城市轨道交通列车自动运行仿真系统研究万芳

城市轨道交通列车自动运行仿真系统研究

介绍列车自动运行仿真系统(SATM)中数据库存储模块、列车自动监控核心部件、列车运行仿真和列车调度终端系统的功能特点，给出该系统结构框架。

SATM已应用在城市轨道交通ATC仿真软件中，在上海地铁的建设中实现了现有上海地铁一、二号线轨道交通离线仿真，为上海地铁一、二号线轨道交通列车自动控制系统的操作人员提供了培训服务，并对现有上海市地铁一、二号线列车和在建的或计划中的城市轨道交通系统运行时刻表进行了优化处理和合理安排，提升了轨道交通的整体运输能力和管理水平。

1 仿真系统概述 SATM软件是由北京理工大学和上海中岳公司及中国铁路通信信号集团公司联合开发的。为适应用户和市场的需求共开发了2套SATM仿真软件，一是上海地铁一号线专用界面版SATM仿真系统软件(为客户上海地铁公司开发的专用版，以下简称专用版)；二是通用界面版SATM仿真系统软件(为适应市场需要而开发的通用版，以下简称通用版)。 专用版SATM仿真软件和通用版SATM仿真软件在软件结构、对象建模和系统运作机制等方面都基本一样。它们的区别在于以下几个方面。 (1)用户界面。专用版仿照上海地铁一号线控制中心的中央控制系统(由美国GRS公司开发)界面开发，专用版仿真系统采用Unix平台的程序界面风格。通用版足以"上海地铁二号线ATC仿真控制系统"的界面为基础结合香港地铁公司(MTR)的招标项目的需求及国内轨道交通项目的需要而开发的，通用版仿真系统采用标准Windows程序界面风格。 (2)列车运行仿真功能。通用版SATM在列车运行仿真功能上相对专用版SATM进行了功能扩充，即通用版SATM能够对3种闭塞制式一台阶式、曲线式和移动式的地铁线路进行仿真运行。专用版SATM是针对上海地铁一号线的仿真系统设计，因此专用版只能仿真"台阶式"闭塞制式。 (3)多条地铁线路的仿真支持。通用版SATM能对上海地铁一号线、二号线进行仿真。要对多条地铁线路仿真只需在数据库中的线路说明部分标明即可。同样专用版SATM受到被仿真对象的限制，所以专用版SATM只能对上海地铁一号线进行仿真。

2 仿真系统软件结构2.1 数据库存储模块 数据库存储模块采用第三方软件(MS Access97)对数据进行管理和维护，这些数据包括：地铁线路的原始工程数据、闭塞设计输出的结果数据、显示数据、进路数据和时刻表数据等。主要的数据维护工作有以下几方面。 (1)从闭塞设计中提取一套需要仿真的原始数据和闭塞设计的输出结果数据，包括参数数据库，原始数据库的信号机、道岔、车站、站台、限速、坡道、弯道等数据，闭塞设计输出的轨道电路布点数据库，控制线数据库。 (2)根据线路布局设计一套显示数据库，把各设备在仿真系统的显示区域合理美观地显示出来。 (3)根据线路的实际情况，把线路中所有的进路以及和进路有关的数据用数据库表达出来。 (4)编制一套合理可行的时刻表数据库。

2.2 列车自动监控(ATS)核心部件 ATS主控模块主要完成全系统运行环境的设置，根据应用状态启动相应进程，进入控制状态，加载闭塞设计系统(BDS)输出的闭塞设计数据和列车运行时刻表(TS)，并监控系统资源使用，完成ATS系统设备状态(轨道电路、信号机、道岔等)数据采集、控制，列车追踪状态定位，列车运行调整，时刻表控制等各项功能。 (1)设定闭塞设计方案、列车运行时刻表等初始运行参数，加载ATR线程、ARS线程。 (2)定时读取列车运行仿真(STM)进程的输出信息，并实时进行记录。 (3)定时向列车调度终端系统(STD)进程输出信息，同时实时响应STD的访问请求及调度控制请求，并实时记录调度控制信息。 (4)定时下载综合信息给数据库系统。 2.3 列车调度终端系统(SID) STD主要为列车运行调度提供可视化的列车运行线路状态和列车运行状态等信息，并提供调度控制功能，它是调度员干预列车运行的操作界面。 (1)定时向ATS主控模块请求数据访问，并接收回送数据，按要求进行综合显示。 (2)实时输出动态调度控制信息(ATS运行在实时监视状态时不具备该项功能)。 (3)具备实时监视与ATS主控进程的通信运行状态的功能，及与ATS主控进程互送短消息的功能。 (4)具备历史数据回放功能，可用于故障和事故的分析。

