高帆　謝世豪　魏浩然　梅佳佳　劉璐

[摘 要] 為滿足城市軌道交通發(fā)展和教學(xué)需要，本文以O(shè)pentrack仿真模擬軟件為實驗平臺進(jìn)行軌道交通的仿真模擬實驗開發(fā)。文中以上海地鐵1號線軌道信號布置圖及相關(guān)數(shù)據(jù)為仿真實驗參考依據(jù)，對上海地鐵1號線實現(xiàn)列車運行仿真，并依此得到各種開行方案及各車次列車開行時刻表，列車運行圖等具有參考價值的輸出文件。通過本實驗，學(xué)習(xí)者能夠初步了解Opentrack仿真模擬軟件并可將其應(yīng)用到實際研究、教學(xué)和學(xué)習(xí)當(dāng)中。

[關(guān)鍵詞] 實驗開發(fā)；仿真模擬；Opentrack

[作者簡介] 高帆，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車運行仿真，上海，201600；謝世豪，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車運行仿真，上海，201600；魏浩然，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車運行仿真，上海，201600；梅佳佳，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車運行仿真，上海，201600；劉璐，上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，研究方向：城市軌道交通列車運行仿真，上海，201600

[中圖分類號] U23 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1007-7723（2013）04-0027-0003

軌道交通運行仿真模擬對軌道交通初期設(shè)計、運營需求預(yù)測、事故預(yù)防及防治措施以及軌道交通相關(guān)專業(yè)教學(xué)發(fā)揮著重要作用。在軌道交通設(shè)計階段充分考慮軌道交通運營要求是軌道交通建設(shè)的一個重要發(fā)展趨勢，采用成熟、高效的運營方案設(shè)計與優(yōu)化方法及相應(yīng)的工具是提高軌道交通工程設(shè)計質(zhì)量與效率的基礎(chǔ)。由于影響軌道交通運營過程的因素多，且相互之間關(guān)系復(fù)雜，傳統(tǒng)的解析方法難以對運輸組織方案及其可靠性進(jìn)行綜合的定量評價，因此，模擬或計算實驗技術(shù)在軌道交通運營過程分析與論證中起著越來越重要的作用[1]?？傊壍澜煌ㄟ\行仿真系統(tǒng)可以輔助軌道交通設(shè)計和運營調(diào)度工作，提高軌道交通規(guī)劃、設(shè)計與運營管理工作的效率，促進(jìn)運輸組織各個環(huán)節(jié)。因此，如果可以掌握一種軌道交通仿真系統(tǒng)，并靈活應(yīng)用到實際當(dāng)中，這對于軌道交通專業(yè)的學(xué)習(xí)和軌道交通事業(yè)的發(fā)展都將有著重要意義。Opentrack仿真模擬軟件由于其突出的特點，被選作本次上海1號線仿真實驗的平臺。

一、實驗設(shè)計原理

（一）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)80年代開始致力于鐵路運輸模擬的研究，初期的研究主要應(yīng)用于鐵路編站及列車運行過程的計算。1993年，楊肇夏等人[2]研究開發(fā)了用于教學(xué)培訓(xùn)的鐵路列車接發(fā)系統(tǒng)，并于1997年完成了產(chǎn)品化；1998年，何天建與毛保華等人共同致力于基于列車牽引計算的列車運行過程模擬系統(tǒng)研究[3][4]，并于1999年開始應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)的工程設(shè)計工作，此后又不斷完善系統(tǒng)使其適應(yīng)不斷發(fā)展的新機型、新路線[5][6]；近年來，徐瑞華等人建立基于列車運行圖的城市軌道交通列車運行延誤的模擬模型，并設(shè)計合理的列車運行延誤統(tǒng)計指標(biāo)和模擬分析方案進(jìn)行模擬，分析列車運行延誤及其傳播與能力利用率、緩沖時間等因素的關(guān)系，并應(yīng)用于上海地鐵系統(tǒng)的模擬[7]。毛保華等人還研究將列車運行過程計算與優(yōu)化設(shè)計理論用于不同閉塞方式下的鐵路信號機布局優(yōu)化方法。

