地铁OCC行车调度仿真培训系统的虚拟列车群模块设计与开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着城市轨道交通的迅速发展，对各类地铁运营人员的需求大增。传统的培训方 式由于费用高、效率低，已无法满足要求。在这种背景下，利用计算机仿真技术来进 行培训的方式应运而生，这种方式不仅费用低，而且效率高。而地铁行车调度仿真培 训系统作为整个o c c ( 运营控制中心) 调度仿真培训系统的重要组成部分，将为o c c 行车调度人员的培训提供强有力的支持。 行车调度仿真的核心内容是模拟线路上车流( 简称虚拟列车群) 的运行情况，为 整个轨道交通综合仿真培训系统提供所有列车对象仿真模型，每一列车模型都是以牵 引计算理论为基础，建立运行模型，列车由虚拟司机驾驶，列车的运行受信号系统和 运行图的约束。当前国内对列车群的研究，主要是针对列车运行图的铺画和运行线的 调整，仿真模块大多是模拟列车按铺画的运行图运行的情况，对线路条件、列车特性 及信号系统特点处理的都比较简单。因此，本文对虚拟列车群的设计与开发具有非常 重要的现实意义。 本文结合地铁o c c 行车调度仿真培训系统的功能，在对虚拟列车群功能深入了解 的基础上，对虚拟列车群模块进行了设计开发。本文首先明确了行调仿真培训系统的 功能、组成以及列车运行相关基础环境；然后，针对城市轨道交通列车运行之特点， 对虚拟列车群进行功能需求分析；在此基础上，对列车群模块进行了详细的设计与实 现，主要包括：虚拟司机数据结构的设计及实现；列车运行模型的建立及具体实现； a r p 的建模与实现；列车群控制管理功能的设计与实现。最后，将虚拟列车群模块应 用到行调仿真培训系统中，结合该仿真培训系统的功能，对列车群功能进行了测试与 验证。并具体从两个案例出发，阐述列车群功能的仿真实现及该系统对行调人员的培 训功能。 仿真结果表明，将此列车群模块应用到仿真培训系统中，不仅能为调度员提供一 个真实的运营环境，还能验证线路的通过能力，并能模拟各种非正常行车，实现对调 度人员的培训功能。 关键字：列车群；虚拟司机；列车运行仿真；a t p ；运行故障 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i mt 1 1 er a l p i dd e v c l o p m e n to fm er a i l w a y ，m o r e 强dm o r cr a i l w a yd i s p a t c h e r sa r e n e e d e d b e c a u s eo f 泐m u c hc x p e n s e 觚dl o we 伍c i 肌c yt 1 1 e 仃a d i t i o n a lw a yo f 删n g m i l w a yd i s p a t h e r sh 撇ta l r e a d ym e tm e 嘲u i r e m 饥t s o 廿l a tak i n do fn e w 仃a i n i n gw a y t 1 1 a t u s i i l gc o m p u t e rs i m u l a t i o nt c c h n o l o g yt 0 仃a i nr a i l w a yd i s p a t l l e 瑙e m e r g e s ，w h i c hi sl o w e x p e n s ea n dl l i g he 伍c i 饥c y a n do c ct r a 伍cd i s p a t c h e rs i i n u l 撕o n 佩n i i l gs y s t e mi s 孤 i m p o r t a i l tp 硼o ft l l eo c cd i s p a t c h e rs i m u l a t i o n 仃也i n gs y s t 锄nw i l l 即访d es 仃0 n g s u p p o r tf o rm er a l i l w a y 仃a 蚯cd i s p a t c h e r 仃a i n i n g s i m u l a _ t i n gt 1 1 eo p e r a t i o no fm f l o wo nl i n e ( 访m l a l 仃a i n 孕0 u p ) i sm ec o r ec o n t 钮to f 也eo c c 勺陋街cd i s p a t c h e rs i m u l a t i o n i tp r 0 访d e sa l l l e 臼嘲ns i l n u l a t i o nm o d e lf o rt h e e n t i r er a i l 仃a n s i tc o m p r e h e i l s i v es i i i l u l a t i o n 仃a i n i n gs y s t e m e v e 巧仃a 