城市轨道交通多系统耦合仿真实现方法研究.pdf

第2期2 0 2 4年3月N o.2M a r.2 0 2 4研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 4)0 2-0 0 5 6-0 7 城市轨道交通多系统耦合仿真实现方法研究奚笑冬(上海地铁维护保障有限公司,上海 2 0 1 1 0 0)摘 要:随着城市地铁线路运营规模的增加和运行时间的增长,节能降耗、运营维护、改造升级等一系列问题越来越不可被忽视。仿真技术一直是轨道交通行业研发生产过程中的重要手段,是实现大型复杂产品数字化的重要基础,在优化系统参数、缩短开发周期、节约设计及验证成本等方面发挥重要作用。在过去的研发生产过程中,各专业往往更关注于本专业、本系统的功能仿真分析,将其他相关专业做理想化的简化处理,很少有统一考虑列车、牵引供电、信号、运行调度等系统相互耦合特性的综合仿真平台。文章针对上海地铁运维中面临的实际问题,从线路运营角度出发,基于目前主流的仿真技术,并考虑未来平台的可扩展性,搭建一种综合仿真平台,实现城轨“多专业、多系统”集成层面,车辆、信号、供电三大专业多个核心子系统的耦合仿真。通过上海地铁某线路耦合仿真计算结果和实际运行数据的对比,证明了所提出的多系统耦合仿真方法的正确性。关键词:城市轨道交通;多系统;耦合仿真;数字化模型;数字化测试中图分类号:U 2 3 1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 4.0 2.0 1 0S t u d y o n t h e R e a l i z a t i o n M e t h o d o f M u l t i-S y s t e m C o u p l i n g S i m u l a t i o n f o r U r b a n R a i l T r a n s i tX I X i a o d o n g(S h a n g h a i M e t r o M a i n t e n a n c e a n d S e c u r i t y C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 1 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e i n c r e a s e o f o p e r a t i o n s c a l e a n d o p e r a t i o n t i m e o f u r b a n m e t r o l i n e s,a s e r i e s o f p r o b l e m s s u c h a s e n e r g y s a v i n g,c o n s u m p t i o n r e d u c t i o n,o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e,t r a n s f o r m a t i o n a n d u p g r a d i n g a r e b e c o m i n g m o r e a n d m o r e i m p o r t a n t.S i m u l a t i o n t e c h n o l o g y h a s a l w a y s b e e n a n i m p o r t a n t m e a n s i n t h e R&D a n d p r o d u c t i o n p r o c e s s o f r a i l t r a n s i t i n d u s t r y.I t i s a n i m p o r t a n t b a s i s f o r r e a l i z i n g t h e d i g i t i z a t i o n o f l a r g e-s c a l e c o m p l e x p r o d u c t s.I t p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n o p t i m i z i n g s y s t e m p a r a m e t e r s,s h o r t e n i n g d e v e l o p m e n t c y c l e,s a v i n g d e s i g n a n d v e r i f i c a t i o n c o s t s.I n t h e p a s t R&D a n d p r o d u c t i o n p r o c e s s,v a r i o u s m a j o r s t e n d t o p a y m o r e a t t e n t i o n t o t h e f u n c t i o n