基于移动自动闭塞条件的列车运行仿真系统

基于移动自动闭塞条件的列车运行仿真系统 系 统 仿 真 学 报 V o l. 11 N o. 3 第 11 卷第 3 期 J une, 1999 1999 年 6 月JO URNAL O F SY STEM S IM UL A T IO N ( ) 文章编号: 1004273119990220198207 X 基于移动自动闭塞条件的列车运行仿真系统 , 赵明, 汪希时勇张 ( ) 北方交通大学运输自动化科学技术研究所, 北京 100044 () 摘 要: 针对移动自动闭塞系统的特点, 研究开发了列车运行仿真系统 2用于移动 , M A SS IM 自动闭塞条件下的行车组织若干问的研究。文中介绍了2的设计目标, 系统结构, 仿 M A SS IM 真逻辑, 以及图形显示。 关键词: 移动自动闭塞; 列车运行控制; 计算机仿真 中图分类号: 29214: 39119 文献标识码: U T P B Re sea rch on a Tra in O pera t ion S im ula t ion Sy stem un der M ov in g A utom a t ic B lock Con d it ion s 2, , ZHN G Yo ngZHA O M ingW A N G X ish i (,A u tom a tion R esea rch I nstitu te of T ransp or ta tion S cience and T ech nology ), 100044, N or th ern J iaotong U n iv ersity B eij ing C h ina () 2: A bstrac tA t ra in op e ra t io n sim u la t io n sy stem M A SS MI is deve lop ed fo r th e p u rpo se o f .study ing va r io u s issue s co nce rn ing t raff ic o rgan iza t io n unde r M o v ing A u tom a t ic B lo ck co nd it io n , , T h e de sign p r inc ip lesy stem st ruc tu resim u la t io n lo g ic a s w e ll a s g rap h ica l p re sen ta t io n o f 2.M A S M I a re de sc r ibed in th is p ap e r : ; ; .Keywordsm o v ing au tom a t ic b lo ckt ra in op e ra t io n co n t ro lcom p u te r sim u la t io n 挥带来很大的灵活性。 引 言60 年代初, 我国铁路工作者最先提出了移动 2 闭塞的构想, 并进行了初步的试验, 但由于当时 (移动自动闭塞系统 M o v ing A u tom a t icb lo ck 技术条件及社会条件的限制, 研究工作没有进行下 ) , 以下简称是一种智能化的, 基于现 Sy stem M A S 去。到了 80 年代, 随着计算机技术和通信技术, 特 代通信技术、计算机技术和控制技术的列车运行间 别是无线通信技术的飞速发展, 为移动闭塞系统的 隔控制系统。和现在广泛采用的固定自动闭塞系统 实现创造了条件, 一些西方工业发达国家相继研制 () , 以下简称 相 F ixed A u tom a t icb lo ck Sy stem FA S1 了类似于的系统, 并进行了大量的现场试验 M A S 比, 有很多优越性, 其中最重要的一点是, M A S 3 工作, 在此期间, 国内学者对进行了一些 M A S 在条件下, 不仅可以大大缩短前后两车的追 M A S 理论研究。90 年代初期, 国内开展了的可行M A S 踪间隔距离, 提高区间通过能力, 而且, 对各种类 ) 国内对的理论研究, 就总体而言, 尚处 , 取消了所有的区间通过信机和第一远离信号机M A S 号机。在总体上分为三个层次, 从高到低, 依 于初始阶段, 特别是在条件下的行车组织问 M A S M A S (次为: ?