协e s t a l b l i s h e sm e o p e r a t i o nm o d e lo n 也eb a s i so f 仃a c t i o n 嘲c u l a t i o nt h c 0 哆n e 砌ni s “v e db yv i 咖a l d r i v e r ，a n dc o n s 仃a i n t e db ys i 弘a 1s y s t e ma n d 打如d i a 罢乒a m n o w d ，s ，m er e s e a r c l lo f 仃a i n 毋1 0 u pa th o m ei sm a i n l yt 0a i ma tm es h o pp a i n 衄ga n da d j u s 缸1 1 e n to ft h e 仃a i nd i a 伊锄， a i l dt h el i n ec o n d i t i o n ，俩np r o p e n i 髓a i l dc h a r a 曲e r i s t i c so fs i 印a 1s y s t e m 仃c a 缸n e n ta r e q u i t es i m p l e t h e r e f o r c ，i nt h i sp a p e r ，t l l ed e s i 弘a n dd e v e l 叩m e n to fv i l 札a 1 砌ng r o u ph 觞 v 豇y 缅1 p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c c c o m b i n e dt 0t h ef 1 1 r l 砸o no ft l l em e 仃oo c cd i s p a t c l l i n gs i m u l a t i o nt r a 血i n gs y s t e m t h ev i r t u a l 仃a i n 昏0 u pi sd e s i 弘e da n dd e v e l o p e do nt l l eb a s i so ft l l er e a l i z a t i o no ft h e f 1 1 n c t i o no ft l l e 、，i r n l a l 仃a i ng r o u p t 1 1 i sp 印e rf i r s ti 1 1 昀d u c 懿m e 缸1 砸o na i l dc 0 m p o s i t i o n o fm es h u l a t i o n 砌i l i n gs y s t e m 趾dt h eb 嬲i c眺n m e n tr e l a t e d t r a i l l o p e r a t i o n t h e n ，c 0 l b i i l e dt 0t l l ec h a r a c t 耐s t i co f 仃a i no p e r a 缸o n ，、，i r t u a l 仃a i n 目0 u ph 嬲b e m a d e 缸a i l e df i l n c t i o n a l r e q u i r c 瓶e n t 趾a l y s i s t h c l l ，m em o d u l e s a r ed e s i 盟c d 觚d i m p l e m 胁t e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n 锄d 抽1 p 1 锄e n to fd a t as t r u m u r cf o rv i r t u a l 嘶v e r ，t h e m o d e l i n g 踮di m p l 锄e n t a t i o no f 仃a i no p e r a ：t i o n ，t h em o d e l i n g 觚d 面1 p l e 虹l 髓t a t i o no f a i p t h ed e s i g na n di n l p l e m e n t i o nf 0 r 仃a i n 目o u pc o n t r 0 1m a n a g e m e n tm n c t i o n f i n a l l y 也e 帆a l 俩ng r o u pi sa p p l i e dt 0m es i m u l a t i o nn 前n i n gs y s t e m c o m b i n e dw i mm e 如n c t i o n o fm es i m u l a t i o n 砌n i n gs y s t e m ，t h e 胁c t i o na r et e s t o da n dv e r i f i c a t e d a n d 仃o mt w o c o n c r e t ec 嬲e s ，m i sp a p e re x p o u i l d