Кажущееся на первый взгляд артефактом [127] можно объяснить тем, что данные о количестве перевезенных пассажиров являются недостаточно достоверными. Учет количества перевезенных пассажиров производился по количеству проданных жетонов. Это не может учесть количество перевезенных льготных пассажиров и пассажиров, рассчитывающихся за проезд по проездной электронной карте. Кроме того, количество пассажиров в той или иной группе (категории) постоянно меняется.
3. Энергопотребление от количества пропущенных поездов (Rкор = 0,319). В этом месте целесообразно разъяснить значение показателя. Под количеством пропущенных поездов понимается количество поездов, которые проследовали от одной конечной станции данной линии до другой [13,118]. Коэффициент корреляции между этой парой показателей показывает незначительный рост количества потребленной энергии от числа пропущенных поездов. Однако анализу подвергались данные, собранные за девятилетний период. Необходимо понимать, что за период времени с 1998 по 2007 годы в метрополитене произошло немало изменений, направленных на снижение расхода электроэнергии на тягу поездов, часть из которых дало положительные результаты. К таким изменениям можно отнести как внедрение энергосберегающих технологий, так и существенное изменение самой структуры метрополитена.
4. Энергопотребление от средних размеров движения, пар поездов в час, (Rкор = 0,381). Слабая зависимость этих двух показателей объясняется тем, что количество пар поездов пропущенных по линии в час в среднем за месяц меняется незначительно.
5. Энергопотребление от пробега вагонов с пассажирами, тыс. вагоно-км, (Rкор = 0,482). Рост расхода энергии на тягу поездов с увеличением пробега вагонов с пассажирами очевиден.
6. Энергопотребление от общего пробега подвижного состава, тыс. вагоно-км, (Rкор=0,512). Общий пробег подвижного состава включает в себя технологические передвижения по депо, нулевые рейсы и необходимые маневры в тупиках. Следовательно, общий пробег подвижного состава превышает пробег вагонов с пассажирами - это объясняет большее значение коэффициента корреляции, чем у предыдущей пары показателей.
7. Энергопотребление от интервала движения, мин, (Rкор = - 0,6). Напомним, что данные об интервалах движения между поездами собраны за период 1998 по 2007 годы. Вначале вычислялось среднее значение интервала движения за сутки, а затем за месяц. Среднемесячные данные и были подвергнуты корреляционному анализу. Полученный коэффициент корреляции показывает, что с увеличением интервала движения энергопотребление заметно снижается.
8. Энергопотребление от эксплуатационной скорости (км/час) (Rкор = 0,484) Повышение эксплуатационной скорости связано с еще большим повышением скорости движения на перегонах. Это приводит к росту сопротивления движению и, следовательно, к повышению расхода энергии на тягу.
9. Энергопотребление от технической скорости (км/ч) (Rкор = 0,012) Изменение технической скорости слабо влияет на изменение эксплуатационной скорости. Кроме того, значительную часть расхода электроэнергии на тягу составляют режимы пуска подвижного состава. На перегонах превалируют режимы тяги, выбега и торможения, не существенно влияющие на расход энергии по сравнению с режимом пуска. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что зависимость между рассматриваемой парой показателей очень слабая.
10. Энергопотребление от производительности труда (пасс-км) (Rкор = 0,144). Метрополитены характеризуются большей провозной способностью по сравнению с другими видами общественного транспорта. При этом большинство эксплутационных, технологических и связанных с управлением процессов в метрополитенах - автоматизированы. Производительность труда на этом виде транспорта изначально высока и ее влияние на расход энергии на тягу поездов незначителен.
Анализ полученных данных показал, что наибольшее влияние на расход энергии на тягу поездов из рассмотренных показателей оказывают:
1. Средний интервал движения между поездами;
2. Пробег вагонов с пассажирами;
3. Эксплуатационная скорость.
