城 市 轨 道 交 通 列 车 运 行 控 制 系 统 仿 真 分 析 平 台 的 设 计 邓 瀚 1 赵 霞 1 张 琼 燕 2 刘 循 2 (1. 上 海 交 通 大 学 自 动 化 系, 系 统 控 制 与 信 息 处 理 教 育 部 重 点 实 验 室, 上 海,200240;2. 上 海 申 通 地 铁 股 份 有 限 公 司, 上 海,201103) 摘 要 文 章 设 计 了 一 种 用 于 城 市 轨 道 交 通 列 车 运 行 控 制 系 统 运 行 能 力 分 析 的 仿 真 平 台, 该 平 台 可 以 在 多 种 信 号 系 统 制 式 下 针 对 不 同 的 车 型 轨 道 线 路 进 行 牵 引 计 算 闭 塞 设 计 以 及 线 路 运 行 能 力 分 析 并 结 合 AutoCAD 进 行 二 次 开 发, 实 现 了 对 仿 真 结 果 的 人 工 调 整 功 能 最 后 运 用 所 设 计 的 仿 真 平 台, 在 双 红 灯 固 定 闭 塞 制 式 下 对 上 海 某 条 地 铁 线 路 进 行 了 仿 真 分 析, 验 证 了 仿 真 平 台 的 有 效 性 关 键 词 闭 塞 设 计 ; 运 能 分 析 ;AutoCAD 二 次 开 发 ; 仿 真 平 台 ; 列 车 运 行 控 制 系 统 Design of Simulation and Analysis Platform of Urban Transit Train Control System Deng Han 1, Zhao Xia 1, Zhang Qiong-yan 2, Liu Xun 2 (1. Department of Automation, Shanghai Jiao Tong University, and Key Laboratory of System Control and Information Processing, Ministry of Education of China, Shanghai, 200240;2. Shanghai Shentong Metro Co., Ltd., Shanghai, 201103) Abstract This paper designs a simulation platfom which can apply for analyzing on urban transit train control system. The platform can be used for train traction,blocking and analyzing of the transport capability in various blocking signalling systems. Besides, it realizes the function of adjusting simulation result by AutoCAD. In the end, a urban rail transit has been simulated by the platform, and the results verify the platform is effective. Keywords Block System Design; Analyzing of transport capability; Secondary Development of AutoCAD; Simulation Platform; Train Control System 引 言 随 着 我 国 城 市 化 进 程 的 加 速, 轨 道 交 通 在 城 市 交 通 系 统 中 扮 演 着 越 来 越 重 要 的 角 色 而 作 为 城 市 轨 道 交 通 网 络 运 行 安 全 与 效 率 的 核 心 保 障 系 统, 列 车 运 行 控 制 系 统 的 优 劣 已 成 为 评 价 城 市 轨 道 交 通 网 络 的 核 心 标 准 之 一 [1] 在 仅 依 靠 实 际 线 路 对 列 车 运 行 控 制 系 统 进 行 测 试 研 究 的 情 况 下, 工 作 实 施 难 度 较 大 成 本 代 