База имитационных модолей СППР-УДП

Лекция 9. БАЗА ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ СППР-УДП

9.1. Математические модели  движения поездов  на участке железной  дороги   

 Предложенная в  [8, 123] математическая схема положена  в основу разработки базы имитационных  моделей (БИМ) СППР для всех  классов объектов (P, М, Т, А) и типов элементов, входящих в функциональные схемы СППР. Это дало возможность рассмотреть вопросы описания структуры технологического комплекса управления движением поездов, позволяющих моделировать функциональные связи между отдельными элементами исследуемой системы.   

 Так как основной  целевой функцией системы является  управление движением поездов,  то разработка имитационных моделей  отдельных элементов технологического  комплекса начинается с рассмотрения  вопросов моделирования процессов движения (модели класса М).   

 Для управления  процессом движения поездов уже  разработаны различные варианты  построения математических моделей  движения [8,75-80] на участках железных  дорог. Применив вышепредложенную  математическую схему, основные результаты исследований в рассматриваемой области можно обобщить следующими основными положениями.   

1. При моделировании  процессов движения на участке  длиной L в качестве обслуживающего  прибора рассматривается этот  участок. В общем случае он  характеризуется набором параметров, существенных для расчетов времени его занятия и освобождения. К таким параметрам относятся характеристики плана и профиля участка, величина постоянных и временных ограничений скорости и др.   

2. При моделировании  процессов движения в качестве заявок рассматриваются поезда, характеризующиеся множествами статистических СЗ_i и динамических dЗ_i параметров. Множество СЗ_i в общем случае включает такие параметры, как сила тяги F_i и торможения f_тi состава, вес состава Р_i и другие характеристики подвижного состава.    

 В качестве основных  динамических параметров dЗ_i принимаются скорость V_i и время движения поезда Dt_i по дискретным отрезкам пути (дискрет-участкам) длиной DI. Обслуживающий прибор DI рассматривается в виде многоканального устройства с динамическим числом каналов обслуживания У_i, которое определяется выражением

где l_пi – длина i-го поезда.    

 В процессе движения  поезда по дискрет-участкам Dl (рис. 9.1) складывается следующая технологическая ситуация по времени: (t₁, t₃, t₂ и t₄), где  
t₁ обозначает время занятия поездом данного участка Di_i; t₂ – освобождение предыдущего Di_i-1; t₃ – занятие следующего Di_i+1; t₄ – освобождение занятого участка Di_i.

Рис. 9.1. Схема  продвижения состава модели  

 Значения скоростей движения поезда в моменты времени t₁, t₃, t₂, t₄  
соотносятся в зависимости от режима движения следующим образом:

(V₁ = V₃ = V₂ = V₄) – при равномерном движении поезда;

(V₁ < V₃ < V₂ < V₄) – в режиме ускорения движения поезда;

(V₁ > V₃ > V₂ > V₄) – в режиме торможения поезда.   

 Предложенный подход  позволяет свести моделирование  непрерывного процесса движения  к расчету значений скоростей  в заданных точках пути, где  эти значения существенны для  моделирования работы всего технологического комплекса.   

3. Функция обслуживания  заявки З_i по динамическому параметру f _i (определение скоростей v₁ – v₄) рассчитывается по заданному уравнению движения V = f(S) в двух возможных режимах – без прерывания (уравнение в пределах участка не изменяется) и с прерыванием (уравнение движения изменяется). Методы расчета, оптимизации и аппроксимации уравнений движения исследованы в работах [11, 73-77, 83-116].   

4. Функция обслуживания  заявки З_i по времени f_i определяется по вычисленным значениям скоростей v₁ – v₄ с учетом принятой аппроксимации уравнения движения в пределах участка железной дороги L.    

 При оценке точности  аппроксимации установлено, что  во всех случаях достаточная  точность моделирования достигается  при аппроксимации по средней скорости движения с расчетом времени занятия обслуживающего прибора p _i длиной Dl по следующим уравнениям:

,

где v₁ – средняя скорость движения первой оси; t₁ – время движения первой оси; v₂ – средняя скорость движения последней оси; t₂ – время движения последней оси; t – время занятия обслуживающего прибора p_i длиной Dl.   

 В случае прерывания  процесса обслуживания заявки  во время движения первой оси  (момент t', t₁ t' t_З) время занятия

.   

