考虑快慢车运营模式的地铁线路纵断面优化_齐嫣然.pdf
《考虑快慢车运营模式的地铁线路纵断面优化_齐嫣然.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑快慢车运营模式的地铁线路纵断面优化_齐嫣然.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、文章编号:1673-0291(2023)01-0009-08DOI:10.11860/j.issn.1673-0291.20220032第 47 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.47 No.1Feb.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY考虑快慢车运营模式的地铁线路纵断面优化齐嫣然,柏赟,汪茜,樊葱,肖雅玲(北京交通大学 交通运输学院,北京 100044)摘要:针对地铁线路纵断面设计方案会同时影响建设期工程投资与运营期列车能耗问题,提出运营快慢车模式地铁线路的纵断面优化方法.首先,在已知线路车站水平位置与平面设计方案的情况
2、下,考虑地铁设计规范、施工条件与列车运行等约束,构建以建设投资与列车能耗总成本之和最小为目标的纵断面优化模型,求解线路各中间站高程与变坡点位置.其次,设计基于间接实数编码的遗传算法和变邻域搜索算法的混合策略进行求解.最后,以国内某运营快慢车的地铁线路进行分析.结果表明:本文模型优化方案相较于实际纵断面设计方案可同时降低线路建设成本和列车能耗成本,总成本节约达 7.3%;当快慢车地铁线路的慢车开行数量较多时,采用高站位、陡坡的形式可大幅节约线路建设与列车能耗成本.关键词:城市轨道交通;快慢车;纵断面优化;建设成本;列车能耗中图分类号:U212.34 文献标志码:AVertical alignme
3、nt optimization of subway lines considering the express/local operation modesQI Yanran,BAI Yun,WANG Qian,FAN Cong,XIAO Yaling(School of Traffic and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:To address the problem that the design scheme of the vertical alignment for sub
4、way lines affects both the construction investment and the train energy consumption during the operation period,a vertical alignment optimization method for the subway line considering the express and local operations modes is proposed.Firstly,when station horizontal location and track alignment are
5、 known,this paper constructs a vertical alignment optimization model that aims to minimize the sum of construction costs and train energy consumption.The model considers constraints including the subway design specifications,construction conditions,and train operation constraints to optimize the ele
6、vation and variable slope point location of each intermediate station of the line.Secondly,a hybrid strategy based on indirect real number coding genetic algorithm and variable neighborhood search algorithm is designed for the solution.Finally,the analysis is performed using a subway line with expre
7、ss and local trains in China.The results show that the model optimization scheme in this paper can reduce both the line construction cost and the train energy consumption compared with the original vertical alignment design,收稿日期:2022-03-01;修回日期:2022-08-11基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2020JBM035);国家自然科学基金(715
8、71016)Foundation items:Fundamental Research Funds for the Central Universities(2020JBM035);National Natural Science Foundation of China(71571016)第一作者:齐嫣然(1998),女,河北沧州人,硕士生.研究方向为纵断面优化.email:.通信作者:柏赟(1985),男,湖南祁阳人,教授,博士,博士生导师.email:.引用格式:齐嫣然,柏赟,汪茜,等.考虑快慢车运营模式的地铁线路纵断面优化 J.北京交通大学学报,2023,47(1):9-16.QI Ya
