СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ГРАФИКА ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ Российский патент 2016 года по МПК G06F17/50 B60L7/00 

Изобретение относится к способам моделирования движения поездов на электрифицированных железных дорогах, а именно к способам моделирования движения поездов на участках железных дорог с применением рекуперативного торможения электроподвижным составом, в частности к способу формирования и корректировки нормативного графика движения поездов по критерию энергоэффективности перевозочного процесса, определяемой с помощью данных системы учета электроэнергии по присоединениям контактной сети тяговых подстанций.

Целью изобретения является снижение расхода электроэнергии на перевозки путем формирования нормативного графика движения поездов.

Удельная рекуперация на ряде участков железных дорог достигает значений 10 кВт·ч/10⁴ т·км брутто. Указанная величина зависит от целого ряда факторов, в том числе от взаимного расположения поездов на межподстанционных зонах и условий применения рекуперативного торможения электроподвижным составом. Взаимное расположение электроподвижного состава на участке железной дороги в целом определяется нормативным графиком движения, в частности интервалами отправления со станций, межпоездными интервалами на межстанционных перегонах, количеством поездов в пакетах (пачках) графика, взаимным расположением пакетов (пачек) поездов в четном и нечетном направлениях. Увеличение значения удельной рекуперации приводит к снижению суммарного расхода электроэнергии, потребляемой от тяговых подстанций.

Решение задачи формирования энергоэффективного графика движения для конкретного участка железной дороги в аналитическом виде представляется чрезвычайно сложным. В связи с этим все известные способы основаны на имитационном моделировании

Известен способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги [1]. Указанный способ позволяет обеспечить возможность оценки эксплуатационных показателей по данным смоделированного графика движения поездов при внедрении энергосберегающих технологий и построения энергооптимального графика ведения поезда. Однако с помощью данного способа невозможно отследить изменение состояния модели между определенными интервалами времени и оценить изменение уровня рекуперации.

Наиболее близким к предложенному способу является способ, заключающийся в имитационном моделировании, при котором задают график движения поездов и другие данные, относящиеся к характеристикам участка железной дороги [2]. Моделирование осуществляют с некоторым шагом моделирования с возможностью остановки процесса и отката моделирования назад на произвольный промежуток времени и возобновления моделирования с момента времени, на который произошел откат. Также известно устройство построение энергосберегающих графиков движение поездов, реализующее способ построения ниток графика на основе данных о текущем положении поезда [3]. В предложенных способах и устройствах не решается задача формирования энергоэффективного нормативного графика движения поездов или корректировки нормативного графика движения из множества возможных в условиях реализации твердых ниток графика для грузовых поездов и оценки влияния энергии рекуперации на расход электроэнергии, определяемый по данным систем учета электроэнергии тяговых подстанций. К недостаткам существующих способов относятся следующие:

1) отсутствие ограничений на межпоездные интервалы движения и количество поездов в пакете со стороны станций;

2) отсутствие возможности учитывать прохождение пакетом поездов элемента профиля пути с максимальной рекуперацией;

3) отсутствие отбора вариантов графика из множества оптимальных по принципу максимального сходства с исходным вариантом с целью сокращения эксплуатационных расходов, связанных с изменением графика;

4) отсутствие возможности оценивать изменение объема энергии рекуперации на участке.

Технический результат предложенного способа заключается в формировании энергоэффективного нормативного графика движения поездов или его корректировки.

Предложенный способ основан на следующем:

1) формирование базы данных участка, содержащей информацию о параметрах участка (профиль пути, серии локомотивов, массы поездов, размеры движения, ограничения скорости, остановки поездов и др.);

2) формирование блока тяговых расчетов для унифицированных масс поездов, обращающихся на участке железной дороги;

3) определение ординат элемента профиля пути с максимальной рекуперацией на участке;

4) оценка уровня энергоэффективности для существующего нормативного графика движения поездов;

5) формирование диапазона ограничений на величину межпоездного интервала, количества поездов в пакетах (пачках), технической скорости в грузовом движении;

6) формирование множества графиков движения в диапазоне межпоездных интервалов в грузовом движении;

7) формирование множества графиков движения в диапазоне изменения количества поездов в пакете (пачке);

8) формирование множества графиков движения в диапазоне возможных пересечений встречных пакетов поездов на элементе профиля пути с максимальной рекуперацией;

9) определение подмножества энергоэффективных графиков движения;

10) выбор нормативного графика движения из подмножества энергоэффективных по критерию минимального отклонения от начального нормативного графика.

