城市軌道交通列車運行仿真研究

王秀玄 魏君

摘 要：隨著城市交通壓力不斷增大，人們的交通需求無法得到充分滿足，城市軌道交通隨之發展起來本文在建立單質點模型基礎上，進行列車牽引計算分析，對城市軌道交通列車運行過程進行仿真研究，希望能夠為城市軌道交通列車運營提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通；單質點；牽引計算；運行仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.054

1 研究背景分析

當今社會，軌道交通成為城市發展的重要推動力。從城市發展來看，發展城市軌道交通事業，能夠大幅度解決城市交通問題，提高出行交通質量。現代社會已經全面進入計算機網絡通信時代，信息傳輸速度也越來越高。這對城市軌道交通來說，基于通信的列車運行控制系統，即CBTC系統成為發展趨勢。

所以分析城市軌道交通列車運行過程，對于我國城市軌道交通來說有十分重要的實際意義。首先表現在城市軌道交通規劃建設階段，通過對城市軌道交通列車運行過程的仿真研究，模擬各種工況，可以優化列車運行中的各項性能，為列車線路的選擇與設計提供數據基礎。其次，還能夠改善供電系統的設計，盡量減少資源的浪費，提高列車運行的效率和質量。再次，通過城市軌道交通列車運行過程的仿真，分析影響列車運行的主要因素，由此改善列車的運行速度和運行方案，提高交通運行的服務質量，提高旅客舒適度。當前對于城市軌道交通列車運行的研究比較廣泛，下面將對這一過程仿真系統的設計展開研究與討論。

2 城市軌道交通列車運行仿真系統設計與分析

目前針對列車運行的仿真主要研究方式可以分為單質點列車運行仿真和多質點列車追蹤的運行仿真，目前很多資料是利用單質點仿真方法，單質點列車運行仿真方法的基本原理就是把整列列車作為一個質點，以列車牽引計算為理論基礎，根據列車運行于不同線路時的線路情況、線路允許速度、臨時限速信息、道岔限速情況、列車自身重量與長度因素、車站信號等各種影響條件，采用一定的原則和方法動態地調整列車運行，從而對列車整體運行情況進行仿真研究。而對于多質點列車運行仿真，是在單質點列車運行仿真的基礎上，綜合考慮機車和每一節車輛在牽引和制動方面的影響與相互作用關系，動態地研究列車運行情況，但是也存在一定局限性，例如工況轉換不夠合理、列車的運行速度和停車誤差較大等情況，在列車運營方面也相對有較大限制。因此本文仍然采用最簡單的單質點模型計算方法進行仿真運算。

根據當前國內城市軌道交通列車運行的特點和現狀，來具體設計整個仿真系統和仿真模型。在此之前，先研究整個仿真系統的牽引計算和結構以及模塊設計。根據城市軌道交通的特點，基于Microsoft Visual C++6.0開發環境，選擇了某城市軌道交通實際線路作為研究實例，根據這一線路的具體情況進行相應的仿真計算和分析，并比較仿真結果和實際結果，完成對該仿真系統的測試。

2.1 城市軌道交通運行仿真系統設計

在本文的研究當中，城市軌道交通的運行仿真系統主要包含以下幾個模塊，具體有線路數據模塊、系統數據模塊、列車數據模塊以及列車運行計算模塊。在完成系統參數設置后，調用列車數據模塊和線路數據模塊模擬列車運行。

2.1.1 基礎數據模塊

基礎數據模塊包括線路數據模塊、列車數據模塊和系統數據模塊。其中，線路數據模塊用來存儲線路數據，可以對城市軌道交通的線路進行添加、修改和刪除等，也可以直接讀取EXCEL表格等文件導入數據；對于線路基礎數據、坡度、橋隧等信息，都可從這個模塊添加和修改；也可以直接添加新建線路信息；為了保證仿真數據更加準確，仿真系統在人機交互方面也更符合操作人員的操作，還特別設置了人工修改路線限速的功能，做到臨時限速功能模擬，盡可能貼近實際系統。列車數據模塊可以選擇列車型號、列車重量、長度、牽引與制動特性和車次號等信息。系統數據模塊可以設置列車運行工況、運行時間步長、速度距離誤差等，用來仿真不同運行情況。

2.1.2 列車運行過程計算模塊

列車運行過程計算模塊是重點也是核心，具體是要根據整條線路數據和列車數據，以及相關的臨時限速等信息，根據不同的模型進行相應的計算，算出列車在某個運行范圍內的速度和時間。列車運行過程計算模塊還會將這些數據進行繪制，形成更直觀的數據。

（1）牽引計算。研究列車牽引計算就是指城市軌道交通列車在外力的作用下，沿軌道運行時發生的各種變化并且針對這些變化進行計算，這里的外力主要包括列車牽引力（設為F）、列車阻力（設為W）、列車制動力（設為B），最終得到作用在列車上的合力（設為C），這也是我們文中討論牽引計算所使涉及到的幾種力。為了方便計算，在受力分析中一般使用單位合力、單位牽引力、單位阻力、單位制動力，分別為每千牛重力上的合力、牽引力、阻力、制動力，用c，f，w，b表示，單位為N/KN，單位合力公式下：

式中，g為重力加速度（9.81N/Kg）；P為列車質量（t）；根據公式，就可以計算出每列列車的合力公式，在已知牽引力、阻和制動力的情況下，就可以進行列車的加速度的計算。

（2）運行計算。當我們通過獲得了列車運行的加速度，那么，采用定步長迭代法進行位移和速度以及時間的計算。將系統的時間步長設置為0.1s。根據迭代關系，有公式（2）和（3）：

當Si+1迭代達到列車在兩站間區間運行長度時，便得到列車在區間運行的時間。

2.2 城市軌道交通運行過程仿真系統分析

在本文的研究中，選擇了某城市軌道交通線路部分站點及區間進行相關的仿真研究。本文以下行線路數據為例進行研究。

2.2.1 仿真結果分析

為了能夠證明該仿真結果的準確性，以下行區間仿真運行為例，將系統計算的仿真結果和實際當中的運營數據進行比較，以此來對整個仿真過程進行客觀準確的評估。在表1中僅仿真區間運行時間，對停站時間不做研究。停站時間與單位時間客流量關系密切，這里暫且只做固定值假設，不做研究討論。

通過表1數據可以得知，列車在運行過程中，仿真結果與實際運行僅存在小幅度誤差，比較貼合城市軌道交通運營組織實際情況。因此，通過仿真程序模擬列車運行能夠有助于列車運行時刻表的制定，對于列車站間運行時間以及停站時間的設置都有參考意義。

3 結語

綜上所述，本文以實際線路為例，對于城市軌道交通列車運行展開了仿真研究，完成了對城市軌道交通列車運行的仿真模擬分析，實現了預期功能，但是為了使系統功能更加完善，更好地貼近實際應用，還需對系統進一步優化。從目前仿真結果來看，該系統具有一定的使用價值，能夠為城市軌道交通列車運營提供參考，為城市軌道交通部門的工作人員設計行車方案提供了依據。

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