（二）實驗開發(fā)設(shè)計的意義

可以說中國城市軌道交通事業(yè)是起步晚而發(fā)展快。對城市軌道交通的實驗探究也主要集中于近幾年，并且多是在鐵路系統(tǒng)基礎(chǔ)上的修改延伸。目前，我國城市軌道交通發(fā)展出現(xiàn)了技術(shù)水平跟不上發(fā)展步伐，面臨很多難以解決的技術(shù)問題。同時還出現(xiàn)了不合理的專業(yè)技術(shù)人才結(jié)構(gòu)及大量運營管理專業(yè)技術(shù)人才的需求。

Opentrack仿真模擬軟件基本具備解決上述問題的能力，利用其仿真結(jié)果既可以解決列車運行等多方面問題，還可以用于軌道交通運營人員技術(shù)培訓(xùn)。目前，這款軟件在我國相關(guān)院校和軌道交通公司的普及率和課題研究的應(yīng)用率并不高。因此，結(jié)合實踐進(jìn)行實驗開發(fā)與設(shè)計，對Opentrack軟件的推廣和初學(xué)者使用該軟件都會有一定幫助。

（三）實驗開發(fā)與設(shè)計的目的

通過本實驗，學(xué)生可初步了解Opentrack軟件的結(jié)構(gòu)、功能以及工作原理。結(jié)合信號設(shè)置、列車參數(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理等理論知識的學(xué)習(xí)，可進(jìn)一步強化學(xué)生對信號、車輛、運營三方面專業(yè)知識的掌握，對學(xué)生實際操作能力和上崗能力的提升也有很大幫助。同時，還為老師提供新的教學(xué)手段，更有助于提高老師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生學(xué)習(xí)的效率。

二、Opentrack軟件的結(jié)構(gòu)和功能

Opentrack用戶需輸入三大類型數(shù)據(jù)分別對應(yīng)三個模塊：即車輛和牽引機車數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)線路設(shè)施數(shù)據(jù)和列車時刻表數(shù)據(jù)。用戶輸入相關(guān)數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行仿真即可。仿真過程是按照用戶輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，列車在已經(jīng)定義的線路結(jié)構(gòu)上按照預(yù)定義的時刻表和仿真參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)仿真，仿真能夠?qū)崿F(xiàn)與各種車輛相對應(yīng)的不同運動學(xué)方程所進(jìn)行的連續(xù)數(shù)值計算或線路沿線信號設(shè)備離散布置計算、信號狀態(tài)顯示這兩大類仿真過程。Opentrack仿真過程中能提供多種不同格式的數(shù)據(jù)輸出，并允許用戶根據(jù)需要以不同格式和形式來保存和處理數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐，OpenTrack軟件現(xiàn)廣泛應(yīng)用于以下軌道交通工程領(lǐng)域：

（1）城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的需求分析與規(guī)劃；

（2）線路和車站的運營能力分析、列車牽引分析；

（3）構(gòu)建列車時刻表并分析其適應(yīng)性和魯棒性；

（4）多種信號系統(tǒng)分析，如離散阻塞系統(tǒng)和移動閉塞系統(tǒng)等；

（5）系統(tǒng)故障和延遲模擬分析（包括基礎(chǔ)設(shè)施故障和車輛故障等）。

三、仿真實驗的開發(fā)設(shè)計

（一）數(shù)據(jù)輸入

在線路數(shù)據(jù)和運行圖數(shù)據(jù)方面，opentrack采用了對象的層次型結(jié)構(gòu)，按照生成的先后順序從下向上排列，可分為4層，見表1。

該組織方式的優(yōu)點是逐層遞進(jìn)、結(jié)構(gòu)清晰，易于滿足各種不同功能對數(shù)據(jù)的需求。但是需要說明的是，以上采用針對的是固定閉塞方式時的情況，如果是移動閉塞，那么因為區(qū)間無通過信號機，即無進(jìn)路（Route），此時組成徑路的最小單位在區(qū)間是進(jìn)路段（Path）。