9、nran,BAI Yun,WANG Qian,et al.Vertical alignment optimization of subway lines considering the express/local operation modes J.Journal of Beijing Jiaotong University,2023,47(1):9-16.(in Chinese)北京交通大学学报第 47 卷with a total cost saving of 7.3%.When the number of slow trains on express/local subway lines
10、is high,the use of high stations and steep slopes can significantly save the costs of line construction and train energy consumption.Keywords:urban rail transit;express/local trains;vertical alignment optimization;construction cost;train energy consumption近年来,随着地铁线网规模的不断增大,其建设投资费用与运营能耗也在不断攀升.以北京地铁为例
11、,其每千米平均造价逾 7亿元,2019年全网的运营补贴近 60 亿元,约为 2016 年补贴额的 3 倍.地铁线路纵断面设计在减少工程费用以及列车能耗方面具有较高潜力.线路纵断面设计方案决定了不同路段的敷设方式,会影响土石方工程量及桥隧等工程建设费用1.此外,纵断面设计方案还会影响占地铁系统总能耗约 50%的列车牵引能耗.目前,关于轨道交通线路纵断面设计的研究多基于站站停运营模式.陈进杰等2以列车能耗和运行时分为优化目标,提出采用改进遗传算法的高速铁路区间节能坡设计方法.进一步,柏赟等3针对盾构法施工的地铁地下线路,以列车双方向运行能耗最小为目标构建纵断面优化模型,较为全面地考虑了地铁纵断面设
12、计的相关约束.上述研究仅单一考虑了建设或运营成本,但是地铁线路纵断面设计方案会同时影响建设和运营两方面的成本.因此,Bababeik等4-5以最小化建设成本和运营成本之和为目标建立模型,并采用遗传算法求解铁路纵断面优化方案.随着乘客需求的多样化发展,不少地铁线路开始尝试快慢车运营模式.由于跨站停快车在部分车站不停车,传统的节能坡设计形式不再适用于快慢车线路6.因此,一些学者开始针对快慢车线路进行纵断面优化研究.曹金铭等7以列车能耗成本和运行时分为目标,提出了地铁快慢车线路节能坡优化模型.在此基础上,孙元广等8还考虑了风井成本对地铁快慢车线路纵断面设计的影响建立优化模型,但忽略了纵断面设计方案对
13、敷设方式及施工造价的影响.综上所述,目前针对快慢车线路的纵断面设计优化模型对建设成本的刻画仍不够全面,未充分考虑纵断面设计方案对不同敷设方式线路施工、征地拆迁以及排水设施等成本的影响.为此,本文充分考虑线路的建设成本和列车能耗成本,以综合优化线路的车站高程与各区间变坡点位置,利用启发式算法求解地铁快慢车线路最优纵断面设计方案.1 地铁快慢车线路纵断面优化模型1.1 决策变量模型在已知首末车站高程、各车站水平位置和线路平面设计方案的情况下,综合考虑纵断面设计约束、实际施工条件约束和列车运行约束,求解地铁线 路 中 间 车 站 高 程Y(z)s与 各 区 间 的 变 坡 点 位 置(Xk,Yk,Y
14、(z)s),使得线路建设成本和列车能耗成本之和最小,如图 1所示.其中,s为线路中各个车站的编号,k表示各个区间内变坡点的序号.1.2 目标函数纵断面设计方案通过决定设计线起伏与线路敷设方式,影响线路的建设成本.当地铁线路采用地下线的敷设方式时,为满足通风需求每隔一定距离需设置风井,在风井面积固定的情况下其建设成本主要受设计线埋深的影响.为满足排水需求,在地铁线路“凹点”还需加设排水设施,纵断面设计线的起伏会影响排水沟的数量,从而影响排水沟的建设图 1地铁线路纵断面设计示意图Fig.1Schematic diagram of vertical alignment design for subw
15、ay lines10齐嫣然等:考虑快慢车运营模式的地铁线路纵断面优化第 1 期成本.此外,不同敷设方式采用的施工方法不同,会影响桥梁、隧道和路基的线路施工成本、车站建设成本与征地拆迁成本等建设成本9.除建设成本外,纵断面设计方案还会影响运营期列车能耗成本.纵断面设计方案可通过改变坡段的坡度和坡长,影响坡道附加阻力大小,从而影响列车运行期间克服阻力所产生的牵引能耗10.因 此,模 型 的 目 标 函 数 包 括 建 设 成 本CB(X,Y,Y(z)与列车能耗成本CE(X,Y,Y(z),为方便计算将建设成本与列车能耗成本之间的单位进行统一 9,表示为=i()1+in()1+in-1(1)min C
16、(X,Y,Y(z)=CB(X,Y,Y(z)+CE(X,Y,Y(z)(2)式中:表示资本回收系数;i为年利率;n 为城市轨道交通经济寿命,a.1.2.1建设成本建设成本包括线路施工成本CL、车站建设成本CS、征地拆迁成本CG、风井建设成本CF和排水沟建设成本CP,计算式为CB(X,Y,Y(z)=CL+CS+CG+CF+CP(3)1)线路施工成本.线路施工成本包括桥梁建设工程费用C(b)L、隧道建设工程费用C(t)L、路基建设工程费用C(r)L,通过建设单价与不同敷设方式线路长度乘积计算.桥梁建设工程费用.当纵断面设计线高于地面线Hb时,需采用架桥的敷设方式,桥梁建设工程费用的计算式为C(b)L=
