（交通运输规划与管理专业论文）列车速度联控模拟实验系统的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g y a n d t e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 、i tb e c o m e sp o s s i b l et o c h a n g et h e f a s ( f i x e d a u t o m a t i c b l o c ks y s t e m lt oan e wa d v a n c e dt r a i nc o n t r o l s y s t e m s y n c h r o n i z e dc o n t r o ，o f t h e 乃a f n s 娓l o c i t ys y s t e m ( s c t v s ) i st h el a t e s tt h e o r yi nt h i sf i e l d c o n c e n t r a t i n go nt h i st h e o r y , s o m e c o n c e r n e d p r o b l e m sa r es t u d i e d i nt h i sp a d e l 1 b ya n a l y z i n gt h ee x i s t e dr e l e v a n ts t u d ya c h i e v e m e n t sa 1 1o v e r t h ew o r l d t h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho ns c t v sa n dg o a l so f t h i sp a p e ra r ep u tf o r w a r d 2 b a s e do nt h e t h e o r y o fs c t v s a c o m p u t e r n e t w o r k s i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d f i r s t a n a l y z et h et h e o r yo fs c t v s a n ds o m ei m p r o v e m e n t sa r e p u tf o r w a r d t h e nt h e d e t a i l d e s i g no ft h es i m u l a t i o ns y s t e ma r e g i v e n t h ed e t a i ld e s i g no f t h es i m u l a t i o ns y s t e mi si n c l u d et h r e e p a r t s ：1 ，t h ed a t as t r u c t u r eo f t h es y s t e m t h i sp a p e rd e s i g n san o d e g r a p h f o rr m l w a yn e t w o r k b yu s et h i sd a t as t r u c t u r e ，i ti sv e r ye a s y t o d i s p l a yt h er a i l w a yn e t w o r ka n d1 0 c a t et h et r a i nr u n n i n go nt h e r a i l w a yn e t w o r k 2 ac a ds y s t e mf o ru s e rt oi n p u tt h er a i l w a y n e t w o r k 3 t h ea l g o r i t h mo f r e a lt i m et r a i nl o c a t i o nc a l c u l a t i o n t w o m o d e l sa r ed e s i g n e d ：o n ei st h eo p t i m a lm o d e lf o rt r a i nt r a c t i o n c a l c u l a t i o n ，t h eo t h e r i st h er e a lt i m et r a i nc o n t r o lm o d e l t h e a l g o r i t h mo f t h e s et w om o d e l sa