基于opentrack的軌道交通運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

高帆　謝世豪　魏浩然　梅佳佳　劉璐

[摘 要] 為滿(mǎn)足城市軌道交通發(fā)展和教學(xué)需要，本文以O(shè)pentrack仿真模擬軟件為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行軌道交通的仿真模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)。文中以上海地鐵1號(hào)線(xiàn)軌道信號(hào)布置圖及相關(guān)數(shù)據(jù)為仿真實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)，對(duì)上海地鐵1號(hào)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行仿真，并依此得到各種開(kāi)行方案及各車(chē)次列車(chē)開(kāi)行時(shí)刻表，列車(chē)運(yùn)行圖等具有參考價(jià)值的輸出文件。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)者能夠初步了解Opentrack仿真模擬軟件并可將其應(yīng)用到實(shí)際研究、教學(xué)和學(xué)習(xí)當(dāng)中。

[關(guān)鍵詞] 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)；仿真模擬；Opentrack

[作者簡(jiǎn)介] 高帆，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真，上海，201600；謝世豪，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真，上海，201600；魏浩然，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真，上海，201600；梅佳佳，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真，上海，201600；劉璐，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真，上海，201600

[中圖分類(lèi)號(hào)] U23 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）04-0027-0003

軌道交通運(yùn)行仿真模擬對(duì)軌道交通初期設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)需求預(yù)測(cè)、事故預(yù)防及防治措施以及軌道交通相關(guān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)發(fā)揮著重要作用。在軌道交通設(shè)計(jì)階段充分考慮軌道交通運(yùn)營(yíng)要求是軌道交通建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，采用成熟、高效的運(yùn)營(yíng)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法及相應(yīng)的工具是提高軌道交通工程設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率的基礎(chǔ)。由于影響軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程的因素多，且相互之間關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析方法難以對(duì)運(yùn)輸組織方案及其可靠性進(jìn)行綜合的定量評(píng)價(jià)，因此，模擬或計(jì)算實(shí)驗(yàn)技術(shù)在軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程分析與論證中起著越來(lái)越重要的作用[1]。總之，軌道交通運(yùn)行仿真系統(tǒng)可以輔助軌道交通設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度工作，提高軌道交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)管理工作的效率，促進(jìn)運(yùn)輸組織各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，如果可以掌握一種軌道交通仿真系統(tǒng)，并靈活應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，這對(duì)于軌道交通專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)和軌道交通事業(yè)的發(fā)展都將有著重要意義。Opentrack仿真模擬軟件由于其突出的特點(diǎn)，被選作本次上海1號(hào)線(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

（一）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始致力于鐵路運(yùn)輸模擬的研究，初期的研究主要應(yīng)用于鐵路編站及列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的計(jì)算。1993年，楊肇夏等人[2]研究開(kāi)發(fā)了用于教學(xué)培訓(xùn)的鐵路列車(chē)接發(fā)系統(tǒng)，并于1997年完成了產(chǎn)品化；1998年，何天建與毛保華等人共同致力于基于列車(chē)牽引計(jì)算的列車(chē)運(yùn)行過(guò)程模擬系統(tǒng)研究[3][4]，并于1999年開(kāi)始應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)工作，此后又不斷完善系統(tǒng)使其適應(yīng)不斷發(fā)展的新機(jī)型、新路線(xiàn)[5][6]；近年來(lái)，徐瑞華等人建立基于列車(chē)運(yùn)行圖的城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行延誤的模擬模型，并設(shè)計(jì)合理的列車(chē)運(yùn)行延誤統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和模擬分析方案進(jìn)行模擬，分析列車(chē)運(yùn)行延誤及其傳播與能力利用率、緩沖時(shí)間等因素的關(guān)系，并應(yīng)用于上海地鐵系統(tǒng)的模擬[7]。毛保華等人還研究將列車(chē)運(yùn)行過(guò)程計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)理論用于不同閉塞方式下的鐵路信號(hào)機(jī)布局優(yōu)化方法。

（二）實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的意義

可以說(shuō)中國(guó)城市軌道交通事業(yè)是起步晚而發(fā)展快。對(duì)城市軌道交通的實(shí)驗(yàn)探究也主要集中于近幾年，并且多是在鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)上的修改延伸。目前，我國(guó)城市軌道交通發(fā)展出現(xiàn)了技術(shù)水平跟不上發(fā)展步伐，面臨很多難以解決的技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)還出現(xiàn)了不合理的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才結(jié)構(gòu)及大量運(yùn)營(yíng)管理專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的需求。

