城市軌道交通仿真施工設計論文

　　1概述

　　隨著(zhù)城市軌道交通建設的高速發(fā)展，無(wú)論是廠(chǎng)家，還是設計院，都需要提前對相應的信號系統進(jìn)行測試，僅僅通過(guò)現場(chǎng)試驗對系統的功能和性能進(jìn)行試驗是不夠的。并且由于現在城市軌道交通設計時(shí)遇到了一些具體問(wèn)題，例如:行車(chē)專(zhuān)業(yè)與信號專(zhuān)業(yè)的分工。行車(chē)在牽引計算時(shí)，一般沒(méi)有考慮信號參數，而實(shí)際的線(xiàn)路控車(chē)又是由信號來(lái)做，這樣行車(chē)計算出來(lái)的牽引計算結果，有時(shí)候對控車(chē)的實(shí)際需要不能夠滿(mǎn)足。另外，如線(xiàn)路的曲線(xiàn)半徑值、曲線(xiàn)超高等，有時(shí)候也不滿(mǎn)足控車(chē)的需要，有時(shí)候造成最終軌道交通線(xiàn)完工時(shí)出現一系列的問(wèn)題，如“平均旅行速度不夠”、“站間行車(chē)間隔不夠”、“撞線(xiàn)”、“牽引制動(dòng)切換過(guò)多”等，影響旅客的乘坐舒適度，影響列車(chē)運行速度。這些設計方面各個(gè)部門(mén)間配合上的問(wèn)題，最終導致系統不能達到最優(yōu)的組合。于是，現在設計單位需要開(kāi)發(fā)一套城市軌道交通相關(guān)的仿真軟件，它不同于生產(chǎn)廠(chǎng)家所用的仿真軟件，需要對我們的施工設計有指導作用。首先它能夠進(jìn)行牽引計算仿真，然后能對相關(guān)的線(xiàn)路、行車(chē)、信號等專(zhuān)業(yè)進(jìn)行綜合考慮，對設計提出一個(gè)綜合的指導意見(jiàn)。以西南交通大學(xué)交通信息工程及控制實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的“CBTC仿真系統”為例，在這個(gè)系統中，建立了一個(gè)城市軌道交通工程項目的計算機輔助設計平臺，用實(shí)際的線(xiàn)路數據，利用系統內嵌的列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型和列車(chē)控制模型等數學(xué)模型，為城市軌道交通項目的全過(guò)程設計提供定量分析的理論依據，對線(xiàn)路上列車(chē)運營(yíng)情況進(jìn)行精確的仿真計算，通過(guò)仿真的結果提出土建和機電系統的優(yōu)化配置方案，對整個(gè)線(xiàn)路的追蹤折返的能力做一個(gè)分析，以供設計院或廠(chǎng)家參考。通過(guò)利用該仿真系統進(jìn)行列車(chē)牽引計算、列車(chē)運行及追蹤仿真、列車(chē)折返能力檢算，從而對行車(chē)組織、線(xiàn)路設計、車(chē)站配線(xiàn)、車(chē)輛參數的選擇及配置數量、信號系統相關(guān)控制參數的選擇及軌旁設備的配置等設計方案進(jìn)行驗證，并可提供仿真結果以用于優(yōu)化設計，保證相關(guān)系統的設計滿(mǎn)足運營(yíng)要求。

　　2計算機仿真對線(xiàn)路的性能分析

　　在城市軌道交通中，由于發(fā)車(chē)間隔非常密，為使列車(chē)行駛得又快又好，在設計中我們更關(guān)注整個(gè)系統的性能問(wèn)題。由于有了線(xiàn)路基礎數據，信號數據，車(chē)輛參數等，再加上牽引計算的結果數據，我們就可以用來(lái)分析整條線(xiàn)路的性能到底如何，用專(zhuān)業(yè)的圖表對這些能力直觀(guān)顯示出來(lái)，用以驗證軌道交通線(xiàn)路的運行能力，主要負責信號系統的能力分析和行車(chē)間隔計算，這些可作為后面指導施工設計的依據和基礎。計算機仿真通過(guò)牽引計算的結果中性能分析圖大致有:時(shí)間-距離圖、速度-距離圖、線(xiàn)路行車(chē)間隔、折返站折返間隔、坡度-距離圖、站間運營(yíng)時(shí)分分析和顯示、平均服務(wù)旅行速度分析和顯示、平均技術(shù)旅行速度分析和顯示、列車(chē)全周轉時(shí)間分析和顯示、運用車(chē)配車(chē)數分析和顯示、安全防護距離-距離圖分析和顯示、安全制動(dòng)距離－距離圖分析和顯示、安全距離-距離圖分析和顯示。其中線(xiàn)路行車(chē)間隔分析包含了車(chē)站、區間和出入段線(xiàn)的行車(chē)間隔，折返站折返間隔將針對幾種基本折返站型進(jìn)行分析。

