而机电设备系统及轨道增加幅度很小,有些则完全相同。可以说,无论是5辆编组还是6辆编组,机电设备系统的造价指标相差不大。
由此可见,适当增大列车编组以预留必要的发展余地,对工程总投资的影响程度并不是很大。而另一方面,采用6节编组时,其运能或容量却较5节编组增加了20%。显然,以增加5%的工程初期投资(直接费)的代价换取必要的运能储备或发展预留(且这种储备或预留是必需的)是完全值得的。
3几点建议
(1)对于客流预测机构对轨道交通的预测工作和结果应予以充分尊重和认可,但预测客流并不能作为确定轨道交通建设规模的唯一依据。轨道交通建设必须考虑一定的发展预留,而且这一预留不仅是运能方面,更是乘客舒适度方面,故车辆选型和列车编组应通过综合分析来确定。简言之,要以发展的观点来确定轨道交通的远期规模。
(2)对于轻轨来讲,采用小型车是可取的。但对于市区地铁线和市域快速线(尤其是以地下线为主的地铁线)采用大型车较为合适。
(3)选用大型车和适当地增大列车编组,对工程初期投资的影响程度是有限的,以此来获取必要的发展预留是值得的。
(4)在上海城市轨道交通中,虽然小型车只用于轻轨交通线,但在全国来讲具有广泛的应用前景。其供电方式采用三轨制式更为适合,同时,还需提高爬坡能力。
(5)车辆编组及动拖比等技术条件应符合工程总体需要,车辆编组的灵活性有利于运输组织。相信车辆专业的技术人员和生产厂家能够解决车辆本身的技术问题,并完全有能力提供满足工程总体需要的车辆。
(6)对于某些线路,若近期内客流较小,可按“高密度、小编组”的原则组织运营,也可暂采用小型车组织运营。这样,可以保证必要的行车密度,若采用小车还可以解决上海市已订购300辆小型车的使用问题。当然,这需要车辆能够灵活编组,或者要求线路满足大、小车兼容的技术条件,而这是不难做到的。
以上是作者从工程总体角度对轨道交通车辆选型和列车编组初浅认识,乃一家之言,仅供同行参考,望批评指正。
轨道列车篇4
关键词城市轨道交通,列车自动控制,多变量模糊控制,制动控制
为在确保安全的前提下实现城市轨道列车快速和高密度地运行,必须缩短运行间隔,并将自动运行和列车运行管理有机结合起来,也即发展列车运行自动控制技术。其关键就是发展列车速度自动控制系统。电力牵引的轨道交通列车运行自动控制一般分为三个阶段:出站启动、加速控制到给定速度的第一阶段;匀速,变速或惰行运行的第二阶段;降速、停站制动的第三阶段。三个阶段的自动控制运行各有特色。本文应用多变量模糊控制方法,主要讨论第三阶段运行中的制动控制,实现速度下降快、加速度变化恒定、停车准确、执行机构往返动作频率少的优化控制目标。
1列车牵引模型
系统的数学模型是依据上海地铁1号线从德国引进的斩波无级调压供电电动车组。首先建立数学模型,来描述车辆牵引(制动)系统固有的机电特性及车辆载重、线路阻力等外界影响,然后确立牵引电机起动电流值与磁场削弱系数之间的关系,以及额定牵引电机电压值与车辆速度、加速度、位移等输出值。
1.1动车牵引力特性
动车牵引力特性,是指动车轮周牵引力(fk)与牵引电机电枢电流(i)之间的关系,即fk=n′miφ(1)式中:n为列车牵引电机台数;φ为牵引电机主极磁通,wb,它由牵引电机的磁化曲线确定;m为归算后电机转矩常数。
η
′2cmi
cm=(2)
dk式中:dk为车辆动轮直径,m;i为齿轮传动比;η为传动装置效率;cm为牵引电机转矩常数。pn1cm=2πa(3)
式中:p为主极对数,n1为电枢绕组有效导体数;a为电枢绕组并联支路数。
1.2动车速度特性
动车速度特性,是指动车运行速度(v)与牵引电机电枢电流(i)的关系,即
ud=ceφnd+ird+lddi(4)
dte=ceφnd(5)式中:ud为牵引电机端电压,v;ld、rd分别为牵引电机回路电感与电阻;ce为电机常数,定义为pn1ce=(6)
60a式中符号定义同式(3);nd为电机转速,r/min,它与动车速度(v)的关系式为60πdk1
v=1000ind=αnd(7)式中α为速度与转速转换常数。
1.3动车牵引特性