Opentrack仿真模擬軟件基本具備解決上述問(wèn)題的能力，利用其仿真結(jié)果既可以解決列車(chē)運(yùn)行等多方面問(wèn)題，還可以用于軌道交通運(yùn)營(yíng)人員技術(shù)培訓(xùn)。目前，這款軟件在我國(guó)相關(guān)院校和軌道交通公司的普及率和課題研究的應(yīng)用率并不高。因此，結(jié)合實(shí)踐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，對(duì)Opentrack軟件的推廣和初學(xué)者使用該軟件都會(huì)有一定幫助。

（三）實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的目的

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可初步了解Opentrack軟件的結(jié)構(gòu)、功能以及工作原理。結(jié)合信號(hào)設(shè)置、列車(chē)參數(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理等理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，可進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)信號(hào)、車(chē)輛、運(yùn)營(yíng)三方面專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握，對(duì)學(xué)生實(shí)際操作能力和上崗能力的提升也有很大幫助。同時(shí)，還為老師提供新的教學(xué)手段，更有助于提高老師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

二、Opentrack軟件的結(jié)構(gòu)和功能

Opentrack用戶(hù)需輸入三大類(lèi)型數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)模塊：即車(chē)輛和牽引機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)線(xiàn)路設(shè)施數(shù)據(jù)和列車(chē)時(shí)刻表數(shù)據(jù)。用戶(hù)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行仿真即可。仿真過(guò)程是按照用戶(hù)輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，列車(chē)在已經(jīng)定義的線(xiàn)路結(jié)構(gòu)上按照預(yù)定義的時(shí)刻表和仿真參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)仿真，仿真能夠?qū)崿F(xiàn)與各種車(chē)輛相對(duì)應(yīng)的不同運(yùn)動(dòng)學(xué)方程所進(jìn)行的連續(xù)數(shù)值計(jì)算或線(xiàn)路沿線(xiàn)信號(hào)設(shè)備離散布置計(jì)算、信號(hào)狀態(tài)顯示這兩大類(lèi)仿真過(guò)程。Opentrack仿真過(guò)程中能提供多種不同格式的數(shù)據(jù)輸出，并允許用戶(hù)根據(jù)需要以不同格式和形式來(lái)保存和處理數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐，OpenTrack軟件現(xiàn)廣泛應(yīng)用于以下軌道交通工程領(lǐng)域：

（1）城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的需求分析與規(guī)劃；

（2）線(xiàn)路和車(chē)站的運(yùn)營(yíng)能力分析、列車(chē)牽引分析；

（3）構(gòu)建列車(chē)時(shí)刻表并分析其適應(yīng)性和魯棒性；

（4）多種信號(hào)系統(tǒng)分析，如離散阻塞系統(tǒng)和移動(dòng)閉塞系統(tǒng)等；

（5）系統(tǒng)故障和延遲模擬分析（包括基礎(chǔ)設(shè)施故障和車(chē)輛故障等）。

三、仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)輸入

在線(xiàn)路數(shù)據(jù)和運(yùn)行圖數(shù)據(jù)方面，opentrack采用了對(duì)象的層次型結(jié)構(gòu)，按照生成的先后順序從下向上排列，可分為4層，見(jiàn)表1。

該組織方式的優(yōu)點(diǎn)是逐層遞進(jìn)、結(jié)構(gòu)清晰，易于滿(mǎn)足各種不同功能對(duì)數(shù)據(jù)的需求。但是需要說(shuō)明的是，以上采用針對(duì)的是固定閉塞方式時(shí)的情況，如果是移動(dòng)閉塞，那么因?yàn)閰^(qū)間無(wú)通過(guò)信號(hào)機(jī)，即無(wú)進(jìn)路（Route），此時(shí)組成徑路的最小單位在區(qū)間是進(jìn)路段（Path）。

（二）列車(chē)仿真

在Opentrack軟件中列車(chē)分為快速列車(chē)（城際列車(chē)）、區(qū)域列車(chē)、貨運(yùn)列車(chē)。列車(chē)的類(lèi)型決定了軟件中阻力計(jì)算公式不同。Opentrack具有可在仿真計(jì)算中應(yīng)用的列車(chē)數(shù)據(jù)庫(kù)，也支持用戶(hù)自定義列車(chē)類(lèi)型，即輸入列車(chē)的相關(guān)參數(shù)。列車(chē)參數(shù)包括列車(chē)所選機(jī)車(chē)類(lèi)型、機(jī)車(chē)和拖車(chē)的總重量、列車(chē)的長(zhǎng)度，包括機(jī)車(chē)長(zhǎng)度和拖車(chē)長(zhǎng)度、列車(chē)類(lèi)型、最大加速度、平均制動(dòng)減速度、空氣阻力公式等。