a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f t h e i r o w n m a j o r a n d s y s t e m,a n d i d e a l i z e t h e s i m p l i f i c a t i o n o f o t h e r r e l a t e d m a j o r s.T h e r e i s l i t t l e c o m p r e h e n s i v e s i m u l a t i o n p l a t f o r m t h a t c o n s i d e r s t h e c o u p l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a i n s,t r a c t i o n p o w e r s u p p l y,s i g n a l s,o p e r a t i o n s c h e d u l i n g a n d o t h e r s y s t e m s.I n t h i s p a p e r,a i m i n g a t t h e p r a c t i c a l p r o b l e m s f a c e d i n t h e o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e o f S h a n g h a i M e t r o,f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f l i n e o p e r a t i o n,b a s e d o n t h e c u r r e n t m a i n s t r e a m s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y,a n d c o n s i d e r i n g t h e s c a l a b i l i t y o f t h e f u t u r e p l a t f o r m,a c o m p r e h e n s i v e s i m u l a t i o n p l a t f o r m i s b u i l t t o r e a l i z e t h e m u l t i-s p e c i a l t y a n d m u l t i-s y s t e m i n t e g r a t i o n l e v e l o f u r b a n r a i l,a n d t h e c o u p l i n g s i m u l a t i o n o f m u l t i p l e c o r e s u b s y s t e m s o f t h e t h r e e m a j o r s p e c i a l t i e s o f v e h i c l e,s i g n a l a n d p o w e r s u p p l y.T h e c o r r e c t n e s s o f t h e m u l t i-s y s t e m c o u p l i n g s i m u l a t i o n m e t h o d p r o p o s e d i s p r o v e d b y c o m p a r i n g t h e c o u p l i n g s i m u l a t i o n r e s u l t s o f S h a n g h a i M e t r o L i n e 1 7 w i t h t h e a c t u a l o p e r a t i o n d a t a.K e y w o r d s:u r b a n r a i l t r a n s i t;m u l t i-s y s t e m;c o u p l e d s i m u l a t i o n;d i g i t a l m o d e l;d i g i t a l t e s t收稿日期:2 0 2 3-0 7-1 8第一作者:奚笑冬(1 9 8 0),男,高级工程师。随着我国“碳达峰、碳中和”政策体系的逐步完善,高速发展的城市轨道交通带来的能耗问题愈发引起社会的关注1-2。据中国城市轨道交通协会统计,2 0 2 1年我国城市轨道交通总用电量达2 1 3.1亿kWh,其中牵引能耗约占4 9.8%,均达到历史最高3-5。上海地铁自1 9 9 0年1号线破土动工、1 9 9 2年投入运营开城市轨道交通多系统耦合仿真实现方法研究 奚笑冬始,经历了飞速的发展。截至2 0 2 0年底,上海城市轨道交通运营总里程超7 0 0 k m,涵盖4 0 0余座车站,拥有7 0 0 0多列车,是我国城市轨道交通运营规模最大的城市。