r eg i v e n 3 s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d c o n t r a s tw i t ho t h e rb l o c k s y s t e m t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs c t v s a r ed i s c u s s e d ， t h ec a p a c i t yo ft h es e c t i o nu s i n gs c t v si sc a l c u l a t e d s o m ek e y t e c h n i c a l p r o b l e m sa r eg i v e n ，a n ds o m eu s e f u ls u g g e s t i o n a r ep u t f o r w a r d 北方交通大学硕士学位论文 论文摘要 随着通讯和自动控制技术的发展，改革传统的固定自动闭塞 行车制式，研究先进列车控制系统是当前铁路技术改革的一个重 要研究方向。 本文首先综述了国内外在该方向上的研究概况，对改革固定 自动闭塞行车制式的几种模式进行了介绍。然后选择最近的由王 光华教授提出来的“列车速度联控行车制式理论”作为理论基础 开发出一个仿真实验系统，对该理论作进一步的研究实验。 本文对“列车速度联控行车制式理论”作了较深入的分析， 并提出了一些改进措施。在此基础上，对系统进行了：亟佳设让， 进行了系统功能分解和模块设计。然后在总体设计的基础上进行 系统的详细设计。儇统详细设计主要包括三大部分：一、数据结 构设计。设计出以轨道电路绝缘节、岔心、曲线交点、到发线中 心为顶点的网状线路节点图数据结构，利用该数据结构可以方便 地进行铁路网的显示和列车定位显示。另外对于其它的一些功能 也相应设计了一些数据结构。二、路网平面图c a d 系统设计。 根据需要设计出铁路站场通用c a d 系统。对该部分的算法进行 了详细的描述。三、动态列车牵引计算的程序设计。首先构造了 列车牵引计算的数学模型( m o d e l1 ) ，然后根据“列车速度联控 行车制式理论”构造出列车追踪运行时的控制模型( m o d e l2 ) ， 并设计了这些模型的程序实现算法。广y 利用浚仿真实验系统进行了多次仿真实验，根据仿真结果对 “列车速度联控行车制式理论”进行了详细的分析：计算出了该 系统所模拟的区段的平图通过能力和菲平图通过能力；分析了该 行车制式的优缺点；对该行车制式实施的技术难点进行了分析， 并提出了一些相关的建议。 北方交透丈学硕士学位论文 第一章前言 第一节问题的提出 从十九世纪中叶铁路出现到现在，从初期的单线铁路到现在的 双线铁路、重载运输、客运专线、高速铁路等，可以说铁路在技术 上是取得了极大的发展，但是铁路行车制式在铁路的发展史上却相 对来说比较稳定。 说到铁路行车制式，首先要介绍固定自动闭塞行车制式。固定 自动闭塞行车制式在铁路运输中的作用和贡献是不可磨灭的。从1 9 1 1 年固定自动闭塞行车制式出现到目前，全世界绝大部分的铁路运输 都是采用固定自动闭塞行车制式作为保证铁路安全运输的手段，并 已经在此基础上发展成熟了一系列的运行调整和控制方法。固定自 动闭塞行车制式成为一种安全、可靠和成熟的铁路运行控制方式在 世界范围内得到铁路运输业的接受和称赞。 固定自动闭塞行车制式是采用地面固定信号机将铁路线分成若 干个闭塞分区，每个闭塞分区只能被- - n 车占用；而且闭塞分区的 长度不得小于司机确认信号和制动停车所需要的距离之和；在通常 情况下，地面信号机显示为绿灯，列车才能占用，某些情况当地面 信号机显示黄灯时，也可以占用，但是在地面信号机显示红灯时是 绝对不能再前进而占用该闭塞分区的。也就是说，列车之间最少要 间隔两个闭塞分区的距离。 在几十年的运输实践中，固定自动闭塞行车制式的某些缺点也 被广大的铁路工作者所认识到。总结一下，主要有以下几点： 1 、因为相邻列车之间的间隔距离通常是三个闭塞分区的长度， 这样造成了铁路线路设备的空闲程度很大。据估计，复线铁路空间 中可为运行列车占用的部分仅不足2 0 ，其余8 0 以上的部分都成 了相邻列车间的间隔带。 2 、闭塞分区的划分必须按设计时最不利的列车进行考虑，对许 多性能较好的列车来说是没有必要的。 3 、随着技术改造，列车牵引熏量增加和机车车辆性能改善，闭 北方交通大学硕士学位论文 塞分区的长度可以相应缩小，但是闭塞分区长度的调整却比较困难。 4 、通过缩短闭塞分区的长度来达到提高区间通过能力，其技术 经济性比较差。 j 、运行调整弹性小。