方惠惠 王春

摘要：對軌道交通運行仿真的理論、模型及建模過程進行了總結，對國內外比較成熟的軌道交通運行仿真軟件的主要功能和界面進行了介紹，對軌道交通運行仿真軟件的發(fā)展趨勢進行了分析和展望。

Abstract： The theory of rail transit operation simulation was surmised， as well as the model and the process of model construction. The main functions and interfaces of some rail transit operation simulation software mostly adopted at home and abroad were introduced and discussed. The development trend of rail transit operation simulation software was analyzed and forecasted.

關鍵詞：軌道交通；運行；仿真；模型

Key words： rail transit；operation；simulation；model

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）31-0239-04

0 引言

20世紀60年代以來，隨著計算技術的進步而發(fā)展，研究者開始采用計算機數(shù)字模型來反映復雜交通現(xiàn)象，由此誕生了交通仿真[1]。對于軌道交通這樣一個難以用經驗模型或數(shù)學分析模型來準確描述的復雜系統(tǒng)，仿真可以揭示系統(tǒng)內多維隨機要素的狀態(tài)及其相互作用規(guī)律。

在軌道交通的規(guī)劃設計階段，可以通過對規(guī)劃設計線路的運行過程仿真指導線路的選線設計和平縱斷面設計，同時也為合理安排牽引供電系統(tǒng)的布局和容量提供理論依據(jù)和參考。而在運營管理階段，又能夠通過對運行過程的仿真研究驗證列車的性能，優(yōu)化車輛使用，發(fā)現(xiàn)列車運行過程中的影響因素，調整列車運行方案，提高列車控制水平，節(jié)約能耗，提高運行準點率，減少停站誤差以及增加旅客舒適度。

1 軌道交通運行仿真的理論基礎

1.1 連續(xù)系統(tǒng)仿真

連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)隨時間連續(xù)變化，比如列車的運動。連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)模型可以采用微分方程、狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)來描述，采用較多的是狀態(tài)變量的微分方程。

1.2 離散系統(tǒng)仿真

離散系統(tǒng)的狀態(tài)只在離散時間點上發(fā)生變化，比如軌道交通設計安全的信號系統(tǒng)等。離散系統(tǒng)的數(shù)學模型通常用流程圖或網絡圖來描述。離散仿真模型建立的步驟為：①通過定義系統(tǒng)的參變量集合來構造系統(tǒng)映像；②定義事件的類型和發(fā)生的時間點；③定義每一事件狀態(tài)發(fā)生變化的時間點；④描述系統(tǒng)中所有實體的活動；⑤構造狀態(tài)轉移函數(shù)或算法；⑥通過系統(tǒng)流圖描述整個過程。對于離散系統(tǒng)的仿真策略他通常有時間調度法、活動掃描法和進程交互法三種。

由于軌道交通系統(tǒng)運行過程既包括連續(xù)過程，也包括離散過程，通常使用組合仿真模型對其進行描述。

2 軌道交通運行仿真模型

2.1仿真模型的規(guī)模

從仿真模型規(guī)模上來講，根據(jù)分析要求和基礎數(shù)據(jù)條件不同，以及模型對交通運輸系統(tǒng)描述的方法程度不同，軌道交通運行仿真模型可以分為宏觀模型、中觀模型和微觀模型三個層次[2]。宏觀模型重點研究軌道交通運輸系統(tǒng)與社會經濟系統(tǒng)間的關系，通過仿真試驗對運輸發(fā)展政策起到一定的指導型作用；中觀模型主要研究車流分布狀況及車流運行規(guī)律，為車流調整方案確定提供指導；微觀層次模型對軌道交通最基本工作的運行仿真，用于研究客貨運車站、編組場、貨場以及線路等基本鐵路運營單位的運行規(guī)律。

2.2 軌道交通運行仿真建模過程

軌道交通運行仿真的核心內容是以牽引計算理論為基礎，對列車運行過程進行建模計算。以經典的宏觀物體運動學理論建立列車的運動微分方程，分析列車運動過程受到的牽引力和各種阻力，選取合適的仿真算法對方程進行求解，得到列車的運行里程和速度；同時考慮各種工況下列車運行的控制策略，建立其運行控制算法。

