淺析軌道交通仿真軟件及應用需求

陶雨濛 金立艷 王亮軍

摘? 要：發展城市軌道交通是緩解城市交通擁堵，提升公共交通服務水平的重要舉措。軌道交通仿真技術可為城市軌道交通規劃、設計、建設、運營和維護的全生命周期提供有力的決策支撐。該文首先闡述了軌道交通仿真的基本流程，其次針對目前國內外典型的軌道交通仿真軟件，在軟件的功能和特點上進行了比較分析，最后重點探討了軌道交通仿真技術在城市軌道交通領域的應用需求。

關鍵詞：軌道交通;仿真技術;軟件功能;應用需求

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國經濟從高速增長到高質量發展的轉型，交通運輸行業發展也越來越注重質量和效率，為了進一步推進交通強國的戰略部署，高運能、低排放的城市軌道交通，在城市交通高質量發展的過程中占據重要地位?！督煌◤妵ㄔO綱要》[1]明確提出“提高城市群內軌道交通通勤化水平，優先發展城市公共交通，鼓勵引導綠色公交出行”。在大力發展軌道交通的背景下，軌道交通仿真技術得到了諸多關注和重視，該技術通過融合計算機技術、仿真技術、信息技術等先進技術，借助計算機搭建仿真環境，模擬城市軌道交通系統及其子系統的運作過程。軌道交通仿真技術可為城市軌道交通規劃、設計、建設、運營和維護的全生命周期提供有力的決策支撐。

1 軌道交通仿真基本流程

軌道交通仿真主要分為數據收集、模型構建、模擬仿真、數據分析4個階段。在模型構建之前，首先要收集軌道交通系統基礎設施及其屬性數據，包括軌道線網數據、列車數據、列車運行環境數據、列車運行計劃數據4個基本數據要素。軌道線網數據包括軌道長度、坡度、限速等。列車數據包括車輛類型、重量等。列車運行環境指的是信號控制方式，包括信號機位置及類型、閉塞方式、停車點等。列車運行計劃指的是為了滿足運營需求而預先設置的列車時刻表。在模型構建階段，根據上述基礎數據構建軌道交通線網，并進行參數標定。在仿真模擬過程中，列車在信號控制和時刻表的約束條件下進行模擬運行。最后根據仿真結果進行數據分析，例如列車的站間運行速度、延誤、能耗以及基礎設施的利用情況。

2 國內外典型軌道交通仿真軟件

國外軌道交通的仿真軟件主要有瑞士的OpenTrack、德國的RailSys、美國的RTC（Rail Traffic Controller）等，這些仿真軟件功能相對完善，但是售價高昂，隨之國內開始自主研究，如北京交通大學和香港理工大學合作研發的GTMSS、西南交通大學的UMTTCS。下面以典型的軌道交通仿真軟件為例，介紹其軟件功能與應用場景。

2.1 OpenTrack

OpenTrack[2]仿真軟件是瑞士聯邦研究院研發的，軟件大致可分為數據層、仿真層、應用層3個層級，分別用于實現模型構建、模擬仿真、性能評估3個功能，如圖1所示。軟件通過輸入軌道線網信息、列車信息、時刻表信息，構建仿真場景，模擬列車運行狀況，輸出可視化圖表，從而對列車、車站、線路運行情況進行分析。

在軌道線網構建過程中，軟件通過圖形化方式創建軌道區段、信號機位置、車站區域，并設置屬性參數。列車在數據層定義的約束條件下進行仿真運行，可以在線輸出列車運行、軌道占用、信號顯示的二維動畫，離線輸出單列車的速度-距離曲線圖，車站的軌道占用情況和線路的列車運行實跡圖等。

OpenTrack仿真軟件能夠以可視化的方式呈現輸入、輸出過程，但是軌道線網數據輸入工作量較大，系統設計較為適合歐洲的鐵路系統。

2.2 RTC（Rail Traffic Controller）

RTC[3]由美國伯克利仿真軟件公司研發，是一款用于軌道列車調度分析的仿真軟件，可以實現大范圍、長距離的軌道交通網絡仿真。RTC的特色是基于列車沖突邏輯（meet-pass N-train logic）解決多列車調度沖突及優化問題，可分析不同列車編組、軌道、設備等條件下車輛的運行性能，支撐運行調度、通行能力分析等關鍵應用。目前，RTC的適用場景主要為北美的鐵路運輸網絡。