随着城市地铁线路运营规模的增加以及运行时间的增长,节能降耗、运营维护、改造升级等一系列问题变得越来越不可被忽视。仿真技术作为轨道交通行业研发生产过程中的重要手段,是实现大型复杂产品数字化的重要基础,在优化系统参数、缩短开发周期、节约设计及验证成本等方面发挥着重要作用,已经被国内外大多数轨道交通企业当作产品设计、测试及验证的必备手段,并构建了各种仿真平台来支撑产品开发4。近年来,以智能运维为切入点,从数字化仿真测试开始,数字孪生的落地实现也在快速进行。然而,目前行业内已实现的多系统联合仿真主要针对实际设备的研发而实施,重点关注实际设备的功能和性能的研发测试。如国外的A B B公司、西门子股份公司、庞巴迪公司、法国阿尔斯通公司等,国内的中车青岛四方车辆研究所、中车株洲电力机车研究所、中车大连电力牵引研发中心、中国铁道科学研究院机辆所、中车永济电机有限公司等轨道交通行业公司,先后根据自身业务的发展需求,建立了系统级、整车级到线网级的仿真测试系统,以服务于轨道交通产品系统设计、运营维护等不同阶段。然而轨道交通是一个多专业的耦合系统,涉及到多个专业、多个物理场。在过去的研发生产过程中,很少有统一考虑列车、牵引供电、信号、运行调度等系统相互耦合特性的综合仿真平台。本文针对上海地铁运维中面临的实际问题,从线路运营角度出发,基于目前主流的仿真技术,并考虑未来平台可扩展性,搭建一种综合仿真平台,实现城轨“多专业、多系统”集成层面,车辆、信号、供电三大专业多个核心子系统的耦合仿真,为进一步推进上海轨道交通数字化转型、能级提升打下基础。1 数字化测试平台图1为数字化测试平台架构,数字化测试平台为包含测试前处理、测试及结果分析流程的综合测试系统。其包含测试流程数字化,即从需求分析、计划制定、资源分配、用例配置、测试执行到结果分析的全流程数字化管理;测试对象数字化,即数字模型和物理实体灵活组合的半实物仿真6。同时,借由实际数据及实际测试结果,其不断地自动进行模型校准工作,以保证测试结果可信。相较于传统测试方式,数字化测试在保证测试结果可信的前提下,可节约大量的人力、硬件及时间成本。图1 数字化测试平台架构2 数字化模型搭建数字化模型包含供电系统模型、车辆系统模型。其中车辆系统模型包含车辆牵引系统模型、车辆制动系统模型、车辆动力学系统模型及配套的司控台系统。各系统模型皆基于S i m u l i n k平台搭建,运行在实时仿真机中,并通过网线与司控台系统进行交互。2.1 供电系统模型本平台需搭建供电系统从主变电所到直流牵引网的全部模型,建模环境为S i m u l i n k。将交流1 1 0 k V侧等效为无穷大电源,主变电所至直流母线间的结构按照供电系统图拖拽相应模块进行搭建。对于直流牵引网,相关研究表明,在回流路径参数一致时,不同复杂度的回流系统模型的轨电位分布曲线基本一致,故75第6 1卷第2期2 0 2 4年3月本平台采用最简单的“网-轨-地”3层集中参数阻抗网络进行建模,并将列车等效为功率源6-9。其单区段单向结构直流牵引网如图2所示。图2 直流牵引网结构如图所示,当某一供电区段内单向存在n辆车运行时,由Rx1Rx(n+1)及Ry1Ry(n+1)组成的阻抗网络等效回流系统,其可表示为:Rx n=RrlnRy n=2Rgln (1)式中:Rr为钢轨纵向电阻,单位/k m;Rg为轨对地过渡电阻,单位k m。在重点考虑变电所能耗的情形下,可忽略模型中的钢轨对地部分,并对牵引变电所进行戴维南等效,对简化模型进行潮流计算获得所需物理量。进行潮流计算的拓扑结构如图3所示。图3 牵引网拓扑结构结合列车位置和牵引网导线基本参数等,可以计算出牵引网中每段线路的导纳,生成网络的节点导纳矩阵,进而列写各节点的节点电压方程和功率平衡方程。对于第i个变电所节点,其方程为:Ii=nj=1Yj,iUi(2)对于第i个列车节点,其方程为:Pi=Uinj=1Yj,iUi(3)其中,Ui为各节点电压;Yj,i为节点导纳矩阵。相关文献显示,在一般工程计算中,可认为2 4脉波整流机组为两个1 2脉波整流机组并联运行。对于采用轴向双分裂式三绕组变压器的整流机组,其外特性可表示为:Ud1=Ud0-3XC2Id(4)Ud2=23+1 4U2d0-12-33XCId 2(5)Ud3=31-k 2+12-3kUd0-322+3k2-3kXCId(6)Ud4=3 1-k 2-3kU2d0-2+3k 23XCId 2(7)Ud5=3 1-k 8-3k2 22-3k 31-k 2+1Ud0-921-k 22+3k 2-3kXCId(8)Ud6=3 1-k 4-3k 2 31-k 2+1Ud0-921-k 2XCId(9)式(4)(9)中:Ud0为整流机组理想空载直流电压;XC为变压器换向电抗;Id为变电所馈线电流;k为变压器耦合系数。潮流计算步骤为:(1)设置列车所在节点牵引网电压初值为牵引供电系统额定电压,求得电流向量初值;(2)设置全线所有整流机组的默认工作区间为第一区间;(3)计算整流机组等效参数;(4)采用节点电压法求解直流网络各节点电压及电流;(5)根据各整流机组的工作区间以及计算工作负荷,判断是否需要调整其运行区间;若需要,则调整各区间后,重新进行步骤(3),否则进入步骤(6);(6)判断各列车节点牵引网电压是否满足收敛精度。