s 也ei i i l p l e t e m e n to f 也es i m u l a t i o no f 缸ng r o u p 锄d 也e 血n c t i o nf o r 仃a i n i n gd i s p a t c h e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt h e 仃血g r o u pm o d u l ei sa p p l i e dt 0t l l es i m u l a t i o n 锄n i n gs y s t e m ，n o to n l yc 姐p r o v i d e t h ed i s p a t c h e rar e a l0 p 训i o n 锄、，i r o n m 即t ，b u ta l s oc a n v 积匆也ea b i l i 锣o ft h el i n e 她u 曲，趾dc 锄s i m u l a t ev 撕o l l sa b n o 咖a 1 酾v i n g ，r c a l i z et h e d i s p a t c h e r 嘲n i n gf h n c t i o n 1 沁y w o r d s ：t r a j l lg r o u p ；v 砷脚蹦v s i m u l a t i o no f 删n0 p e r a t i o n ；a t p ；0 p e r a ：t i i l gf 撕l t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题来源及论文研究内容4 1 3 1 课题来源4 1 3 2 论文研究内容4 1 4 论文内容安排。4 第2 章相关背景知识介绍6 2 1 行车调度仿真培训系统的组成6 2 1 1 教员系统7 2 1 2 学员系统9 2 1 3 运算服务器系统1 0 2 2 列车运行相关基础环境介绍1 1 2 2 1 运行图1 1 2 2 2 区域控制器1 2 2 2 3 信号机1 2 2 3 本章小结13 第3 章虚拟列车群模块功能需求分析1 4 3 1 虚拟列车群功能概述1 4 3 2 虚拟列车群模块结构1 4 3 3 功能需求分析。1 5 3 3 1 虚拟司机1 5 3 3 2 列车运行计算。16 3 3 3a t p 超速防护1 7 3 3 4 列车群控制管理1 7 3 4 本章小结一1 8 第4 章虚拟列车群模块的设计与实现1 9 4 1 开发环境的介绍19 4 2 虚拟司机模块的设计与实现1 9 4 2 1 虚拟司机数据结构的设计1 9 4 2 2 虚拟司机的实现2 0 4 3 列车运行计算模块的设计与实现2 5 4 3 1 列车运行模型的建立2 5 4 3 2 列车运行计算模块的实现3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 4 4a t p 模块的设计与实现3 4 4 4 1a t p 的建模3 4 4 4 2a t p 模块的实现3 7 4 5 列车群控制管理模块的设计与实现3 9 4 5 1 列车群模型的建立3 9 4 5 2 运行控制子模块的设计与实现4 2 4 5 3 故障管理子模块的设计4 4 4 6 本章小结：4 6 第5 章虚拟列车在行调仿真系统的应用4 7 5 1 仿真平台介绍4 7 5 2 初始化数据准备4 8 5 3 仿真结果4 9 5 4 仿真实例分析5 3 5 4 1 仿真实例l 5 3 5 4 2 仿真实例2 ：5 5 5 5 结论5 6 5 6 本章小结5 6 结论与展望5 7 致谢5 9 参考文献6 0 攻读学位期间发表的论文及科研情况6 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章主要介绍本课题的研究背景和虚拟列车群的研究意义，对国内外研究现状进 行了分析，并进_ 步阐述了本课题的研究方法和论文的内容安排。 1 1 课题研究背景及意义 随着经济的高速发展，城市轨道交通也得到了飞速的发展。目前，全世界建成地 铁轻轨网络系统的国家已经有6 0 多个，地下铁道运营线路超过1 0 0 衄的城市多达1 4 座，全世界总的运营线路已超过6 0 0 0 蛔【l 】。而在我国，据统计国内轨道交通在1 9 9 8 年到2 0 0 8 年这1 0 年间的建设总量已经大大超过了世界发达国家在此期间建设的总和。 专家预测，如果按照现在每年建设1 0 0 1 2 0 公里线路的速度发展，我国城市轨道交通 线路里程在2 0 2 0 年将达到2 0 0 0 3 0 0 0 公里的规模1 2 j 。 在城市轨道交通迅速发展的同时，对合格的地铁运营人员的需求也越来越大。但 是，传统培训方式采用的是“师傅带徒弟“ 的模式，此种方式由于需要长期的观摩实 践，且培训的手段比较单一，不仅浪费了大量时间和精力，而且对很多故障现象不能 进行现场演示，这就很难达到培训目标，已经无法满足目前地铁对运营人员需求不断 增大的局面。