跨座式单轨列车牵引计算仿真系统

机 车 电 传 动ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES

№1, 2010Jan. 10, 2010

城市轨道车辆

摘

跨座式单轨列车牵引计算仿真系统

杜子学，杨

林，文孝霞

400074）

作者简介：杜子学（1962-），

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆

要：以重庆市轻轨2号线线路纵断面、跨座式单轨车辆及编组等数据为基础，利用面向对象男，博士，教授，研究领域

的编程软件Visual Basic 2005实现跨座式单轨列车的牵引计算系统的设计和开发。测试表明此系统简为现代车辆（汽车）设计方单易用，结果准确，可为跨座式单轨系统的设计提供参考。

关键词：跨座式单轨列车；牵引计算；仿真 ；Visual Basic 2005中图分类号：U232；TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1000-128X(2010)01-0052-03

法与理论和载运工具运行品质、交通安全。

The Traction Calculation Simulation System for Straddle-type Monorail Car

DU Zi-xue, YANG Lin, WEN Xiao-xia

(School of Mechatronic and Vehicle Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

Abstract:This paper realized the design and development of traction calculation system for straddle-type monorail car by using object-oriented programming software-Visual Basic 2005, which was on the base of the line's profile and straddle-type monorail car's data of the No.2light rail line of Chongqing. The test results indicate that the system can be used easily with accurate results, which can be used as a referencefor traction calculation for straddle-type monorail car's traction calculation.

Key words:straddle-type monorail car; traction calculation; simulation; VB2005

0引言

对列车进行牵引计算是为了保证行车安全的前提下，多拉快跑，节省能耗。对牵引计算的研究，可以帮助解决城际铁路和城市轨道交通在运营和设计中的一些主要技术问题和经济问题。如列车运行速度和区间运行时分及机车能耗等问题。跨座式单轨列车在重庆轻轨2号线上已经运行几年了，可是目前国内还没有专门开发出针对跨座式单轨列车的专用牵引计算系统。对跨座式单轨列车牵引计算一般采用针对城际列车或者地铁列车的牵引计算软件进行计算，由于跨座式单轨列车的特殊性，导致牵引计算结果往往不准确。为了解决这个问题，本文在Windows XP的平台上，利用Visual Basic 2005设计开发了针对跨座式单轨列车的牵引计算系统。

算》为理论基础。针对跨座式单轨列车而言，其列车基本阻力计算与城市轨道列车有较大区别。1.1列车单位重量基本阻力的计算

列车基本阻力的计算较复杂，特别是跨座式单轨列车，相比城市轨道列车，增设了稳定轮和导向轮，由钢轮钢轨变成橡胶轮胎与PC梁接触，因此在基本阻力的计算上有较大差异。目前国内没有成熟的基本阻力计算公式，本系统采用经验公式，即用一元二次函数表达列车单位重量受到的基本阻力与运行速度的关系：

wjb=A+Bv+Cv2

式中：wjb——列车单位基本阻力（N/kN）；

A、B、C——经验常数。本系统中推荐使用A=13，此B=0.042 5，C=0.002 2。数据是日本大摩跨座式单轨列车运行十多年得出的经验公式。考虑到重庆采用的跨座式单轨列车与日本大摩采用的列车形式相似，所以可以采用这3个经验常数进行牵引计算。当然在本系统中，用户可以根据需要自己定义经验常数进行计算。

1牵引计算软件理论基础

在牵引计算软件开发中，主要是以《列车牵引计

收稿日期：2009-08-21；收修改稿日期：2009-12-24基金项目：国家科技支撑计划课题（2007BAG06B01）—52—

第1期杜子学，杨 林，文孝霞：跨座式单轨列车牵引计算仿真系统的设计与开发

1.2列车运动方程的求解

本系统以距离为步长，假设步长为S（m），加速度为a（m/s2），本步长的速度为v1(km/h)，则下一个步长的速度计算公式：

自的0.833m/s2和1.1m/s2 。

2程序设计

本系统采用距离为步长，具体步长值可以由用户

自己定义输入，线路纵断面及列车数据输入之后，系统会依据用户选择的控制策略进行计算求解列车的运行速度、运行时间、加速度、工况、坡道阻力、曲线阻力、基本阻力和所消耗的能量随距离的变化曲线图。2.1输入数据设计

本系统开发的是通用程序，需要输入的信息量较大，输入的主要信息有：线路坡道数据（坡道起点、长度、坡度）、线路曲线段数据（曲线起点、曲线长度、曲线半径、缓和半径、曲线方向）、线路隧道数据（隧道起点、隧道长度）、工程限速（限速起点、限速终点、限速）、列车基本阻力经验常数、列车牵引特性曲线、列车制动特性曲线、有功电流特性曲线、惰性电流特性曲线、制动电流特性曲线、列车质量、计算步长等。程序设计时，所有数据输入采用可视化界面输入。其中，线路数据可以通过表格方法输入，也可以从excel中的已有数据复制到系统中。车辆数据手动输入，其中电机特性曲线、制动特性和电流特性曲线通过表格方法输入，如图1。2.2界面设计

