高速列车运行调度控制仿真软件SimTrain
文章目录
- 1. 干什么用的？
- 2. 现有的仿真软件
- 3. 高速列车运行调度仿真软件SimTrain
- 4 主要软件界面
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- 4.1 路网配置和生成
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- 4.1.1 导入EXCEL模型
- 4.1.2 路网自动铺画
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- 4.1.2.1 线路拓扑生成
- 4.1.2.2 车站拓扑
- 4.1.2.3 区间连接定义
- 4.1.3 路网图形显示和调整
- 4.1.4 线路默认速度限制、临时速度限制和线路里程转换
- 4.2 列车模型
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- 4.2.1 列车列控系统
- 4.2.2 列车运动学模型
- 4.2.3 列车模型
- 4.3 列车时刻表
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- 4.3.1 车站进路配置与自动生成
- 4.3.2 列车时刻表
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- 4.3.2.1 车次定义
- 4.3.2.2 途径车站生成和修改
- 4.3.2.3 时间和进路的修改
- 4.4 运行仿真
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- 4.4.1 查看仿真车次的线路数据
- 4.4.2 仿真参数设置
- 4.4.3 仿真视图
- 4.4.4 CTC调度
- 4.4.5 仿真结果展示
- 5 后记
1. 干什么用的？
自2008年京津客运专线开通来（后来客运专线都改叫高速铁路了），大家在日常生活中越来越多地接触高速铁路。安全、高效和方便是高铁品牌的标志！那高速列车是如何在追求高效时保障运行安全的呢？
保障列车运行安全的最基本要求是必须在红灯前一定位置停下来，其次是通过某一区段时必须限制速度（由于临时施工、自然灾害等因素，线路条件不允许高速通过，否则就容易出轨！）。为满足这两个要求，列车运行时必须在进入最大制动距离范围内时开始制动，最大制动距离控车参数是平衡高速列车运营安全和效率的关键。最大制动距离计算就是在一定制动阈值和坡度阈值条件下根据当前车速、目标车速和前方线路参数来计算列车制动工况下的行驶距离。由于各变量之间的非线性、互耦合关系，最大制动距离需要动态实时计算。因此，在设计、评估和优化高速铁路时，必须借助计算机运营仿真系统来准确地分析安全阈值、运营效率。铁路设计部门和运营单位经常应用这类仿真软件来完成下面这些工作：
- 线路运营能力分析。
- 列车时刻表的分析。
- 列控系统（TCS）技术条件分析。
- 列车牵引和制动分析。
- 车站CTC调度分析
- 列车信号控制系统分析
- 列车运行能耗分析
- 突发事件影响分析
上述工作的基础就是必须计算出列车运行过程的仿真数据，因此仿真软件的核心功能就是计算列车运行过程中的仿真数据。
2. 现有的仿真软件
国内外有不少的列车运行仿真软件，最著名当属瑞士联邦研究院的opentrack和德国的RailSys。其中国内用得更多的是opentrack。但opentrack这款软件与我国高速铁路现有的技术条件不适，使用起来很不方便，主要有下面不足：
- opentrack路网铺画很费时费力，工作量极大。在绘图界面要通过双顶点将逐一将所有的线路数据输入，包括信号机、道岔、坡度、曲线、分相、临时限速等。而且要计算出相邻双顶点之间的距离。以京沪线北京南到枣庄8站加上胶济线济南到胶州北8站的仿真路网为例，估计需要输入4600多个双顶点。而在我国铁路，这些数据可以在以excel文件保存的LKJ文件中得到，但无法导入到opentrack中用于仿真。