Эти показатели относятся к вопросам организации движения, а так же эффективной и безопасной эксплуатации транспортной системы. Кроме того, синтез научно-обоснованного энергосберегающего режима управления движением поездов напрямую связан именно с этой группой показателей.
2.5 Выводы по второй главе
1. Анализ показателей качества эксплуатации существующих метрополитенов показал, что строящийся Красноярский метрополитен можно отнести к группе метрополитенов городов Казани, Новосибирска, Екатеринбурга и Самары.
2. Спрогнозированное значение удельного расхода электрической энергии на тягу поездов для строящегося Красноярского метрополитена составит 68,59 Вт•ч/т•км. Соответственно, при моделировании расход электроэнергии не может превышать этого значения, а после оптимизации должен уменьшиться.
3. Корреляционный анализ между расходом электроэнергии на тягу поездов и остальными показателями качества эксплуатации метрополитенов показал, что расход электроэнергии в большей степени зависит от среднего интервала движения между поездами, пробега вагонов с пассажирами и эксплуатационной скорости.
Эти показатели относятся к вопросам организации движения, а так же эффективной и безопасной эксплуатации транспортной системы.
Кроме того, синтез научно-обоснованного энергосберегающего режима управления движением поездов напрямую связан именно с этой группой показателей.
4. Для синтеза энергосберегающих режимов управления движением поездов необходимо разработать математическую модель удельного электропотребления подвижным составом при тяге поезда по линии метрополитена, учитывающую влияние выявленных показателей на расход электроэнергии: среднего интервала движения между поездами, пробега вагонов с пассажирами и эксплуатационной скорости.
3. Математическая модель удельного расхода электроэнергии на тягу поезда линии метрополитена
3.1 Требования к математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена
В предыдущей главе автором было показано, что наибольшее влияние на электропотребление на тягу поездов оказывают такие показатели эксплуатационной деятельности, как средний интервал движения между поездами, пробег вагонов с пассажирами и скорость движения. Эти параметры, а так же параметры профиля и плана пути, и параметры подвижного состава должны составлять вектор входных параметров модели, выходным параметром которой является удельный расход электроэнергии на тягу при прочих заданных условиях.
Основной целью эксплуатации метрополитена, как и других видов городского электрического транспорта, является быстрая, безопасная и комфортная перевозка пассажиров с минимальной себестоимостью предоставляемой населению транспортной услуги [44,45,57-61]. Себестоимость предоставляемой услуги напрямую зависит, в том числе и, от удельного расхода электроэнергии на тягу подвижного состава.
Из за уменьшения пропускной способности улиц городов, ввиду постоянного прироста автомобильного транспорта, метрополитенам постоянно приходится подстраиваться под изменяющийся во времени пассажиропоток.
Быстрая, безопасная и комфортная перевозка пассажиров во многом определяется эксплуатационной скоростью. Согласно данных, приведенных в таблицах 2.6. и 2.7., эксплуатационная скорость для каждого метрополитена различная, но в среднем составляет 40 км/ч. Сама по себе эксплуатационная скорость в данной задаче не является критерием оптимизации. Однако, ее нижний предел определяется заданной провозной способностью метрополитена. Верхний предел скорости прохождения участка трассы (участковой скорости) определяется условиями безопасности прохождения поездом отдельных элементов пути. Безусловно, увеличение эксплуатационной скорости (а, следовательно, и скоростей прохождения участков) приводит к росту провозной способности, но вместе с тем и к росту электропотребления на тягу поездов.
Следовательно, разрабатываемая математическая модель должна обеспечивать определение удельного расхода электроэнергии на тягу от параметров пути, подвижного состава, изменяющегося во времени пассажиропотока и скорости движения по участкам трассы метрополитена.
Основная идея методики синтеза энергосберегающего режима управления движением поездов, с использованием математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поездов, заключается в следующем:
Весь путь линии метрополитена (в обоих направлениях) разбивается на участки, в пределах всей длины которых сопротивление движению не изменяется. Далее, для каждого участка с фиксированным сопротивлением движению подбирается скорость его прохождения таким образом, чтобы минимизировать удельный расход электроэнергии на тягу в рамках ограничений, накладываемых на величины скоростей.