（二）列車仿真

在Opentrack軟件中列車分為快速列車（城際列車）、區(qū)域列車、貨運列車。列車的類型決定了軟件中阻力計算公式不同。Opentrack具有可在仿真計算中應(yīng)用的列車數(shù)據(jù)庫，也支持用戶自定義列車類型，即輸入列車的相關(guān)參數(shù)。列車參數(shù)包括列車所選機車類型、機車和拖車的總重量、列車的長度，包括機車長度和拖車長度、列車類型、最大加速度、平均制動減速度、空氣阻力公式等。

對于機車，Opentrack軟件進(jìn)行單獨管理，通過Depot數(shù)據(jù)庫管理機車數(shù)據(jù)。每個Depot數(shù)據(jù)庫可以管理任意數(shù)量的機車。不同Depot數(shù)據(jù)庫中機車數(shù)據(jù)可以相互復(fù)制。機車數(shù)據(jù)包括牽引力-速度曲線、制動力-速度曲線、機車重量、長度、阻力因數(shù)等。Opentrack程序還支持用戶通過編輯工具對曲線圖和圖形界面數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

（三）仿真計算

Opentrack仿真為混合仿真，涉及連續(xù)仿真和離散仿真。列車運動基于運動微分方程，采用連續(xù)仿真方法，涉及安全的信號系統(tǒng)和延遲采用離散仿真方法。數(shù)值仿真算法（如Euler法）用來計算列車運動。Euler法是利用前一時刻列車的速度，計算當(dāng)前時刻列車的方法，可以提供足夠的計算精度。

為了使列車加速，機車必須提供大于牽引阻力的驅(qū)動力。牽引力與牽引阻力的差值稱為功率余量。牽引力通過牽引力-速度曲線計算，該值和當(dāng)前速度以及粘著情況相關(guān)。牽引阻力與速度以及軌道參數(shù)（里程）相關(guān)。

（四）數(shù)據(jù)管理

OpenTrack通過三種不同類型文件管理輸入、輸出數(shù)據(jù)：文件（Documents）、數(shù)據(jù)庫（Databases）和計算結(jié)果（Evaluations）。

Documents-OpenTrack程序用此類型文件存儲線路結(jié)構(gòu)信息和列車運行圖。這些文件的特點是，能夠通過圖表編輯工具或?qū)傩跃庉嫻ぞ?Inspector"進(jìn)行編輯，且在OpenTrack程序中調(diào)用是無限制的，它取決于仿真模擬的類型、線路布局模塊和仿真生成時刻表數(shù)量大小。

Databases-OpenTrack使用六大類型數(shù)據(jù)庫存儲列車數(shù)據(jù)、車站數(shù)據(jù)和列車時刻表相關(guān)內(nèi)容。其主要由以下內(nèi)容組成：機車數(shù)據(jù)、車輛數(shù)據(jù)、運行線數(shù)據(jù)、時刻表數(shù)據(jù)、車站數(shù)據(jù)和列車運行路線數(shù)據(jù)。上述各種文件中，當(dāng)有多個不同數(shù)據(jù)文件時，僅能有一個數(shù)據(jù)文件在OpenTrack仿真過程中被調(diào)用。

Evaluations-Openteack程序保存仿真過程中生成的各種輸出文件。這些文件以ASCII文本文件形式保存，可以在文本編輯器或EXCEL數(shù)據(jù)表格中進(jìn)行編輯。

四、結(jié) 語

隨著城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展，軌道運行仿真系統(tǒng)會更多地運用到實際當(dāng)中，以解決各種各樣的技術(shù)問題。同時，軌道運行仿真實驗對于學(xué)生的專業(yè)知識學(xué)習(xí)也起著不可小視的作用。仿真實驗作為一種全新的教學(xué)手段，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新意識，尤其是在實驗經(jīng)費和設(shè)備受到限制的條件下，開展實驗仿真教學(xué)是一條切實可行之路，也是高等教育大眾化發(fā)展的一種必然趨勢[8]。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]He TJ， Mao BH， Yuan ZZ， Yang ZZ， et al. A general-purpose simulation for train operations[C].Proceeding of ICTTS'98，ASCE，1998.

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[8]賴震環(huán)，吳啟星.土力學(xué)實驗仿真系統(tǒng)的開發(fā)[J].實驗室研究與探索，2012，（6）.