界面设计采用的原则是简洁、易用，并尽可能美观、大方，体现单轨交通的特点。系统除设置了必需的菜单栏和工具栏外，还设置了醒目的快捷按钮同菜单项相对应。系统主界面如图2。3）总体设计框图

总体设计框图如图3、图4所示。

本系统对

计算结果的表达非常形象，可以同时以表格和图像形式显示，其中表格可以调用Excel 2003程序进行显示写出，每计算完一个站就将结果（包括距离，速度，运行时间，加速度，工况，坡道阻力，曲线阻力，基本阻力，消耗电流，能耗）写入到一个sheet中，用户可以方便地将结果数据保存。同时本系统可以调用Matlab程序，

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本步长的运行时间：

t=S（/v1+v2）

下一个步长的加速度：

式中： v2——下一步长的速度，km/h；t——本步长运行时间，s；C——列车所受合力，kN；m——列车总质量，t。

本系统采用的步长可以为用户输入，最小可以采用0.2m为步长，计算结果会更精确，但计算时间也会更长。

1.3列车能耗计算

能量消耗是单轨车辆牵引计算的重要内容，能耗直接影响着运营费用，计算得到的结果也可以用于城市轨道交通方案设计。

单轨车辆运行过程中的能耗主要分为两部分，即单轨车辆牵引运行耗电量和惰行、制动及停站时的自用电量两类。即

E=Ey+E0

式中：E——单轨车辆的运行总能耗，kW·h。

单轨车辆采用电力牵引，根据能量公式，单轨车辆用于运行牵引的能耗为牵引电压乘以牵引电流，再乘以时间，即·ΔtEy=U·I(u)

式中：Ey——单轨车辆运行消耗电能，kW·h；U——单轨车辆的牵引电压，kV；I(u)——t时刻对应的单轨车辆有功牵引电流，A；Δt——计算步长，h。

与牵引运行能耗相似，单轨车辆运行以外车辆空调等能耗为牵引电压乘以自用电流，再乘以时间，即E0=U·I0·Δt

式中：E0——单轨车辆惰行、制动及停站时的自用电量，kW·h；I0——单轨车辆自用电流，A。1.4区间牵引控制策略

本系统提供3种控制策略：节时、节能、混合。节时、节能策略是一种单目标的极端运行模式；混合优化策略是既考虑速度，又兼顾节能而建立的比较优化的计算模型。一方面，动车组在加速和减速的过程，有加速度和减速度大小的，以及冲击的，都不能超过旅客舒适度的；另一方面，列车运行到经济速度后，尽量保持经济速度匀速运行，以尽可能节约能源。本系统可以分别使用3种控制策略进行计算，其中混合策略中采用的加速度和减速度分别小于各

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利用Matlab强大的绘图功能方便简洁地绘制结果曲线。调用：①在Matlab中以m文件格式编制的绘图程序，命名为plot1.m：②在Matlab命令行中输入comtool命令，调用COM生成器，出现生成器主窗口；③建立新工程，添加需要转换的m文件，如图6；当Build Status出现“Standalone DLL build complete”信息时，DLL文件即生成成功并自动添加到注册表中；④启动VB2005，工程中添加COM组件，找到对应的plot1.dll文件，点击确定。

图3总体设计简图

图5制动试凑程序框图

图4总体设计方框图

3程序中需要解决的关键问题

图6

建立新工程窗口

3.1限速计算

列车运行速度要受到很多约束，比如工程限速、曲线限速等等。本系统中工程限速采用用户表格输入的方法获得，曲线限速则根据用户输入的线路纵断面数据中的曲线数据系统自动求出各曲线段的曲线限速，均衡速度则根据用户输入的线路纵断面数据中的坡道数据和用户提供的牵引特性曲线图求出各坡道段的均衡速度（即坡道段上列车所能达到的最高速度）。系统会比较工程限速、曲线限速和均衡速度，自动生成限速段数据。限速段数据包括限速起点、限速终点和此限速段限速。本系统的速度求解是以每个限速段为单位进行求解的。3.2进站制动试凑问题

制动试凑是本系统设计中的一个难点。图5为制动试凑程序框图。

3.3VB对Matlab程序调用的接口

分别为利用DDE、VB调用Matlab共有4种方法，

本系统中采OLE、ActiveX、COM等流行的标准和技术。

用了较为简单的利用COM技术方法。依下列步骤实线

——

4仿真实例

本系统针对重庆轻轨2号线进行了牵引计算仿真，

所采用的线路数据和车辆数据都是采用现行的2号线

的实际数据，经过仿真运算，得出V-S 曲线图如图7所示（图中的上中下3条线分别为节时、混合、节能策略曲线），（图中的上中下3条线分别为T-S曲线如图8所示节能、混合、节时策略曲线），（图中E-S曲线如图9所示的上中下3条线分别为节时、混合、节能策略曲线）。

