基于大數(shù)據(jù)的地鐵列車(chē)能耗仿真和節(jié)能操縱論文
0 引言
近年來(lái)，我國(guó)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(lái)極大的負(fù)載壓力。在地鐵列車(chē)運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施(包括線(xiàn)路環(huán)境、線(xiàn)路站間距、線(xiàn)路坡道彎道、牽引供電系統(tǒng)等硬件設(shè)施)建成且列車(chē)運(yùn)行圖等運(yùn)營(yíng)管理確定的情況下，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可優(yōu)化列車(chē)操縱方法，即在滿(mǎn)足列車(chē)安全、準(zhǔn)點(diǎn)和舒適性要求的同時(shí)，通過(guò)合理運(yùn)用節(jié)能運(yùn)行原理并優(yōu)化列車(chē)的操縱模型，可達(dá)到列車(chē)節(jié)能操縱的目的。與此同時(shí)，如何準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算列車(chē)單位能耗的問(wèn)題，也越來(lái)越受到各車(chē)輛運(yùn)營(yíng)公司的關(guān)注。
計(jì)算單位能耗時(shí)，需要有高精度的列車(chē)質(zhì)量(包括列車(chē)自重和載荷)數(shù)據(jù)。由于列車(chē)質(zhì)量、行駛距離和存儲(chǔ)計(jì)算能耗的實(shí)際測(cè)量值存在著絕對(duì)誤差，若以此進(jìn)行單位能耗的計(jì)算，必然會(huì)存在著較大的誤差。若仿真的運(yùn)行曲線(xiàn)能與實(shí)際的運(yùn)行曲線(xiàn)基本一致，那么在相同列車(chē)運(yùn)行速度下，仿真計(jì)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(chē)單位能耗仿真計(jì)算方法，并基于某一條實(shí)際線(xiàn)路對(duì)提出的方法進(jìn)行解算驗(yàn)證，將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出該線(xiàn)路上列車(chē)的單位能耗。同時(shí)，依據(jù)線(xiàn)路的實(shí)際情況，在符合列車(chē)運(yùn)營(yíng)情況的條件下，提出了該線(xiàn)路節(jié)能操縱的方法，并對(duì)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(chē)大數(shù)據(jù)特性
地鐵列車(chē)中的大數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)中具有挖掘和分析價(jià)值的有效數(shù)據(jù)信息的集合，包含了針對(duì)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(duì)其進(jìn)行處理。
雖然地鐵列車(chē)中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄模塊記錄了列車(chē)每天運(yùn)行過(guò)程中各節(jié)車(chē)輛的電壓、電流、速度及力矩等所有與耗電量和列車(chē)運(yùn)行相關(guān)的變量數(shù)據(jù)，但由于列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的工況復(fù)雜多變，若要整理出一條完整的列車(chē)運(yùn)行曲線(xiàn)，需要在列車(chē)多天運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)中，對(duì)線(xiàn)路上的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析與整理。
2 地鐵列車(chē)能耗的仿真計(jì)算
2.1 城軌地鐵列車(chē)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(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
首先，建立描述列車(chē)隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1407-1998《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》，視列車(chē)為一個(gè)整體;在列車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中，列車(chē)被視為線(xiàn)路上的一個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)。
2.1.2 地鐵列車(chē)能耗模型
基于列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用采集分析整理后的列車(chē)牽引力和制動(dòng)力進(jìn)行列車(chē)能耗計(jì)算。
2.2 仿真模型的實(shí)現(xiàn)
若要建立基于列車(chē)運(yùn)行大數(shù)據(jù)的列車(chē)能耗模型，首先需從大數(shù)據(jù)中分析整理出能耗計(jì)算所需數(shù)據(jù)。
列車(chē)能耗計(jì)算數(shù)據(jù)的挖掘步驟具體如下：
(1)跟車(chē)數(shù)據(jù)記錄。即在列車(chē)正線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，隨車(chē)記錄整個(gè)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的列車(chē)到達(dá)各站點(diǎn)的時(shí)間，運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路包括上下行全程和折返。
(2)下載單個(gè)列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)。下載該車(chē)在記錄時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)，解析出列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行速度、運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間、實(shí)際列車(chē)牽引力、實(shí)際列車(chē)的電制動(dòng)力、列車(chē)級(jí)位信息等。
(3)數(shù)據(jù)整理。整理列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)路數(shù)據(jù)，包括線(xiàn)路的公里標(biāo)，以及與公里標(biāo)一一對(duì)應(yīng)的坡道大小和長(zhǎng)度、彎道大小和彎道、限速大小和距離、隧道位置和長(zhǎng)度等。
3 地鐵列車(chē)節(jié)能操縱的研究
3.1 節(jié)能操縱措施
列車(chē)的牽引能耗主要是受基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)營(yíng)模式所影響。基礎(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(chē)運(yùn)營(yíng)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(jì)和研究列車(chē)的操縱模式，通過(guò)改變列車(chē)的技術(shù)速度和停站時(shí)間等設(shè)定運(yùn)營(yíng)方案，降低這部分牽引能耗。
3.2 節(jié)能操縱仿真計(jì)算與分析
列車(chē)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(shí)必要的惰性、下坡的節(jié)能惰行等情況;制動(dòng)包括列車(chē)運(yùn)行中的調(diào)速制動(dòng)、進(jìn)站時(shí)的電阻制動(dòng)和空電混合制動(dòng)、空氣制動(dòng)等情況。
4 結(jié)語(yǔ)
地鐵列車(chē)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(guò)對(duì)地鐵列車(chē)單位能耗的準(zhǔn)確計(jì)算，可為城市的供電提供一個(gè)有效的方案�；诔鞘熊壍赖罔F車(chē)輛大數(shù)據(jù)特性，本文分別建立了列車(chē)的多質(zhì)點(diǎn)模型、列車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和能耗計(jì)算模型，開(kāi)發(fā)了一套基于大數(shù)據(jù)的地鐵列車(chē)能耗仿真算法;并基于實(shí)際線(xiàn)路探討了列車(chē)牽引特性下的節(jié)能操縱問(wèn)題，在滿(mǎn)足列車(chē)安全、平穩(wěn)、定時(shí)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(chē)輛單位能耗的仿真計(jì)算，也可以應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)的優(yōu)化操縱仿真分析和能耗的仿真計(jì)算等領(lǐng)域，為車(chē)輛節(jié)能設(shè)計(jì)提供參考。
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