价 较 高 ; 如 果 与 先 进 的 控 制 技 术 计 算 机 技 术 相 结 合, 实 施 建 模 分 析 和 软 件 模 拟, 将 极 大 的 提 高 工 作 效 率, 缩 短 研 发 周 期, 节 省 项 目 经 费 在 城 市 轨 道 交 通 列 车 运 行 控 制 系 统 领 域, 国 外 科 研 机 构 与 企 业 在 构 建 运 行 能 力 分 析 模 型 [2][3] 及 开 发 相 关 计 算 机 辅 助 设 计 软 件 方 面 投 入 了 大 量 的 人 力 物 力, 并 取 得 了 可 观 的 研 究 成 果 在 国 内, 相 关 研 究 起 步 较 晚, 因 此 不 少 科 研 机 构 也 正 在 加 快 研 究 的 步 伐 同 济 大 学 与 北 京 交 通 大 学 在 该 领 域 历 经 数 年 研 究, 其 研 究 成 果 已 步 入 教 学 演 示 及 列 车 运 行 控 制 系 统 集 成 研 究 等 领 域 本 文 旨 在 构 建 一 个 具 有 可 靠 性 灵 活 性 通 用 性 的 列 车 运 行 控 制 系 统 仿 真 分 析 平 台 该 平 台 能 够 适 用 于 城 市 轨 道 交 通 不 同 列 车 运 行 控 制 系 统 制 式 的 牵 引 计 算 闭 塞 设 计 以 及 运 行 能 力 分 析 1 平 台 功 能 架 构 如 图 1 所 示, 平 台 由 数 据 输 入 仿 真 计 算 人 工 调 整 结 果 输 出 五 大 模 块 构 成 通 过 这 些 模 块, 用 户 可 以 构 建 城 市 轨 道 交 通 系 统 仿 真 模 型, 并 在 此 模 型 上 进 行 牵 引 计 算 闭 塞 设 计 运 能 分 析 等 工 作, 最 后 得 到 所 需 的 格 和 图 形 结 果, 完 成 列 车 运 行 控 制 系 统 的 信 号 系 统 设 计 与 运 能 分 析 1.1 数 据 输 入
数 据 输 入 模 块 用 于 存 储 系 统 仿 真 所 需 的 基 础 数 据, 包 括 土 建 数 据 和 列 车 数 据 两 部 分 土 建 数 据 是 指 由 站 台 和 轨 道 所 构 成 的 线 路 信 息, 如 站 台 名 称 轨 道 类 型 土 建 限 速 坡 度 隧 道 线 路 公 里 标 等 ; 列 车 信 息 由 列 车 物 理 参 数 以 及 动 力 参 数 组 成, 物 理 参 数 如 车 长 悬 长 编 组 数 等, 动 力 参 数 如 列 车 牵 引 加 速 制 动 加 速 度 失 控 加 速 度 等 平 台 提 供 多 种 数 据 输 入 方 式, 用 户 可 以 在 软 件 界 面 中 输 入 数 据, 也 可 以 通 过 导 入 数 据 文 件 来 完 成 数 据 录 入 的 工 作 创 建 仿 真 项 目 牵 引 计 算 闭 塞 设 计 运 能 分 析 站 台 数 据 输 入 下 行 仿 真 引 擎 仿 真 计 算 站 台 上 行 土 建 数 据 输 入 输 出 格 图 形 列 车 数 据 结 果 输 出 AutoCAD 人 工 调 整 图 1 平 台 功 能 架 构 1.2 仿 真 计 算 仿 真 计 算 模 块 是 整 个 系 统 的 核 心, 模 块 提 供 了 牵 引 算 法 闭 塞 算 法 检 验 算 法 以 及 运 能 分 析 [4][5] 算 法, 用 户 可 以 调 用 这 些 算 法 来 完 成 相 应 的 设 计 分 析 工 作 牵 引 计 算 用 于 模 拟 列 车 以 最 短 时 间 完 成 规 定 行 车 路 径 的 过 程, 可 以 得 出 列 车 在 行 驶 路 径 上 每 一 点 的 速 度 加 速 度 以 及 时 间 等 参 数 ; 闭 塞 设 计 阶 段 将 以 牵 引 计 算 所 获 得 的 数 据 为 基 础, 依 据 闭 塞 设 计 原 则 及 线 路 设 计 的 最 小 运 行 间 隔 将 线 路 划 分 为 多 个 闭 塞 区 间, 并 且 在 闭 塞 点 上 布 置 所 需 的 信 号 设 备 如 : 信 号 机 计 轴 器 等 ; 运 能 分 析 阶 段 是 在 闭 塞 设 计 的 基 础 上 进 行 