因为司机无法确定其前行列车的工况、速 度及定位数据，驾驶完全根据地面信号即显示，一旦该线路的能力 利用率较高，则调整是很困难的。 以上缺点在能力很紧张的线路上尤为突出。我国铁路运输业在 建国以后虽然取得了很大的发展，但是对于几大铁路干线来说，铁 路的运输能力还是不能满足经济发展的要求。特别是在九十年代以 前，铁路的运输能力成为制约我国国民经济发展的“瓶颈”，所以我 国铁路科技工作者多年来一直进行着铁路既有线路提效和挖潜的研 究，但是这些研究大多是在固定自动闭塞行车制式的基础上进行的， 能不能从改变铁路行车制式来解决这一难题? 我国铁路科技工作者经过长期的调查和研究，提出了改革固定 自动闭塞行车制式的方案。 首先提出的方案是“列车移动闭塞行车制式”。 早在六十年代，我国的汪希时教授就提出了“列车移动闭塞行 车制式”理论，这一理论从根本上抛弃了地面固定信号机这一设备， 采用调度中心、机载计算机通讯来控制列车的运行。该理论使列车 之间的间隔由固定间隔变成了按相邻前后列车的实际数据计算出来 的最小间隔，这一间隔在列车运行中是保持不变的。 “列车移动闭塞行车制式”第一次提出了改革固定自动闭塞行 车制式的思想，给人们提供了改革根本行车方式的思路。 在此基础上，又提出的另一个改革方案是“列车速度联控行车 制式”。 八十年代末，我国的王光华教授深入调查研究，并更进一步地 提出了“列车速度联控行车制式”的理论。该理论的思想和“列车 移动闭塞行车制式”理论既有相同之处，又存在一定的差别。在列 车运行上，采用调度中心、机载计算机通讯来控制，这一点是相同 的。主要的不同之处在于前后相邻列车之间的间隔。在“列车速度 联控行车制式”下前后相邻列车之间的间隔进一步缩短为根据前后 行列车的数据实时计算的最小间隔，并以达到该最小间隔为目标决 定后行列车的机车工况。因此，在复线铁路线的空间利用率上“列 车速度联控行车制式”又提高了一步。关于该理论的详细要点将在 第三节中进行说明。 “列车速度联控行车制式”理论给了大家一个新的思路，是在 该研究方向上的又一次新尝试。 北方交通大学硕士学位论文 在国外，西方国家也根据固定自动闭塞行车制式的缺点，提出 了改革方案，在北美该方案被称为先进列车控制系统，通过现代化 的通讯手段和计算机自动控制技术进行列车的运行状态的控制，从 根本上改变了固定自动闭塞行车制式对列车运行的控制方法。 第二节国内外研究概况 随着科技的发展，特别是计算机技术和数字通讯技术的发展， 为交通运输的控制和通讯提供坚实的技术基础，也使铁路彳亍车制式 的改革成为了可能。国内外的科技专家积极开展现代科技技术在交 通运输领域的应用研究，并已取得了一定的研究成果。 一、国外研究概况 随着计算机和数字通讯技术应用于交通运输领域，西方一些发 达的国家正在致力于类似“列车移动闭塞行车制式”和“列车速度 联控行车制式”的理论研究和实验。我们将这类列车行车控制方法 统称为先进列车控制系统。 1 9 8 5 年日本研究的计算机无线通讯辅助列车控制系统( c o m p u t e r a n dr a d i oa i d e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，其主要目的也是提高线 路的通过能力，满足列车高速、高密度行驶的要求，增加列车运行 调整的弹性。1 9 8 6 年法国国铁进行了实时追踪自动化系统a s t r e e ( 法 语a u t o m a t i s a t i o nd us u i v ee nt e m p sr e e l ) 的研究，该系统的开 发目的是减少沿线铁路设备投资，统一全线设备来降低成本。基本 方式是由控制中心用无线电指示运行，用无线电向沿线养护员报警 列车接近，用多普勒雷达和脉冲转发器进行列车位置的检知。北美 铁道协会从1 9 8 3 年开始共同开发的先进列车控制系统a t c s ( a d v a n c e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，该系统的开发目的是通过有 效运用机车车辆和最佳运行来降低成本，基本工作方式是：有关列 车控制的大部分功能集中于地面中心和列车上，沿线分散设置的信 号机全部拆除，车上的功能是司机和车载计算机根据中心的控制指 令控制列车的运行工况，控制中心的功能是调度员和调度所的计算 机共同执行若干有关列车的控制判断和下达每次列车的运行计划以 及控制指令，控制中心与列车间的信息传输使用9 0 0 m h z 、6 对波道 无线电传输，通过车轴转数或人造卫星或脉冲转发器进行列车的定 位。从这里可以看出，先进列车控制系统与速度联控理论的基本构 想是十分相似的，它们在系统组成、列车控制以及信息传输方式都 4 北方交通大学硕士学位论文 是相同的。 