动车牵引特性,是指动车轮周牵引力(fk)与动车速度(v)之间的数学表达式,即dv
f=fk-f=fk-f1-f2-f3=m(8)
dt式中:f1为列车基本阻力;f2为弯道阻力;f3为坡道阻力。此方程一般为非线形方程。
2多变量模糊控制原理
对于列车牵引系统,要从位移、速度、加速度三方面来考虑。首先要保证列车运行的安全性和到站的精确性,即保证列车运行过程中的最高速度在规定的最高限速以内以及保证列车到站与实际要求的目标停车位置一致。在满足这两点以后,还要考虑列车运行的准点性和乘客乘坐的舒适性。传统的一般模糊控制方法,只能对一个输入变量进行控制。在此,无论是对位移、速度还是加速度进行控制,都无法满足列车运行的这几个指标。所以采用对位移、速度、加速度三个变量进行综合控制的多变量模糊控制方法。
目前,应用一般模糊控制方法的地铁列车自动运行系统通常采用速度跟踪控制方式,即根据给定点的目标速度曲线对列车进行控制。列车控制跟踪给定的目标速度曲线,从而对列车速度、加速度、位移进行控制来达到性能指标的优良。而列车运行控制的目标有:正点性、舒适性、安全性、节能性、速度跟踪性和停车准确性。采用这种速度跟踪的控制方法,虽然可以保证速度跟踪目标速度较好,但是定位精度误差较大且不稳定,控制参数整定困难,而且可能会造成乘客乘坐的不舒适。对于列车控制的几个目标,安全性和速度跟踪性是靠控制速度来达到的,停位精度是靠控制位移来达到的,舒适性是靠控制加速度来达到的。所以,选用速度、加速度、位移三个量作为这个系统的控制变量对其进行控制。在每个采样点上,获得速度、加速度、位移三个输入量及它们的变化率,对其分别进行模糊化,然后根据控制规则表,得出此时分别对应于三个输入量的控制量,并根据它们对性能指标的重要程度,给以适当的加权系数使之综合,最后得到所需的控制量。
km/h;x3为列车牵引电机电枢电流,a;ud为牵引电机端电压控制量;β为动车运行时阻力,是一个非线性量,它有基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、隧道阻力等。
将上式线性化、增量化可得:
δf=2×0.001322v=2βx2(10)式中其它量说明如下:v为速度;m为列车归算质量,kg;n为牵引电机台数;φ为电机磁化曲线,由φ=f(i,r)确定,r为消磁常数,i为牵引电机电枢电流;ce为电机常数;α为速度与转速转换常数;rd为牵引电机回路电阻;ld为牵引电机回路电感。这是一个非线性的状态方程。
在这里,主要采用地铁列车多变量模糊控制策略来达到多性能指标优化的目标。现主要介绍列车进站停车的运行控制。它是动车最重要的控制之一。
应用多变量模糊控制策略的系统框图如图1所示。其中f(v)为给定的停车最佳目标速度曲线,f(s)为给定的最佳位移曲线,f(a)为给定的最佳目标加速度曲线,v1为系统反馈的速度,s1为系统反馈的位移,a1为系统反馈的加速度,u为系统输出的控制量,y为系统的输出。
图1多变量模糊控制策略的系统框图
在控制系统中首先需要对三个输入量,即计算速度与给定速度差ve及其变化率、计算位移与给定位移差se及其变化率、当前时刻加速度与给定加速度的差ae及其变化率进行模糊化,然后根据这三个输入量分别计算出相应的控制量。分别计算出三个控制量后,就可对三个控制量进行综合运算。
3
u=∑kiui
i=1
在得到针对各个输入量的控制量时,要对其加以综合,得到最后的控制量。在这个最后得到的控制量里,包含了速度、加速度、位移的影响。
3仿真试验与分析
在上述模型的基础上,按照上海地铁1号线列车运行模型,从漕宝路站到上海体育馆站进行了列车运行的数字仿真试验。输入值为上海地铁1号线列车实际运行过程中的电流百分比控制量,输出值为输入的控制量作用于所建数学模型而得到的速度、加速度和位移。试验分别应用一般经典的pi控制、一般模糊控制方法和多变量模糊控制方法进行了模拟。其中,在多变量模糊控制方法中,各个参数取值如下:ks=0.6,ka=0.2,kv=0.2。仿真从漕宝路站到上海体育馆站的运行控制时,多变量模糊控制达到了很好的效果。列车运行时间与时刻表相符合;停车位置距离目标停车点4cm;达到的最高速度为76.8km/h;最大加速度变化量为-0.5m/s3。其它两种方法的控制效果则远远不如多变量模糊控制方法。