- opentrack没有车站CTC调度功能，没有设计进路申请、使用和释放功能，车站进路要在定义车次时确定，进路一旦确定无法临时改变。
- 列车牵引力和制动力计算是根据前方数据进行反推，是理想化的，与实际运行情况差距较大。
3. 高速列车运行调度仿真软件SimTrain
针对我国高速铁路列车运行调度控制相关技术条件和规定，很有必要开发一套方便易用的仿真软件。通过借鉴现有的仿真软件，根据相关技术条件和规定，我们采用C#开发了符合我国高速铁路的列车运行调度仿真软件SimTrain，其仿真计算的主要流程是：
- 从LKJ文件中导入线路基础数据（坡度、分相、曲线、限速）。
- 根据LKJ数据铺画车站信号机和道岔连接、区间信号机连接；
- 设置车站不同类型的进路（到达、通过和出发）
- 输入列车计算的基本动力学参数、牵引参数、制动参数、列控系统参数（坡度归并算法和制动力打折系数）
- 输入车次，为车次确定担当列车；输入列车时刻表，确定车次在每个车站的到达时间、到达进路、出发时间和出发进路。
- 车次运行仿真计算：
列车申请进路—>车站调度办理进路（占用相应道岔，开通信号）—列车运行控制（根据目标速度和目标位置计算牵引力、制动力或惰行，根据运动学方程计算列车速度和位置）—更新信号机和进路状态 - 保存车次仿真计算过程中所有相关数据，包括列车状态数据、信号机和道岔状态数据、进路申请办理数据、进路状态数据。
SimTrain主要功能包括：
- LKJ数据导入功能
- 车站拓扑配置、生成和图形显示
- 车站间连接配置、生成和图形显示
- 车站进路自动搜索和生成
- 车次配置、生成和编辑
- 车次仿真计算和图像显示
- 车次仿真结果曲线显示
- 列车计划运行图和实际运行图显示
- CTC调度数据、信号机状态数据、车站连接状态数据、车次运行数据和列车控制数据的保存。
SimTrain的主要特点在于快速铺画、CTC调度仿真和全真模拟：
- 通过LKJ数据导入、路网配置生成，大大提高了路网铺画的效率，减少了路网铺画中手动操作产生的错误。
- 车站进路自动搜索和生成，车次配置和自动生成，大大提高了列车时刻表的输入效率。
- 具有车站CTC调度功能，实现了进路的申请、办理和释放。
- 根据当前速度、目标速度和距离计算最大制动距离，来控制列车的驾驶模式（追踪行车、车站停车、区间停车、限速TCS制动），符合我国高速铁路列车控制的技术条件。
4 主要软件界面
4.1 路网配置和生成
4.1.1 导入EXCEL模型
如前所述，根据我国铁路技术条件的实际情况，建立铁路路网模型需要从LKJ的excel文件中导入信号机、道岔、分相、坡度、曲线等数据。软件界面如下：
成功导入后，就可以查看导入的相应信号机、坡度等数据了。下图是信号机和道岔数据。
下图是线路坡度数据。
4.1.2 路网自动铺画
导入基础的线路数据后，就可通过自动铺画功能首先配置路网数据了。软件将根据配置自动生成路网模型，主要包括线路拓扑生成、车站拓扑生成、区间连接生成和进路生成。
4.1.2.1 线路拓扑生成
线路拓扑是路网模型的顶层框架，用于描述主干线路和联络线路之间车站前后顺序和连接关系。由于仿真的车站多、里程长，往往需要在界面上分段显示，而且还要定义联络线与主干线路之间的关系。这就是线路拓扑所要完成的工作，将主干线路的车站按顺序排列来定义其前后拓扑关系，将联络线路的车站成对配置就可以确定主干线与联络线之间拓扑关系了。通过主干线路和联络线路就可以定义很复杂的路网了。
首先可以用获取车站名功能获取基础数据中各线路上车站名，然后根据实际需求分别定义主干线路段和联络线车站对，并可以绘制显示简单的线路拓扑图了。