在構造列車牽引計算的力學模型過程中，可以采用單質點和多質點兩種處理方法。單質點模型將整列列車處理為單個質點，多質點模型將列車視為多個質點構成的質點列。兩種模型在常坡段（坡度不變）的差異不大，但是在變坡點的前后部分路段和曲線段，多質點模型的處理更加符合實際情況。

2.3 軌道交通運行仿真模型的模塊組成

交通系統(tǒng)仿真模型包括輸入、處理、輸出三個組成部分。從功能的角度來看，軌道交通運行仿真模型通常包含以下五個模塊：①線路與網絡描述模塊，這些網絡拓撲條件包括坡度、曲線、限速、軌道條件。②列車屬性模塊，包括列車功率、重量、長度、阻力等。③列車運行環(huán)境模塊，包括各類交通控制信號系統(tǒng)下的列車運行過程，列車在干線的運行及其與車站運營過程的協(xié)調。④列車運行與設備運用計劃模塊，提供列車運行的時刻表、列車運行的偏好路徑、必須停靠站的定義，機車車輛及乘務組周轉表定義。⑤仿真結果演示及分析模塊，在模擬系統(tǒng)對用戶定義的軌道交通運輸模擬完畢后，需要有專門的模塊來對模擬結果進行分析、顯示和輸出。

3 國內外軌道交通運行仿真系統(tǒng)分析

3.1 國外的發(fā)展

國外在列車運行仿真計算方面的起步比較早，目前比較成熟的軟件有美國SYSTRA公司的RailSim與TPC（Train Performance Calculator）系統(tǒng)；美國Camegie-Mellon大學軌道研究中心開發(fā)的TOM（The Train Operations Model）軟件；美國鐵路協(xié)會（AAR）開發(fā)的用于研究列車縱向運行仿真的TOES（The Train Operation and Energy Simulator）和TEM（Train Energy Model）仿真器；英國AEA鐵路技術公司開發(fā)的VISlON系統(tǒng)；德國漢諾威大學（University of Hannover）和德國鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的Railsys系統(tǒng)；歐洲ORTHSTAR公司的TrainStar系統(tǒng)；日本的UTRAS（Universal Train Simulator）系統(tǒng)；瑞士蘇黎世聯(lián)邦研究院開發(fā)的OpenTrack軟件等。其中應用較多的是TOM、RailSim、Railsys和Opentrack。

3.1.1 TOM（The Train Operations Model）

TOM是一種多用途的軌道交通分析軟件，可用于評估行車時刻表、車輛能耗、供電系統(tǒng)與列車控制系統(tǒng)性能等，已經在干線鐵路、輕重型軌道交通、高速鐵路以及磁懸浮系統(tǒng)上成功應用[3]。TOM主要有列車性能仿真器（TPS，Train Performance Simulator）、電網仿真器（ENS，Electric Network Simulator）、列車運行仿真器（TMS，Train Movement Simulator）3個主要功能模塊，如圖1所示。TPS用于計算特定網壓下的單車性能，ENS用于結合牽引供電參數(shù)仿真多車的運行工況，TMS的功能與ENS類似，不同之處在于TMS可以仿真多列車在統(tǒng)一控制系統(tǒng)下的運行情況，這有助于發(fā)現(xiàn)和解決多車運行時存在的沖突問題。

3.1.2 RailSim與TPC系統(tǒng)

20世紀60年代，美國鐵路開發(fā)了TPC（Train Performance Calculator）程序，根據(jù)線路平縱斷面和列車編組，計算分析列車運行速度、時分、制動距離以及能耗，評價評估機車、車輛性能以及進行軌道交通線路設計分析，很多軌道交通仿真系統(tǒng)均加載了TPC程序，如RailSim、RailPlan、OnTrack和Rail Traffic Controller（RTC）等。RailSim是以TPC程序為核心的列車操縱與運行仿真系統(tǒng)[4]，主要模塊包括列車運行行為計算器（TPC）、路網編輯器、機車車輛庫、負載電流分析器、報告生成器、時刻表設計評估以及列車群運行仿真等，如圖2所示。