区段调度层 2- 题研究中, 还有大量关键性的问题未得到解决, 如 D CC D isp a tch ing Co n t ro l ) , 它统一指挥整个区段内列车运行; ?车站 车站通过能力, 列车运行调整, 行车组织方式, 通过 C en te r ( ) 控制层 2- , 它根据 SCC S ta t io n Co n t ro l C en te r 能力的合理储备等。 随着研究的进一步深 M A S 的命令, 按移动闭塞原理对列车运行间隔进 D CC 入, 对这些问题的解决已迫在眉睫。由于行车组织 行控制, 并和车站联锁设备相联系, 为列车进出站 问题涉及面广, 影响因素多, 是一个非常复杂的课 安排接发车进路。在紧急情况下, 若 来不及和 SCC 题, 必须借助于计算机仿真, 才能得到较好的解决, 取得联系, 它可以直接对列车发送行车命令, D CC 为此, 我们开发了基于条件的列车运行仿真 M A S (以确保行车安全; ?车载设备层 2- 2OB E O n Bo a rd ()系统 简称2。M A SS IM ) , 它按照 的命令, 控制列车安全运 E qu ipm en tSCC 行。和以及 和相邻车站的 之 , SCC D CC SCC SCC 间的信息交换靠双向有线通信来完成; 和 SCC 1 基 本 原 理 及 列 车 追 踪 间 隔 M A S 之间, 与之间的信息交换则靠双向 OB E OB E OB E 无线通信, 由此可见, 可靠的通信网络对来 M A S 模型说是至关重要的。 在图 1 中, 甲站向乙站发出三趟列车, 每个列 111 基本原理 的基本原理如图 1 所未, 除车站仍保留 M A S (了传统的基于轨道电路的联锁设备外 进出站信号 图 1 的基本原理 M A S 车的 和车站设备 之间均有双向无线通 , 随地理条件而变, 随气候条件而随列车性质而变OB E SCC 信传输: 信息?, 信息?, 信息?。随时向 OB E SCC 变, 总之, 值是随机变动的而不是固定的,“移动” L 报告列车的当前位置、实时速度等, 根据SCC OB E 之名由此而来; 而它又具有安全保障性质,“闭塞”发来的信息、以及列车运行前方的线路、环境 之名由此而来; 且 L又是由计算机自动产生, 所以条件等, 计算出每个列车的最大允许速度, 从而决 “自动”之名由此而来; 最后才有移动自动闭塞的全定两相邻列车之间的距离: , , 这些信息从 L 122 L 223 名。 反馈给各相应列车的。由于 在计算 SCC OB ESCC 最大允许速度时, 充分考虑了列车运行的安全性, 112 条件下列车追踪间隔模型 M A S 追踪驾驶的平稳性以及旅客乘车的舒适性等指标, () 所以得到的距离值 值是最优的。显然, 值是L L 设前行列车与追踪列车的最小间隔为, 两者 L 的速度、减速度及空走时间分别为V 、V 、Β、Β、 1212 系 统 仿 真 学 报1999 年 6 月 ?200? 条件下列车追踪控制原理 图 2M A S 、, 停车安全距离为 , 则有Σ1Σ2 ?L 2 - 设计目标M A SS IM V V 2 1 ( ) V V L = +- +2Σ1Σ+ ?L 12 1 2Β2Β2 1 关于列车的运行仿真 国内外都进行了大量的, 在考虑两追踪列车之间的间隔距离时, 通常有 , 由于仿真研究的目的、列车牵引计算方法、列研究() 两种方式, 即相对制动方式和绝对制动方式。 1车控制方法以及仿真环境等各方面的不同, 因此, 相对制动方式 这种方式考虑了在追踪列车制开发出来的仿真系统也是各式各样的。但就列车运 动过程中前行 () 行仿真的模型而言, 大致可归纳为两类: 1离散变 ) (( 列车的走行距离, 列车间隔如图 2 所示, 图中 a () 化模型; 2连续变化模型。前者是将列车运行系统 )( ) 假定两车速度相等, 即 = 。 这时 1式中 V 1 V 2 Β1 看成一个离散事件系统, 通过列车在车站的到、发 为前行列车紧急制动减速度, 为追踪列车常用 Β2 制动减速度。 来征列车运行, 模型比较简单、运算时间也较短。() 2绝对制动方式 这种方式不考虑前行列车 而后者是对列车运行全过程的详细模拟, 模型相对的速度, 只考虑其位 复杂, 运算的时间也较长。