在西方发达国家，公路运输作为整个交通运输领域中主要组成 部分出于其更接近普通大众的生活，在大的城市里相对铁路来说 能力较紧张，所以其发展更受到普遍的重视。公路运输与铁路运输 有定的相同之处，西方一些国家研究的公路自动化系统对我国铁 路的发展也有一定的启发和借鉴作用。 西方各国研究的自动导轨交通系统a g t ( a u t o m a t e dg u i d e w a y t r a n s i ts y s t e m ) ，采用控制中心、车载计算机通讯方式：汽车追踪 运行采用车辆追踪( v e h i c l ef o l l o w i n g ) 方式，大大地缩短了车辆追 踪间隔时分。该系统将通讯、控制、管理的新成果应用于公路运输 中，实际上是“速度联控行车制式”理论在公路运输中的应用。1 9 8 6 年美国加州大学伯克利分校运输研究所研究了公路自动化技术方案 ( p r o g r a mo na d v a n c e dt e c h n o l o g yf o r t h eh i g h w a y ) ，主要内容包 括汽车车辆间的最小追踪间隔，目的也是提高车辆运行的安全和道 路的通过能力。1 9 9 0 年，美国政府投资1 5 亿美元研究智能车辆公路 系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ) 。该系统是集信息处 理、通讯技术、控制技术和电子技术于一体的综合系统。它也包括 自动车速控制和制动技术；车车之间、车路之间的通讯技术。一旦 这些技术应用成熟了之后，不仅仅是对公路运输，而且还将对铁路 运输取得飞跃性的发展提供了技术基础。 = 、国内研究概况 最早提出改革固定自动闭塞行车制式的是我国的铁路科技工作 者。汪希时教授于1 9 6 3 年发表了首篇关于“移动闭塞行车制式”的 文章。之后由于受到当时各种条件的限制，这方面的研究没有迸一 步深入下去。 进入八十年代末，现代科技的快速发展使广大的铁路科技工作 者再次认识到现代科技已经给改革传统的固定自动闭塞行车制式提 供了可能。1 9 8 9 年汪希时教授和丁正庭教授提出了较成熟的“移动 闭塞行车制式”的总体结构。1 9 9 3 年在北方交通大学举行了一次“移 动闭塞行车制式”可行性论证报告审定会，并对“移动闭塞行车制 式”作出了肯定性的结论，为“移动闭塞幸亍车制式”的发展和实验 铺平了道路。 八十年代末王光华教授又提出了“列车速度联控行车制式”理 论。该理论的提出得到了有关人士的接受并从那时起就开始了对其 研究。王光华教授对其总体的构想和结构作了描述，并对理论要点 进行了定义。九十年代西南交通大学运输系的朱松年、宋瑞分析了 北方交通大学硕士学位论文 “列车速度联控行车制式”理论，对该方案下列车的最小追踪间隔 及区间平图通过能力的分析计算进行了探讨，并开发了一个单区间 的区间方案计算机模拟仿真系统。该模拟仿真系统对于初步研究“列 车速度联控行车制式”理论提供了一个实验环境。但是该系统只开 发成功了列车区间追踪运行方案，对于一个区段多区间的方案以及 各种车站方案的研究尚未完成。 从上述情况来看，相关的研究在国外比我国要成熟，对“列车 速度联控行车制式”理论的研究在国内尚处于起步阶段，“列车速度 联控行车制式”理论的研究还有很多具体问题需要解决。为了更可 靠地分析这一理论的可行性，了解更多的可能出现的新问题，对该 理论进行系统的计算机模拟实验是必要和有效的手段，也是该理论 走向实用的第一步。 同时，跟踪世界铁路改革的先进技术，针对我国的铁路实际研 究我国的先进列车控制系统也将成为我国铁路的进一步发展方向， 建立和开发我国的先进列车控制方式的仿真系统是我们在这一方向 上进行研究的基础。 所以，进行“列车速度联控行车制式”的模拟实验既具有重要 的理论价值，同时又具有一定的实际价值。 第三节速度联控行车制式理论要点 王光华教授在深入调查研究的基础上于八十年代末提出了“列 车速度联控行车制式”的理论。该理论认为，当前我国铁路沿用的 固定自动闭塞行车制式是铁路运输能力的巨大束缚，双线铁路的运 输能力尚有巨大的潜力可挖。如果采用“列车速度联控行车制式”， 双线铁路区间平行运行图能力可翻两翻以上。这对于我国铁路运输 业是一个十分巨大的诱惑。 “列车速度联控行车制式”的基本结构是调度中心作为集中管 理部门，机载计算机一方面与调度中心的计算机通讯，接受调度指 令；一方面与其前后行列车的机载计算机通讯，传送必要的数据信 息。另外，最重要的是要实时地处理相应的信息来完成对本次列车 的控制，保证行车的安全。 实现列车速度联控的理论基础是现代数字通讯手段的高度发 展。