　　3計算機仿真對軌道線(xiàn)路設計的指導

　　根據牽引計算結果及性能分析結果，我們可以看出站前設計中的一些問(wèn)題，比如不能滿(mǎn)足信號整體系統要求，讓信號控車(chē)達不到要求或者影響旅客舒適度等。下面從兩個(gè)方面舉例來(lái)探討計算機仿真結果對線(xiàn)路設計的指導作用。根據初步設計的線(xiàn)路數據，比如限速，另外有了坡度，曲線(xiàn)，以及信號專(zhuān)業(yè)的設備位置布置、各種信號參數的值，這時(shí)候就可以對線(xiàn)路的運行進(jìn)行一個(gè)比較真實(shí)的仿真。通過(guò)仿真軟件得到的旅行速度或者兩個(gè)站之間的行車(chē)間隔。通過(guò)以上的數據就可以知道，這樣的線(xiàn)路設計是否滿(mǎn)足追蹤折返的能力需求。比如通過(guò)旅行速度，站間行車(chē)間隔，可以從速度距離圖，結合線(xiàn)路圖上看出，是哪一段出現了速度“卡脖子”的情況，然后可以針對卡脖子的具體情況進(jìn)行分析，考慮在這段可以進(jìn)行修改的線(xiàn)路設計，比如可以在超高上進(jìn)行修改，甚至可以修改曲線(xiàn)半徑。當然有時(shí)候也可以調整停站時(shí)間。經(jīng)過(guò)這樣的修改，基本可以讓行車(chē)間隔、旅行速度滿(mǎn)足系統需求。另外一種情況，是根據ATO實(shí)際控車(chē)曲線(xiàn)，如果ATO實(shí)際控車(chē)曲線(xiàn)出現“臺階”次數過(guò)多，就說(shuō)明線(xiàn)路在運行的時(shí)候牽引制動(dòng)次數過(guò)多，這樣會(huì )極大地影響旅客的乘坐舒適度。當我們發(fā)現仿真結果出現臺階過(guò)多的情況的時(shí)候，一般也可以對線(xiàn)路的相關(guān)參數進(jìn)行修正，然后再仿真看ATO的控車(chē)曲線(xiàn)是否變得更好。

　　4計算機仿真對車(chē)站配線(xiàn)的指導

　　一個(gè)好的仿真軟件，能夠對車(chē)站配線(xiàn)進(jìn)行指導，通常體現在對安全線(xiàn)長(cháng)度的設計指導，以及折返線(xiàn)車(chē)過(guò)道岔時(shí)安全距離的指導。工程設計過(guò)程中，經(jīng)常遇到在折返站、終端站等位置需預留多長(cháng)的安全距離的問(wèn)題。安全距離預留過(guò)短會(huì )影響到行車(chē)效率，過(guò)長(cháng)又會(huì )增加不必要的工程投資。在仿真軟件計算出的牽引計算速度距離圖中，我們可以直觀(guān)的看到ATO控車(chē)曲線(xiàn)和包絡(luò )線(xiàn)之間橫坐標的差值，即安全距離的長(cháng)度，見(jiàn)圖2，可以用來(lái)指導施工設計中安全距離的設置。圖2中的d1、d2、d3分別表示制動(dòng)的階段一、階段二、階段三。

　　5計算機仿真對行車(chē)組織的指導

　　對行車(chē)組織的指導，以西南交大開(kāi)發(fā)的仿真系統為例，主要是對配車(chē)數的一個(gè)指導。運用車(chē)的配車(chē)數與列車(chē)全周轉時(shí)間、最小運行間隔有關(guān)，按下式計算:運用車(chē)配車(chē)數N=列車(chē)全周轉時(shí)間T(min)/最小運行間隔(min)其中，列車(chē)全周轉時(shí)間由牽引計算結果得出，當仿真結果得到以后，可以對運用配車(chē)數進(jìn)行一個(gè)更合理的指導。

　　6目前城市軌道交通仿真軟件的缺陷

　　目前的城市軌道交通的仿真軟件有很多，各個(gè)廠(chǎng)家的軟件大致思路一致，但是牽引計算仿真之后得出的結果可能各有側重。比如西南交通大學(xué)的CBTC仿真是側重能力計算，以及對線(xiàn)路，車(chē)站配線(xiàn)的指導;而opentrack是側重對行車(chē)組織的指導。但是筆者發(fā)現，各個(gè)單位的仿真軟件都有一些共同的缺陷。

　　6．1基礎數據的完整性問(wèn)題

　　比如現在很多仿真軟件沒(méi)有對長(cháng)短鏈進(jìn)行處理，沒(méi)有對地鐵的通風(fēng)口的設計進(jìn)行考慮，當然對于隧道的風(fēng)阻等不容易考慮的數據也一般沒(méi)有考慮。另外，很多數據，不一定在軟件的界面進(jìn)行設置之后的牽引計算時(shí)候真實(shí)用到。

　　6．2仿真的真實(shí)性問(wèn)題

　　由于在仿真基礎數據結構規劃的時(shí)候，有些可能性就沒(méi)有考慮，而且在軟件開(kāi)發(fā)中，也確實(shí)很難將線(xiàn)路實(shí)際運行的所有情況都考慮進(jìn)去。所以，所有的仿真都不是完全真實(shí)的，但需要設計人員具體問(wèn)題具體分析，不能完全依靠仿真軟件。

　　6．3有關(guān)節能的仿真問(wèn)題

　　由于現在全世界都提倡節能減排，不少設計單位開(kāi)始關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，都在仿真中對這個(gè)有相應的需求，但是實(shí)際仿真軟件還很少有對這方面的研究。

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