对而言, 由于其基 M A S 本控制原理是建立在列车在线路连续追踪运行的 ) ( ) (置, 列车间隔如图 2 所示, 这时 1式中 为无 bΒ1 基础上的, 受线路条件影响较大, 而且列车在运行 穷大, 为 0, 则两车之间最小间隔距离为Σ1 过程中还会受到各种不确定因素的干扰, 因此, 必 须对列车运行进行全过程的仿真, 才能充分体现 的特点, 也就是说, 所建立的列车运行仿真模 M A S V 2 ( ) L = V +2 Σ+ ?L2 2 2Β型应该是连续变化的。由于列车运行仿真涉及到很 2 多因素, 研究目的不同, 对仿真系统的复杂程度以 显然, 在相对制动方式下的追踪间隔较短, 因 及仿真模型的细致程度的要求也各不相同。针对目 此, 效率较高, 同时, 危险性也较大。至于应该采用 前行车组织研究中急待解决的问题, 我们拟 M A S 何种方式, 应结合多种因素进行综合考虑, 这可以 定了如下的设计目标: 通过大量的仿真来比较。另外, 这里的值仅是两 L () 1模拟列车群在实际线路上的运行, 并充分 车之间的最短距离, 其作用仅仅是保证行车安全。 考虑各种因素的影响。比如, 理论上, 追踪列车的停 为了使追踪列车速度不会因前车速度的正常波动 车点是连续的, 而实际上由于桥梁、隧道、站台等一 而受到影响, 还必须考虑附加的缓冲距离 1。.?L 些特殊地点的限制, 追踪的停车点并不是连续的; 1 的取值相当微妙, 取值过大, 则会降低线路的?L 通过能力; 取值过小, 又会降低列车运行平稳性; 而 的灵活性的特点, 有效地 目的在于如何针对于追踪间隔缩短, 区间通过能力可以大大提高, 车M A S 站就有可能成为制约整个线路通过能力的瓶颈。车 组织行车, 以便充分利用所提供的高的区间 M A S 通过能力。 站的股道数量, 咽喉结构, 站间距离, 信号设备的工 作方式等都是线路通过能力的影响因素; 基于以上目标, 我们在 486 微机上 和 W in2 + + 环境下, 用3. 1 作为开发平 3. 1 ( ) dow s Bo r land C 3列车运行延误的传递特性分析。条 M A S () 台, 基于面向对象的程序设计思想 开发了 OO P 件下, 由于取消了区间通过信号机, 因此追踪列车 ()列车运行仿真系统 2。M A SS IM 在区间的运行状态直接受前车状态的制约, 而减少 了信号机显示这一中间环节, 这和 条件下的 FA S 4 传递特性有较大的差别。该研究的目的在于合理 确定条件下追踪列车之间的合理的缓冲距 - M A S 3 M A SS IM 系统结构离, 在提高通过能力的同时, 尽量减少前车运行延 2的系统结构如图 3 所示, 它由三大 M A SS IM 误的影响。 部分组成, 即输入子系统、列车运行仿真器和输出 ( ) 4比较各种行车组织方式的优劣。该研究的 子系统。 输入子系统 输出子系统 线路 列车实绩运行图 列车 计划运行图 仿真模型 列车运行仿真器 列车控制策略 行车控制规则 各种统计信息 运行扰动 图3MA S- S MI 的系统结构 车运行控制所采用的策略。311 输入子系统 ( ) 5计划运行图: 它是一个列车运行数据库, 由列车组成, 每个列车记录包含一系列的信 ( ) 1线路数据库 : 提供列车运行仿真所必需息, 如: 列车始发终到站, 列车经由车站, 列车等级, ( 的各种原始数据, 如区间线路参数 坡道、弯道、隧 列车区间运行时分, 车站到发时刻及停站时间等。 )( 道、桥梁、线路限速等、车站布置 包括股道, 信号 ( ) 6行车控制规则: 根据一定的规则, 安排列 )机, 道岔等。 车进路; 安排列车合理的交会或越行; 避免进路冲 ( ) 2列车参数数据库: 提供列车的各种属性, 突; 避免线路发生堵塞等。 (如: 列车载重、列车长度、车辆数、列车类别 旅客快 () 7运行扰动: 指各种不确定因素对列车运行 )车、旅客慢车、货车等、换算制动率等。 的干扰, 如临时限速, 列车制动特性变坏等, 都可能 () 3牵引机车数据库: 录入了几种类型的机车 造成列车区间运行的延误, 引起后续列车的连带延 ( ) 主要是内燃机车和电力机车的有关数据, 包括: 误和晚点, 从而扰乱正常的运行秩序, 造成通过能 机车重量, 机车构造速度, 机车牵引特性曲线等。 力的损失。扰动数据主要包括扰动发生的时间、地 () 4列车控制策略: 主要指列车追踪间隔控制 系统仿真 学 报1999 年 6 月 ?202? 布来表征。 件及其它事件。比如, 当列车头部越过某架信号机, 它的速度将产生变化, 因此, 将列车头部越过信号 312 仿真模型 机定义为头部事件。