列车速度联控行车制式抛弃了传统的地面固定信号机，它将在 铁路线上有序运行的各次列车按位置的先后联系起来，每两次列车 北方交通大学硕士学位论文 互为前后行列车，后行列车根据前行列车的精确定位及相关的其它 条件来决定本机的运行工况。 实现列车速度联控的基本条件是前行列车将其运行动态信息实 时地传输到后行列车，其中必不可少的数据是前行列车速度、工况、 尾部位嚣、紧急制动和最高级常用制动的制动终点位置。本机则需 要动态地计算它与前行列车之间应该保持的距离和限制本次列车的 速度于合理的数值以及确定出为迭此目的而需要的相应的机车工 况。 “列车速度联控行车制式”的技术关键是数据传输的准确性和 可靠性。而在运行中，列车之间的间隔是保证列车安全运行的关键。 这个间隔要满足前行列车在任何突发事件的情况下，能将信息传送 到后行列车，并使后行列车在接收到信息后能在小于这个间隔的距 离内制动停车。列车在区间和车站运行有共性，也各有特点，可将 列车运行分成列车速度联控区间方案和车站方案，相应地前后行列 车之间的间隔也分为区间列车间隔和车站列车间隔。 一、列车速度联控区间方案 这种方式下，列车在区间的运行过程类似于公路运输中汽车的 运行过程，列车对应于汽车。只不过汽车是由司机用眼睛判断其与 前行汽车的距离，然后根据经验采取行动保持自己同前行车的距离， 并且保证能在这段距离内制动下来。而铁路则必须由定位工具和通 讯工具将前行列车的详细定位数据传送给后行列车，并且后行列车 只有通过机载计算机模拟计算出本机应该和前行列车保持的距离并 决定本机的工况。所以在铁路运输过程中，列车的最小追踪间隔是 首先要解决的问题。 对于区间列车追踪间隔来说， ，0 + f c ，。2 f v 。d t ( 1 ，m m2 t + f f w 。 嚆，。+ f ，+ 乞 1 1 2 ，。+ ( ，f + ，。+ ，自2 + l 2 ) ”6 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式中：为后行列车头部到前行列车尾部的距离 北方交通大学硕士学位论文 ，。h 为两次列车间的最小追踪间隔： ，怎为区间列车的追踪间隔， 为区间最小的列车追踪间隔时间 ，v 。分别为前、后行列车的动态速度 f 0 为前行列车发出信息这一动作的系统时间 f ，z 分别为前行列车发出信息这一动作到后行列车接收到 信息并发出控制指令这一动作间的时间差和在这一时间差内后行列 车运行的距离； v 。为后行列车从f 0 制动到停车这段时间内的平均速度： ，一一为后行列车的动态紧急制动距离( 含操作中的空走距 离) ，即列车在任意时刻都能紧急制动停车的距离； ，为区间列车追踪运行时的附加保安距离： ，。，；分别为前行列车的长度和后行列车的长度。 对于区间列车运行来说，乞+ ，+ w ，为最小安全间隔。 在这里需要说明的是，在最初王光华教授提出的速度连控理论 里，列车的区间最小间隔是不包括一个实时紧急制动距离的。但是 实际上，前后列车的运行有许多种情况，前行列车制动时就有以下 两种情况发生： l 、前行列车正常制动，后行列车正常制动。这种情况比较常见， 即前后列车都是通过机车工况改为制动工况，然后制动停车( 包括 制动时的空走距离) 。这时前后行列车从制动开始到列车停下来都有 一个制动距离。 2 、前行列车加速度为负的无穷大，后行列车紧急制动。这种情 况是指如前行列车发生爆炸、脱轨或颠覆等重大事故时，前行列车 发生事故地点就是前行列车的最终停车点，也就是后行列车不能越 过的目标点。这时相当于前行列车的制动停车没有制动距离。 北方交通大学硕士学位论文 在确定区间间隔范围时，应该以无论是前行列车发生了什么突 发事故，后行列车都能制动停车以避免与前行列车发生追尾事故为 最低要求。 如图1 1 所示，列车之间的间隔小于，。+ k + 乞时，即前行列车 处于前行列车1 的位置时，对于上述情况1 来说，只要，帱f 。+ l o 仍 能使后行列车不至于撞 图1 - 1 上前行列车，因为前行列车制动它也有一个制动距离，后行列车接 到信息后也立即采取制动工况，当后行列车停在p 点时，前行列车 最少停在前行列车2 的位置，此时后行列车头部到前行列车尾部的 距离仍然大于区间的保安距离& 口，。，。但是对于情况2 ，这时如 果，闻 v ，时，后行列车采用惰行、k 级 常用制动、紧急制动等措施降速过程中k 的减少量。在列车运行过 程中，必须满足： ，问一f i 一，m 。o( 当v 6 v ，时) ( 卜9 ) 或 一，；一f 。o ，问一出3 一，m m o ( 当v 6 v ，时) ( 当v v ，时) ( 卜1 0 ) 或 ( 1 1 1 ) ( 卜7 ) 、( 卜8 ) 、( 卜9 ) 式是“列车速度联控行车制式”理论的 核心。