2.4 列车运行仿真系统(STM) STM主要包括列车自动运行系统(ATO)仿真模块和列车超速防护系统(ATP)仿真模块，模拟列车ATO及ATP功能，在仿真状态下模拟产生地铁现场设备状态数据。 (1)ATP仿真模块主要完成列车沿线的安全运行检查。 (2)ATO仿真模块主要实现列车自动驾驶的仿真。

3 仿真系统结构框架 SATM在设计，实施过程中，综合考虑了系统可能的应用方向，使系统具备了很强的伸缩配置能力。其系统结构见图1。

4 SATM仿真系统的功能4.1 系统特点 (1)系统可以运行于基于Windows操作系统的网络平台，也可以运行基于其他操作系统的混合平台，具有跨平台工作的特点。 (2)具有实际ATS系统的结构和功能，易于向实际ATS系统扩展。

4.2 列车调度终端系统(STD)功能 (1)按照轨道交通闭塞设计和工程技术数据真实显示现场设备的布置状况。 (2)提供调度员操作的调度平台，包括调度系统控制、信号控制(站台、信号机、进路)、列车控制、时刻表控制等功能，能够满足日常调度的需要。 (3)能人工设置列车运行路线即人工列车引导(故障和突发事件人工引导列车)。 (4)具备历史回放功能，可以根据时间按不同的速率(慢速、正常和快速等)进行回放，也可以按事件顺序回放，对调度评估和事故分析具有重大的帮助。

4.3 ATS核心部件功能 (1)列车自动跟踪功能。 (2)列车自动调整功能，即按照计划选定的时刻表和运行图调整列车的运行，列车运行受时刻表控制。 (3)自动设置进路的功能，即可以根据列车的运行目的地，自动设置进路。 (4)对调度命令实时记录功能，即对调度员的调度操作有历史记录。 (5)记录历史数据的功能，可以供ATS历史回放时使用。

4.4 列车运行仿真系统(STM)功能 (1)根据轨道交通闭塞设计和工程技术数据，具有仿真台阶式或曲线式闭塞信号控制的功能。 (2)仿真ATO的功能。 (3)仿真ATP的功能。 (4)仿真ATP和ATO的设备故障模拟的功能。 (5)仿真速率实时调节功能(1、2、5倍速)。

4.5 SATM的特殊功能 在两个版本的SATM仿真系统软件中部包含了一项创新的功能，即可显示"列车运行曲线"，见图2，该功能可以使仿真系统更具真实性和说服力。显示列车运行曲线功能表现为一个显示当前运行列车的运行曲线的窗口，该窗口包含了列车的运行速度曲线(ATO)、速度码曲线、运行距离、运行和停站的时间等内容。此外，显示列车运行曲线功能可以同时显示两列车追踪的运行曲线图。

图2描述的是上海地铁一号线(台阶式闭塞制式)的线路中两列长列车追踪时的列车运行曲线。图2中画面左边的纵坐标蓝色部分是速度坐标，绿色部分纵坐标是时间坐标，图中的横坐标是距离，蓝色箭头是列车；在列车上方的红色曲线是速度码，蓝色曲线是列车运行速度曲线，棕色线段是前行列车与后续列车在同一时刻的追踪距离间隔；绿色曲线是列车运行的时间，其中列车的运行时间曲线包括了车头和车尾两条；列车下方的红色线段是列车的停车时间。

5 结论 城市轨道交通列车运行仿真系统是一个功能较多的系统软件包，是轨道交通列车自动控制(ATC)仿真系统的一个重要组件，用于实现对轨道交通基本的信号控制系统和列车运行进行高准确度的数字化仿真模拟。能直接为在建的和计划中的城市轨道交通系统提供信号闭塞设计方案优化，为轨道交通运行仿真模拟和调度人员培训等技术保障提供支持服务。同时，能为城市轨道交通ATC系统的开发提供技术支持手段。中国铁路通信信号集团公司 上海中岳计算机仿真控制系统公司 北京理工大学施卫忠 张海明 宁建国查阅：已获批28个城市的轨道交通线路规划详解图（更新中）查阅：2012年全国各省市城市轨道交通项目概览（更新中）查阅：城市轨道交通中标企业

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