同样, 当列车尾部越过了信号 机, 会产生一个尾部事件, 因为它将引起追踪列车 仿真模型由线路、计划运行图、行车控制规则速度的变化。列车牵引计算是将列车在其中心当成 和运行扰动所构成。用户建立好仿真模型后, 就可 4 一个质点, 按不同的坡度分段进行的, 因此, 列车 以启动列车运行仿真器进行仿真。仿真完毕后, 转 中心越过变坡点, 也就被定义成一个中心事件。 到输出子系统对仿真结果进行分析。 此外, 在列车追踪运行时, 前行列车速度变化, 也可能引起后车速度的变化, 因此我们把前行列车 313 列车运行仿真器 速度的变化也当成影响后车速度的离散事件。归纳 起来, 列车将受到下列事件的影响: 列车运行仿真器是2的核心, 它根据 M A SS IM 头部事件: 列车头部越过了信号机, 列车头部 用户所建立的仿真模型, 模拟列车群的运行, 并以 接近道岔等; 多种方式向用户显示列车群的运行情况。 中心事件: 列车中心越过变坡点, 列车中心越 过站台中心位置等; 314 输出子系统 尾部事件: 列车尾部越过信号机, 列车尾部离 开道岔等; 输出子系统以多种方式输出仿真的结果, 如列其它事件: 前车减速, 前车加速, 前车缓行等。 ( 车运行实绩图, 各种详细的统计报表 列车运行延 误统计, 车站接发车情况统计, 车站设备占用情况 )等。 412 调度模型 4 - 的仿真逻辑M A SS IM 在仿真中, 列车根据自身的运行状态和前车的 : 即列车, 调度列车运行仿真涉及到三个方面运行状态, 不断调整速度, 在进站时, 根据车站的到 员和行车控制规则。其中列车和调度员是系统中的 发线占用情况, 选定一条空闲进路进行占用, 列车 活动体。 调度员根据行车控制规则为列车安排进 从车站出发后, 自行释放所占用的进路。 路, 列车按照调度员设定的进路运行。三者关系如 图 4 所示 413 行车控制规则 列车 主要完成以下的功能:( ) 按设定的进路前进() 1线路闭塞检查, 保证列车运行不会造成线 路的堵塞; () () 2决定列车越行地点; 3设定列车进路。 调度员行车控制规则 ( ) 安排列车进路列车运行仿真器的工作过程是依靠定时器来 实现的, 具体是: ?在仿真开始前, 根据计划运 图 4 列车、调度员和行车控制规则行图, 生成一个列车链表, 其中每个列车都有一个 运行计划, 规定列车起始站, 终到站, 所停留的中间 411 列车模型 站, 车站到达, 出发时刻, 停站时分等。通常情况下, 2建立了较详细的列车仿真模型, 对M A SS IM 列车的头部, 中心, 及尾部都能做到连续跟踪。每个 态, 计算其速度、位置等参数, 按列车运行计划推进, 尽量给用户以充分的信显示画面清晰美观的同时 列车, 与此同时, 在画面上不断更新列车的位置, 达 息提示及实时参予仿真的手段, 实现了较好的人- 到动画的效果; ?过程?不断重复, 直到列车链表 机接口。图形显示包括静态显示, 动态显示及信息 中所有的列车都到达终点; ?输出仿真结果。 提示。 511 静态显示 5 - 的图形显示M A SS IM 本文在编程中充分利用环境下的多 , 即整体显示和局部静态显示提供了两种功能W indow s 放大功能。整体显示功能, 是在一幅画面上显示整 窗口叠加技术, 鼠标功能, 按钮操作等, 在保证仿真 2S M I 仿真显示主画面 M A S图 5 个区段的线路示意图, 如图 5 所示, 它是仿真显示512 各种信息的动态查询 的主画面, 其中各站的位置根据其在线路上的实际 位置按比例绘制, 平面布置则采取示意方式, 通过 为了保证仿真显示画面的整洁, 对各种信息的此图, 可以对整个区段内车流的变化情况一览无 提示不开设专门的显示窗口, 而是采取由用户激活 余。局部放大功能则用于观察仿真过程的细节, 比 的办法。用户可以用鼠标任意点取所感兴趣的目标 如, 如果用户想了解某个车站的接发车情况, 则可 物, 如列车, 车站或区间, 之后会弹出相应的信息显 通过鼠标点取该车站, 之后, 会弹出一个窗口, 显示 示窗口。比如, 用户想了解某个列车的信息, 可以用 (该车站详细的平面布置图 包括信号机, 道岔, 股道 鼠标点取该列车, 则会弹出一个信息显示窗口, 提 ) 等, 该图可按比例放大和缩小以及列车在车站各 供列车的静态参数和动态信息, 如列车号, 当前速 股道上的运行情况。又如用户想观察列车在某个区 度, 机车工况, 线路坡度, 在前方站到发时刻, 前车 间的追踪运行情况, 也可通过鼠标点取该区间, 又 状态等, 其中动态信息随列车运行不断更新。 