“列车速度联控行车制式”是以后行列车趋于和前行列车等速 运行为目标，当后行列车的速度低于前行列车的速度时，只要一 ，。0 ，后行列车就以牵引工况运行，而当后行列车的速度大于前 行列车的速度时，满足( 1 - 9 ) 式采用惰行工况就可以使后行列车的 速度降到和前行列车的速度相等，满足( 1 - 1 0 ) 式采用k 级常用制 动就可以使后行列车的速度降到和前行列车的速度相等，满足( 卜 1 1 ) 式则必须采用紧急制动才能使后行列车的速度降到和前行列车 的速度相等。通过( 1 - 9 ) 、( 1 - 1 0 ) 、( 1 - 1 1 ) 式豹控制，使列车的运 行在以趋于与前行列车等速为目标时保证列车的间隔大于最小安全 间隔。 尽管追踪运行中后行列车以趋于和前行列车等速运行为目标， 但是并不是前后行列车就能等速运行。在实际运行中，由于诸多条 件的影响，要么是后行列车的速度小于前行列车的速度，要么是后 行列车的速度以前行列车的速度为轴线围绕它上下波动，因而前后 北方交通大学硕士学位论文 行列车等速运行的几率是很小的。当前行列车的等级比后行列车高 的时候，前后行列车的间隔总的趋势是越来越大( 但不排除特殊情 况如前行列车正好是上坡而后行列车是下坡) 前后行列车的速度关 系总的来说也是前行列车的速度大于后行列车的速度。当后行列车 的等级高于前行列车的等级时，总的趋势，前后行列车之间的速度 关系是后行列车的速度以前行列车的速度为轴线上下波动，它们之 间的间隔则是逼近最小安全运行间隔。 北方交通大学硬士学位论文 第二章速度联控模拟实验系统 总体设计 通过第一章的分析，我们已经清楚了列车速度联控模拟实验系 统的要点和目标。在系统总体设计时我们以尽可能地模拟实际情况 为原则，同时考虑到系统的灵活性，通用性及直观性，所以我们按 如下方法进行总体设计。 一、系统结构设计 “列车速度联控行车制式”对于列车的控制是通过通讯设备将 调度中心和机载计算机联系起来，同时前后相邻列车之间也进行相 互数据传输，并由机载计算机和调度计算机处理相应的信息来完成 对列车的控制，保证列车的运营安全。 所以，我们设计的系统结构关系类似于调度台机车两层结 构。具体描述如图2 - 1 。 列车n ， 谓度台 一7 l ：- ：f 口f = + + l l _ j i 刹 l 口l = f 口f 剃捌 蛩2 - 1 系统结构关系示意图 北方交通大学硕士学垃论文 如图2 一l 中所示，通过一台计算机模拟调度台的操作，其余的 若干台计算机分别模拟在铁路线路上实际运行的各次列车的操作。 箭头方向表示的是信息的传输方向，系统采用计算机网络通讯，通 过计算机网络通讯将调度台和列车，相邻前后行列车之间紧密地联 结起来，使调度台的调度信息及其它的相关信息能传送到目标列车， 同时使前后楣邻行列车之间能将必须的数据进行相互的传输，达到 速度联控理论所要求的系统关系。 系统的模型设计可以看作是一个连续离散事件系统的仿真 模型：模拟时钟采用定步长法。列车运行和被控停车过程相应于连 续事件系统，而列车根据实际需要采取运行方式的变更点以及控制 信息的发送和接收点可以看作是离散事件系统。在每一个时间步长 内扫描事件列表，判断各事件的触发条件是否满足并处理相应的满 足触发条件的事件。 二、系统原始数据 系统的原始数据是进行模拟运算必不可少的部分，考虑到模拟 数据既要准确，能反映实际的情况，又要方便和灵活，便于多次对 照模拟时修改，所以将系统的原始数据确定如下： l 、车站数据( 包括车站的到发线数，道岔、曲线、信号机和警 冲标位置，线路使用方案，列车径路等) 采用站场设计标准值。 2 、线路数据( 如线路纵断面数据、车站中心线位置、隧道位置 及长度、区间曲线的相关数据) 采用的是虚拟数据。 3 、机车数据( 包括机车的类型、重量、牵引力曲线和制动力曲 线) 采用相关资料提供的实际数据。 4 、列车数据( 包括列车的编成辆数、长度、重量、闸瓦压力等) 采用相关资料提供的数据，列车的车次、种类、出发时间、始发站 和终到站等数据则采用虚拟数据。 上述的原始数据中，对于虚拟数据，是用户可以根据需要进行 修改的，这样可以得出若干组的对照模拟结果。对于实际数据，由 于是根据有关资料输入的实际数据，用户一般不要修改。即使用户 一定要进行修改，也是要必须保证修改的数据是可靠的，否则将出 现一些不正确的模拟结果，影响模拟系统的可靠性。 三、系统功能分解 如图2 - 1 中所示，整个系统分成两个相互独立的子系统：调度 台子系统和机车子系统。调度台子系统模拟实际调度台的操作；机 1 4 北方交通大学硕上学位论文 车子系统模拟机车的操作，同时它也相当于实际的一次列车。它们 之间通过计算机网络进行通讯。它们各自具有相应的功能，完成相 对独立的任务。 