为了解决这个问题，更快更多的培训出合格的地铁调度人员，利用计算 机仿真技术及各专业领域的知识建立起的仿真培训系统应运而生，现在，在对地铁运 营人员的培训中已广泛使用该培训系统。新员工通过仿真培训系统的培训，可使工作 技能得到更有效、更直观、更全面的快速提高；老员工也可利用此仿真培训系统进行 再培训，使技能标准化。 地铁行车调度仿真培训系统是整个o c c ( 运营控制中心) 调度仿真培训系统的重 要组成部分，它为o c c 行车调度人员的培训提供了强有力的支持。行车调度仿真的核 心内容是模拟线路上车流( 简称虚拟列车群) 的运行情况。虚拟列车群模块为整个轨 道交通综合仿真培训系统提供所有列车对象仿真模型，自然成为行车调度仿真培训系 统的重要组成部分之一，通过虚拟列车群模块，可以计算出整条线路上所有车辆的位 置、速度及功耗等参数。虚拟列车群与o c c 各子系统的关系如图1 1 所示，它可为 o c c 电调提供列车位置、功耗等，为环调提供列车位置，是连接o c c 行调、电调、 环调的纽带，在o c c 仿真系统中有极为重要的作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 提供列车位置、 功 1 2 国内外研究现状 靴置 图1 1 虚拟列车群与o c c 各子系统关系图 目前，国内的调度培训系统的虚拟列车群模块多采用简单仿真模型，并且表现形 式单一，没有根据具体情况加入相应的驾驶策略。使其在表现的灵活性和逼真度上大 为减弱，更限制了其应用范围，无法实现方案预演等功能。因此，建立列车运行模型， 结合相应的驾驶策略实现列车的运行仿真是非常重要的。 国外对列车运行仿真的研究起步相对较早，用于列车运行仿真的软件也比较成熟。 美国铁路在2 0 世纪6 0 年代就开发了一个用于列车牵引计算的通用计算器一t p c ( t r 痂 p c r 】鼢1 n 跹c ec a l 1 a t e ) 计算包【1 5 】。该计算包可以根据线路平纵断面和列车编组情况，计 算并分析列车的运行时分，评价机车的牵引性能以及评价由列车编组、线路条件等因 素变化后产生的效果。此外，它还可以计算并分析列车在长大上、下坡道时的起动及 停车制动性能。通过引用该计算包，相关辅助模拟系统陆续被开发出来，例如：r a i l s i l n 、 r a i l p l 姐、o n t r a c k 、r a i l t i r a 伍cc o 地吣1 l e r 等。r 面1 s i m 为列车操纵与运行仿真系统， 此系统不仅可进行列车牵引计算相关的诸如牵引能力、制动能力、能耗等列车性能的 计算，还可以用来进行电力机车荷载跟踪分析、多列车网络模拟等【l 引。 t r a i n s t a r 系统是一个机车工程师辅助系统，它结合列车模拟技术和w a b c o 导航 系统技术，为机车工程师提供了新一代的智能辅助系统。改善机车操纵性能，增加系 统安全性，降低能耗等是此系统的目标；可自适应的进行列车行为预测是该系统的关 键技术，即在当前运营条件下可预测列车的运动行为，并能预测牵引和制动等问题。 2 0 世纪8 0 年代，日本交通控制实验室研制了名为u t r a s 的系统，它是具有通用 意义的新一代牵引计算与铁路模拟系统，并且在2 0 世纪9 0 年代开始得到应用。该系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 统的出发点是研究新干线交通控制系统，它可以对列车进行牵引计算，分析列车模型 对运营的影响，分析不同通信信号制式的影响以及分析多列车运行性能及效果等。此 模拟系统目前在日本已经得到了比较多的应用。 相较于国外，国内在列车运行过程方面的研究相对落后，但其发展速度也是很快 的。最初采用的是人工计算，现在逐步发展到了以列车动力学模型为基础的自动计算。 总的说来，国内关于列车运行过程的研究主要表现在以下两个方面： 1 、在牵引计算理论方面的研究 国内对牵引计算的理论研究，主要是研究用于牵引计算的基础数据，如黄问盈等 人对列车运行阻力函数的标定【6 1 ，萨殊利等人对附加阻力的研究等【1 1 1 。随着计算机技 术的发展，采用计算机技术来仿真列车的运行过程，已成为牵引计算研究的主流并逐 渐走向成熟。总体说来，计算机牵引计算的研究在列车模型方面可分为单质点的牵引 计算模型和多质点的牵引计算模型；在适用范围方面可分为城际列车的牵引计算系统 和城市轨道列车牵引计算系统：从模型的特点方面可分为简化线路和编组模型以及非 简化模型等。 2 、在列车运行过程仿真方面的研究 以牵引计算理论为基础，国内对列车运行过程的研究已开始从单列车运行仿真发 展到多列车追踪运行过程仿真的研究。如彭其渊、石红国等人对城市轨道交通列车牵 引计算的研究4 1 ，以及毛保华、丁勇、刘海东等人对列车运行过程仿真的研究【5 】【1 3 】。 