軌道交通運(yùn)行仿真的應(yīng)用與發(fā)展

方惠惠 王春

摘要：對(duì)軌道交通運(yùn)行仿真的理論、模型及建模過程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)國(guó)內(nèi)外比較成熟的軌道交通運(yùn)行仿真軟件的主要功能和界面進(jìn)行了介紹，對(duì)軌道交通運(yùn)行仿真軟件的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和展望。

Abstract： The theory of rail transit operation simulation was surmised， as well as the model and the process of model construction. The main functions and interfaces of some rail transit operation simulation software mostly adopted at home and abroad were introduced and discussed. The development trend of rail transit operation simulation software was analyzed and forecasted.

關(guān)鍵詞：軌道交通；運(yùn)行；仿真；模型

Key words： rail transit；operation；simulation；model

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）31-0239-04

0 引言

20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展，研究者開始采用計(jì)算機(jī)數(shù)字模型來反映復(fù)雜交通現(xiàn)象，由此誕生了交通仿真[1]。對(duì)于軌道交通這樣一個(gè)難以用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驍?shù)學(xué)分析模型來準(zhǔn)確描述的復(fù)雜系統(tǒng)，仿真可以揭示系統(tǒng)內(nèi)多維隨機(jī)要素的狀態(tài)及其相互作用規(guī)律。

在軌道交通的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，可以通過對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)線路的運(yùn)行過程仿真指導(dǎo)線路的選線設(shè)計(jì)和平縱斷面設(shè)計(jì)，同時(shí)也為合理安排牽引供電系統(tǒng)的布局和容量提供理論依據(jù)和參考。而在運(yùn)營(yíng)管理階段，又能夠通過對(duì)運(yùn)行過程的仿真研究驗(yàn)證列車的性能，優(yōu)化車輛使用，發(fā)現(xiàn)列車運(yùn)行過程中的影響因素，調(diào)整列車運(yùn)行方案，提高列車控制水平，節(jié)約能耗，提高運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率，減少停站誤差以及增加旅客舒適度。

1 軌道交通運(yùn)行仿真的理論基礎(chǔ)

1.1 連續(xù)系統(tǒng)仿真

連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化，比如列車的運(yùn)動(dòng)。連續(xù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型可以采用微分方程、狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)來描述，采用較多的是狀態(tài)變量的微分方程。

1.2 離散系統(tǒng)仿真

離散系統(tǒng)的狀態(tài)只在離散時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生變化，比如軌道交通設(shè)計(jì)安全的信號(hào)系統(tǒng)等。離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖來描述。離散仿真模型建立的步驟為：①通過定義系統(tǒng)的參變量集合來構(gòu)造系統(tǒng)映像；②定義事件的類型和發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)；③定義每一事件狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間點(diǎn)；④描述系統(tǒng)中所有實(shí)體的活動(dòng)；⑤構(gòu)造狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)或算法；⑥通過系統(tǒng)流圖描述整個(gè)過程。對(duì)于離散系統(tǒng)的仿真策略他通常有時(shí)間調(diào)度法、活動(dòng)掃描法和進(jìn)程交互法三種。

由于軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行過程既包括連續(xù)過程，也包括離散過程，通常使用組合仿真模型對(duì)其進(jìn)行描述。

2 軌道交通運(yùn)行仿真模型

2.1仿真模型的規(guī)模

從仿真模型規(guī)模上來講，根據(jù)分析要求和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件不同，以及模型對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)描述的方法程度不同，軌道交通運(yùn)行仿真模型可以分為宏觀模型、中觀模型和微觀模型三個(gè)層次[2]。宏觀模型重點(diǎn)研究軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)間的關(guān)系，通過仿真試驗(yàn)對(duì)運(yùn)輸發(fā)展政策起到一定的指導(dǎo)型作用；中觀模型主要研究車流分布狀況及車流運(yùn)行規(guī)律，為車流調(diào)整方案確定提供指導(dǎo)；微觀層次模型對(duì)軌道交通最基本工作的運(yùn)行仿真，用于研究客貨運(yùn)車站、編組場(chǎng)、貨場(chǎng)以及線路等基本鐵路運(yùn)營(yíng)單位的運(yùn)行規(guī)律。

2.2 軌道交通運(yùn)行仿真建模過程

軌道交通運(yùn)行仿真的核心內(nèi)容是以牽引計(jì)算理論為基礎(chǔ)，對(duì)列車運(yùn)行過程進(jìn)行建模計(jì)算。以經(jīng)典的宏觀物體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論建立列車的運(yùn)動(dòng)微分方程，分析列車運(yùn)動(dòng)過程受到的牽引力和各種阻力，選取合適的仿真算法對(duì)方程進(jìn)行求解，得到列車的運(yùn)行里程和速度；同時(shí)考慮各種工況下列車運(yùn)行的控制策略，建立其運(yùn)行控制算法。