Отличиями от известных способов определения потерь являются:

1) формирование вариантов графика движения путем комбинации параметров графика в допустимых диапазонах - интервала отправления, межпоездного интервала взаимного расположения пакетов поездов, количества поездов в пакете;

2) учет при формировании графика движения скрещения встречных потоков поездов относительно ординат элемента профиля пути с максимальной рекуперацией, определяемой на основании тяговых расчетов;

3) формирование из множества допустимых графиков подмножества энергоэффективных графиков;

4) выбор графика из подмножества энергоэффективных вариантов по критерию минимального отклонения расписания поездов от нормативного графика с целью сокращения эксплуатационных расходов, связанных с переходом от существующего к новому варианту нормативного графика.

Ординаты элемента профиля пути с максимальной рекуперацией на участке железной дороги определяются на основе тяговых расчетов для серий электроподвижного состава и унифицированных масс поездов, обращающихся на участке. Тяговые расчеты для установленных скоростей движения позволяют определить случаи применения рекуперативного торможения. Из множества случаев применения рекуперативного торможения электроподвижным составом выбирается случай с максимальной энергией рекуперации с учетом распределения масс поездов на участке железной дороги. Выполняется это следующим образом. Определяются произведения энергии рекуперации и доли поездов соответствующей массы в графике движения. Элемент профиля пути, соответствующий максимальному значению произведения, и является элементом профиля с максимальной рекуперацией. В дальнейших расчетах середина участка указанного элемента профиля пути используется как ордината максимальной рекуперации для изменения ее времени проследования встречными пакетами поездов.

Регулирование встречных пакетов поездов относительно ординаты максимальной рекуперации осуществляется изменением времени прохождения пакетом поездов указанной ординаты. Для этого определяют условную нитку поезда пакета, соответствующую среднему времени проследования поездами пакета станций. Время прохождения условной ниткой поезда ординаты максимальной рекуперации используется для изменения интервала проследования пакетами встречных направлений указанной ординаты.

На фиг. 1 показана реализация способа для произвольного участка железной дороги. На первом этапе (блок 1) формируется база данных (БД) участка железной дороги, которая включает в себя данные о профиле участка, ограничениях скорости, остановках поездов, кратности тяги, сериях обращающегося на участке электроподвижного состава, унифицированных массах поездов, системе тягового электроснабжения и др.

На втором этапе (блок 2) выполняют тяговые расчеты для унифицированных масс поездов и эксплуатируемых серий электроподвижного состава.

где W_i - расход электрической энергии i-м поездом по участку;

U_ТКПi - напряжение на токоприемнике i-го электровоза;

I_ЭСПi - средний ток электровоза по участку;

t_перi - время хода по перегону i-м поездом.

Следующий этап расчетов (блок 3) посвящен выполнению электрических расчетов. За основу расчетов принимают существующий нормативный график. В случае формирования графика движения за основу расчетов принимают один из графиков исполненного движения на рассматриваемом участке железной дороги.

где W - расход электрической энергии за сутки в соответствии с графиком движения;

N - количество поездов за сутки;

W - расход электрической энергии i-м поездом. Результаты расчетов поступают в БД вариантов графиков и содержат данные о расходе электроэнергии W на участке при реализации рассматриваемого участка.

Формирование множества вариантов графиков движения поездов осуществляется на следующем этапе (блок 4) на основе задаваемых диапазонов изменений межпоездных интервалов, интервалов между пакетами, количеством поездов в пакетах и смещений встречных пакетов поездов относительно ординаты максимальной рекуперации на участке для четного и нечетного направлений. На данном этапе формируется множество допустимых значений параметров графика движения поездов на основе ограничений о параметрах участка и станций (блок 1).