针对单列车运行过程的研究，主要是以列车动力学模型为基础，再根据列车运行 过程中所受约束条件，如限制速度、道岔限速、车站信号、区间运行时分等因素变化 的情况下，对列车的运行工况进行动态调整，从而达到研究列车运行过程的目的。在 单列车的运行过程基础上对多列车的运行过程进行研究，结合列车追踪间隔之要求， 研究列车之间的运行相互影响关系。 综上所述，本课题在牵引计算理论基础上，针对城市轨道交通列车运行之特点， 建立单一列车的运行模型，列车由虚拟司机驾驶，根据虚拟司机操纵的牵引制动手柄 级位实现列车的走行计算。在单一列车模型基础上，结合信号系统特征和列车运行图 要求，采用面向对象的方法构建虚拟列车群。虚拟列车群能按照列车自动监控( a t s ) 模 块计算出的运行图要求实现模拟运行，能实现列车自动驾驶( a t o ) 功能，列车自动防护 ( a t p ) 功能，并模拟各种故障影响列车运行的状态，为o c c 电调、环调输出其计算需 要的相应参数，为o c c 仿真培训系统模拟一个真实的运营环境，实现行调、电调、环 调的联合培训。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 课题来源及论文研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于所在实习公司地铁综合运营仿真培训系统研发项目下的地铁 o c c 调度仿真培训系统子项目，笔者在整个项目中负责行车调度仿真培训系统虚拟 列车的开发。 行车调度仿真培训系统为行调学员提供了一个真实的运营环境，通过学习培训可 提高学员的常规操作技能，并能积累应急处理经验。本系统中所使用的线路数据是成 都地铁一号线的真实数据，并以成都地铁一号线的行车组织为蓝本，模拟线上列车的 运行。 1 3 2 论文研究内容 本文主要研究行调仿真培训系统中虚拟列车群功能的实现。在研究工作中，本人 的主要研究工作如下： 1 ) 学习关于地铁o c c 行车调度方面相关的文献资料，了解地铁行车调度所涉及 的列车自动控制系统( a t c ) 、微机联锁等的功能，明确地铁行车调度仿真与铁路运营 仿真的区别，明确o c c 行车调度员的职责。 2 ) 结合牵引计算理论，研究目前列车运行模型和算法，对这些模型和算法进行分 析比较，在此基础上，建立列车运行模型。研究目前列车的驾驶模型，在地铁行车特 点的基础上，构建列车在自动和人工控制下的驾驶模型。学习与列车驾驶策略相关的 文献资料，研究目前已有的驾驶策略，通过分析地铁行车规律，确定受列车时刻表及 信号系统约束的列车驾驶策略。 3 ) 研究信号系统对列车群运行行为的影响，结合列车运行图要求，构建虚拟列车 群。在驾驶策略的基础上，结合目前已成熟的列车运行控制理论，实现列车的模拟运 行及故障模拟，并为o c c 电调、环调输出其计算需要的相关参数。 4 ) 在v c 6 0 的编译环境下，建立列车群模块的仿真模型，在地铁o c c 行车调度 仿真培训系统的平台上，模拟列车的运行并进行故障操作，结合列车实际运行图和真 实系统情况，验证列车群行为的正确性。 1 4 论文内容安排 本文通过对行车调度仿真培训系统的功能进行分析和研究，描述了虚拟列车群的 结构及各功能模块，使用s u a lc + + 6 o 设计实现了虚拟列车群的仿真。本文共分为6 章，主要内容及组织如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第1 章，绪论。介绍了本课题的选题背景、选题意义、国内外现状、课题来源和 论文研究内容以及论文的安排等。 第2 章，相关背景知识介绍。首先对整个行调仿真培训系统的组成进行了介绍， 然后对列车运行相关的基础环境进行了介绍。 第3 章，虚拟列车群功能需求分析。首先对虚拟列车群总体功能进行了分析，然 后对各功能模块进行了划分，并对各功能模块进行了功能需求分析，包括虚拟司机、 列车运行计算、a t p 超速防护、列车群运行管理。 第4 章，虚拟列车群模块的设计与实现。首先对整个开发环境进行了介绍，然后 依次对虚拟司机模块、列车运行计算模块、a t p 超速防护模块以及列车群控制管理模 块进行了具体的设计与实现。 第5 章，虚拟列车群在行调仿真培训系统中的具体实现。本章将虚拟列车群应用 到行调仿真培训系统中，结合行调系统的功能，对列车群功能进行了测试与验证，并 具体从两个案例出发，阐述了列车群功能的仿真实现及此系统对行调人员的培训功能。 结论与展望：首先对本文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章相关背景知识介绍 本章主要介绍了本文所涉及的相关背景知识，包括行车调度仿真培训系统的组成 及功能，列车运行相关基础环境。 2 1 行车调度仿真培训系统的组成 地铁o c c 行车调度仿真培训系统是一种以真实调度系统为蓝本的虚拟仿真培训系 统，它利用计算机仿真技术模拟各种真实地铁行车调度操作，并将这些操作以课程训 练的形式展现。其设计的目的是对行车调度学员进行考核与培训，这些考核与培训包 括： 1 ) 正常运行时，行调人员对整个运行线路进行监控，并对警报与报警信息进行确 认，然后采取相关措施。 