城市轨道交通列车运行仿真研究

王秀玄 魏君

摘 要：随着城市交通压力不断增大，人们的交通需求无法得到充分满足，城市轨道交通随之发展起来本文在建立单质点模型基础上，进行列车牵引计算分析，对城市轨道交通列车运行过程进行仿真研究，希望能够为城市轨道交通列车运营提供参考。

关键词：城市轨道交通；单质点；牵引计算；运行仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.054

1 研究背景分析

当今社会，轨道交通成为城市发展的重要推动力。从城市发展来看，发展城市轨道交通事业，能够大幅度解决城市交通问题，提高出行交通质量。现代社会已经全面进入计算机网络通信时代，信息传输速度也越来越高。这对城市轨道交通来说，基于通信的列车运行控制系统，即CBTC系统成为发展趋势。

所以分析城市轨道交通列车运行过程，對于我国城市轨道交通来说有十分重要的实际意义。首先表现在城市轨道交通规划建设阶段，通过对城市轨道交通列车运行过程的仿真研究，模拟各种工况，可以优化列车运行中的各项性能，为列车线路的选择与设计提供数据基础。其次，还能够改善供电系统的设计，尽量减少资源的浪费，提高列车运行的效率和质量。再次，通过城市轨道交通列车运行过程的仿真，分析影响列车运行的主要因素，由此改善列车的运行速度和运行方案，提高交通运行的服务质量，提高旅客舒适度。当前对于城市轨道交通列车运行的研究比较广泛，下面将对这一过程仿真系统的设计展开研究与讨论。

2 城市轨道交通列车运行仿真系统设计与分析

目前针对列车运行的仿真主要研究方式可以分为单质点列车运行仿真和多质点列车追踪的运行仿真，目前很多资料是利用单质点仿真方法，单质点列车运行仿真方法的基本原理就是把整列列车作为一个质点，以列车牵引计算为理论基础，根据列车运行于不同线路时的线路情况、线路允许速度、临时限速信息、道岔限速情况、列车自身重量与长度因素、车站信号等各种影响条件，采用一定的原则和方法动态地调整列车运行，从而对列车整体运行情况进行仿真研究。而对于多质点列车运行仿真，是在单质点列车运行仿真的基础上，综合考虑机车和每一节车辆在牵引和制动方面的影响与相互作用关系，动态地研究列车运行情况，但是也存在一定局限性，例如工况转换不够合理、列车的运行速度和停车误差较大等情况，在列车运营方面也相对有较大限制。因此本文仍然采用最简单的单质点模型计算方法进行仿真运算。

根据当前国内城市轨道交通列车运行的特点和现状，来具体设计整个仿真系统和仿真模型。在此之前，先研究整个仿真系统的牵引计算和结构以及模块设计。根据城市轨道交通的特点，基于Microsoft Visual C++6.0开发环境，选择了某城市轨道交通实际线路作为研究实例，根据这一线路的具体情况进行相应的仿真计算和分析，并比较仿真结果和实际结果，完成对该仿真系统的测试。

2.1 城市轨道交通运行仿真系统设计

在本文的研究当中，城市轨道交通的运行仿真系统主要包含以下几个模块，具体有线路数据模块、系统数据模块、列车数据模块以及列车运行计算模块。在完成系统参数设置后，调用列车数据模块和线路数据模块模拟列车运行。

2.1.1 基础数据模块

基础数据模块包括线路数据模块、列车数据模块和系统数据模块。其中，线路数据模块用来存储线路数据，可以对城市轨道交通的线路进行添加、修改和删除等，也可以直接读取EXCEL表格等文件导入数据；对于线路基础数据、坡度、桥隧等信息，都可从这个模块添加和修改；也可以直接添加新建线路信息；为了保证仿真数据更加准确，仿真系统在人机交互方面也更符合操作人员的操作，还特别设置了人工修改路线限速的功能，做到临时限速功能模拟，尽可能贴近实际系统。列车数据模块可以选择列车型号、列车重量、长度、牵引与制动特性和车次号等信息。系统数据模块可以设置列车运行工况、运行时间步长、速度距离误差等，用来仿真不同运行情况。

2.1.2 列车运行过程计算模块

列车运行过程计算模块是重点也是核心，具体是要根据整条线路数据和列车数据，以及相关的临时限速等信息，根据不同的模型进行相应的计算，算出列车在某个运行范围内的速度和时间。列车运行过程计算模块还会将这些数据进行绘制，形成更直观的数据。

（1）牵引计算。研究列车牵引计算就是指城市轨道交通列车在外力的作用下，沿轨道运行时发生的各种变化并且针对这些变化进行计算，这里的外力主要包括列车牵引力（设为F）、列车阻力（设为W）、列车制动力（设为B），最终得到作用在列车上的合力（设为C），这也是我们文中讨论牵引计算所使涉及到的几种力。为了方便计算，在受力分析中一般使用单位合力、单位牵引力、单位阻力、单位制动力，分别为每千牛重力上的合力、牵引力、阻力、制动力，用c，f，w，b表示，单位为N/KN，单位合力公式下：

式中，g为重力加速度（9.81N/Kg）；P为列车质量（t）；根据公式，就可以计算出每列列车的合力公式，在已知牵引力、阻和制动力的情况下，就可以进行列车的加速度的计算。

（2）运行计算。当我们通过获得了列车运行的加速度，那么，采用定步长迭代法进行位移和速度以及时间的计算。将系统的时间步长设置为0.1s。根据迭代关系，有公式（2）和（3）：

当Si+1迭代达到列车在两站间区间运行长度时，便得到列车在区间运行的时间。

2.2 城市轨道交通运行过程仿真系统分析

在本文的研究中，选择了某城市轨道交通线路部分站点及区间进行相关的仿真研究。本文以下行线路数据为例进行研究。

2.2.1 仿真结果分析

为了能够证明该仿真结果的准确性，以下行区间仿真运行为例，将系统计算的仿真结果和实际当中的运营数据进行比较，以此来对整个仿真过程进行客观准确的评估。在表1中仅仿真区间运行时间，对停站时间不做研究。停站时间与单位时间客流量关系密切，这里暂且只做固定值假设，不做研究讨论。

通过表1数据可以得知，列车在运行过程中，仿真结果与实际运行仅存在小幅度误差，比较贴合城市轨道交通运营组织实际情况。因此，通过仿真程序模拟列车运行能够有助于列车运行时刻表的制定，对于列车站间运行时间以及停站时间的设置都有参考意义。

3 结语

综上所述，本文以实际线路为例，对于城市轨道交通列车运行展开了仿真研究，完成了对城市轨道交通列车运行的仿真模拟分析，实现了预期功能，但是为了使系统功能更加完善，更好地贴近实际应用，还需对系统进一步优化。从目前仿真结果来看，该系统具有一定的使用价值，能够为城市轨道交通列车运营提供参考，为城市轨道交通部门的工作人员设计行车方案提供了依据。

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