基于面向?qū)ο蠼７椒ㄔO(shè)計(jì)城軌運(yùn)輸能力仿真系統(tǒng)

禹翔

摘 要：改革開放40年來(lái)，我國(guó)城市軌道建設(shè)取得了舉世矚目的成就，加強(qiáng)城軌建設(shè)的關(guān)鍵在于提高綜合運(yùn)輸能力。采用計(jì)算機(jī)仿真建模的方式對(duì)城市交通軌道系統(tǒng)進(jìn)行了分析，通過計(jì)算機(jī)模型來(lái)對(duì)城軌系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在為城軌運(yùn)輸管理水平的提升提供可行性建議。

關(guān)鍵詞： 城市軌道交通; 計(jì)算機(jī)仿真; 運(yùn)輸能力

中圖分類號(hào)： TP 311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： Forty years of reform and opening-up， Chinas urban rail construction has made remarkable achievements. The key to strengthen urban rail construction is to improve the comprehensive transport capacity. This paper uses computer simulation modeling to analyze the urban rail system， and designs the urban rail system through computer model in order to provide a feasible way to improve the level of urban rail transport management. Sexual suggestions.

Key words： urban rail transit; computer simulation; transportation capacity

0 引言

城市軌道交通系統(tǒng)復(fù)雜、投資高、工程量大，需要重點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃工作，而單純依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)則會(huì)面臨許多局限性[1]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠最大程度上提高城軌系統(tǒng)的合理性，提高運(yùn)輸能力[2]。因此，合理應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)于提高城軌交通的建設(shè)水平有著十分重要的意義。

1 UML建模機(jī)制

UML的全稱為Unified Modeling Language，即統(tǒng)一建模語(yǔ)言，該建模機(jī)制定義了5類10種模型圖，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的性質(zhì)以不同層次、不同角度、不同范圍加以表示[3]。它通過圖形機(jī)制、文本語(yǔ)法、符號(hào)來(lái)表達(dá)某一問題的解決路徑[4]。UML建模體系，如表1所示。

2 運(yùn)行仿真子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ATS仿真模塊

該模塊具體負(fù)責(zé)列車管理和進(jìn)種控制兩項(xiàng)任務(wù)，具體包含列車管理子模塊、進(jìn)路控制子模塊和總處理模塊三個(gè)部分[5]。其中總處理子模塊負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)ATS模塊的運(yùn)行進(jìn)行管理;進(jìn)路控制子模塊能夠處理當(dāng)前列車的位置信息，進(jìn)而判斷是否觸發(fā)下一條進(jìn)路;列車管理子模塊負(fù)責(zé)下達(dá)干預(yù)命令，并將發(fā)車、跳停、扣車等控制命令傳達(dá)給VOBC仿真模塊。ATS仿真模塊采用的工作流程，如圖1所示。

2.2 CI仿真模塊

該模塊具體負(fù)責(zé)移動(dòng)閉塞下和固定閉塞下的進(jìn)路處理，具體包含移動(dòng)閉塞進(jìn)路處理子模塊和固定閉塞進(jìn)路處理子模塊，兩者均具有解鎖進(jìn)路、鎖閉進(jìn)路、排列進(jìn)路、檢查狀態(tài)等功能[6]。CI仿真模塊采用的工作流程，如圖2所示。

2.3 ZC仿真模塊

該模塊負(fù)責(zé)為列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)MA，其中MA指的是前方終點(diǎn)障礙物到列車車尾這部分線路[7]。可能遇到的障礙物主要有道岔、信號(hào)機(jī)和前方列車等，以前行列車為主的障礙物被稱為動(dòng)態(tài)障礙物，以道岔為主的障礙物被稱為靜態(tài)障礙物。移動(dòng)授權(quán)示意圖，如圖3所示。

ZC模塊依照來(lái)自CI仿真模塊所輸出的設(shè)備狀態(tài)信息、進(jìn)路信息以及來(lái)自VOCB仿真模塊的列車位置信息對(duì)前方進(jìn)路進(jìn)行自動(dòng)匹配，進(jìn)而對(duì)MA的終點(diǎn)進(jìn)行判斷，列車車尾位置即為MA的起點(diǎn)。ZC仿真模塊采用的工作流程，如圖4所示。

2.4 VOBC仿真模塊

該模塊主要負(fù)責(zé)列車模型的建立，記錄列車仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車載ATP/ATO功能，具體包括仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)子模塊、仿真數(shù)據(jù)計(jì)算子模塊、列車仿真駕駛子模塊、列車模型計(jì)算子模塊以及列車限速計(jì)算子模塊。VOBC仿真模塊采用的工作流程，如圖5所示。