RailSim能夠準確分析計算各種類型列車的運行行為，可以為列車運行仿真選擇不同的停站時間和停站模式，也能夠研究運輸能力分析、列車運行間隔計算、信號設計、列控系統(tǒng)與機車車輛設計、系統(tǒng)能耗計算以及車站客流分布等問題。

3.1.3 OpenTrack

OpenTrack是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦技術研究院基于“鐵路網絡運營管理系統(tǒng)研究”的項目而開發(fā)的鐵路網絡仿真系統(tǒng)[5]。主要包括輸入、模擬和輸出三個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)下又包含若干模塊，如圖3所示。OpenTrack的特色是基于給定運行時刻表的多列車運行仿真計算，能夠根據(jù)用戶輸入的線路數(shù)據(jù)和列車，按照預定義的時刻表和仿真參數(shù)實現(xiàn)列車運行全過程的再現(xiàn)。另外，也可以實現(xiàn)在一些較為復雜的區(qū)域，再現(xiàn)列車的到發(fā)、通過、折返以及車站的軌道占用以及進路排列等多種現(xiàn)象，以及線路沿線信號設備顯示狀態(tài)與變化情況。

3.1.4 RailSys

RailSys 是由德國漢諾威大學（University of Hannover）和德國鐵路管理咨詢公司（RMCon）共同研發(fā)的基于路網的鐵路運輸微觀模擬仿真系統(tǒng)[6]，系統(tǒng)主要包括4個功能模塊，包括：設施管理、時刻表管理、仿真管理以及評價管理，如圖4所示。通過仿真可以真實的呈現(xiàn)鐵路路網全系統(tǒng)運行情況，對分析變化的運輸需求對現(xiàn)有鐵路運輸系統(tǒng)的影響、基礎設施的改擴建、信號系統(tǒng)的安全及可用性評價、列車時刻表的制定和優(yōu)化等起到重要的輔助決策作用。

RailSys的特色是對鐵路既有或新建線路、車站以及網絡的比較評估，以及有干擾和無干擾條件下運行時刻表的質量與可靠性評價。與RailSim內嵌TPC程序類似，RailSys軟件中關于列車運行時分的計算是使用了DYNAMIS內嵌程序完成的。

3.2 國內的發(fā)展

我國從20世紀80年代開始致力于軌道交通運輸模擬系統(tǒng)的研究，初期的研究主要應用于鐵路編組站。后來陸續(xù)有傳統(tǒng)鐵路院校開發(fā)了應用于教學與科研的仿真程序，有代表性的成果是1997年北京交通大學與香港理工大學合作開發(fā)的通用列車運行模擬系統(tǒng)GTMSS（General-purposed Train Movement Simulation System）[7]。系統(tǒng)將機車、車輛和線路數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，并設計節(jié)時、定時、節(jié)能算法庫，建立牽引計算、操縱經驗的知識庫，通過迭代運算，模擬實際列車運行過程，系統(tǒng)架構如圖5所示。

GTMSS最大的特點是在用于科研分析和項目論證的同時，也有較強的教學功能，目前在我國軌道交通等領域已經有較廣泛的應用。

4 軌道交通運行仿真的發(fā)展趨勢

經過多年的研究與開發(fā)，軌道交通運行仿真已經從傳統(tǒng)的列車牽引計算發(fā)展成為集仿真、分析、評價為一體的系統(tǒng)平臺，并呈現(xiàn)出以下的發(fā)展趨勢。

4.1 面向設計、計劃和運營的全周期應用

為實現(xiàn)通用性和集成性并滿足軌道交通規(guī)劃、建設、運行全周期過程的需要，軌道交通運行仿真系統(tǒng)開始全面應用于相應的生產過程。

面向設計用于分析和檢驗不同設計年度的客流和貨運量的變化導致的基礎設施變化產生的影響，以此輔助工程設計單位進行既有線改造、新線或新站的設計，從而對方案的合理性進行評價。