多 列 车 追 踪 运 行 仿 真, 以 此 检 验 信 号 系 统 的 设 计 是 否 满 足 要 求 1.3 结 果 输 出 结 果 分 为 格 结 果 和 图 形 结 果 格 包 括 仿 真 计 算 中 产 生 的 数 据 结 果, 可 以 导 出 为 Excel XML 等 格 式 图 形 主 要 有 速 度 / 距 离 曲 线 时 间 / 距 离 曲 线 线 路 配 线 图 信 号 设 备 布 置 图 等, 可 以 通 过 平 台 将 这 些 图 形 导 出 为 AutoCAD 文 件 2 软 件 实 现 2.1 开 发 环 境 及 开 发 工 具 平 台 以 VS2008 作 为 开 发 环 境, 以 C# 为 编 程 语 言, 使 用 SQL Server 构 建, 并 结 合 AutoCAD 进 行 一 些 二 次 开 发 2.2 实 现 方 法 2.2.1 数 据 架 构 与 数 据 交 互 (1) 数 据 架 构 : 平 台 由 SQL Server 构 建, 关 系 图 如 图 2 所 示 工 程 作 为 该 的 桥 梁, 将 中 的 衔 接 起 来 通 过 这 张, 用 户 可 以 追 溯 到 与 某 工 程 相 关 的 所 有 信 息 [6][7] 速 度 / 加 速 度 列 车 限 速 分 区 结 果 站 台 列 车 制 动 参 数 时 刻 工 程 牵 引 计 算 结 果 一 级 边 二 级 边 行 车 路 径 闭 塞 设 计 结 果 坡 道 隧 道 桥 梁 道 岔 图 2 关 系 图 运 能 分 析 结 果
工 程 左 侧 的 是 基 础 信 息, 它 们 提 供 了 仿 真 计 算 所 需 的 基 础 数 据, 包 括 列 车 时 刻 以 及 行 车 路 径 列 车 记 录 了 列 车 的 物 理 参 数, 速 度 / 加 速 度 和 列 车 制 动 参 数 存 储 了 列 车 的 动 力 参 数 时 刻 用 于 记 录 列 车 在 各 站 的 停 站 策 略 和 停 站 时 分, 以 及 列 车 在 站 台 停 车 的 对 位 方 式, 包 括 端 点 对 位 中 心 对 位 等 行 车 路 径 存 储 了 由 二 级 边 组 成 的 列 车 行 驶 路 径, 二 级 边 是 以 有 向 边 的 方 式 述 的 线 路 坐 标, 线 路 上 的 任 一 点 可 以 被 描 述 为 (Edge,Offset), 这 里 Edge 即 二 级 边 的 编 号,Offset 为 该 点 相 对 于 其 所 在 二 级 边 起 点 的 偏 移 量 一 级 边 用 于 描 述 线 路 的 拓 扑 结 构, 由 于 轨 道 线 路 分 为 上 下 行 两 个 方 向, 所 以 一 级 边 构 成 的 是 一 张 有 向 图, 它 具 有 编 号 起 始 节 点 终 止 节 点 三 个 属 性 坡 道 隧 道 桥 梁 道 岔 几 张 提 供 了 线 路 的 各 种 参 数 这 些 的 信 息 都 将 在 仿 真 计 算 中 被 各 算 法 调 用 工 程 右 侧 的 是 仿 真 结 果, 包 括 限 速 分 区 结 果 牵 引 计 算 结 果 闭 塞 设 计 结 果 以 及 运 能 分 析 结 果 它 们 分 别 记 录 了 仿 真 过 程 中 得 到 的 各 类 数 据 在 它 们 之 间 存 在 着 严 格 的 约 束 关 系, 如 图 2 所 示, 每 张 存 储 的 仿 真 结 果 都 依 存 于 另 一 张, 即 都 是 以 上 一 步 的 仿 真 数 据 为 基 础 而 得 到 的 (2) 数 据 交 互 : 主 程 序 采 用 ADO.NET 组 件 与 外 部 数 据 进 行 交 互 ADO.NET 是.NET 平 台 下 一 种 数 据 访 问 模 型, 它 提 供 了 一 种 基 于 离 线 访 问 的 数 据 集, 并 且 允 许 与 不 同 类 型 的 数 据 源 进 行 交 互, 这 一 特 性 极 大 的 提 高 了 平 台 管 理 数 据 的 能 力 采 用 这 一 技 术 后, 平 台 能 够 操 作 多 种 类 型 的 数 据 源, 包 括 文 本 文 件 文 件 (SQL