若满足,则进入步骤(7);若不满足,则按照求得的列车处牵引网电压,修正列车电流,重新进入步骤(2);(7)输出计算结果。为保证模型的运算精度,尽量减小模型运算步长,需将模型拆分。本系统采用T LM方法在交流侧变压器二次侧漏感及直流母线电容处将模型解耦,解耦后的各子模型可认为同步运行。T LM方法是根据分布参数线路特性进行的自然解耦,即采用波动方程描述85城市轨道交通多系统耦合仿真实现方法研究 奚笑冬输电线路时,若仿真步长小于等于波在线路上的传播时间,则可在输电线路两端对模型进行分割1 3-1 4。其端口模型如图4所示。图4 解耦端口模型其中,端口各变量关系为:Y=T/L或C/TIa t=Va tY-2ia tIb t=Vb tY-2ib tia t+1 =Ib t+ib tib t+1 =Ia t+ia t(1 0)式中:T为系统仿真步长,单位s。根据所要替代的无源器件的类型,选用不同的公式计算Y。至此,供电系统模型搭建完成。2.2 车辆模型车辆模型采用四动两拖的车辆编组形式,根据不同的工况选用不同的车重。车辆模型包括牵引模型、制动模型、动力学模型,其功能为根据供电系统提供的电网电压、信号系统的指令(包括控车指令、牵引制动指令、手柄级位等)以及车辆自身参数(包括车重、车长、轮径等)、线路参数等,输出列车在上述条件下的车辆运行状态,如车速、车辆位置、整车电流等。2.2.1 牵引模型根据不同载荷情况下的牵引特性曲线、电制动特性曲线,模拟全速域速度-转矩特性,实现根据牵引制动百分比,输出实时牵引制动转矩,并转化为牵引力、电制动力,输出至动力学计算模块1 0-1 1。牵引力及电制动力计算过程如下:Fq=Fm a x 0vv1Fm a xv1v v1v2 (1 1)式中:Fq为单个电机能力值;Fm a x为恒转矩区对应的牵引力大小;v1为恒转矩与恒功率分界速度;v2为恒功率与自然特性分界速度。FQ=Ji=1Fq-i(1 2)式中:FQ为整列牵引能力值;Fq_i为第i个电机能力值;n为整列电机数量,根据列车型号决定。本文算例中车型n取1 6。FQ o u t=Pe r cFQMMAW 3(1 3)式中:FQ o u t为整列牵引输出值;Pe r c为牵引百分比;MAW 3为列车处于AW 3时的整车车重。同理,可分配电制动力矩由如下公式给出Fb_e=Fe_m a xK 0vv3Fe_m a x v3v4 (1 4)2.2.2 制动模型根据制动系统设计文件,进行制动系统功能设计,模拟制动力施加及其时间特性。制动模型根据列车载荷,结合不同的制动工况,分配并施加制动力。空气-电制动力分配指在电制动未切除的情况下,根据期望减速度,计算整车制动力,同时通过牵引系统仿真反馈的电制动力可用值,先施加电制动力,电制动力不足的情况下,补充空气制动。Fb_a=ni=1Fb o g i e_i(1 5)式中:Fb_a为整列总空气制动力;Fb o g i e_i为第i个转向架制动力;n为转向架个数。Fb_a=Fb-Fb_e(1 6)式中:Fb为整列制动力;Fb_e为整列总电制动力。不同转向架的空气制动力分配根据等磨耗或等黏着的原则,等磨耗即补充空气制动力时,每辆车、每个转向架等额同时补充空气制动力,此时每个基础制动单元的磨耗是相同的;等黏着即补充空气制动力时,先补充拖车制动力,每辆车、每个转向架再等额补充空气制动力,此时每辆车的制动力是相同的。Fb o g i e=Fb_aNb o g i e(1 7)式中:Nb o g i e为可用转向架数量。当制动系统仿真的某个转向架因故障切除后,需要将损失的制动力同样按照等磨耗或等黏着的原则,由其它转向架补充施加。FB=Pe r cM(1 8)式中:Pe r c为制动百分比。2.2.3 动力学模型根据牵引系统仿真、制动系统仿真输出的牵引力、制动力,结合基本阻力、起动阻力、附加阻力等,计算合外力,进而计算加速度、速度,根据运行方向累积行走里程。本算例中所采用的基本阻力计算为:Fj b=6.4M+0.1 4M v+0.8 3 2 1v2+3 1 2 0(1 9)95第6 1卷第2期2 0 2 4年3月式中:Fj b为基本阻力,v为车速。起动阻力计算为:Fq d=3.5Mg1 0 0 0(2 0)式中:Fq d为启动阻力。为了使起动阻力更加平滑,采用三次样条插值方式计算。附加阻力计算为:Ff j=ni=1(i+r+s)mig1 0 0 0(2 1)式中:Ff j为附加阻力,mi为第i辆车车重,g取9.8 m/s2。式中各系数计算如下。单位坡道附加阻力与坡度千分数相等:i=i(2 2)上坡为正,下坡为负。单位曲线附加阻力与曲线半径成反比关系:r=6 0 0R(2 3)单位隧道附加阻力与隧道长度成正比:s=0.1 3ls(2 4)至此,可得合外力为Fs u m=FQ+FB-Fj b-Fq d-Ff j(2 5)进而求得车辆加速度、速度及累积里程。车辆控车方式可采用A T O控车方式或直接导入A T S控车数据。车辆各个系统模型数据交互如图5所示。图5 车辆系统数据交互3 测试内容及结果以上海地铁某线路为研究对象,基于仿真平台,根据实际列车运行时刻表,接入实际AT S控车数据,完成线路实际运行情况模拟。