面向計劃用于厘清列車運行計劃中關系復雜且相互影響的列車運行圖、車站作業(yè)計劃和設備周轉計劃之間的關系，制定合理的運輸計劃。

面向運營用于通過仿真分析獲得車站和區(qū)間高利用率情況下列車運行圖的“魯棒性”脆弱點，找出瓶頸并為此提供一定的調度調整空間是在可行計劃的基礎上提供一定的調整調度空間。

4.2 研究領域的交叉與拓展

軌道交通運輸涉及很多不同的專業(yè)領域，如果要對運輸過程的所有環(huán)節(jié)進行仿真模擬，則需要多專業(yè)之間的合作。供電是軌道運輸中非常重要的環(huán)節(jié)，目前已有較多運行仿真軟件整合了供電仿真模塊，用以對列車牽引供電情況以及能耗進行分析，比如TOM系統(tǒng)中的ENS模塊，Railsim中的Load Flow Analyzer模塊以及OpenTrack中的OpenPower- Net插件。隨著軌道交通制式的不斷豐富，有軌電車、索道、獨軌、磁懸浮等軌道交通系統(tǒng)得到越來越多的應用，與傳統(tǒng)輪軌式系統(tǒng)一樣，這些系統(tǒng)的設計、計劃和運營也需要模擬仿真的輔助。由于驅動方式和運行控制策略的不同，傳統(tǒng)的列車牽引計算不再適用，需要對其走行過程、信號系統(tǒng)和調度控制重新進行建模。目前利用RailSys已經能夠對有軌電車和索道的運行進行仿真，未來研究領域應該會進一步拓展。

4.3 數(shù)據(jù)格式的通用化

近60年來，許多公司、研究機構及高校開發(fā)了很多關于軌道交通運行仿真的程序和軟件，這些程序和軟件對于仿真輸入數(shù)據(jù)的格式要求各有不同，導致了通用性的降低和數(shù)據(jù)交互的巨大困難。有鑒于此，2001年德國的弗勞霍恩夫運輸與基礎設施研究所與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院開始聯(lián)合開發(fā)基于XML（eXtensible Markup Language，可擴展標記語言）的描述軌道交通專用數(shù)據(jù)的軌道標記語言RailML，用于在內部和外部軌道交通應用之間交換數(shù)據(jù)，主要包括運行時間表、基礎設施和機車車輛相關數(shù)據(jù)。2015年，德雷斯頓技術大學開發(fā)了針對RailML語言的可視化程序railVIVID，能夠對導入的數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示出來進行檢查和校驗。

5 結語

運行仿真能夠有效地分析和解決軌道交通在規(guī)劃設計和運營管理期間碰到的各種問題，國內外已經開發(fā)出了多種通用和專用仿真軟件，在行業(yè)內得到了廣泛的應用。目前軌道交通運行仿真軟件呈現(xiàn)出全周期、跨領域和通用化的發(fā)展趨勢，隨著大數(shù)據(jù)、云計算研究的不斷深入，智能化將是軌道交通運行仿真所面臨的新的挑戰(zhàn)。

參考文獻：

[1]任其亮，劉博航.交通仿真[M].北京： 人民交通出版社，2013.

[2]張國強.微觀交通仿真基礎[M].北京： 人民交通出版社，2017.

[3]TOM Company. What is TOM？ [EB/OL].[2018-06-12] http：//home.comcast.net/～rail_system_center/tom.htm.

[4]Railsim Team.Introduction of Railsim.[EB/OL].[2018-06-13].http：//www.railsim.com/modules/train-porformance-calculation.html.

[5]OpenTrack Railway Technology Ltd. Railway Simulation. [EB/OL].[2018-07-18]. http：//www.opentrack.ch/ opentrack/opentrack_e/opentrack_e.html.

[6]Benfeldt， J.-P.； Mohr， U.； Müller， L. 2000. RailSys， a system to plan future railway needs[J]. Proceedings of the Seventh International Conference on Computers in Railways VII： 249-255.

[7]毛保華，何天鍵，袁振洲，劉海東，趙立寧，陳志英.通用列車運行模擬軟件系統(tǒng)研究[J].鐵道學報，2000（22）：1-6.