如果 会弹出一窗口, 显示线路的坡度变化曲线以及列车 用户不关闭该窗口, 它将一直停留在屏幕上, 直到 沿曲线移动的情况。 编程中采用了的消W indow s 列车运行结束才自动消失。用户可以同时打开多个 系 统 仿真 学 报1999 年 6 月 ?204? 在系统清晰的提示下, 方便地进行。 而且利用了 513 动态显示 环境下的消息传递机制, 向用户提供多 W indow s 种方式的仿真过程的动画显示。 动态显示主要包括列车运行的动画模拟, 车站( ) 4仿真器的工作原理简单实用, 采用W in2 股道的占用表示及车站信号机状态的改变等。其基 编程中的定时器技术, 以及环境所 dow s W indow s 本要求是列车在画面上移动的连续性和平稳性, 以 提供的大内存存取优势, 在仿真过程中同步推进 及尽量减小画面的闪烁感等。实现仿真过程的动画 列车, 将仿真过程和动画显示有机地结合起来。 () () 显示有两种途径, 1先仿真, 后显示。2仿真和显 的通过能力的理论研究尚处于初始阶 M A S 示同步进行。前者是先通过仿真得到一系列中间数 段, 许多问题还有待于解决, 特别是条件下 M A S 据, 然后再借助于动画模拟软件, 读取这些中间数 列车运行的动态调整问题, 由于涉及到很多因素, 据, 将仿真的过程再现出来, 这种做法虽然保证了 是非常复杂的。目前,- 主要应用于列车 M A SS M I 平稳性的要求, 但交互性较差, 用户并不了解仿真 区间运行延误的传递特性分析及车站通过能力的 的实际进行的过程, 也就失去了根据实际情况进行 6 研究。随着研究的深入,2将进一 M A S M A SS IM 分析判断的机会; 而后者恰好能弥补该缺陷, 但边 步完善和发展, 在行车组织理论研究中发挥 M A S 仿真边显示, 对计算机的内存, 运算速度以及程序 更大的作用。 数据结构的组织都有较高的要求. - 在 S IM M A S 设计过程中, 充分利用环境所提供的大 W indow s 内存存取优势以及编程中的定时器技 W indow s 术, 加上合理的数据结构组织, 实现了仿真过程和 动画显示的有机结合。 参考文献: 1 赵明. 移动自动闭塞系统基本理论研究[. 北方 D 交通大学博士论文, 19961 6 结束语 2 汪希时. 铁路区间行车方法的自动调整[ . 北京铁J ( ) 道学院学报, 1963, 11 针对行车组织研究中存在的各种问题, M A S . 1314: 3 T ran spo r ta t io n R e sea rch R eco rd N oT h e A d2 开发了列车运行仿真系统2。 总的来讲, M A SS IM - 有如下的特点:M A SS IM , 1991.vanced T ra in Co n t ro l Sy stem s ( ) 饶忠. 列车牵引计算[. 北京: 北方交通大学出 1适用性广。用户只需改变仿真模型, 就可 M 4 版社, 19911 以达到不同的仿真目的。 徐瑞华, 胡安洲. 双线自动闭塞区段列车运行延误 ( ) 2模块化设计。对系统的整体结构按模块化 5 ( )对通过的影响[ . 铁道学报, 1995 2.J 结构设计, 所涉及的各类程序、数据均按其自身的 . Zh ang Yo ngS tudy o n a S ta t io n S im u la t io n Sy stem 功能独立构成模块, 并通过控制程序连接成整体, 6 [, unde r M A S Co nd it io n A P ro ceed ing s o f th e F ir st 使得系统结构、程序结构和数据结构各自独立, 层 ƒƒƒ次清晰, 既易于维护, 又便于扩充。 N JU DU BV A D t ranz Sy sm po sium o n M o v ing () 3用户友好。 充分利用环境下的 () W indow s A u to b lo ck Sy stem M A S’97, A p r il 21, 1997. 菜单技术, 对话框技术和多窗口技术及鼠标功能, 熊光楞等. 连续系统仿真与离散事件系统仿真 7 为用户提供了一个集成化的仿真环境。从初始参数 [M . 北京: 清华大学出版社, 1991. 孙家广, 杨长贵. 计算机图形学[. 北京: 清华大 M 的输入, 仿真的动画模拟及最终结果的输出, 都可 学出版社. 8