上述线路拓扑图中，可以看出北京南到枣庄的线路分成两段，白马山线路所到胶州北的线路也分为两段，济南西到白马山线路所和白马山线路所到崔马庄线路所为联络线路。
4.1.2.2 车站拓扑
车站拓扑是路网模型最核心的部分，用于描述车站信号机和道岔之间的连接关系。车站拓扑定义也包括两部分：直线上信号机和道岔的连接与斜线上信号机与道岔的连接。根据这些定义、各个节点的里程就可以绘制车站拓扑图了。
4.1.2.3 区间连接定义
主要定义两个车站之间连接的信号机，这样就可根据两端车站信号机来查询区间信号机并自动生成区间连接了。
4.1.3 路网图形显示和调整
根据上述几个方面的配置，SimTrain就可以自动生成路网图了。下图就整个路网全貌。
下图是济南西、白马山线路所和崔马庄线路所的联络线详细图。
4.1.4 线路默认速度限制、临时速度限制和线路里程转换
不同线路的默认速度限制不同，临时速度限制也会变化，以及各个线路之间里程也需要进行转换计算，下面界面就是分别输入线路的默认速度限制、临时限速和线路相互之间里程转换。
1）线路默认速度限制输入
2）线路临时限速输入
3）线路里程换算表输入
4.2 列车模型
运营仿真中计算列车牵引力、制动力和速度的模型包括：列控系统模型，列车运动学模型和二者组合得到的列车模型。
4.2.1 列车列控系统
列控系统模型主要是根据前方坡度来确定计算最大制动距离用到的坡度阈值和制动力阈值，从而使得根据这两个阈值计算得出的最大制动距离留有一定安全余量。
1）坡度归并表输入
2）不同速度下制动系数的输入
4.2.2 列车运动学模型
列车运动学模型，主要是计算基本阻力、坡度阻力、曲线阻力、牵引力和制动力，并以此来计算列车加速度，从而计算列车速度和行驶距离。
不同速度间隔下制动力计算系数的输入：
不同速度间隔下列车牵引力数据的输入：
4.2.3 列车模型
组合列车运动学模型和列控系统模型，就得到了列车模型，从而能够计算最大制动距离，根据目标速度和目标制动距离，从而计算制动力或牵引力，从而到达仿真计算的目的。
4.3 列车时刻表
为了进行列车仿真计算，还需要输入列车时刻表。在列车时刻表中还必须明确车站的进路。
4.3.1 车站进路配置与自动生成
定义配置车站起始信号机，SimTrain软件就可以自动搜索起始信号机之间需要经过的信号机和道岔，自动生成进路，供列车时刻表使用。
4.3.2 列车时刻表
4.3.2.1 车次定义
列车车次定义包括定义担当的列车，以及始发和终到车站，出发时间。从而可以自动查询得到一个默认的车次途径车站。
4.3.2.2 途径车站生成和修改
可以修改车次途径的车站，为自动生成默认列车时刻表做好准备。
4.3.2.3 时间和进路的修改
自动生成的默认列车时刻表中到发时间和到发进路往往要根据实际情况来调整。
下面界面是通过列表选择方式来重新修改车站到发进路。
4.4 运行仿真
4.4.1 查看仿真车次的线路数据
在路网铺画、列车模型和列车时刻表等数据准备完毕后，可以首先查看不同车次的线路数据，以检查数据准备过程中是否出现差错。
4.4.2 仿真参数设置
仿真参数设置包括：开始时间、结束时间、仿真睡眠时间（控制仿真速度快慢）、仿真的车次、记录日志列表、日志文件标题定义等。
4.4.3 仿真视图
在列车运行仿真时，可以打开多个仿真视图，分别查看不同区域的列车运行情况。
比例放大后的列车仿真详细视图
4.4.4 CTC调度
可以通过CTC调度显示界面来显示不同车站的进路申请、进路使用和进路状态等信息。
4.4.5 仿真结果展示
仿真结束后，可以用图形方式查看不同车次在仿真过程中的多项数据。
1）车次运行曲线
2）不同线路的计划运行图和仿真运行图
3）仿真数据
更详细的仿真数据都保存在相应的CSV日志文件中，方便进行后续的分析和处理。
5 后记
花费了不少功夫，在许多同志的帮助下基本完成了这款基于LKJ数据导入的配置化列车运营仿真软件，能够很大程度地减少用鼠标逐点铺画路网的工作量，大大提高了仿真工作效率。