在構(gòu)造列車牽引計(jì)算的力學(xué)模型過程中，可以采用單質(zhì)點(diǎn)和多質(zhì)點(diǎn)兩種處理方法。單質(zhì)點(diǎn)模型將整列列車處理為單個(gè)質(zhì)點(diǎn)，多質(zhì)點(diǎn)模型將列車視為多個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的質(zhì)點(diǎn)列。兩種模型在常坡段（坡度不變）的差異不大，但是在變坡點(diǎn)的前后部分路段和曲線段，多質(zhì)點(diǎn)模型的處理更加符合實(shí)際情況。

2.3 軌道交通運(yùn)行仿真模型的模塊組成

交通系統(tǒng)仿真模型包括輸入、處理、輸出三個(gè)組成部分。從功能的角度來看，軌道交通運(yùn)行仿真模型通常包含以下五個(gè)模塊：①線路與網(wǎng)絡(luò)描述模塊，這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件包括坡度、曲線、限速、軌道條件。②列車屬性模塊，包括列車功率、重量、長(zhǎng)度、阻力等。③列車運(yùn)行環(huán)境模塊，包括各類交通控制信號(hào)系統(tǒng)下的列車運(yùn)行過程，列車在干線的運(yùn)行及其與車站運(yùn)營(yíng)過程的協(xié)調(diào)。④列車運(yùn)行與設(shè)備運(yùn)用計(jì)劃模塊，提供列車運(yùn)行的時(shí)刻表、列車運(yùn)行的偏好路徑、必須停靠站的定義，機(jī)車車輛及乘務(wù)組周轉(zhuǎn)表定義。⑤仿真結(jié)果演示及分析模塊，在模擬系統(tǒng)對(duì)用戶定義的軌道交通運(yùn)輸模擬完畢后，需要有專門的模塊來對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析、顯示和輸出。

3 國(guó)內(nèi)外軌道交通運(yùn)行仿真系統(tǒng)分析

3.1 國(guó)外的發(fā)展

國(guó)外在列車運(yùn)行仿真計(jì)算方面的起步比較早，目前比較成熟的軟件有美國(guó)SYSTRA公司的RailSim與TPC（Train Performance Calculator）系統(tǒng)；美國(guó)Camegie-Mellon大學(xué)軌道研究中心開發(fā)的TOM（The Train Operations Model）軟件；美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)（AAR）開發(fā)的用于研究列車縱向運(yùn)行仿真的TOES（The Train Operation and Energy Simulator）和TEM（Train Energy Model）仿真器；英國(guó)AEA鐵路技術(shù)公司開發(fā)的VISlON系統(tǒng)；德國(guó)漢諾威大學(xué)（University of Hannover）和德國(guó)鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的Railsys系統(tǒng)；歐洲ORTHSTAR公司的TrainStar系統(tǒng)；日本的UTRAS（Universal Train Simulator）系統(tǒng)；瑞士蘇黎世聯(lián)邦研究院開發(fā)的OpenTrack軟件等。其中應(yīng)用較多的是TOM、RailSim、Railsys和Opentrack。

3.1.1 TOM（The Train Operations Model）

TOM是一種多用途的軌道交通分析軟件，可用于評(píng)估行車時(shí)刻表、車輛能耗、供電系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)性能等，已經(jīng)在干線鐵路、輕重型軌道交通、高速鐵路以及磁懸浮系統(tǒng)上成功應(yīng)用[3]。TOM主要有列車性能仿真器（TPS，Train Performance Simulator）、電網(wǎng)仿真器（ENS，Electric Network Simulator）、列車運(yùn)行仿真器（TMS，Train Movement Simulator）3個(gè)主要功能模塊，如圖1所示。TPS用于計(jì)算特定網(wǎng)壓下的單車性能，ENS用于結(jié)合牽引供電參數(shù)仿真多車的運(yùn)行工況，TMS的功能與ENS類似，不同之處在于TMS可以仿真多列車在統(tǒng)一控制系統(tǒng)下的運(yùn)行情況，這有助于發(fā)現(xiàn)和解決多車運(yùn)行時(shí)存在的沖突問題。

