在城市交通電氣化進程快速推進的同時，與之相應(yīng)的能耗增長和負面效應(yīng)也 在迅速增加。城市軌道交通中的快速增長的能耗給城軌交通的可持續(xù)性發(fā)展帶來 負擔。2018 年，北京、上海、廣州地鐵負荷占全市總負荷的 1.5%-2.5%,成為了 城市電網(wǎng)的最大單體負荷[1]。在“雙碳”政策下，城軌系統(tǒng)換用ATO 駕駛模式、 光伏+地鐵等方法都取得了較好的減碳節(jié)能效果。城軌系統(tǒng)的需求側(cè)響應(yīng)可以在 保證乘客滿意度的情況下降低牽引能耗成本[2]，可進一步發(fā)掘城軌系統(tǒng)減碳節(jié) 能的潛力。
在列車運行過程中，列車與外界會產(chǎn)生各種摩擦，進而消耗列車牽引的能量。 列車運行過程中，被考慮的因素較多，如列車與軌道的摩擦、列車受到的空氣阻 力、列車勢能的變化、列車運行過程中的位置限速等。在同一段旅途中，列車使 用不同的駕駛策略通常會產(chǎn)生不同的能量和時間的消耗。
單列車在兩個站臺之間的運行過程如圖一所示。

圖一.單列車運行過程
問題1
假設(shè)一輛列車在水平軌道上運行，從站臺A運行至站臺B，其間距為5144.7m， 運行的速度上限為100km/h，列車質(zhì)量為176.3t，列車旋轉(zhuǎn)部件慣性的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 因數(shù)p = 1.08 ，列車電機的最大牽引力為310KN，機械制動部件的最大制動力為 760KN。列車受到的阻力滿足Davis阻力方程f = 2.0895 + 0.0098v + 0.006v2，該 公式中的速度單位為m/s，阻力單位為KN。
你如何通過建模方法編寫程序以獲得列車運行過程的速度-距離曲線、牽引 制動力-距離曲線、時間-距離曲線與能量消耗-距離曲線？程序的運行時間是多 長？需要獲取列車以最短時間到達站臺B、在最短運行時間上分別增加10s、20s、

50s、150s、300s到達站臺B總共六組曲線。
在列車運行的實際情況中，需要考慮的因素更多，模型也更加復(fù)雜。列車運 行的旅途中不同的路段的限速是不同的，旅途中亦有不同的坡度情況，電機的動 態(tài)特性也更加復(fù)雜，此外，儲能裝置在列車節(jié)能領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，列車制動
時，會將一定比例的能量儲存至儲能裝置中，以待后續(xù)使用。如圖二所示。

圖二.復(fù)雜路況的運行旅途
本賽題提供兩個附件。從 XEQ 站至 SMKXY 站的路況數(shù)據(jù)與包含電機牽引/制 動動態(tài)特性的列車相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。介紹如下：
附件一：從 XEQ 站至 SMKXY 站的路況數(shù)據(jù)(xls 格式)，其包含 XEQ 站到 SMKXY
站的路途中的坡度變化信息以及限速變化信息。詳情見附件一.xls。 Table 1. XEQ站至SMKXY站的路況數(shù)據(jù)格式

Distance(m)	Gradient(‰)	Station Name	Vlimit (km/h)
0	0.0617284	Xierqi	100

附件二：附件二介紹了電機的動態(tài)特性與參數(shù)并給出了靜態(tài)電機牽引率與制 動再生率。詳情見附件二.docx。
問題 2
考慮附件一、二的路況信息以及電機的復(fù)雜動態(tài)過程。若列車計劃運行時間 為 T，請你設(shè)計優(yōu)化方案得到可行的速度軌跡，使得運行過程的能耗降低 (越低 越好) 。參照問題一，獲取列車以最短時間到達站臺 B、在最短運行時間上分別 增加 10s、20s、50s、150s、300s 到達站臺 B 總共六組曲線。
列車在運行過程中可能會出現(xiàn)各種突發(fā)情況導(dǎo)致列車需要提前到達站臺或 延時到達站臺。列車的運行速度軌跡需要根據(jù)新的到站時間而發(fā)生變化。

問題 3。

列車從起點出發(fā)，原計劃于 320s后到達終點，列車運行至 2000m 位置時， 由于前方突發(fā)事故，需要延遲60s 到達終點。請你設(shè)計優(yōu)化方案在保持列車節(jié)能 運行下，能夠快速地 (越快越好) 得到調(diào)整后的優(yōu)化速度軌跡。作出列車運行過 程的速度-距離曲線、牽引制動力-距離曲線、時間-距離曲線與能量消耗-距離曲

。

參考文獻：

[1] 胡海濤, et al."交通能源互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)."中國電機工程學報 38.01 (2018) :12-24+339. doi :10.13334/j.0258-8013.pcsee.171969.

[2] Yang, Hongming, et al. "Coordinated demand response of rail transit loa d and energy storage system considering driving comfort." CSEE Journal of Powe r and Energy Systems 6.4 (2020) : 749-759.

附件：

附件一：XEQ 站至 SMKXY 站的路況數(shù)據(jù)

附件二： 電機牽引/制動動態(tài)特性參數(shù)數(shù)據(jù)