Далее осуществляется задание начальных значений параметров графика движения (нормативного или исполненного графиков, принимаемых за базовый вариант - блок 5).

В блоке 6 выполняются расчеты для оценки энергоэффективности графика движения. В пределах допустимых диапазонов изменения параметров графика движения формируется множество вариантов (фиг. 2). Множество графиков формируется с учетом изменения следующих параметров:

1) интервалов отправления и межпоездных интервалов движения:

t - интервал между i-м и i+1 поездами в j-м пакете, четном/нечетном направлениях в границах t_min (минимальный интервал между поездами в пакете) и t_max (максимальный интервал между поездами) с количеством поездов n для интервала p, соответствующего элементу профиля пути с максимальной рекуперацией;

изменение интервала движения осуществляется с интервалом приращения между поездами в пакете Δt;

t_0ч, t_0н - время отправления для первого поезда суточного графика в четном и нечетном направлениях;

2) интервалов между пакетами поездов:

τ_ijпр - интервал между j-ми пакетами, в четном/нечетном направлениях в границах минимального τ_min и максимального τ_max интервалов между пакетами. Изменение интервала между пакетами осуществляется на величину Δτ;

3) количество поездов в пакете:

N_ijпр - количество поездов в j-м пакете в четном/нечетном направлениях в границах минимального N_min и максимального N_max количества поездов в пакете. Изменение интервала изменения осуществляется на величину ΔN;

4) ординаты максимальной рекуперации на участке L_{max рек};

5) интервала между условными нитками пакетов поездов для р-го графика относительно ординаты максимальной рекуперации Θ_ijпр.

Диапазон допустимых значений находится в пределах минимального Θ_min и максимального Θ_mах интервалов времени между прохождением условной ниткой пакета четного/нечетного направления ординаты максимальной рекуперации. Изменение интервала осуществляется на величину ΔΘ.

Полученные результаты вносятся в БД графиков движения.

На фиг. 3 представлен фрагмент формируемого графика движения, содержащий: межпоездные интервалы t_{ijпр ч} t_{ijпр н} в первом пакете в четном/нечетном направлениях; время отправления первого поезда в суточном графике - t_0ч, t_0н; интервал между пакетами в четном/нечетном направлениях - τ_{ijпр ч(н)}; количество поездов в j-м пакете в четном/нечетном направлениях N_{ijпр ч(н)}, N_{ijпр н}; ординату максимальной рекуперации - L_{max рек}; интервалы между условными нитками встречных пакетов относительно прохождения ординаты максимальной рекуперации Θ_ijпр.

Поиск в БД графиков движения (блок 8, фиг. 1) позволяет сформировать подмножество энергооптимальных графиков движения поездов, характеризующихся более высоким показателем энергоэффективности по сравнению с нормативным графиком.

Поиск варианта исполнения нормативного графика осуществляется из подмножества энергооптимальных по критерию минимального отклонения от первоначального нормативного графика.

Для каждого варианта графика коэффициент отклонения определяется по выражению:

где k_α - коэффициенты, определяемые для параметров формируемого графика движения относительно базового нормативного графика:

коэффициент отклонения по интервалам отправления, определяемый по каждой i-й нитке графика:

где N - количество поездов в графике движения;

Δt_i - изменение межпоездного интервала для i-й нитки поезда графика относительно базового нормативного графика;

коэффициент отклонения по интервалам между пакетами:

где Δτ_j - изменение интервала между j-u пакетами относительно базового нормативного графика;

М_н(ч) - количество пакетов в нечетном (четном) направлениях; коэффициент отклонения по количеству поездов в пакете:

где ΔN_j - изменение количества поездов в j-м пакете относительно базового нормативного графика;

коэффициент отклонения встречных пакетов поездов относительно ординаты максимальной рекуперации:

где Θ_норм - интервал времени между пакетами поездов относительно ординаты максимальной рекуперации в базовом нормативном графике.