图7V-S 曲线

（下转第56页）

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另一端接在IE1PCEQL X：⑤增02S99的14端子，01 46；

加接线70114/011，将备用线R0113 001改为70114/011，一边接在IE1PCEQL X：01 46上，另一边接在UFX2-XK：

；⑥增加接线70114/012，将备用线R0418 00102插头34芯

改为70114/012，一边接在UFX2-XK：另02插座34芯上，一边接在UFEQB-XK：02插头34芯；⑦增加接线70114/

一边接在UFEQB-XK：02插座34芯，另一边接在013，

一边接在UFEQB X：01 ；⑧增加接线70114/014，

另一边接在2K46 13触头上。UFEQB X：01 ，

列车进行技术改造后的操作方法如下：①正常情况，两节B车内的I位端设备柜内的受电弓释放旁路开关02S99开关均置于断开位置，并打铅封（面板上标识“断开”与“闭合”位）；②当发生降双弓故障时，司机在MMI上确认列车无紧急制动或列车分离故障，则将两节B车内设备柜中的受电弓释放旁路开关由断开位合至闭合位；③此时可操作升弓按钮02S01升弓。

开始改造，至11月全部改造完毕，从改造至现在，再未发生过降双弓故障。同时司机经过培训，能熟练操作，从硬件上确保了此类故障发生时，司机仍可以迅速升起受电弓，防止列车救援事故的发生。

地铁车辆自动化程度高，控制系统复杂，对整个车辆系统的可靠性要求高。但是联锁触点、行程开关及继电器等器件故障不可能完全杜绝，因此对关键器件应设置旁路开关，当有故障发生时，在确保安全的前提下对相关器件进行旁路处理，可有效避免车辆救援事故的发生，以确保正线运营的畅通，保证为乘客提供优质服务。参考文献：

[1]顾松彬.深圳地铁一期工程车辆电气系统及其故障统计分

析[J].机车电传动，2006(5).周桂法.降低机车车辆电子产品及其系统风险的对[2]严云升，

策[J].机车电传动，2006(5).[3] 张振淼. 城市轨道交通车辆[M].北京：中国铁道出版社，1998.

4改造后的效果

深圳地铁一期工程22列地铁车辆自2008年5月份

（上接第 页）

采用节能策略时，列车速度达到经济速度后就不再牵引，而是以惰行和牵引交替运行；采用混合策略时，当列车速度达到经济速度后，保持经济速度运行，直到列车需要转换工况。在区段运行时间方面，节能策略运行时间最长，其次是混合策略，运行时间最短为节时策略。能耗方面，可以明显地看出节能策略能很大程度上减少能量消耗，其次为混合策略，耗能最多的为节时策略。

4

图 8 T -S 曲 线

结论

笔者在Windows XP操作系统平台上，根据列车牵引计算理论，利用Visual Basic 2005设计编制了针对跨坐式单轨列车牵引计算仿真系统。本系统主要功能如下：①具有通用性，适合各种制式的城市轨道交通系

统，可通过系统的基础数据交互输入实现；②提供各种条件下城市轨道交通系统相关指标的自动计算并输出工程设计所需要图形；③系统采用模块化的设计,确保系统具备良好的可扩展性和可维护性。

图9

E-S曲线

该系统仿真程度高、计算速度快、用户界面友好,可为从事城市轨道交通相关工作的设计人员和运营管理人员提供高效的辅助决策工具。参考文献：

［1］彭其渊，石红国，魏德勇.城市轨道交通列车牵引计算［M］.

成都：西南交通大学出版社，2005.［2］毛保华.列车运行计算与设计［M］.北京：人民交通出版社，2008.［3］饶

钟.列车牵引计算[M].北京：中国铁道出版社，2006.

［4］吕伟臣，霍言，李娟.Visual Basic 2005入门与提高［M］.北京：清华大学出版社，2006.［5］许清荣，买大诚.新一代Visual Basic 2005程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2006.

以动物园至大堰村段速度曲线为例，其数据与日

本仿真计算所得数据比较如表1。

表1

参 数

区段内最高车速/km·h-1

区段运行时间/s区段能耗/kW·h

仿真计算结果比较

节时策略

7284.267 3429.141 13

节能策略

51.218 33

混合策略

5886.779 1

23.155 2125.511 81

如表1所示，在区段运行最高速度方面，采用节时策略时，列车速度会达到区段内所允许的最高限速；

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