2 ) 在故障与突发事件下，行调人员对事故及突发事件进行确认处理，并与电调、 环调进行联合培训等。 通过课程训练，行车调度学员能比较迅速的掌握各种行车调度操作。根据地铁行 车调度系统的特点以及o c c 行调仿真培训系统的功能，该仿真培训系统主要包括：教 员系统、学员系统、运算服务器系统等。系统的硬件组成框图如图2 1 所示，行调学 员在进行培训时，教员为学员设置训练课程并对学员操作进行监控，而学员则在学员 端进行课程训练。 数据 行调学员 教员系统 图2 - l 行车调度仿真培训系统硬件结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 1 教员系统 教员系统的责任是对各学员的训练进行监控管理，并对整个仿真系统进行日常维 护，它是整个行调仿真培训系统的重要组成部分。教员在整个训练过程中担当组织者 和指导老师。 作为组织者，教员需要管理学员信息、课程信息以及故障信息。作为指导老师， 教员需要新建训练、选择课程、给参加培训已登录的学员分配角色。教员还可以实时 监控学员的训练状况，以便对学员所进行的操作进行讲解指导，或是在考核测评后对 其进行主观评价。所以教员需要对训练进行管理并且要实现整个运营线路的监控。因 此，教员系统的主要功能包括：学员信息管理、课程管理、训练管理、故障管理。 1 、学员信息管理 学员信息需要由教员来管理，在培训过程中教员可对学员信息进行新建、修改、 删除等常规操作。 2 、课程管理 课程管理主要包括新建、修改、删除、保存等功能。对于某一种特定情况来说， 所要进行的处理步骤和处理流程都基本相同，为了方便其培训，教员可以针对所要进 行的培训组合设置一些有针对性的课程，并对其进行保存，以便在以后的培训过程中 还可以选择该课程进行培训。 3 、训练管理 训练管理主要有新建训练，选择训练课程，为学员分配角色。在训练过程中教员 可以任意地对训练中的学员操作、运行状态等信息进行监控，以达到有效的培训目 的。 4 、故障管理 故障管理主要包括新建、修改、删除、保存等功能。在培训过程中给学员模拟一 些故障场景，可以提高学员在非正常工作环境下的工作技能。 教员的具体操作流程如图2 2 所示，教员系统的操作界面如图2 3 所示。 教员训练的业务流程如下： 1 ) 启动教员客户端并登录； 2 ) 启动完成后，新建训练、选择课程并等待学员登录； 3 ) 待学员登录完成后，为已登录的学员分配角色； 4 ) 给服务器发送初始化命令； 5 ) 待系统初始化完成后，发送开始训练命令给服务器，通过对运营路线的监控掌 握学员的操作状况，通过时刻表检验学员操作是否及时有效； 6 ) 根据培训目的教员可选择性的设置相关故障，以便检查学员处理故障的能力和 应急反应能力； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 7 ) 培训完成后，教员对学员的训练作出评价并结束训练。 图2 2 教员训练管理流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 2 学员系统 图2 3 教员系统界面显示 学员系统是直接面向行调学员的，它作为学员进行培训的操作平台，也是行调仿 真培训系统中不可或缺的组成部分。作为操作平台，学员系统仿真出的人机交互环境 是与真实系统相一致的，行调学员能在其上进行各种调度操作训练。在进行培训时， 根据训练要求，学员系统能进行单机操作训练，也能在教员指导下与其他系统一起进 行联机仿真训练。 学员系统软件由两个模块组成：界面显示模块和系统操作模块。其中，前者主要 实现界面的显示以及数据的实时更新功能；后者则负责响应学员的操作命令，并采集 学员的各项操作信息，然后将信息传递给运算服务器，从而实现相应的逻辑运算。学 员系统的总体流程如下图2 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 3 运算服务器系统 图2 - 4 学员训练操作流程 运算服务器作为系统仿真逻辑运算的平台，主要完成o c c 行调、电调、环调服务 端的仿真计算，是整个o c c 调度仿真培训系统的核心组成部分。其中，行调服务端主 要完成计算机联锁、虚拟列车仿真运算、进路管理等功能。计算机联锁功能由联锁模 块实现，主要是引导列车运行并保证运行安全；虚拟列车仿真运算由虚拟列车群模块 实现，它为整个仿真系统提供列车模型，为线上每一列车计算出速度、位移等参数。 进路管理功能由a t s 模块实现，它主要为每一列车下发运行计划，对进路进行管理。 三者配合，能实现线上列车的运营仿真，为行调学员提供真实的运行环境。行调服务 端还能接收来自教员、学员的请求，教员、学员端由用户操作或经程序本身通过网络 请求发送到服务器处理模块，服务器完成相应的仿真计算，并把运算结果反馈到客户 端。除此之外，服务器还负责完成与电调、环调等系统的协作通信，既接收并处理来 自其他系统的信息，也将列车信息传送给其他系统，完成行电环三个系统的联合培训。 