城市軌道交通列車運(yùn)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(fā)展起來本文在建立單質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行列車牽引計算分析，對城市軌道交通列車運(yùn)行過程進(jìn)行仿真研究，希望能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌熊囘\(yùn)營提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；單質(zhì)點(diǎn)；牽引計算；運(yùn)行仿真

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

1 研究背景分析

當(dāng)今社會，軌道交通成為城市發(fā)展的重要推動力。從城市發(fā)展來看，發(fā)展城市軌道交通事業(yè)，能夠大幅度解決城市交通問題，提高出行交通質(zhì)量。現(xiàn)代社會已經(jīng)全面進(jìn)入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行控制系統(tǒng)，即CBTC系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。

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

2 城市軌道交通列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)設(shè)計與分析

目前針對列車運(yùn)行的仿真主要研究方式可以分為單質(zhì)點(diǎn)列車運(yùn)行仿真和多質(zhì)點(diǎn)列車追蹤的運(yùn)行仿真，目前很多資料是利用單質(zhì)點(diǎn)仿真方法，單質(zhì)點(diǎn)列車運(yùn)行仿真方法的基本原理就是把整列列車作為一個質(zhì)點(diǎn)，以列車牽引計算為理論基礎(chǔ)，根據(jù)列車運(yùn)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(tài)地調(diào)整列車運(yùn)行，從而對列車整體運(yùn)行情況進(jìn)行仿真研究。而對于多質(zhì)點(diǎn)列車運(yùn)行仿真，是在單質(zhì)點(diǎn)列車運(yùn)行仿真的基礎(chǔ)上，綜合考慮機(jī)車和每一節(jié)車輛在牽引和制動方面的影響與相互作用關(guān)系，動態(tài)地研究列車運(yùn)行情況，但是也存在一定局限性，例如工況轉(zhuǎn)換不夠合理、列車的運(yùn)行速度和停車誤差較大等情況，在列車運(yùn)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(zhì)點(diǎn)模型計算方法進(jìn)行仿真運(yùn)算。

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)城市軌道交通列車運(yùn)行的特點(diǎn)和現(xiàn)狀，來具體設(shè)計整個仿真系統(tǒng)和仿真模型。在此之前，先研究整個仿真系統(tǒng)的牽引計算和結(jié)構(gòu)以及模塊設(shè)計。根據(jù)城市軌道交通的特點(diǎn)，基于Microsoft Visual C++6.0開發(fā)環(huán)境，選擇了某城市軌道交通實(shí)際線路作為研究實(shí)例，根據(jù)這一線路的具體情況進(jìn)行相應(yīng)的仿真計算和分析，并比較仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果，完成對該仿真系統(tǒng)的測試。

2.1 城市軌道交通運(yùn)行仿真系統(tǒng)設(shè)計

在本文的研究當(dāng)中，城市軌道交通的運(yùn)行仿真系統(tǒng)主要包含以下幾個模塊，具體有線路數(shù)據(jù)模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)模塊、列車數(shù)據(jù)模塊以及列車運(yùn)行計算模塊。在完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置后，調(diào)用列車數(shù)據(jù)模塊和線路數(shù)據(jù)模塊模擬列車運(yùn)行。

2.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊包括線路數(shù)據(jù)模塊、列車數(shù)據(jù)模塊和系統(tǒng)數(shù)據(jù)模塊。其中，線路數(shù)據(jù)模塊用來存儲線路數(shù)據(jù)，可以對城市軌道交通的線路進(jìn)行添加、修改和刪除等，也可以直接讀取EXCEL表格等文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)；對于線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，仿真系統(tǒng)在人機(jī)交互方面也更符合操作人員的操作，還特別設(shè)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(shí)際系統(tǒng)。列車數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)模塊可以設(shè)置列車運(yùn)行工況、運(yùn)行時間步長、速度距離誤差等，用來仿真不同運(yùn)行情況。

2.1.2 列車運(yùn)行過程計算模塊

列車運(yùn)行過程計算模塊是重點(diǎn)也是核心，具體是要根據(jù)整條線路數(shù)據(jù)和列車數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的臨時限速等信息，根據(jù)不同的模型進(jìn)行相應(yīng)的計算，算出列車在某個運(yùn)行范圍內(nèi)的速度和時間。列車運(yùn)行過程計算模塊還會將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，形成更直觀的數(shù)據(jù)。

（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(yùn)行時發(fā)生的各種變化并且針對這些變化進(jìn)行計算，這里的外力主要包括列車牽引力（設(shè)為F）、列車阻力（設(shè)為W）、列車制動力（設(shè)為B），最終得到作用在列車上的合力（設(shè)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(zhì)量（t）；根據(jù)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(jìn)行列車的加速度的計算。

（2）運(yùn)行計算。當(dāng)我們通過獲得了列車運(yùn)行的加速度，那么，采用定步長迭代法進(jìn)行位移和速度以及時間的計算。將系統(tǒng)的時間步長設(shè)置為0.1s。根據(jù)迭代關(guān)系，有公式（2）和（3）：

當(dāng)Si+1迭代達(dá)到列車在兩站間區(qū)間運(yùn)行長度時，便得到列車在區(qū)間運(yùn)行的時間。

2.2 城市軌道交通運(yùn)行過程仿真系統(tǒng)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(diǎn)及區(qū)間進(jìn)行相關(guān)的仿真研究。本文以下行線路數(shù)據(jù)為例進(jìn)行研究。

2.2.1 仿真結(jié)果分析

為了能夠證明該仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，以下行區(qū)間仿真運(yùn)行為例，將系統(tǒng)計算的仿真結(jié)果和實(shí)際當(dāng)中的運(yùn)營數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以此來對整個仿真過程進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評估。在表1中僅仿真區(qū)間運(yùn)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(guān)系密切，這里暫且只做固定值假設(shè)，不做研究討論。

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

3 結(jié)語

綜上所述，本文以實(shí)際線路為例，對于城市軌道交通列車運(yùn)行展開了仿真研究，完成了對城市軌道交通列車運(yùn)行的仿真模擬分析，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，但是為了使系統(tǒng)功能更加完善，更好地貼近實(shí)際應(yīng)用，還需對系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。從目前仿真結(jié)果來看，該系統(tǒng)具有一定的使用價值，能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌熊囘\(yùn)營提供參考，為城市軌道交通部門的工作人員設(shè)計行車方案提供了依據(jù)。

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