3 顯示控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯示控制子系統(tǒng)具體負(fù)責(zé)鋪畫線路，并將線路布置情況分享給用戶，在此了上控制仿真過程，制定仿真策略[8]。該子系統(tǒng)包含三個(gè)模塊，即仿真策略管理模塊、仿真管理模塊以及線路力管理模塊。

3.1 線路圖管理模塊

該模塊負(fù)責(zé)借助圖形形式來(lái)顯示軌旁設(shè)備信息和線路信息，線路圖是由許多相互聯(lián)系的元素所構(gòu)成的，各種元素的狀態(tài)也是處于變化狀態(tài)的，因此需要在仿真過程中生成實(shí)時(shí)變化的仿真信息[9]。繪制線路圖的具體流程，如圖6所示。

3.2 仿真管理模塊

該模塊負(fù)責(zé)加工處理仿真數(shù)據(jù)，將仿真過程以動(dòng)態(tài)化的形式展示出來(lái)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)仿真控制并實(shí)時(shí)獲取仿真信息[10]。仿真管理模塊需要對(duì)光帶、道岔、信號(hào)機(jī)、列車等方面的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新與顯示更新之間的同步[11]。仿真管理模塊工作流程，如圖7所示。

3.3 仿真策略管理模塊

3.3.1 全線仿真策略

全線仿真策略指的是在一定行車組織、信號(hào)制式、車型的情況下，根據(jù)運(yùn)行圖來(lái)進(jìn)行仿真的過程，根據(jù)列車車型編組、信號(hào)系統(tǒng)制式等信息來(lái)配置仿真參數(shù)[12]。全線仿真策略示意圖，如圖8所示。

3.3.2 單項(xiàng)仿真策略

單項(xiàng)仿真策略指的是在一定行車組織、信號(hào)制式、車型的情況下，對(duì)單個(gè)車站的出入段能力、折返能力和路通過能力進(jìn)行仿真的過程，以線路通過能力仿真為例，單站臺(tái)連續(xù)發(fā)車仿真策略，如圖9所示。

（1） 驗(yàn)證范圍

默認(rèn)40秒。

（2） 驗(yàn)證時(shí)間

1小時(shí)。

（3） 列車運(yùn)行方向

根據(jù)加車站臺(tái)出站信號(hào)機(jī)防護(hù)方向來(lái)對(duì)初始運(yùn)行方向進(jìn)行確定。

（4） 計(jì)數(shù)點(diǎn)的確定

在折返渡線所在計(jì)軸區(qū)段內(nèi)，與A站臺(tái)距離最遠(yuǎn)的計(jì)軸器位置，根據(jù)列車運(yùn)行方向來(lái)確定進(jìn)站與出站計(jì)數(shù)點(diǎn)。

（5） 加車位置

B站下行站臺(tái)的下行停車點(diǎn)處或B站上行站臺(tái)的上行停車點(diǎn)處。

（6） 發(fā)車時(shí)機(jī)

根據(jù)發(fā)車間隔時(shí)間來(lái)確定發(fā)車時(shí)機(jī)。

（7） 作業(yè)過程

B站連續(xù)發(fā)車→A站側(cè)向進(jìn)站→A站直向發(fā)車。

（8） 運(yùn)行路徑

對(duì)于下行初始運(yùn)行方向來(lái)說，則由B站下等站臺(tái)出發(fā)，于A站側(cè)進(jìn)直出。

4 系統(tǒng)工作流程

4.1 仿真準(zhǔn)備

第一，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)建立分布式仿真環(huán)境，對(duì)端口號(hào)和仿真主機(jī)IP進(jìn)行合理化的分配;

第二，在數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)的情況下運(yùn)行仿真子系統(tǒng)，使仿真子系統(tǒng)處于就緒狀態(tài);

第三，選擇目標(biāo)線路并進(jìn)行仿真運(yùn)算，完成對(duì)應(yīng)線路全部數(shù)據(jù)的下載操作;

第四，在本地硬盤中保存線路數(shù)據(jù);

第五，解析所下載的文件，對(duì)線路模型進(jìn)行實(shí)例化處理并將線路圖顯示出來(lái);

第六，用戶可以對(duì)仿真列車信息進(jìn)行查看與復(fù)制，同時(shí)也可以對(duì)列車信息進(jìn)行修改，進(jìn)而建立一個(gè)自定義的仿真列車;

第七，通過對(duì)相關(guān)仿真策略參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)配置，可以建立全線或單項(xiàng)仿真策略;