运算服务器系统的运行界面如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 5 服务器系统运行界面 2 2 列车运行相关基础环境介绍 在行车调度仿真培训系统中，要实现列车的运行，首先要根据a t s 中的运行图计 划为每一列车下发运行计划。列车在运行过程中，需根据信号机状态确定前方进路的 开放关闭状态，另外，列车在基于无线通信的列车运行控制( c b t c ) 模式下运行时， 还需要轨旁区域控制器( z c ) 为其提供移动授权。下面将对列车运行相关基础环境进 行介绍。 2 2 1 运行图 列车运行图是一个二维线条图，它表示出了列车在铁路各个区间的运行时刻以及在 每个车站的停车时刻和通过时刻。列车运行图规定了各次列车占用区间的顺序以及在 每个车站的出发、到达或通过的时刻，此外，它还规定了列车在各区间的运行时分以 及在车站的停站时分等。在列车运行图上，直观的显示出了各次列车在时间和空间上 的相互位置及对应关系。因此，列车运行图既是铁路运输工作的综合计划，也是行车 组织的基础，还是协调铁路各部门进行活动的工具。 在列车运行图上，一般以横坐标表示距离，纵坐标表示时间。此种情况下，运行 图上的水平线表示时间，垂直线则表示车站的中心线；相邻垂直线间的间隔表示相邻 两车站间的距离，水平线间的间隔则是表示时间的单位。列车被看成是一个质点，斜 线为列车运行之轨迹，代表列车运行线。列车运行线与车站中心线之交点就是列车到 站、出站和通过的时刻。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 通过列车运行图，可以直观的观察到列车在线上运行的真实情况。 2 2 2 区域控制器 区域控制器一般设置在地铁有岔站，它是实现地铁列车在c b t c 模式下行车的地 面核心设备。在c b t c 模式下，保证列车的安全运行是区域控制器的主要功能，此外， 它还要为所管辖区域内的每一列车计算移动授权m a ( m o v e m e n t 加l m o r i 妫，并对这些 列车进行管理。在列车运行过程中，区域控制器实时的与数据库系统、列车自动监控 系统、计算机联锁系统进行信息交互，协调对列车的管理。 区域控制器对管辖范围内运行的列车进行管理，主要包括：列车登录、进入区域 控制器控制以及对列车的正式管理等【1 引。列车运行进入区域控制器管辖范围时，途经 第1 个应答器时，列车上的车载控制器c c 向所在z c 进行登录，z c 将此列车管理为 预登录列车。途经第二个应答器时，列车获得了自己的位置和方向，此时，列车向z c 报告自己的位置和方向，并向该z c 提出进入控制的申请，在z c 为该列车提供m a 后， 该列车就成为此z c 的正式管理列车。当列车在z c 管辖范围内运行时，z c 会根据管 辖区域范围内各列车的速度、当前位置以及运行方向等因素，同时结合列车进路状态、 线路限速、道岔状态以及其他障碍物等条件，向列车发送m a 。m a 为列车提供了进路 状态，目标点及障碍物信息。下图2 。6 是区域控制器为列车提供的移动授权示意图。 图2 6 移动授权示意图 这里的终点障碍物包括：进路终点、前方列车以及道岔等。如果列车的前方进路 上，没有其他列车运行，则终点障碍物为进路的终点；如果该进路上有其他列车在运 行，则终点障碍物为前方列车，此时，将前方列车尾部减去安全防护距离的长度作为 列车的运行终点。 2 2 3 信号机 本仿真系统中，信号机的显示有以下几种情况： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 ) 绿灯：进路排列至下一个信号机，允许列车在线路限速条件下运行。 2 ) 黄灯：进路开放至下一个信号机，至少有一组道岔在反位且锁闭，允许列车以 道岔允许速度在线路限速条件下运行。 3 ) 红黄灯：引导信号，列车应以低于2 5 勋i 油的速度通过。 4 ) 红灯：绝对停止信号，不允许列车越过此信号。 列车在行进过程中，根据信号机的显示，就可确定前方进路的开放和关闭状态。 在本仿真系统中，根据信号机对进路的防护性质，将信号机分为普通信号机和自动信 号机。 普通信号机一般都处于关闭状态，通常设置在无道岔区段。当列车运行到该信号 机的触发区段时，联锁会检查以下几个条件：前方区段是否有车占用、敌对信号是否 开放、进路内的道岔位置是否正确，若任一条件不满足，信号机都呈关闭状态，不允 许列车通过；若以上联锁条件都满足，则信号开放，允许列车通过。 自动信号机的设计是为了提高信号系统的智能化以及自动化程度，通常设置在道 岔区段。当某进路以自动信号机为始端时，列车在通过此进路后进路会自动解锁，此 类型的进路也可以通过调度员人工办理。 2 3 本章小结 本章主要介绍了实现本论文虚拟列车群功能所涉及的相关背景知识。首先介绍了 行调仿真培训系统的组成及功能，重点介绍了该仿真培训系统中教员系统、学员系统 以及运算服务器系统的功能及对应流程。