图2所示的是采用多变量模糊控制对漕宝路站到上海体育馆站这个运行区间进行控制的控制量的变化情况。其中粗实线是多变量模糊控制方法,虚线是一般模糊控制方法,细实线是一般经典的pi控制。从中看到,pi控制的控制量的变化最多,幅度也较大;一般模糊控制的控制量变化次数较少,但变化幅度较大一些;而多变量模糊控制则明显优于pi控制和一般模糊控制。
图2仿真试验的控制量变化情况图
图3访真试验的加速度变化情况图
参考文献
1孙章,何宗华,徐金祥.城市轨道交通概论.北京:中国铁道出版社,1998
2蔡自兴.智能控制.北京:国防工业出版社,1998.115～172
3leecc.fuzzylogicincontrolsystem.ieeetransonsustem,manandcybernetics,1990,20(2):404～433
4窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用.北京:北京航空航天大学出版社.1995
5何平,王鸿绪.模糊控制器的设计及应用.北京:科学出版社,1997.155～182
6刘云.列车运行仿真系统的建模与实现.铁道学报,1995年专辑
7田长海等.列车动态模拟系统的研究.中国铁道科学,1995,16(1)
轨道列车篇5
关键词:城市轨道交通，走行性，振动
目前我国城市轨道交通建设还处于起步阶段，由于缺少相应的建设标准，因此在工程设计中往往套用其他相近行业(如铁路)的设计标准[1]。但城市轨道交通有其自身的特点，这些标准的适用性是值得探讨的，因此，有必要建立使用城市轨道交通的技术标准，而轨道交通的安全性和乘客乘坐的舒适性(即列车的走行性)是建立这些标准的出发点。
由于技术原因，我国铁路技术标准的制定，很大程度上以静力分析为主，所必须考虑的动力学问题往往也变换成一般的静力形式。目前我国的铁路设计技术标准已经难以适应提速、高速列车开行和新结构设计的需要。对此，许多学者正在进行标准铁路和高速铁路列车动力学的研究，试图通过有效的研究，为铁路设计提供更为科学的技术支持[2～5]。学者们的工作取得了成效，对轨道交通的发展起到了积极的作用。但是，这些研究各有特定的方法对象，难以对制定城市轨道交通结构的技术标准提供进一步的依据。因此，针对城市轨道交通工程中急需解决的实际问题，进行城市交通列车走行性研究是十分必要的。
1模型的建立
由于列车、轨道、桥梁结构动力问题的空间特性，如平曲线、竖曲线、曲线桥梁等，以二维的方法(参见文献[2～4])进行研究有其局限性;因此在建立列车、轨道和桥梁模型时，应该采用三维空间模型。据此，本文分别建立了每一辆车具有23个自由度的车辆模型，桥梁则用每节点具有6个自由度的有限元模拟[6]，同时在考虑车桥耦合振动时，引进蠕滑理论[7]以更好地反映轮轨之间的相互作用。
1.1车辆模型
由于列车运行的空间特性，本文在建立车辆计算模型时采用了轨道随动坐标系，因此在计算列车通过平曲线、竖曲线时，其质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵可以采用固定形式，而只需对外力向量进行修正，最后将不同情况下的附加外力向量进行迭加。一般情况下，用矩阵表示的列车动力平衡方程为
Mvδv+Cvδv+Kvδv=Fv
式中:Mv为车辆质量矩阵;Cv为车辆阻尼矩阵;Kv为车辆刚度矩阵;δv为车辆位移列向量;δv为车辆速度列向量;δv为车辆加速度列向量;Fv为车辆外力列向量。
1.2桥梁模型
本文在建立桥梁模型时采用的是系统整体坐标系。用矩阵表示的桥梁动力平衡方程为
Mbδb+Cbδb+Kbδb=Fb
式中:Mb为桥梁质量矩阵;Cb为桥梁阻尼矩阵;Kb为桥梁刚度矩阵;δb为桥梁位移列向量;δb为桥梁速度列向量;δb为桥梁加速度列向量;Fb为桥梁外力列向量。
1.3轮轨关系