第八，在對(duì)各個(gè)仿真模塊進(jìn)行初始化操作后，顯示控制子系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)線路發(fā)送一個(gè)識(shí)別碼，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相應(yīng)的線路數(shù)據(jù);

第九，各仿真模塊對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析并進(jìn)入就緒狀態(tài)，再將確認(rèn)信息反饋給顯示控制子系統(tǒng)。

4.2 仿真執(zhí)行

在完成仿真準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)下，接下來(lái)進(jìn)入仿真執(zhí)行階段，具體流程如下。

第一，對(duì)仿真策略進(jìn)行驗(yàn)證，顯示控制子系統(tǒng)會(huì)向ATS仿真模塊傳遞仿真策略參數(shù)（發(fā)車間隔時(shí)間、行車路徑、閉塞模式、銷車位置、加車位置以及初始運(yùn)行方向等），向VOBC仿真模塊傳遞仿真列車參數(shù)（制動(dòng)參數(shù)、牽引參數(shù)以及靜態(tài)參數(shù)等）;

第二，在每個(gè)仿真周圍內(nèi)，由顯示控制子系統(tǒng)依次調(diào)動(dòng)各仿真模塊投入運(yùn)行;

第三，由ATS仿真模塊負(fù)責(zé)列車控制和進(jìn)路觸發(fā);

第四，由CI仿真模塊負(fù)責(zé)解鎖進(jìn)路、鎖閉進(jìn)路、排列進(jìn)路，發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息和進(jìn)路信息;

第五，ZC仿真模塊在設(shè)備狀態(tài)信息和進(jìn)路信息的基礎(chǔ)上為列車計(jì)算MA;

第六，VOBC仿真模塊在列車位置信息和MA信息的基礎(chǔ)上計(jì)算列車運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)計(jì)算列車位置;

第七，在每個(gè)仿真周期中，由顯示控制子系統(tǒng)接收來(lái)自各仿真模塊的實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù);

第八，根據(jù)所接受收到的信息，由顯示控制子系統(tǒng)對(duì)后臺(tái)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，進(jìn)而生成動(dòng)態(tài)化的仿真過程;

第九，基于來(lái)自VOBC模塊的仿真列車數(shù)據(jù)，在每個(gè)仿真周圍內(nèi)生成列車閉塞時(shí)間序列圖;

第十，由用戶對(duì)仿真過程進(jìn)行控制，比如調(diào)整仿真步長(zhǎng)、停止仿真、恢復(fù)仿真以及暫停仿真等。

5 總結(jié)

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，城軌運(yùn)輸管理正向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展。科學(xué)合理地使用城軌運(yùn)輸能力仿真系統(tǒng)是提高管理自動(dòng)化水平的必要條件。因此，在未來(lái)的研究工作中，還應(yīng)當(dāng)對(duì)城軌交通系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究，提高城軌管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 董西松，沈震，熊剛，等. 城市軌道交通CPSS平臺(tái)構(gòu)建研究[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2019，45（4）：682-692.

[2] 江志彬，洪玲，謝超. 軌道交通調(diào)度與應(yīng)急處置綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2015，32（1）：91-94.

[3] 韓麗飛，代琦，孫小麗. 基于Legion的地鐵換乘站客流組織仿真研究——以武漢市軌道交通武昌火車站為例[J]. 交通與運(yùn)輸（學(xué)術(shù)版），2015（1）：44-48.

[4] 于璐，張喜. 城市軌道交通樞紐進(jìn)站客流輔助決策研究[J]. 物流技術(shù)，2011，30（9）：135-138.

[5] 李少偉，陳永生. 城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（3）：879-883.

[6] 孫宇博. 基于混合Petri網(wǎng)的礦井生產(chǎn)主物流系統(tǒng)建模與仿真[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[7] 曹欣. 基于UML的城市軌道交通運(yùn)輸能力仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[8] 楊永清. 城市軌道交通運(yùn)輸能力仿真系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[9] 杜新光. 軌道車輛—結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法及應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[10] 祝國(guó)源，樸新.KJ3Z軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主控制軟件的仿真調(diào)試[J].煤礦自動(dòng)化，1999（2）：19-21.

[11] Haodong Yin，Jianjun Wu，Zhiyuan Liu，et al. Optimizing the release of passenger flow guidance information in urban rail transit network via agent-based simulation[J]. Applied Mathematical Modelling，2019，22（4）：17-18.

[12] Fang Mao，Zonglong Mao，Ke Yu. The Modeling and Simulation of DC Traction Power Supply Network for Urban Rail Transit Based on Simulink[J]. Journal of Physics： Conference Series，2018，10（4）：36-37.

（收稿日期： 2019.08.27）