Server Access Oracle MySQL) Excel XML 等 即 任 一 符 合 平 台 统 一 数 据 架 构 的 数 据 都 可 在 平 台 中 自 由 调 用 以 及 相 互 转 换 数 据 交 互 模 型 如 图 3 所 示 : 统 一 的 数 据 架 构 XML Excel DataSet 文 本 图 3 数 据 交 互 模 型 2.2.2 仿 真 设 计 流 程 仿 真 设 计 流 程 如 图 4 所 示 首 先 系 统 从 中 读 取 用 于 仿 真 计 算 的 基 础 数 据, 根 据 线 路 的 土 建 限 速 及 轨 道 类 型 可 以 将 线 路 划 分 为 多 个 限 速 区 间, 在 此 限 速 分 区 的 基 础 上 制 定 行 车 策 略, 即 列 车 何 时 何 地 采 用 牵 引 惰 性 以 及 制 动, 然 后 便 可 计 算 出 列 车 的 牵 引 曲 线 利 用 牵 引 计 算 的 结 果 闭 塞 设 计 规 则 以 及 闭 塞 设 计 参 数 依 次 完 成 正 线 区 域 折 返 区 域 的 闭 塞 点 布 置, 并 对 闭 塞 结 果 进 行 检 验, 如 果 满 足 即 可 在 线 路 上 布 置 信 号 设 备, 包 括 信 号 机 计 轴 器 等, 否 则 需 要 重 新 调 整 闭 塞 设 计 方 案 在 完 成 闭 塞 设 计 后, 即 可 在 线 路 上 对 多 车 追 踪 运 行 进 行 模 拟, 验 证 所 设 计 的 信 号 系 统 的 运 营 能 力, 如 果 不 满 足 要 求 需 要 重 新 进 行 闭 塞 设 计 仿 真 环 境 设 定 读 取 列 车 及 线 路 数 据 设 定 仿 真 参 数 牵 引 计 算 线 路 信 息 预 处 理, 划 分 限 速 区 间 根 据 限 速 条 件 制 定 每 一 限 速 区 间 的 行 车 策 略 闭 塞 设 计 正 线 区 域 闭 塞 设 计 折 返 区 域 闭 塞 设 计 检 验 结 果 是 否 满 足 闭 塞 规 则 运 能 分 析 对 完 成 的 信 号 系 统 进 行 多 车 追 踪 运 行 模 拟 满 足 运 营 要 求 完 成 牵 引 计 算 并 输 出 图 形 及 格 布 置 信 号 设 备, 并 输 出 相 关 格 和 图 形 输 出 多 车 追 踪 仿 真 结 果 格 及 曲 线 图 4 仿 真 设 计 流 程 图 2.2.3 人 工 调 整 由 于 不 同 线 路 对 闭 塞 设 计 的 要 求 和 标 准 不 尽 相 同, 为 了 提 高 平 台 的 灵 活 性 和 通 用 性, 需 要 对 闭 塞 设 计 结 果 进 行 人 工 调 整, 并 且 将 调 整 结 果 返 回 给 主 程 序, 以 完 成 条 件 检 验 和 运 能 分 析 如 图 5 所 示,AutoCAD 中 所 绘 制 的 图 形 是 矢 量 图, 且 每 个 图 形 都 是 一 个 实 体 (Entity), 用 户 不 仅 可 以 使 用 其 固 定 属 性, 还 可 为 其 添 加 自 定 义 属 性, 使 得 闭 塞 设 计 图 形 结 果 具 有 更 强 的 可 读 性 和 可 操 作 性 在 软 件 实 现 的 过 程 中, 平 台 通 过 调 用 AutoDesk 提 供 的 托 管 ObjectARX 接 口 组 件, 使 用 C# 对
[8][9] AutoCAD 进 行 了 二 次 开 发, 实 现 了 上 述 人 机 交 互 功 能 AutoCAD Entity 固 定 属 性 : 端 点 坐 标 线 宽 颜 色 等 ObjectARX 绘 图 自 定 义 属 性 : 公 里 标 轨 道 类 型 二 级 边 编 号 等 返 回 图 形 数 据 图 5 人 工 调 整 模 块 2.2.4 人 机 界 面 平 台 使 用 MDI 窗 体 控 件 编 写 多 文 档 人 机 界 面, 并 且 实 现 了 子 窗 体 的 自 动 停 靠 和 布 局 功 能, 使 得 界 面 更 加 简 洁 灵 活 平 台 主 界 面 如 图 6 所 示 3 平 台 仿 真 实 验 图 6 平 台 人 机 界 面 以 