17、iN1C(b)i l(b)i+CA(4)式中:C(b)i表示第 i座桥梁的单位建设成本,元/m;l(b)i表示第 i段桥梁长度,m;CA表示桥梁固定建设成本,元;N1表示线路中采用架桥方式施工路段的数量.在实际工程中,桥梁的单位建设成本会根据桥梁的高度增加而增大,计算式为C(b)i=(H(b)i-H(b)0)C(b)(5)式中:Hbi为第 i座桥梁的高度,m;Hb0为桥梁最小高度,m;Cb为桥梁最小单位建设成本,元/m;为成本变化系数.隧道建设工程费用.当纵断面设计线高程低于地面线Ht时,采用盾构法施工的隧道敷设方式,建设工程费用的计算方法为C(t)L=iN2C(t)l(t)i+CP(6)式中
18、:C(t)表示隧道建设的单位成本,元/m;l(t)i表示第 i 段隧道的长度,m;CP表示隧道的固定建设成本,元;N2表示线路中采用隧道施工路段的数量.路基建设工程费用.采用填、挖方施工方式的路基部分成本计算式为C(r)L=iN3(C(f)l(f)i+C(d)l(d)i)S(r)i(7)式中:C(f)和C(d)分别表示路基填方和挖方的单价,元/m3;l(f)i和l(d)i分别表示第 i 段路基填方和挖方的长度,m;S(r)i表示第 i段路基的横截面积,m2;N3表示线路中采用路基施工路段的数量.2)车站建设成本.车站建设成本会受到采用的敷设方式和车站面积的影响,计算式为CS=sM1C(o)s
19、S(o)s+sM2C(u)s S(u)s+sM3C(e)s S(e)s(8)式中:o、u、e 分别表示高架、地下和地面车站;C(o)s、C(u)s、C(e)s表示第 s个车站的高架、地下和地面单位造价,元/m2;S(o)s、S(u)s、S(e)s表示第 s个车站的高架、地下和地面面积,m2;M1、M2、M3表示不同敷设方式车站的个数.3)征地拆迁成本.不同地段,不同敷设方式的线路与车站征地拆迁面积与地价均不同,计算式为CG=iN1l(b)i wd cb+iN2l(t)i wd ct+iN3(l(f)i+l(d)i)wd cr(9)式中:wd表示设计线路的宽度,m;cb、ct、cr分别表示桥梁、
20、隧道、路基征地拆迁单价,元/m2.4)风井建设成本.风井的埋深可根据地面线高程与轨道或车站埋深的差值计算,计算方法为CF=jNF(Y(f)j-Y(d)j)c(f)j Aj(10)式中:cf表示的风井的单位成本,元/m3;Y(f)j表示第 j个风井的高程,m;Y(d)j表示第 j 个风井处的地面线高程,m;Aj表示第 j个风井的面积,m2;NF表示线路与车站中设置的风井数量.5)排水沟建设成本.线路“凹点”数目会影响排水沟的数量,排水沟11北京交通大学学报第 47 卷的建设成本计算式为CP=cp Np(11)式中:cp表示的排水沟造价,元/个;Np表示线路中设置的排水沟个数.1.2.2列车能耗成
21、本能耗成本为单位年限内线路上所有列车双方向运行的牵引能耗10,计算方法为CE(X,Y,Y(z)=dDnd Ed C0 365(12)式中:D 表示停站方案的个数;nd表示停站方案为 d的列车一天的开行数量,列;Ed表示停站方案为 d的列车在线路上双方向运行产生的能耗,kWh;C0为地铁电费单价,元/kWh.根据牵引力 F、运行阻力 W 以及制动力 B,t 时刻下列车合力 C的计算方法为C=F(vt)-B(vt)-W(vt)(13)根据列车合力可计算各步长的加速度与位移St,将各步长能耗Et进行累加即可得到列车在线路上运行产生的牵引能耗,计算式为Et+1=Et+F(vt)(St+1-St)(14
22、)1.3 约束条件1.3.1纵断面设计约束1)车站区域坡道的坡度坡长约束.车站坡坡度值的绝对值i(s)与坡长l(s)应满足文献 11 中纵断面设计的要求,数学表达式为i(s)A(15)l(s)Ls(16)式中:A 为-0.3%,-0.2%,0%,0.2%,0.3%;Ls为车站站台长度,m.2)非车站区域坡道的坡度坡长约束.非车站区域内任意坡道的坡段长度lk应不小于远期地铁列车编组长度 LT,且坡度值ik应从最小坡度i(min)a与最大坡度i(max)a的范围内选取,可以表示为lk=Xk-Xk-1 LT(17)i(min)a|ik=Yk-Yk-1Xkk-Xk-1|i(max)a(18)3)最小夹
23、直线长度约束.相邻竖曲线之间的最小夹直线应满足文献 11要求,可表示为Xk-Xk-1-T(k-1,k)-T(k,k+1)50(19)式中:T(k-1,k)表示第 k-1个坡段与 k个坡段之间的连接竖曲线切线长,m.1.3.2实际施工条件约束1)车站高程范围约束.中间车站高程会受到选址与平面设计方案的影响,应从最小高程Y(z_min)s与最大高程Y(z_max)s的范围内选取,可表示为Y(z_min)s Y(z)s Y(z_max)s(20)2)避让区约束.在地铁隧道施工时通常需避开地下桩基、管道或不良地质条件点,在模型中表示为纵断面设计线不可通过避让高程区域,可以表示为|Yskk-Ysk|(2
24、1)式中:Yk(sk)表示里程sk处的设计线高程,m;Ysk表示里程sk处的避让区域高程,m;表示设计线与避让区域控制点高程需间隔的距离,m.1.3.3列车运行约束1)限速约束.限 速v(l)st大 小 根 据 线 路 限 速 VL与 曲 线 限 速3.9Rt确定,可以表示为vt v(l)st-v t 0,T(22)v(l)st=min 3.9Rt,VL(23)式中:Rt表示 t时刻下列车所在平面曲线的半径,m;v表示安全冗余速度,km/h.2)列车停站约束.对于快慢车线路,快车在不停车站以车站 s 允许通过的速度vs跨站通过.快车与慢车均采用牵引-巡航-制动的运行模式5,如图 2 所示.对于
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 慢车 运营 模式 地铁 线路 纵断面 优化 嫣然
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。