На заключительном этапе из подмножества энергоэффективных графиков осуществляется выбор варианта, максимально приближенного к нормативному графику с минимальным значением k_сумм, с целью сокращения эксплуатационных расходов, связанных с изменением нормативного графика. Найденный вариант графика является нормативным энергоэффективным графиком движения поездов.

Библиографический список

1. Пат. на изобретение 2359857 РФ. МПК B61L 27/04. Многоуровневая система и способ оптимизации работы железнодорожного транспорта / Кумар А.К., Хоупт П.К., Мате С.С, Джулич П.М., Кайсак Дж., Шэффер Г., Нельсон С.Д. (РФ) - 2006125429/11. Заявл. 30.06.2004; Опубл. 27.06.2009. Бюл. №18.

2. Пат. на изобретение 2297353 РФ. МПК B61L 27/00. Способ имитационного моделирования поездопотока по участку железной дороги / Мугинштейн Л.А., Анфиногенов А.Ю., Кирякин В.Ю., Пешко А.С, Виноградова Т.В., Виноградов С.А. (РФ) - 2005127976/11. Заявл. 08.09.2005; Опубл. 20.04.2007. Бюл. №11.

3. Пат. на изобретение 2487036 РФ. МПК B61L 27/00. Устройство построения энергосберегающих графиков движения поезда / Мугинштейн Л.А., Ляшко О.В., Анфиногенов А.Ю., Кирякин В.Ю., Понарин Л.Н., Виноградов С.А. (РФ) - 2011153812/11. Заявл. 28.12.2011; 10.07.2013 Бюл. №19.

Изобретение относится к области планирования движения железнодорожного транспорта. Способ заключается в формировании графика движения поездов, где дополнительно учитывается допустимое изменение ординаты пересечения пакетов поездов во встречных направлениях относительно элемента профиля с максимальной рекуперацией, при этом выбор вариантов графика осуществляется на основе тяговых расчетов для унифицированных масс поездов и серий электроподвижного состава, обращающихся на участке, положенных в основу расчетов электрических нагрузок в системе тягового электроснабжения на основе графика движения поездов, для этого в качестве первоначального варианта графика для моделирования принимается базовый нормативный график, далее по результатам моделирования работы системы тягового электроснабжения полученный результат для графика движения сравнивается с базовым вариантом. Причем в случае если достигнутый результат относится к вариантам с лучшей энергоэффективностью, он заносится в базу данных энергоэффективных вариантов для последующего выбора по критерию минимального отклонения параметров графика от базового графика. Достигается снижение расхода электроэнергии на перевозки. 3 ил.

Способ имитационного моделирования энергоэффективного графика движения поездов на электрифицированных железных дорогах, заключающийся в формировании графика движения поездов, позволяющего снизить расход электроэнергии по тяговым подстанциям до минимального уровня в условиях соблюдения ограничений, накладываемых инфраструктурой участка железной дороги, с учетом межпоездных интервалов, количеством поездов в пакете и интервалов между пакетами грузовых поездов в четном и нечетном направлениях, отличающийся тем, что дополнительно учитывается допустимое изменение ординаты пересечения пакетов поездов во встречных направлениях относительно элемента профиля с максимальной рекуперацией, при этом выбор вариантов графика осуществляется на основе тяговых расчетов для унифицированных масс поездов и серий электроподвижного состава, обращающихся на участке, положенных в основу расчетов электрических нагрузок в системе тягового электроснабжения на основе графика движения поездов, для этого в качестве первоначального варианта графика для имитационного моделирования принимается базовый нормативный график, далее по результатам имитационного моделирования работы системы тягового электроснабжения полученный результат для графика движения сравнивается с базовым вариантом, в случае, если достигнутый результат относится к вариантам с лучшей энергоэффективностью, результат заносится в базу данных подмножества энергоэффективных вариантов для последующего выбора по критерию минимального отклонения параметров графика от базового нормативного графика.