本文采用了Kalker的线性蠕滑理论，并作了如下假定:①轮轨接触几何关系为非线性;②计及线路不平顺;③计及缓和曲线上曲率及超高的变化;④不计车辆产生轮缘接触等大蠕滑现象;⑤蠕滑规律以及悬挂元件是线性的;⑥不计自旋蠕滑所产生的蠕滑力;⑦不计钢轨的弹性及阻尼。
在竖向，假定车轮始终密贴于钢轨，即轮轨之间在竖向通过位移联系。而在横向，由于轮轨之间存在间隙，只能通过力来联系。其中蠕滑力由蠕滑理论求得。
1.4列车通过曲线桥梁时坐标系的采用
当桥梁位于线路上曲线区段时，通常以多跨简支直线梁组成的折线梁段来实现，如图1所示。以前分析列车通过曲线桥梁采用2种方法:一为只采用曲线正交随动坐标系，二为采用系统整体坐标系[8]。本文在考虑列车曲线通过时，对列车部分采用轨道随动坐标系，桥梁部分使用系统整体坐标系，两个系统间的动力学和运动学量值通过坐标转换矩阵实现。这种方法可以使分析分别在简单的系统中进行，同时其转换的实现方式是标准的。
1.5动力平衡方程解法
车辆、桥梁动力平衡方程都是大型动力微分方程组。求解这类问题，一般采用直接数值积分方法。本文即采用了常用的Wilson-θ法。
2程序的实现
用VisualC++6.0开发了城市轨道交通列车走行性研究系统RTV。本程序主要包括4类:CBridge(桥梁类)、CVehicle(车辆类)、CTrain(列车类)、CTrack(轨道类)。另外利用其可视化的特点，制作了良好的界面，如图2所示。
3走行性分析
3.1平曲线中缓和曲线长度对列车走行的影响
平曲线中缓和曲线的长度对列车走行的影响主要有:①通过缓和曲线时，因内外轨不在同一平面上，而使前轮内侧减载，在横向力作用下，可能发生脱轨事故，因而要对外轨超高顺坡值加以限制;②通过缓和曲线时，外轮在外轨上逐渐升高，其时变率应不致影响旅客舒适;③旅客列车通过缓和曲线，未被平衡的离心加速度逐渐增加，其时变率应不致影响旅客舒适。按上述3个条件推导的公式[9]计算，在城市轨道交通中，400m半径曲线所需最短缓和曲线51m;800m半径曲线所需最短缓和曲线26m。
图1曲线轨道折线梁及桥墩布置平面图
图2双线对开
图3～6为R=400m时由自编程序RTV进行计算得到的结果(车辆参数取自地铁1号线，下同)。由此可见，随着缓和曲线长度的增加，列车通过平曲线时的性能，包括安全、横向舒适、竖向舒适会得到很大的改善。同时可以看出:30m缓和曲线对800m半径曲线及60m缓和曲线对400m半径曲线已能满足要求。
图3R=400m时缓和曲线长度与横向斯佩林指标的关系图4R=400m时缓和曲线长度与竖向斯佩林指标的关系
图5R=400m时缓和曲线长度与横向蠕滑力关系图6R=400m时缓和曲线长度与脱轨系数的关系
经过理论分析和自编程序计算可以看出:在城市轨道交通中缓和曲线长度可以比标准铁路适当减小，标准铁路缓和曲线长度的规定见文献[9]。本文建议400m半径曲线最小缓和曲线长可取60m;800m半径曲线最小缓和曲线长可取30m。
3.2竖曲线半径大小对列车走行的影响
设定竖曲线半径大小应考虑2个因素:①列车通过竖曲线时，会产生的竖直离心加速度;②列车通过凸形竖曲线时，产生向上的竖直离心力，上浮车辆在横向力作用下容易产生脱轨事故。按这2个条件推导的公式[8]计算，在城市轨道交通中，所需竖曲线半径为1646m。
图7、图8为由自编程序计算得到的结果:分别计算了半径大小分别为5000m、3000m、2000m、1000m、500m、300m时的情况。可见，随着曲线半径的增大，列车通过性能会得到很大的改善。另外，由图可见，2000～3000m半径竖曲线对行车舒适、安全已能满足要求。
经过理论分析和自编程序计算，本文推荐最小竖曲线半径可取2000～3000m。
3.3列车通过直线桥梁走行性分析
轨道交通明珠线大部分采用跨径30m左右的预应力混凝土单箱双室梁，截面特性为:A=5.3m2，Ix=2.63m4，Iy=2.26m4，Iz=21.1m4，E=3.5×1010N/m2，G=1.5×1010N/m2，γ=2.5×103kg/m3，轨道中心线离桥梁中心线的距离b=2m，桥梁质心离轨顶面的高度h=1m。
