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高速铁路列车追踪间隔仿真计算系统设计与实现

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  • 上传时间:2018-02-21
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    • 1、高速铁路列车追踪间隔仿真计算系统设计与实现 韩辉 北京铁路局天津站 摘 要: 列车追踪间隔与高速铁路列车运营密切相关, 通过列车追踪间隔仿真系统能够检验列车牵引特性、线路条件等因素对列车追踪间隔时间的影响, 对研究列车追踪间隔时间优化及列车技术作业方案设计提供有效的帮助。文章介绍了高速铁路列车追踪间隔仿真计算系统的设计, 使用列车间隔时间标准化计算方法, 结合列车牵引计算、车站以及线路等数据, 通过原型系统的开发, 实现了列车运行曲线与列车追踪间隔时间的计算与仿真。具体介绍了系统结构, 功能设计及数据结构, 以一个实际数据为例对系统的功能以及技术可行性进行了验证。实验输出数据基本符合我国实际情况, 该系统能够作为列车追踪间隔相关研究的可靠工具。关键词: 高速铁路; 列车追踪; 系统设计; 仿真; 计算系统; 作者简介:韩辉, 工程师。收稿日期:2017-06-13基金:中国铁路总公司科技研究计划项目 (2016X006-D) Simulation system for train tracking interval of high-speed railwayHAN Hui Tianji

      2、n Railway Station, Beijing Railway Administration; Abstract: Train tracking interval is closely related to the train operation of high-speed railway, the effect of train traction characteristics, line conditions and other factors on train tracking interval can be tested by simulation system, which provides effective support to the study about high-speed railway train tracking interval optimization and train technical operation. This paper introduced the design of simulation system for train trac

      3、king interval of high-speed railway, through standardized calculation method of train tracking interval, combined with the data of train traction computing, station and line, etc., a prototype system was developed, which implemented the calculation and simulation of train running curve and train tracking interval. The System structure, function design and data structure were presented in detail, and an example was used to validate the system function and feasibility. The output data were consist

      4、ent basically with the actual situation in our country, the system could be used as a reliable tool for the study of train tracking interval.Keyword: high-speed railway; train tracking interval; system design; simulation; calculation system; Received: 2017-06-13高速铁路列车追踪间隔时间标准是高速铁路列车运行技术标准体系中的重要组成部分, 是列车运行图中相邻的同向或对向列车间必须保持的最小间隔时间, 高速铁路列车追踪间隔时间划分为 4 类:区间追踪间隔时间 I 追 、车站到达追踪间隔时间 I 到 、车站出发追踪间隔时间 I 发 、车站通过追踪间隔时间 I 通 。高速铁路列车追踪间隔时间 I=maxI 追 , I 到 , I 发 , I 通 。高速铁路列车追踪间隔时间直接影响着高速铁路的行车密度、运营效率以及运输通过能力。田长海等1

      5、基于普速铁路列车间隔时间的计算方法和高速铁路的控车模式, 提出了高速铁路列车追踪间隔提出了标准计算方法。娄序淳等2-4则提出了一些特殊条件下列车追踪间隔的仿真模型研究。同时, 潘登等5-6针对列车控制策略和闭塞分区划分提出了一些列车追踪间隔调整方案。尽管我国高速铁路已采用 CTCS2/3级列车运行控制系统, 但受到各种相关硬件设备、运输管理等条件制约, 目前, 大多采用 5 m i n 追踪间隔时间, 不能充分满足日益增加的运输需求。近年来, 不少学者通过分析高速列车追踪间隔时间的影响因素, 从咽喉区长度、道岔侧向限速、线路坡度、曲线半径、信号系统等多个方面进行研究, 分析可优化列车追踪时间间隔的手段。为了验证不同影响因素对列车追踪间隔时间间隔的影响, 需要设计具有通用性、适应性强的仿真计算系统以满足研究的需要。1 系统需求概述1.1 系统目标(1) 基于列车牵引计算理论和高速铁路列车运行控制原理, 建立高速铁路列车追踪运行的通用仿真模型, 在系统中可对线路、动车组、信号机、电分相等对象模型的数据、参数进行管理, 包括数据的录入、修改、增加、删除及查询统计等。(2) 基于线路、设备条件

      6、及设定的计算参数, 可实现不同停站、不同站内走行进路、不同限速等运营条件下的列车自动牵引计算, 模拟列车运行全过程。对列车区间运行时分、起停附加时分、区间追踪间隔、到达追踪间隔、出发追踪间隔、通过追踪间隔时间进行仿真计算, 可生成列车一次连续制动距离曲线、列车速度-时分曲线及列车能耗曲线等。(3) 系统可基于现有运营条件对各类运行时分进行仿真计算, 也可以在系统中更改线路条件、电分相、信号机布置等参数后对各类运行时分进行仿真计算。通过分析, 既可以发现当前运营条件对追踪间隔时间的关键影响因素;还可以验证在更改运营条件后能否具备压缩追踪间隔时间的可行性, 检验运输设备对运输需求的适应性, 寻求提高高速铁路运输能力的途径。(4) 系统具备直观的仿真输出功能, 包括列车运行曲线、列车区间运行时分、追踪间隔时分等, 可以在系统界面中显示也可以输出为统计报表文件。1.2 设计原则由于列车追踪间隔技术的改善方案多样, 相关作业技术需要科学的依据和定量的分析结果作为论证, 本系统应具有较好的通用性、适应性、可持续发展性、安全可靠性和易合作性, 以适应当前行车技术方案、线路参数以及铁路未来发展形势,