3.1.2 RailSim與TPC系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代，美國(guó)鐵路開發(fā)了TPC（Train Performance Calculator）程序，根據(jù)線路平縱斷面和列車編組，計(jì)算分析列車運(yùn)行速度、時(shí)分、制動(dòng)距離以及能耗，評(píng)價(jià)評(píng)估機(jī)車、車輛性能以及進(jìn)行軌道交通線路設(shè)計(jì)分析，很多軌道交通仿真系統(tǒng)均加載了TPC程序，如RailSim、RailPlan、OnTrack和Rail Traffic Controller（RTC）等。RailSim是以TPC程序?yàn)楹诵牡牧熊嚥倏v與運(yùn)行仿真系統(tǒng)[4]，主要模塊包括列車運(yùn)行行為計(jì)算器（TPC）、路網(wǎng)編輯器、機(jī)車車輛庫、負(fù)載電流分析器、報(bào)告生成器、時(shí)刻表設(shè)計(jì)評(píng)估以及列車群運(yùn)行仿真等，如圖2所示。

RailSim能夠準(zhǔn)確分析計(jì)算各種類型列車的運(yùn)行行為，可以為列車運(yùn)行仿真選擇不同的停站時(shí)間和停站模式，也能夠研究運(yùn)輸能力分析、列車運(yùn)行間隔計(jì)算、信號(hào)設(shè)計(jì)、列控系統(tǒng)與機(jī)車車輛設(shè)計(jì)、系統(tǒng)能耗計(jì)算以及車站客流分布等問題。

3.1.3 OpenTrack

OpenTrack是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術(shù)研究院基于“鐵路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)研究”的項(xiàng)目而開發(fā)的鐵路網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)[5]。主要包括輸入、模擬和輸出三個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)下又包含若干模塊，如圖3所示。OpenTrack的特色是基于給定運(yùn)行時(shí)刻表的多列車運(yùn)行仿真計(jì)算，能夠根據(jù)用戶輸入的線路數(shù)據(jù)和列車，按照預(yù)定義的時(shí)刻表和仿真參數(shù)實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過程的再現(xiàn)。另外，也可以實(shí)現(xiàn)在一些較為復(fù)雜的區(qū)域，再現(xiàn)列車的到發(fā)、通過、折返以及車站的軌道占用以及進(jìn)路排列等多種現(xiàn)象，以及線路沿線信號(hào)設(shè)備顯示狀態(tài)與變化情況。

3.1.4 RailSys

RailSys 是由德國(guó)漢諾威大學(xué)（University of Hannover）和德國(guó)鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的基于路網(wǎng)的鐵路運(yùn)輸微觀模擬仿真系統(tǒng)[6]，系統(tǒng)主要包括4個(gè)功能模塊，包括：設(shè)施管理、時(shí)刻表管理、仿真管理以及評(píng)價(jià)管理，如圖4所示。通過仿真可以真實(shí)的呈現(xiàn)鐵路路網(wǎng)全系統(tǒng)運(yùn)行情況，對(duì)分析變化的運(yùn)輸需求對(duì)現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的影響、基礎(chǔ)設(shè)施的改擴(kuò)建、信號(hào)系統(tǒng)的安全及可用性評(píng)價(jià)、列車時(shí)刻表的制定和優(yōu)化等起到重要的輔助決策作用。

RailSys的特色是對(duì)鐵路既有或新建線路、車站以及網(wǎng)絡(luò)的比較評(píng)估，以及有干擾和無干擾條件下運(yùn)行時(shí)刻表的質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)。與RailSim內(nèi)嵌TPC程序類似，RailSys軟件中關(guān)于列車運(yùn)行時(shí)分的計(jì)算是使用了DYNAMIS內(nèi)嵌程序完成的。

3.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始致力于軌道交通運(yùn)輸模擬系統(tǒng)的研究，初期的研究主要應(yīng)用于鐵路編組站。后來陸續(xù)有傳統(tǒng)鐵路院校開發(fā)了應(yīng)用于教學(xué)與科研的仿真程序，有代表性的成果是1997年北京交通大學(xué)與香港理工大學(xué)合作開發(fā)的通用列車運(yùn)行模擬系統(tǒng)GTMSS（General-purposed Train Movement Simulation System）[7]。系統(tǒng)將機(jī)車、車輛和線路數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計(jì)節(jié)時(shí)、定時(shí)、節(jié)能算法庫，建立牽引計(jì)算、操縱經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)庫，通過迭代運(yùn)算，模擬實(shí)際列車運(yùn)行過程，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

GTMSS最大的特點(diǎn)是在用于科研分析和項(xiàng)目論證的同時(shí)，也有較強(qiáng)的教學(xué)功能，目前在我國(guó)軌道交通等領(lǐng)域已經(jīng)有較廣泛的應(yīng)用。