上 海 某 条 地 铁 线 路 为 实 验 对 象, 使 用 该 平 台 对 其 完 成 仿 真 设 计 实 验 数 据 均 来 自 线 路 的 平 面 图 及 纵 面 图, 其 主 要 参 数 如 下 : 全 线 公 里 标 总 长 59064m, 对 断 链 及 坡 度 处 理 后, 实 际 长 度 为 59044m 全 线 共 有 13 个 车 站, 列 车 停 站 采 用 端 头 对 位 方 式, 即 列 车 车 头 与 站 台 边 缘 对 齐, 每 站 停 车 时 分 均 为 45s 列 车 为 6 节 编 组, 长 143.2m, 头 尾 悬 长 各 3.9m, 最 大 行 驶 速 度 为 120km/h, 最 大 牵 引 加 速 度 为 1m/s 2, 最 大 常 用 制 动 加 速 度 为 1m/s 2, 最 大 紧 急 制 动 加 速 度 为 0.85m/s 2 信 号 系 统 设 计 采 用 双 红 灯 固 定 闭 塞, 列 车 设 计 运 营 间 隔 为 280s 图 7 平 台 仿 真 图 形 结 果 图 7 为 以 AutoCAD 文 件 格 式 输 出 的 仿 真 结 果, 横 轴 为 公 里 标 (m), 纵 轴 为 速 度 (km/h) 和 时 间 (s) 红 色 线 段 代 线 路 的 土 建 限 速 ; 浅 蓝 色 为 列 车 的 速 度 / 距 离 曲 线 ; 绿 色 为 列 车 的 时 间 / 距 离 曲 线, 上 下 两 根 绿 线 分 别 代 后 车 与 前 车, 两 车 发 车 间 隔 200s; 紫 色 短 线 为 线 路 闭 塞 点 由 仿 真 结 果 可 知 : 全 线 共 设 置 36 个 闭 塞 区 间, 列 车 行 驶 距 离 为 58916.26m, 全 程 历 时 2916.5s, 最 高 行 驶 速 度 112km/h, 平 均 行 驶 速 度 20.201km/h, 最 小 发 车 间 隔 200s, 最 大
追 踪 间 隔 为 280s 1 为 双 红 灯 闭 塞 部 分 设 计 数 据, 中 第 一 行 代 列 车 在 线 路 上 依 次 经 过 的 闭 塞 点 该 截 取 了 AC027 AC028 AC029 三 个 闭 塞 点 的 设 计 数 据, 这 些 数 据 将 被 用 于 信 号 系 统 运 行 能 力 的 分 析 如 果 设 后 车 出 清 闭 塞 点 3 的 运 行 时 间 为 tblock, 则 全 线 运 营 时 间 间 隔 为 Max(tblock) 1 固 定 闭 塞 设 计 数 据 闭 塞 点 1 AC027 AC028 AC029 公 里 标 (m) 38711.200 41367.640 44024.008 出 清 闭 塞 点 1 运 行 时 间 (s) 10.1 4.6 4.7 闭 塞 点 2 AC028 AC029 AC030 到 闭 塞 点 2 距 离 (m) 2656.44 2656.368 2702.155 到 闭 塞 点 2 运 行 时 间 (s) 98.6 87.8 86.9 出 清 闭 塞 点 2 运 行 时 间 (s) 4.6 4.7 4.6 闭 塞 点 3 AC029 AC030 AC031 到 闭 塞 点 3 距 离 (m) 5312.808 5358.523 5358.592 到 闭 塞 点 3 运 行 时 间 (s) 186.4 174.7 246.3 出 清 闭 塞 点 3 运 行 时 间 (s) 4.7 4.6 8.7 距 后 车 最 近 的 闭 塞 点 AC027 AC028 AC029 后 车 距 最 近 闭 塞 点 距 离 (m) 477.336 654.233 799.355 后 车 常 用 制 动 距 离 (m) 227.336 344.233 475.355 后 车 常 用 制 动 时 间 (s) 21.3 26.1 30.7 后 车 至 最 近 闭 塞 点 停 车 的 运 行 时 间 (s) 33.3 38.1 42.7 后 车 出 清 闭 塞 点 3 的 运 行 时 间 (s) 215 201 278 经 仿 真 验 证, 线 路 运 营 时 间 间 隔 Max(tblock) 为 280 