Следовательно, для синтеза математической модели удельного расхода электроэнергии на тягу поезда по линии метрополитена необходимо:
1. Выполнить тяговые расчеты для линии метрополитена.
2. Получить аналитическую зависимость удельного расхода электроэнергии на тягу метропоезда от параметров пути, подвижного состава и скорости движения по участку.
3. Рассчитать коэффициенты математической модели (полученной аналитической зависимости) для линии метрополитена.
4. Разработать и реализовать на ЭВМ алгоритм получения энергосберегающего режима управления движением поездов по линии метрополитена.
3.2 Математическая модель движения поезда по линии метрополитена
3.2.1 Моделирование движения поезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена
Для получения различных режимов движения метропоезда по проектной первой линии Красноярского метрополитена, которые в свою очередь будут информационной базой (одна из подсистем управления эксплуатационной деятельностью метрополитена) необходимо смоделировать движение поезда. Данная база позволит синтезировать управление движением поездов в зависимости от изменяющегося во времени пассажиропотока как в период пуска проектной первой линии строящегося Красноярского метрополитена, так и в период дальнейшей эксплуатации.
Управление движением поездов по линии метрополитена осуществляется на трех уровнях (контурах) управления [56,71,73,74]. Первый (верхний) уровень включает управление движением совокупности поездов по линии в целом. Переменными параметрами верхнего уровня являются время стоянок на станциях и время хода поезда по перегону. В качестве критериев оптимальности для таких задач используется минимум приведенных эксплуатационных затрат или минимум стоимости полного рейса [77,81].
Второй уровень управления движением поездов по линии метрополитена осуществляет управление движением каждого отдельно взятого поезда по перегону при соответствующих граничных условиях, заданным временем хода и ограничениях. Целью управления является реализация заданного времени хода по перегону. Объем электроэнергии, затрачиваемой на движение поездов, достигает 40% эксплуатационных расходов метрополитенов, поэтому вопросы энергосбережения приобретают значительную актуальность.
Основным критерием оптимальности управления для отдельного поезда является минимум удельного расхода электроэнергии на тягу [47,77]:
(3.1)
где l - длина перегона, T - время хода, F - сила тяги, Н, s - путь, t - время, v -
скорость, - коэффициент полезного действия и механической передачи тягового привода. Задача минимизации (3.1) имеет смысл лишь при фиксации заданного времени хода по перегону = (в противном случае будет ). Иным критерием оптимальности для задачи управления движением поезда по перегону является критерий минимума эксплуатационных затрат [39,53,81,106,107], относящихся к одному перегону:
(3.2)
где и - постоянные коэффициенты.
Третий уровень управления обеспечивает автоматическое снижение скорости поезда при его недопустимом сближении со впереди идущим поездом [89,107,134].
Для создания энергосберегающего режима управления движением поездов, строящегося Красноярского метрополитена, в первую очередь, необходима разработка первого и второго уровней (контуров) управления движением поездов, которую впоследствии можно внедрить в проектную документацию, либо использовать для создания эксплуатационной карты функционирования метрополитена.
Модель движения поездов по линии метрополитена будет состоять из двух основных взаимосвязанных частей: модели поезда метрополитена и модели линии. В зависимости от поставленной задачи модели отдельных систем используются с различной степенью детализации или исключаются из рассмотрения [26,38].
Для учета влияния кривых и уклонов пути на сопротивление движению поезда при определении скорости движения и времени хода поезда необходимо «спрямлять» (термин теории электрической тяги) продольный профиль и план пути, согласно Правилам тяговых расчетов (ПТР) [102]. При этом кривые в плане пути заменяются фиктивными подъемами в пределах спрямленных элементов.