 При прерывании  процесса обслуживания заявки  во время выхода последней  оси (момент t", t₂ t" t₄) время занятия Dl будет равно

   

 Приведенная математическая  модель обеспечивает довольно  малое время счета, но точность  вычислений определяется принятой  длиной обслуживающего прибора Dl и адекватностью зависимостей V = f(S) реальному процессу движения поездов, которые аппроксимируются. При этом эти зависимости не учитывают взаимодействие соседних поездов при их движении.

9.2. моделирование движения поездов с применением тяговых расчетов   

 При имитационном  моделировании уравнение движения  определяется блоком выбора машинистом  режима движения и решается  для каждого поезда отдельно  с учетом координат и скоростей  впереди и сзади следующих  поездов. В общем виде решаемое  уравнение [63] выглядит следующим образом:                                       

                                                 (9.1)

где (f_К – f_Т – w₀ – w_В + i_К) – удельные силы, действующие на поезд при его движении (при этом некоторые параметры могут иметь нулевое значение в зависимости от условий движения); f_К – удельная сила тяги поезда; f_Т – удельная сила торможения; w₀ – удельное основное сопротивление движению; ± i_К – дополнительное сопротивление движению от уклона и кривизны пути; w_В – удельная сила сопротивления от воздушной среды; e – коэффициент ускорения поезда.

Представим уравнение (9.1) в виде, удобном для интегрирования:

проинтегрировав его, получим:                                

  или ,                                  (9.2)

где w_к = f_т + w₀ + w_в + i_к.   

 Умножив левую  и правую часть уравнения (9.2) на скорость, определенную в любой точке пути (V = f(S)), получим: 

.

Проинтегрировав это  выражение, получим:

или .   

 Обозначив  , имеем .   

 Так как  , можно записать:                                      

                                        (9.3)   

 Если принять,  что на интервале скорости (V1 –  V2) сила, действующая на поезд  (f_к – w_к), постоянна, то из уравнения (9.1) получим:

откуда                    

  или ,                (9.4)

или

.

Из (9.3) при постоянной силе (f_к – w_к) получим:

,

или

.   

 Зависимость t = f(S) получается путем исключения V из найденных зависимостей V = f(t) и V = f(S). Из (9.4) имеем                                    

  .                                            (9.5)   

  Подставляя это выражение в (9.5), находим:

или

где t измеряется в [с], V – [км/ч].   

 Из вышеприведенных соотношений получаем систему уравнений вида:

   

 При моделировании  движения на участке учитывается  длина поезда при переходе  с одного уклона на другой. Если передняя часть поезда  весом (P + Q₁) и длиной L₁ вступила на уклон i₂, а вторая его часть весом (Q – Q₁) находится еще на уклоне i₁, то удельное сопротивление движению поезда от уклона определяется из выражения

где Р – вес локомотива; Q – вес состава с грузом или с пассажирами.    

 Кроме этого,  производится проверка состава  на трогание с места по формулам, приведенным в [63]. Для расчета  энергетически оптимальной траектории  движения поездов, приведенного  в подразд. 3.3, в модели производится  расчет затрат электроэнергии с учетом рекуперации, который производится по формуле

A = A_д – A_рек,

где A_д – расход энергии на движение поезда, Вт ч; A_рек – возврат энергии в контактную сеть на участках рекуперативного торможения;

,

где S (I_ср D t) – ампер-минуты, соответственно, потребляемые из контактной сети или возвращаемые в нее; U – напряжение контактной сети.

Вопросы для  самопроверки

1. Принципы построения модели по среднему времени хода.
2. Уравнение движения поезда.
3. определение затрат электроэнергии, затрачиваемой поездом.

 

 

Лекция 10. Разработка машинной имитационной 
модели движения поездов

10.1. Укрупненный алгоритм  продвижения поездов 
на участке железной дороги   

 Модель, описывающая  процесс движения по заданному  участку, может быть представлена  в виде алгоритма, который не  накладывает ограничений на возможное  число прерываний.   

 Каждый поезд,  введенный в модель, описывается  элементом данных со следующими  параметрами:

N_j – номер j-го поезда;

X_j – координата j-го поезда в текущий момент;

V_j – скорость j-го поезда в текущий момент;

t_j – время входа j-го поезда на следующий дискрет-участок;

K_j – режим управления в данный момент, принимающий следующие значения: 0 – режим экстренного торможения; 1 – режим служебного торможения; 2 – режим выбега (движение по инерции); 3 – режим поддержания скорости; 4 – режим максимальной тяги.