以下对分解的系统主要功能分别进行介绍： l 、调度台系统 调度台系统模拟实际调度台的操作，包括以下功能： 1 ) 指定列车停站的到发线。 2 ) 决定列车停站的时间。 3 ) 描绘出列车的实际运行图。 4 ) 实时显示出列车的具体位置。 在模拟系统的设计中，不仅是为了模拟实际的操作，而且使其 具有较好的人机交互界面，使整个系统具有均衡性，统一性，所以 调度台系统还具有以下功能： 5 ) 方便直观的用户输入原始数据界面。 6 ) 对用户输入计算机的原始数据进行保存和修改。 7 ) 描绘列车速度时闻曲线。 8 ) 进行用于分析计算的自动批量模拟( 该功能将模拟数据保存 下来用于分析和演示) 。 2 、机车系统 机车系统模拟列车机车的操作，每一个机车系统相当于实际的 一次列车，它具有如下的功能： 1 ) 进行列车牵引计算，从而确定本次列车合适的把位。 2 ) 实时显示出本次列车的具体位置。 3 ) 显示一定的提示和警告信息。 根据模块化程序设计的恩想，分别将以上这些功能进一步划分 整理到如下几个更细的子系统： 数据管理子系统：实现方便直观的用户录入界面，对用户输入 计算机的数据进行存储和修改等维护工作。 仿真计算子系统：实现进行用于分析计算的自动批量模拟，并 将模拟的数据保存下来，以供进步分析和演示使用。 仿真调度台子系统：实现指定列车停站的到发线和停站时间 描绘出列车的实际运行图，实时显示出列车的具体位置，描绘出列 车的实际运行图，描绘列车速度时间曲线等功能。 调度台系统包含数据管理子系统、仿真运算子系统、仿真调度 台子系统。机车系统主要是进行牵引计算，并显示出一些必要的提 示和警告信息，这些信息的显示程序可以很方便地嵌入到牵引计算 北方交通大学硬士学位论文 过程中，所以机车系统没有再细分成若干个更小的子系统。 整个大系统的各子系统的关系如图2 - 2 所示。 图2 - 2 中，箭头所示的方向是数据的流向，它表示了各个子系 i ：调度台系统 ； 蛩2 - 2 系统关系示意图 统之间的数据接口关系。 整个系统有两种运行模式：一是无网络的运行模式即单机运行 模式，这是指当启动调度台系统的仿真运算子系统时，进行大批量 的模拟运算，该模式下模拟调度台系统的计算机只需计算出相应的 模拟数据并将这些数据写入模拟结果数据文件，不需要进行网络通 讯和实时地进行图形显示，使计算机能满足运算速度的要求；二是 有网络运行模式，这是模拟列车速度联控行车制式在实际线路上的 实际运行方式，在这种模式下机车系统进行列车牵引计算，调度台 系统决定调度信息，机车和机车之间，机车和调度台之间通过网络 5 北方变通大学硕士学位论文 通讯传输数据，并实时地进行图形显示。 从图2 2 中可以看出，调度台系统和机车系统共用相同的模拟 基础数据文件，该基础数据文件不仅包括了用户输入的原始数据， 如上文所说的车站数据、线路数据、机车和列车数据，还包括了通 过调用这些原始数据进行计算得出的模拟运行中所必须的新生成的 数据文件，如通过牵引计算得出的各次列车在各个下坡道上的常用 制动限制速度和紧急制动限制速度，生成该数据文件的优点是可以 在实时进行牵引计算时只需将这些限制速度调入内存，不需要再计 算限制速度，从而节省c p u 的部分时间来处理别的指令，提高蹩个 系统运算速度，缺点是得额外占用一些内存。模拟基础数据文件生 成之后，各个子系统可以根据各自的需要进行调用。 模拟结果数据文件有两个来源，一是在无网络运行模式下，仿 真运算子系统进行批量模拟运算时，直接将模拟的结果数据写入文 件之中，供仿真调度台子系统进行图形演示时调用：二是在网络运 行模式下，机车系统进行牵引计算后得出的模拟数据通过网络传输 给仿真调度台，然后由仿真调度台子系统将该数据写入模拟结果数 据文件之中，该数据文件也可以供仿真调度台子系统反复进行图形 演示对调用。 系统的更加详细的结构框架是将各个子系统分解成相关的具体 的功能模块，对各个模块的功能及相互之间的数据接口联系进行严 格的规定，既考虑各个模块的特性，同时还要兼顾程序代码的通用 性，从而使整个系统成为一个高效的简洁的整体。以面向对象的程 序设计( o o p ) 思想对系统功能模块进行设计。系统的几个主要功 能模块如下： 1 ) 计算机网络通讯实现模块。该模块从c s o c k e t 类派生出一个 新的类，该类封装了进行计算机网络通讯所要求的函数以及变量， 使系统进行计算机网络通讯变得更加方便和直观。 2 ) 路网平面图c a d 实现模块。该模块提供了实现描画路网示 意图的c a d 系统通过用户的输入和初步绘制，生成车站平面圈和 路网结构，得到车站站场平面图数据、线路纵断面数据、车站中心 线位蹙、隧道位置及长度、区间曲线的相关数据，并求出路网中的 各个控制点的实际坐标值，最后将相应的数据保存下来。 