2.3 GTMSS

GTMSS[4]包括基礎數據模塊、模擬參數定義模塊、系統運行模塊和系統輸出模塊。以線路、列車、信號數據為模型基礎，通過模擬參數定義模塊選擇列車運行環境，在參數定義完成后進行初始化檢查，最后在列車模擬運行時同步顯示運算結果。

GTMSS的列車運行控制方式適應多種需求，提供自動控制和手動控制2種方式，見表1。自動方式下，設計節時、節能、定時、巡航4種模擬策略，適用于不同運行對象，單列車可采用定時策略，多列車可采用節時、節能和 巡航策略。其中巡航策略針對地鐵列車的運行測試，使列車在站間區間以固定速度運行。根據不同的運行目標選取指定策略，列車完成自動運行。手動方式針對單列車運行，可通過鍵盤上的方向鍵或鼠標進行手動操縱。

3 軌道交通仿真軟件特性對比

3.1 基礎設施數據輸入差異

從軟件輸入的基礎數據對比中可以發現，上述幾種軌道交通仿真軟件在模型構建時，都包括線網數據、列車數據、信號數據，區別在于是否輸入列車時刻表，這與不同國家的鐵路運輸對象有關。歐洲國家和美國均采用客貨共線的鐵路運輸組織形式，歐洲國家的鐵路運輸以客運為主，具有一定的規律性，不同類型的列車需要按照計劃時刻表運行，以此來提高線路的利用率。而美國以貨運為主，具有較強的隨機性，常規的列車時刻表難以適應該運營模式，需要根據實際需求確定列車計劃。因此考慮不同國情，在數據輸入方面有差異化的體現。當然RTC只是不以時刻表為輸入數據的軟件代表，并不意味著所有美國的軌道交通仿真軟件都有該類特點，如Railsim[5]等就考慮到時刻表的影響。

3.2 列車運行參數設置差異

從列車運行參數設置角度出發，OpenTrack、RailSys仿真模塊可以調用數據模塊中的列車、時刻表等數據，根據預設目標，自由調整參數。GTMSS軟件在列車仿真運行模塊內制定了模擬策略，一定程度上為特定目標下模擬參數的設定提供了便利，但在靈活性上略有欠缺。

4 仿真軟件在城市軌道交通領域的應用需求探討

目前，軌道交通仿真軟件的分析對象和適用場景主要為鐵路系統，列車在模擬運行過程中的重點是避免列車之間發生沖突。仿真軟件面向城市軌道交通系統及其應用場景的專用化軟件較為少見。從系統的基本組成上來看，城市軌道交通系統與鐵路軌道交通系統存在很多共性特點，如軌道、信號基礎設備等設施單元，以及停車點的設置、超速防護等運行規則，但是城市軌道交通的運行組織形式（如發車間隔）、信號控制方式（如聯鎖方式、閉塞制式）與鐵路軌道交通系統存在一定的差異，因此需要在仿真建模中考慮這些差異，可以通過調整模型參數，或者開發新的模型進行優化。

現有的軌道交通仿真軟件，主要圍繞列車進行仿真建模和分析，這可以滿足分析大范圍、長距離、低頻次的鐵路系統需求，但是針對城市軌道交通系統，在發揮列車運行效率的同時，更要考慮其出行服務效率，因此，需要進一步結合城市軌道交通客流進行建模，包括客流的產生、分配等環節。與此同時，隨著綜合交通運輸系統越來越受到重視，軌道交通仿真需要融入綜合交通運輸系統仿真中進行考慮，考慮樞紐站的聯運協同，地面公交與軌道交通協同等新的分析應用。

5 結語

該文闡述了軌道交通仿真技術實現的基本流程，重點介紹并對比分析了國內外典型的軌道交通仿真軟件，探討了軌道交通仿真技術在城市軌道交通領域的應用需求。

參考文獻

[1]中共中央國務院.交通強國建設綱要[EB/OL].（2019-09-19）[2020-7-20].http：//www.gov.cn/zhengce/2019-09/19/content_5431432.htm.

[2]Haramina H，Schobel A，Aksentijevic J，et al.OpenTrack-A Tool for Simulation of Railway Networks[C]//4th International Conference on Road and Rail Infrastructure-CETRA 2016.Sibenik：University of Zagreb：39-44.

[3]White T.Alternatives for Railroad Traffic Simulation Analysis[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，2005，1916（1）：34-41.

[4]毛保華，姜帆，劉遷，等.城市軌道交通[M].北京：科學出版社，2001.

[5]方惠惠，王春.軌道交通運行仿真的應用與發展[J].價值工程， 2018，37（31）：239-242.