接下来介绍了列车运行相关基础环境，包括 列车运行图、区域控制器和信号机的基本原理和功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章虚拟列车群模块功能需求分析 本章主要是对虚拟列车群的需求分析，在分析了虚拟列车群总体功能基础上，对 各功能模块进行了划分，并对各功能模块进行了详细的需求分析。 3 1 虚拟列车群功能概述 虚拟列车群模块的设计是基于真实系统基础之上的，它以实际列车的功能为蓝本， 仿真实现列车的各种功能。虚拟列车能在不同信号系统下，根据运行图要求和信号显 示，在虚拟司机的驾驶下运行，并能模拟各种常见故障。而虚拟司机在列车故障情况 下，则能根据具体的调度命令，实现非正常行车。虚拟列车群的基本功能如下： 1 、虚拟列车队列控制 可以按时刻表自动建立虚拟列车对象，并投放到运行线路中。 2 、虚拟列车 具备自动列车驾驶( a t o ) 功能： 具备自动列车防护( a t p ) 功能； 具备不同的驾驶模式，包括自动驾驶( a m ) 和人工驾驶( 砌旧； 可以在不同信号制式下行车，包括点式a t p ( 认r p ) 和c b t c ； 发生行车设备故障时，可以自动触发紧急制动； 可以接收区间限速、跳停等命令； 具备碰撞检测功能； 可以接受虚拟司机控制，并做出具体响应； 可以接受故障设置，并反映列车故障状态。 3 、虚拟司机 可以按不同驾驶模式行车； 可以根据信号和移动授权行车； 可以接收调度命令，并进行相应操作； 可以根据不同车型进行不同的驾驶，比如正常运营列车和工程维护车； 对故障或突发事件能做出基本反应，例如：发生突发事件时，能立即施行紧急 制动。 3 2 虚拟列车群模块结构 虚拟列车群模块是行调仿真培训系统比较重要的部分之一，它为整个行调仿真培 训系统提供列车模型。根据列车群功能的要求，此模块主要包括列车群运行控制和列 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 车群控制管理两大功能。其中，前者是列车具体功能的实现，又可分为：虚拟司机、 列车运行计算和a t p 超速防护模块。后者主要是列车群模型的建立以及对列车的运行 控制和故障管理。具体结构框图如图3 1 所示： 图3 - 1 虚拟列车群功能结构图 ：虚拟司机主要是模拟真实司机的驾驶行为，根据具体驾驶策略实现对虚拟列 车的驾驶。 ：列车运行计算模块主要是根据虚拟司机操纵的手柄级位，计算出列车的速度、 加速度、位移等，实现列车的走行计算。 ：a t p 超速防护主要是对虚拟列车进行超速防护，实现列车的安全驾驶。 ：列车群控制管理主要是在单一列车基础上建立列车群模型，并实现对列车的 运行控制和故障管理。 3 3 功能需求分析 根据上述的列车群模块的功能结构框图，下面将对每一子模块进行功能需求分析。 3 3 1 虚拟司机 真实的系统中，每一列车都由司机驾驶，司机根据信号显示，操纵牵引制动手柄 级位，控制列车的加速、减速过程。虚拟司机则完全模拟真实司机的驾驶行为，根据 信号机状态显示判断进路的开放状态，并结合a t p 限速信息以及进路剩余长度控制列 车的加速、减速过程，真实的模拟出列车的运行行为。在本文中，主要模拟虚拟司机 在i a r p 和c b t c 模式下对列车的驾驶行为。在点式下，虚拟司机完全按照信号显示行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 车；在c b t c 模式下，虚拟司机的驾驶不再受信号的约束，而完全按照移动授权命令 行车。 综上所述，虚拟司机的功能主要包括以下几个方面： 1 ) 判断信号系统模式，并根据具体的信号模式进行不同驾驶； 在本文中，列车可在i a t p 和c b t c 下行驶，因此，虚拟司机要根据具体的信号系 统采取不同的驾驶方式。若是c b t c 模式行车，则虚拟司机按照移动授权行车，否则， 完全按照信号机显示行车。 2 ) 记忆信号机颜色； 虚拟司机根据信号机颜色来判断前方进路的状态，其中，绿色表示正线进路开放， 列车可以线路允许速度通过；黄色表示侧线进路开放，列车可以线路允许速度通过； 红色表示禁止通行，列车需在信号机前停车。 3 ) 接收a t p 限速信息； 虚拟司机通过接收a t p 限速信息确定列车运行的最高速度，保证列车在最高速度 下安全运行。 4 ) 接收故障信息，并能对故障做出相应处理； 这里的列车故障主要包括：列车通信故障、列车设备故障、列车轻微报警以及列 车脱节( 分离) 。除列车轻微报警需减速行驶外，其他故障列车均需紧急制动。 5 ) 接收调度命令，并能做出相应反应； 虚拟司机接收的调度命令主要包括：进行紧急制动、连挂故障列车、掉头、引导 通过前方进路以及回到车库或各存车线。 6 ) 能针对不同车型采取不同的驾驶策略。 虚拟司机能根据不同的车型采取不同的驾驶策略，目前已有的车型包括：正常运 营列车和工程车。 3 3 2 列车运行计算 列车运