基于面向?qū)ο蠼７椒ㄔO(shè)計城軌運輸能力仿真系統(tǒng)

禹翔

摘 要：改革開放40年來，我國城市軌道建設(shè)取得了舉世矚目的成就，加強城軌建設(shè)的關(guān)鍵在于提高綜合運輸能力。采用計算機仿真建模的方式對城市交通軌道系統(tǒng)進行了分析，通過計算機模型來對城軌系統(tǒng)進行設(shè)計，旨在為城軌運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; 計算機仿真; 運輸能力

中圖分類號： TP 311

文獻標志碼： 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)復雜、投資高、工程量大，需要重點加強設(shè)計與規(guī)劃工作，而單純依賴設(shè)計者的經(jīng)驗則會面臨許多局限性[1]。計算機仿真技術(shù)能夠最大程度上提高城軌系統(tǒng)的合理性，提高運輸能力[2]。因此，合理應用計算機仿真技術(shù)對于提高城軌交通的建設(shè)水平有著十分重要的意義。

1 UML建模機制

UML的全稱為Unified Modeling Language，即統(tǒng)一建模語言，該建模機制定義了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]。它通過圖形機制、文本語法、符號來表達某一問題的解決路徑[4]。UML建模體系，如表1所示。

2 運行仿真子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ATS仿真模塊

該模塊具體負責列車管理和進種控制兩項任務(wù)，具體包含列車管理子模塊、進路控制子模塊和總處理模塊三個部分[5]。其中總處理子模塊負責對整個ATS模塊的運行進行管理;進路控制子模塊能夠處理當前列車的位置信息，進而判斷是否觸發(fā)下一條進路;列車管理子模塊負責下達干預命令，并將發(fā)車、跳停、扣車等控制命令傳達給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

該模塊具體負責移動閉塞下和固定閉塞下的進路處理，具體包含移動閉塞進路處理子模塊和固定閉塞進路處理子模塊，兩者均具有解鎖進路、鎖閉進路、排列進路、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

該模塊負責為列車計算移動授權(quán)MA，其中MA指的是前方終點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、信號機和前方列車等，以前行列車為主的障礙物被稱為動態(tài)障礙物，以道岔為主的障礙物被稱為靜態(tài)障礙物。移動授權(quán)示意圖，如圖3所示。

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

2.4 VOBC仿真模塊

該模塊主要負責列車模型的建立，記錄列車仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車載ATP/ATO功能，具體包括仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計子模塊、仿真數(shù)據(jù)計算子模塊、列車仿真駕駛子模塊、列車模型計算子模塊以及列車限速計算子模塊。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

顯示控制子系統(tǒng)具體負責鋪畫線路，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

該模塊負責借助圖形形式來顯示軌旁設(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時變化的仿真信息[9]。繪制線路圖的具體流程，如圖6所示。

3.2 仿真管理模塊

該模塊負責加工處理仿真數(shù)據(jù)，將仿真過程以動態(tài)化的形式展示出來，幫助用戶實現(xiàn)仿真控制并實時獲取仿真信息[10]。仿真管理模塊需要對光帶、道岔、信號機、列車等方面的情況進行實時的更新，實現(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、信號制式、車型的情況下，根據(jù)運行圖來進行仿真的過程，根據(jù)列車車型編組、信號系統(tǒng)制式等信息來配置仿真參數(shù)[12]。全線仿真策略示意圖，如圖8所示。

3.3.2 單項仿真策略

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

（1） 驗證范圍

默認40秒。

（2） 驗證時間

1小時。

（3） 列車運行方向

根據(jù)加車站臺出站信號機防護方向來對初始運行方向進行確定。

（4） 計數(shù)點的確定

在折返渡線所在計軸區(qū)段內(nèi)，與A站臺距離最遠的計軸器位置，根據(jù)列車運行方向來確定進站與出站計數(shù)點。

（5） 加車位置

B站下行站臺的下行停車點處或B站上行站臺的上行停車點處。

（6） 發(fā)車時機

根據(jù)發(fā)車間隔時間來確定發(fā)車時機。

（7） 作業(yè)過程

B站連續(xù)發(fā)車→A站側(cè)向進站→A站直向發(fā)車。

（8） 運行路徑

對于下行初始運行方向來說，則由B站下等站臺出發(fā)，于A站側(cè)進直出。

4 系統(tǒng)工作流程

4.1 仿真準備

第一，以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)建立分布式仿真環(huán)境，對端口號和仿真主機IP進行合理化的分配;

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

第三，選擇目標線路并進行仿真運算，完成對應線路全部數(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，對線路模型進行實例化處理并將線路圖顯示出來;

第六，用戶可以對仿真列車信息進行查看與復制，同時也可以對列車信息進行修改，進而建立一個自定義的仿真列車;

第七，通過對相關(guān)仿真策略參數(shù)進行手動配置，可以建立全線或單項仿真策略;

第八，在對各個仿真模塊進行初始化操作后，顯示控制子系統(tǒng)會為每個線路發(fā)送一個識別碼，并從數(shù)據(jù)庫中獲取相應的線路數(shù)據(jù);

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

4.2 仿真執(zhí)行

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

第一，對仿真策略進行驗證，顯示控制子系統(tǒng)會向ATS仿真模塊傳遞仿真策略參數(shù)（發(fā)車間隔時間、行車路徑、閉塞模式、銷車位置、加車位置以及初始運行方向等），向VOBC仿真模塊傳遞仿真列車參數(shù)（制動參數(shù)、牽引參數(shù)以及靜態(tài)參數(shù)等）;

第二，在每個仿真周圍內(nèi)，由顯示控制子系統(tǒng)依次調(diào)動各仿真模塊投入運行;

第三，由ATS仿真模塊負責列車控制和進路觸發(fā);

第四，由CI仿真模塊負責解鎖進路、鎖閉進路、排列進路，發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息和進路信息;

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

第六，VOBC仿真模塊在列車位置信息和MA信息的基礎(chǔ)上計算列車運行速度，實現(xiàn)計算列車位置;

第七，在每個仿真周期中，由顯示控制子系統(tǒng)接收來自各仿真模塊的實時仿真數(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)對后臺模型數(shù)據(jù)進行修改，進而生成動態(tài)化的仿真過程;

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

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

5 總結(jié)

在我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展的大背景下，城軌運輸管理正向著自動化、智能化的方向發(fā)展。科學合理地使用城軌運輸能力仿真系統(tǒng)是提高管理自動化水平的必要條件。因此，在未來的研究工作中，還應當對城軌交通系統(tǒng)的計算機仿真技術(shù)進行更加深入的研究，提高城軌管理水平。

參考文獻

[1] 董西松，沈震，熊剛，等. 城市軌道交通CPSS平臺構(gòu)建研究[J]. 自動化學報，2019，45（4）：682-692.

[2] 江志彬，洪玲，謝超. 軌道交通調(diào)度與應急處置綜合實驗平臺設(shè)計[J]. 實驗技術(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]. 交通與運輸（學術(shù)版），2015（1）：44-48.

[4] 于璐，張喜. 城市軌道交通樞紐進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)運行仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機應用，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，2012.

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

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

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

[10] 祝國源，樸新.KJ3Z軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)主控制軟件的仿真調(diào)試[J].煤礦自動化，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）