對(duì)于機(jī)車(chē)，Opentrack軟件進(jìn)行單獨(dú)管理，通過(guò)Depot數(shù)據(jù)庫(kù)管理機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)。每個(gè)Depot數(shù)據(jù)庫(kù)可以管理任意數(shù)量的機(jī)車(chē)。不同Depot數(shù)據(jù)庫(kù)中機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)可以相互復(fù)制。機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)包括牽引力-速度曲線(xiàn)、制動(dòng)力-速度曲線(xiàn)、機(jī)車(chē)重量、長(zhǎng)度、阻力因數(shù)等。Opentrack程序還支持用戶(hù)通過(guò)編輯工具對(duì)曲線(xiàn)圖和圖形界面數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

（三）仿真計(jì)算

Opentrack仿真為混合仿真，涉及連續(xù)仿真和離散仿真。列車(chē)運(yùn)動(dòng)基于運(yùn)動(dòng)微分方程，采用連續(xù)仿真方法，涉及安全的信號(hào)系統(tǒng)和延遲采用離散仿真方法。數(shù)值仿真算法（如Euler法）用來(lái)計(jì)算列車(chē)運(yùn)動(dòng)。Euler法是利用前一時(shí)刻列車(chē)的速度，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻列車(chē)的方法，可以提供足夠的計(jì)算精度。

為了使列車(chē)加速，機(jī)車(chē)必須提供大于牽引阻力的驅(qū)動(dòng)力。牽引力與牽引阻力的差值稱(chēng)為功率余量。牽引力通過(guò)牽引力-速度曲線(xiàn)計(jì)算，該值和當(dāng)前速度以及粘著情況相關(guān)。牽引阻力與速度以及軌道參數(shù)（里程）相關(guān)。

（四）數(shù)據(jù)管理

OpenTrack通過(guò)三種不同類(lèi)型文件管理輸入、輸出數(shù)據(jù)：文件（Documents）、數(shù)據(jù)庫(kù)（Databases）和計(jì)算結(jié)果（Evaluations）。

Documents-OpenTrack程序用此類(lèi)型文件存儲(chǔ)線(xiàn)路結(jié)構(gòu)信息和列車(chē)運(yùn)行圖。這些文件的特點(diǎn)是，能夠通過(guò)圖表編輯工具或?qū)傩跃庉嫻ぞ?Inspector"進(jìn)行編輯，且在OpenTrack程序中調(diào)用是無(wú)限制的，它取決于仿真模擬的類(lèi)型、線(xiàn)路布局模塊和仿真生成時(shí)刻表數(shù)量大小。

Databases-OpenTrack使用六大類(lèi)型數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)列車(chē)數(shù)據(jù)、車(chē)站數(shù)據(jù)和列車(chē)時(shí)刻表相關(guān)內(nèi)容。其主要由以下內(nèi)容組成：機(jī)車(chē)數(shù)據(jù)、車(chē)輛數(shù)據(jù)、運(yùn)行線(xiàn)數(shù)據(jù)、時(shí)刻表數(shù)據(jù)、車(chē)站數(shù)據(jù)和列車(chē)運(yùn)行路線(xiàn)數(shù)據(jù)。上述各種文件中，當(dāng)有多個(gè)不同數(shù)據(jù)文件時(shí)，僅能有一個(gè)數(shù)據(jù)文件在OpenTrack仿真過(guò)程中被調(diào)用。

Evaluations-Openteack程序保存仿真過(guò)程中生成的各種輸出文件。這些文件以ASCII文本文件形式保存，可以在文本編輯器或EXCEL數(shù)據(jù)表格中進(jìn)行編輯。

四、結(jié) 語(yǔ)

隨著城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展，軌道運(yùn)行仿真系統(tǒng)會(huì)更多地運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中，以解決各種各樣的技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，軌道運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)也起著不可小視的作用。仿真實(shí)驗(yàn)作為一種全新的教學(xué)手段，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，尤其是在實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和設(shè)備受到限制的條件下，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)是一條切實(shí)可行之路，也是高等教育大眾化發(fā)展的一種必然趨勢(shì)[8]。

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