4 軌道交通運(yùn)行仿真的發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過多年的研究與開發(fā)，軌道交通運(yùn)行仿真已經(jīng)從傳統(tǒng)的列車牽引計(jì)算發(fā)展成為集仿真、分析、評(píng)價(jià)為一體的系統(tǒng)平臺(tái)，并呈現(xiàn)出以下的發(fā)展趨勢(shì)。

4.1 面向設(shè)計(jì)、計(jì)劃和運(yùn)營(yíng)的全周期應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)通用性和集成性并滿足軌道交通規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行全周期過程的需要，軌道交通運(yùn)行仿真系統(tǒng)開始全面應(yīng)用于相應(yīng)的生產(chǎn)過程。

面向設(shè)計(jì)用于分析和檢驗(yàn)不同設(shè)計(jì)年度的客流和貨運(yùn)量的變化導(dǎo)致的基礎(chǔ)設(shè)施變化產(chǎn)生的影響，以此輔助工程設(shè)計(jì)單位進(jìn)行既有線改造、新線或新站的設(shè)計(jì)，從而對(duì)方案的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

面向計(jì)劃用于厘清列車運(yùn)行計(jì)劃中關(guān)系復(fù)雜且相互影響的列車運(yùn)行圖、車站作業(yè)計(jì)劃和設(shè)備周轉(zhuǎn)計(jì)劃之間的關(guān)系，制定合理的運(yùn)輸計(jì)劃。

面向運(yùn)營(yíng)用于通過仿真分析獲得車站和區(qū)間高利用率情況下列車運(yùn)行圖的“魯棒性”脆弱點(diǎn)，找出瓶頸并為此提供一定的調(diào)度調(diào)整空間是在可行計(jì)劃的基礎(chǔ)上提供一定的調(diào)整調(diào)度空間。

4.2 研究領(lǐng)域的交叉與拓展

軌道交通運(yùn)輸涉及很多不同的專業(yè)領(lǐng)域，如果要對(duì)運(yùn)輸過程的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真模擬，則需要多專業(yè)之間的合作。供電是軌道運(yùn)輸中非常重要的環(huán)節(jié)，目前已有較多運(yùn)行仿真軟件整合了供電仿真模塊，用以對(duì)列車牽引供電情況以及能耗進(jìn)行分析，比如TOM系統(tǒng)中的ENS模塊，Railsim中的Load Flow Analyzer模塊以及OpenTrack中的OpenPower- Net插件。隨著軌道交通制式的不斷豐富，有軌電車、索道、獨(dú)軌、磁懸浮等軌道交通系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用，與傳統(tǒng)輪軌式系統(tǒng)一樣，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)劃和運(yùn)營(yíng)也需要模擬仿真的輔助。由于驅(qū)動(dòng)方式和運(yùn)行控制策略的不同，傳統(tǒng)的列車牽引計(jì)算不再適用，需要對(duì)其走行過程、信號(hào)系統(tǒng)和調(diào)度控制重新進(jìn)行建模。目前利用RailSys已經(jīng)能夠?qū)τ熊夒娷嚭退鞯赖倪\(yùn)行進(jìn)行仿真，未來研究領(lǐng)域應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步拓展。

4.3 數(shù)據(jù)格式的通用化

近60年來，許多公司、研究機(jī)構(gòu)及高校開發(fā)了很多關(guān)于軌道交通運(yùn)行仿真的程序和軟件，這些程序和軟件對(duì)于仿真輸入數(shù)據(jù)的格式要求各有不同，導(dǎo)致了通用性的降低和數(shù)據(jù)交互的巨大困難。有鑒于此，2001年德國(guó)的弗勞霍恩夫運(yùn)輸與基礎(chǔ)設(shè)施研究所與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開始聯(lián)合開發(fā)基于XML（eXtensible Markup Language，可擴(kuò)展標(biāo)記語言）的描述軌道交通專用數(shù)據(jù)的軌道標(biāo)記語言RailML，用于在內(nèi)部和外部軌道交通應(yīng)用之間交換數(shù)據(jù)，主要包括運(yùn)行時(shí)間表、基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)車車輛相關(guān)數(shù)據(jù)。2015年，德雷斯頓技術(shù)大學(xué)開發(fā)了針對(duì)RailML語言的可視化程序railVIVID，能夠?qū)?dǎo)入的數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示出來進(jìn)行檢查和校驗(yàn)。

5 結(jié)語

運(yùn)行仿真能夠有效地分析和解決軌道交通在規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理期間碰到的各種問題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出了多種通用和專用仿真軟件，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。目前軌道交通運(yùn)行仿真軟件呈現(xiàn)出全周期、跨領(lǐng)域和通用化的發(fā)展趨勢(shì)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算研究的不斷深入，智能化將是軌道交通運(yùn)行仿真所面臨的新的挑戰(zhàn)。

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