基于实际运行数据,对列车阻力、列车操纵序列、列车载荷、牵引传动效率、负载等模型参数进行修正。某变电所单条馈线电流近1小时的仿真与实际运行数据对比结果如图6所示。某列车1小时仿真与实际运行数据对比结果如图7所示。某列车仿真与实际运行数据对比结果部分放大如图8所示。06城市轨道交通多系统耦合仿真实现方法研究 奚笑冬图6 某变电所实际运行数据与仿真数据对比图7 列车实际运行数据与仿真数据对比16第6 1卷第2期2 0 2 4年3月图8 列车实际运行数据与仿真数据对比放大 如上图所示,变电所馈线电流、列车牵引制动力及列车网侧电流的仿真结果均可较好地复现真实场景,其误差均小于5%。其误差来源主要为动力学模型基本阻力拟合误差、列车模型辅助部分拟合误差。4 结论文章针对城市轨道交通提出了一种多系统耦合仿真的实现方法,并针对上海地铁某线路实施了车辆、信号、供电三大专业多个核心子系统的耦合仿真,通过仿真和实际运行数据的对比证明了耦合仿真平台搭建方法的正确性。参考文献:1 李红波,张超,黄子昊,等.城市轨道交通能量运行控制系统J.控制与信息技术,2 0 2 1(3):1-7.L I H o n g b o,Z HANG C h a o,HUAN G Z i h a o,e t a l.A n e n e r g y c o n t r o l a n d m a n a g e m e n t s y s t e m f o r u r b a n r a i l t r a n s i tJ.C o n t r o l a n d I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y,2 0 2 1(3):1-7.2 中国城市轨道交通协会.中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案Z.城市轨道交通,2 0 2 2(8):2 0-3 5.3 中国城市轨道交通协会.城市轨道交通2 0 2 1年度统计和分析报告E B/O L.h t t p s:/w w w.c a m e t.o r g.c n/t j x x/9 9 4 4,2 0 2 2.4 李明,张骄,崔霆锐,等.北京地铁绿色低碳技术创新研究与应用J.机车电传动,2 0 2 2(3):2 9-3 6.L I M i n g,Z HAN G J i a o,C U I T 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L o c o-m o t i v e s,2 0 2 1(3):1-8.8 张超,李红波,郑财晖,等.一种线损最小的能馈电压阈值动态调整算法J.控制与信息技术,2 0 2 0(5):2 5-2 9.Z HAN G C h a o,L I H o n g b o,Z HE N G C a i h u i,e t a l.A n a l g o r i t h m o f v o l t a g e t h r e s h o l d d y n a m i c a d j u s t m e n t f o r r e g e n e r a t i v e e n e r g y i n v e r t e r w i t h m i n i m u m l i n e p o w e r l o s sJ.C o n t r o l a n d I n f o r m a-t i o n T e c h n o l o g y,2 0 2 0(5):2 5-2 9.9 杨利,陈柳松,徐立恩.城轨能量回馈半实物仿真测试系统J.机车电传动,2 0 1 9(6):1 4 0-1 4 3,1 4 6.YAN G L i,C HE N L i u s o n g,XU L i e n.H a r d w a r e-i n-L o o p t e s t s y s t e m f o r u r b a n r a i l e n e r g y f e e d b a c k s y s t e mJ.E l e c t r i c D r i v e f o r L o c o m o t i v e s,2 0 1 9(6):1 4 0-1 4 3,1 4 6.1 0 F A RUQU E M O,D I NAVAH I V,XU W.A l g o r i t h m s f o r t h e a c c o u n t i n g o f m u l t i p l e s w i t c h i n g e v e n t s i n d i g i t a l s i m u l a t i o n o f p o w e r-e l e c t r o n i c s y s t e m sJ.I E E E T r a n s a c t i o n 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