图7v=80km/h竖曲线半径与竖向斯佩林指标的关系
图8v=80km/h竖曲线半径与轴重减载率的关系
3.3.1基础不均匀沉降对列车走行的影响
本文选用6跨32m桥梁进行研究，隔桥墩沉降量相同。RTV程序计算结果表明:单线通过桥梁时，随着基础沉降的增加，某些桥梁跨中竖向挠度和冲击系数要减小，某些桥梁跨中竖向挠度和冲击系数要增加;双线对开通过桥梁时，随着基础沉降的增加，所有桥梁的跨中竖向挠度和冲击系数都要增加;不论单线还是双线，随着基础沉降的增加，列车的竖向振动都要加剧。
3.3.2桥梁徐变对列车走行的影响
本文取6跨32m桥梁进行计算。假设桥梁各跨徐变大小相同，各跨桥梁徐变线型为抛物线。计算结果表明:无论单线还是双线通过桥梁时，随着桥梁徐变的增加，所有桥梁的跨中竖向挠度和冲击系数要减小，而随着桥梁徐变的增加，列车的竖向振动有加剧趋势。
3.3.3列车通过直线桥梁计算结果
①列车静力通过直线桥梁竖向挠度单线为4.34mm，双线为8.23mm。单线动力过桥，竖向挠度最大为4.432mm;双线动力过桥，竖向挠度最大为8.626mm。挠跨比1/3710符合现有规范1/800的要求。
②单线过桥冲击系数最大为1.021，双线对开冲击系数最大为1.048。
③列车通过直线桥梁，横向振幅最大为0.041mm，远小于规范的要求。
3.4列车通过多跨简支曲线轨道折线梁走行性分析
把6×32m跨度的桥梁布置在曲率半径分别为400、600、800m的曲线圆弧段上进行分析。经计算，得出以下结论:
①当列车在曲线轨道折线梁上运行时，列车横向振动响应，如横向舒适度指标、横向蠕滑力、脱轨系数等一般均比在直线梁上运行时要大。
②由桥梁跨中横向振动位移时程曲线(见图9)可以看出，曲线轨道折线梁的跨中横向振动位移波形相对平衡位置有一定偏心，而列车通过直线桥时，桥梁跨中则是在平衡位置附近作来回振动。
图9R=400m，双线，v=80km/h通过桥梁跨中横向位移
③随着平曲线半径的减小，桥梁的横向振幅要增大。
④明珠线曲线轨道折线梁具有足够的横向刚度，车桥最大振动响应在规定的行车安全、舒适的控制指标以内。列车最大横向舒适度指标2.756接近我国机车平稳性评定标准优良2.75;最大脱轨系数0.455小于我国规定的容许限值1.0;桥梁横向振幅最大为0.158mm。
4结论与建议
1.上海轨道交通明珠线的设计是安全的，桥梁的竖向、特别是横向刚度足够大。建议今后在设计城市轨道交通桥梁时考虑这方面的因素，根据动力分析的结果确定桥梁的横截面，以达到较为经济的目的。
2.为保证旅客乘坐的舒适性，控制缓和曲线的长度是必要的。本文建议平曲线半径为400m时，缓和曲线长度不宜小于60m;平曲线半径为800m时，缓和曲线长度不宜小于30m。
3.在竖向曲线坡度的选用上，列车的安全性和平稳性不是控制因素。建议竖曲线半径取2～3km。
4.由于桥梁截面较大、列车运行速度较低等原因，基础沉降、桥梁徐变的影响总体上不是太大[10]。
参考文献:
[1]孙章.加快发展以轨道交通为骨干的城市公共交通[J].城市轨道交通研究，1998(2):3～5.
[2]张弥，夏禾，冯爱军.轻轨列车和高架桥梁系统得动力响应分析[J].北方交通大学学报，1994，18(1):1～8.
[3]吴迅，李新国，胡文.列车过桥竖向振动模型试验研究及其程序验证[J].上海铁道大学学报，1997，18(4):37～44.
[4]朱东生，田琪.高速铁路车桥系统横向振动研究[J].兰州铁道学院学报，1997，16(3):1～6.
[5]王刚.高速铁路三塔斜拉桥车桥动力分析[J].上海铁道大学学报，1999，20(10):11～15.
[6]张玉良，匡文起.结构矩阵分析[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，1987.286～288.
[7]王福天.车辆系统动力学[M].北京:中国铁道出版社，1994.
[8]郭文华.中小跨度铁路桥梁横向刚度分析[D].长沙:长沙铁道学院，1999.