秒 ; 在 列 车 追 踪 运 行 仿 真 中, 前 车 与 后 车 速 度 / 距 离 曲 线 完 全 重 合, 说 明 两 车 之 间 没 有 干 扰 可 证 信 号 系 统 设 计 满 足 运 营 要 求 4 结 论 文 章 设 计 了 一 种 用 于 城 市 轨 道 交 通 列 车 运 行 控 制 系 统 运 行 能 力 分 析 的 仿 真 平 台, 该 平 台 具 有 以 下 特 点 : (1) 平 台 界 面 简 洁 直 观, 功 能 丰 富 多 样, 给 用 户 提 供 了 良 好 的 操 作 环 境 ; (2) 平 台 采 用 开 放 的 数 据 结 构, 可 以 在 多 种 信 号 系 统 制 式 下 针 对 不 同 的 车 型 轨 道 线 路 进 行 牵 引 计 算 闭 塞 设 计 以 及 线 路 运 行 能 力 分 析 ; (3) 利 用.NET 平 台 下 的 ADO.NET 组 件 实 现 了 平 台 与 多 种 形 式 数 据 源 的 数 据 交 互 功 能, 为 用 户 导 入 / 导 出 数 据 提 供 了 极 大 的 便 利 ; (4) 与 AutoCAD 相 结 合, 实 现 了 对 仿 真 结 果 的 人 工 调 整 功 能, 使 平 台 具 有 较 强 的 灵 活 性 及 通 用 性 ; 综 上 所 述, 该 仿 真 平 台 为 城 市 轨 道 交 通 列 车 运 行 控 制 系 统 的 仿 真 分 析 提 供 了 良 好 的 研 究 环 境, 提 高 了 工 作 效 率, 缩 短 了 开 发 周 期, 减 少 了 研 发 成 本 参 考 文 献 [1] 叶 华 平. 城 市 轨 道 交 通 概 论 [M]. 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社,2009. [2] Nash A. and Huerlimann. D., Railroad Simulation Using OpenTrack[C], Proceedings of the 9th International Conference on Computers in Railways. WIT Press, 2004,45 54. [3] Nash, A., U. Weidmann, S. Bollinger, M. Luethi and S. Buchmueller, Increasing Schedule Reliability on Zurich s S-Bahn Through Computer Analysis and Simulation[J]. In Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2006, 1955: 16 25. [4] 郎 宗 棪. 轨 道 交 通 信 号 控 制 基 础 [M]. 上 海 : 同 济 大 学 出 版 社,2007. [5] 徐 金 祥. 城 市 轨 道 交 通 信 号 基 础 [M]. 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社,2010. [6] Alex Landex, Methods to estimate railway capacity and passenger delays[d]. Lyngby: Technical University of Denmark Department of Transport, 2008. [7] 黄 瑶. 城 市 轨 道 交 通 准 移 动 闭 塞 CAD 软 件 的 设 计 与 实 现 [D]. 北 京 : 北 京 交 通 大 学,2008. [8] 曾 洪 飞. AutoCAD VBA&VB.NET 开 发 基 础 与 实 例 教 程 [M]. 北 京 : 中 国 电 力 出 版 社,2008. [9] Charles McAuley, Programming AutoCAD2000 using ObjectARX[M]. 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,2000.