      7、同时尽量能与铁路其他信息系统相互配合。为了确保系统目标的全面实现, 应遵循下列原则:(1) 适应性与通用性; (2) 先进性; (3) 严密性与科学性; (4) 可扩展性; (5) 可用性。2 系统总体框架及功能结构2.1 系统总体框架根据系统设计目的与原则, 高速铁路列车追踪间隔仿真计算系统采用面向对象的设计方法实现仿真系统数据管理和开发。用户可以通过数据管理模块对仿真计算所需要的数据进行管理, 仿真计算模块根据提取用户设置的参数及数据库存储数据实现计算功能, 仿真结果以数据和图形动画方式输出或存储。系统的总体框架, 如图 1 所示, 图示主要描述了系统模块及模块之间的交互关系。图 1 系统总体框架 下载原图2.2 系统功能结构根据系统需求及整体框架, 高速铁路列车追踪间隔仿真计算系统在功能上主要包括仿真数据管理、牵引计算和指标统计及输出几个部分, 系统功能结构, 如图 2 所示。2.2.1 仿真数据管理功能数据管理功能按管理数据类型分为线路、车站、动车组数据管理 3 大类。 (1) 线路数据管理部分对线路的坡度、曲线半径、信号机位置、限速、桥梁、隧道以及电分相等多类数据进行管理。

      8、(2) 车站数据管理部分是对整个车站平面图进行管理, 包括车站股道、道岔、信号机等设备的属性数据及建立设备间拓扑连接关系, 并对车站进路及联锁关系进行管理。 (3) 动车组数据管理部分包括动车组编组、牵引特性、动力制动特性及能耗特性能数据。仿真数据管理功能直接影响仿真计算的结果, 是其他两个功能的设计基础。系统需要实现 3 类数据的新建、插入、删除、编辑修改等功能以及数据的存储、读写、部分数据的统计、特殊处理功能。根据列车追踪间隔计算方法, 一部分数据作为基础数据存储供仿真计算模块调用, 一部分数据作为输入参数直接参与计算。图 2 系统功能结构 下载原图2.2.2 牵引计算功能牵引计算功能主要包括牵引计算预处理和牵引计算两部分, 能够通过计算得到速度时分曲线。动车组能耗曲线、列车制动距离等计算结果。在列车牵引计算过程中, 系统依据数据描述的线路条件和列车运行状态, 采用列车均衡速度法进行工况选择, 并逐步进行坡段试凑以及列车停站试凑, 以得到的合理列车牵引计算结果。牵引计算预处理提供 3 个基本功能, 线路提取、单线线路反向和线路化简。 (1) 线路提取功能实现对线路数据的选取, 仅取

      9、出牵引计算中涉及到的线路区段, 供计算时调用。 (2) 单线线路自动反向功能自动通过改变运行方向、上下坡互换等改变, 得到已有单线线路的反向线路, 生成新的反向线路数据。 (3) 线路化简功能使用等效坡道代替几个相邻的坡度近似的实际坡道, 以降低平纵断面比较复杂的线路处理过程的复杂程度, 或在计算精度要求不高的条件下, 对线路的平纵断面先进行化简。经牵引计算预处理后的数据将用于列车牵引计算。牵引计算的过程是以列车编组为基础计算列车在各种工况下的单位合力, 结合线路的平纵断面和列车的运动方程, 进行列车工况选择, 计算列车运行过程中的能耗、时分等相关数据7。在进行牵引计算时, 优化目标不同则需要采用不同的操纵策略, 目前常用的目标操纵策略有节时策略、节能策略、节时与节能综合优化策略等, 结合相关牵引计算仿真系统8, 在本系统中, 主要使用节时策略进行牵引计算, 在牵引计算时, 实现列车工况自动初选、自动优化、自动满足工况转换的时间约束及进行合理的工况运行时间检测, 使系统仿真仿真更加接合与列车的实际运行状况。2.2.3 指标统计及输出功能该子系统主要包括指标统计和输出两部分, 可对区间运行时分、慢行附加时分、动车组能耗、综合数据、列车过分相速度损失和延长运行时间等指标进行统计, 这些结果均可以输出为 Excel 报表。同时输出部分还包括速度-时分、工况、能耗综合曲线图的输出, 信号机布点方案输出, 均提供 PDF、CAD 两种格式的输出。3 系统设计根据功能设计中数据管理及计算功能要求, 需要对数据管理中的数据进行规格化处理, 以实现数据关系描述及数据文件的建立。3.1 基础数据设计基础数据包括高速铁路线路数据、高速铁路车站数据、动车组数据、信号系统参数, 是牵引计算和列车追踪间隔时间计算的基础数据来源。基础数据直接确定列车运行仿真的环境设置, 每一类数据需要通过多个字段表示数据的特征。为了实现数据存储及提取, 对数据的每个字段添加序号、字段名、符号名、数据类型、长度、精度、主键、备注 8 个属性。以高速铁路线路为例。实际线路情况通常较为复杂, 需将线路数据具体划分为线路坡道、线路曲线、线路标记、线路桥隧、线路限速等进行数据结构的设计。不同线路区段通过线路 ID 进行区分, 以起点公里标及终

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