3 ) 机车、列车数据输入模块。该模块提供一个界面良好的录入 系统，将用户输入的相应的机车数据和列车数据保存下来。 4 ) 路网图形显示模块。该模块将保存下来的路网平面图数据用 站场示意图的形式将其显示出来，形成了路网示意图。 北方交通大学硕士学位论文 5 ) 牵引计算模块。该模块调入相应的基础数据，进行列车牵引 计算，当列车是n 次列车中位置最靠前的一次时，只进行常规列车 牵引计算，否则，不仅需要进行常规列车牵引计算，还必须考虑和 前行列车进行速度联控时所受到的限制，即还必须进行联控牵引计 算。 6 ) 模拟结果数据图形显示模块。该模块根据模拟结果数据，以 图形( 如光带) 的形式在路网图中显示各次列车在各个时间步长时 定位，使用户对模拟整个过程有一个直观的认识。 7 ) 模拟结果数据表格显示模块。该模块将批量模拟生成的每次 列车在各时刻的模拟结果数据，实时地显示在表格中，并将模拟结 果数据写入模拟数据文件，使模拟结果数据图形显示模块能调用并 以图形的形式直观地显示模拟结果。 8 ) 列车实际运行图描绘模块。该模块通过调用模拟生成的结果 数据，描绘出列车的实际运行图，从而使模拟结果更加明确。 9 ) 列车的速度时间曲线描绘模块。该模块通过调用模拟生成的 结果数据，描绘出列车的速度时间曲线。 确定完了上述各功能模块之后，系统的组成由模块表示如图2 3 。 图2 3 中，箭头所示的方向是数据的流向，它表示了系统的各 个模块之间的数据接口关系。以下对各个模块调用的和处理的数据 数据进行说明： 数据管理子系统：路网平面图c a d 实现模块和列车、机车数据 输入模块在启动时都要调入上一次输入的原始数据，然后在此基础 上进行修改，否则的话就进行初始化重新开始输入数据。路网图形 显示模块则调用用户输入的或模拟基础数据文件中的路网车站和区 间数据。牵引计算模块必须调用相应的路网数据和机车列车数据等 原始数据计算出各次列车在各个坡道上的限制速度。而这些数据都 是模拟基础数据，保存进相应的文件之中。 仿真运算子系统：该系统的牵引计算模块也必须调入模拟基础 数据，计算得出的结果数据传到模拟结果数据表格显示模块，使其 被显示出来并保存进模拟结果数据文件之中。模拟结果数据文件保 存的是每个时间步长的模拟列车的定位数据、速度等。 北方交通大学硕士学位论文 调度台系统 数据管理子系统 ： 仿真运算子系统 l i 仿真调度台子系统 i1i l ：计算机同络通讯实琨模块十 + 路两平面圈c d 宴理氍块 l l i _ j ，路同强彤显示糖块 - i 路同图形显示横块一 、 晕s 茸模块 0 l 、l -模拟结泉教据 机车、列车数据输入模块兰 l 模 f l 鲤粜数据 璺形显示凄块 表格孟示攘块 -牵g l 计算模块 i + 列车实辱运行里描绘模块 一 + 列车的速度时闻 一收扭蛄璺嚣据u 曲绞描绘横块 l - 。i ij + 模j l 【基础数据 l 1 i 路同图彤显示摸块 t 漠拟结果敖据 雷形显示模块 牵引计算摸块 l 。一讲算帆同结通讯娄现捶块-f ， 计算机同络通讯 ! ； _ 机车系统 一； 图2 3 系统模块关系图 9 北方交通大学硕士学位论文 仿真调度台子系统：路网图形显示模块调用的数据同上。模拟 结果图形显示模块是将模拟结果数据以光带的形式将其显示在路网 中，模拟结果数据有两个来源，其一是仿真运算子系统批量模拟产 生模拟结果数据文件，其二是通过计算机网络从机车系统传来的模 拟结果数据。列车实际运行图和速度时间曲线描画模块都是调 用模拟结果数据来描画的。网络通讯模块传输的数据主要是机车指 派信息，系统启动信息，列车在车站的进路信息，停站时间，前后 行列车关系的锁定信息。 机车系统：路网图形显示模块、模拟结果图形显示模块和牵引 计算模块调用的数据和调度台系统的相应模块调用的数据相同。网 络通讯传输的数据则有所不同，它主要包括本次列车运行的动态模 拟数据，前后行列车关系的锁定信息，由特殊要求引起的临时停站 信息等。 至此，系统的功能模块分解以及各自的数据流向接口都已经比 较清楚了。系统在设计数据的存储方式时，采用了以文件的方式进 行而没有采用数据库，这样突出了系统的方便性和灵活性，同时节 省了系统的开销。 四、系统主控流程 有了上述的功能模块及相互之间的数据接口设计之后，系统就 要将它们按一个合理的流程组合起来，构成一个有机的整体，实现 系统的功能。根据前文所述，系统实际上是有两种运行方式：无网 络时的批量模拟计算方式和有网络时的模拟显示方式。以下分别对 这两种运行方式的流程进行介绍。 有网络时的模拟运行方式。 在该运行方式下，不同的计算机模拟不同的系统，由机车系统 进行模拟计算，需要实时地通过网络通讯传输数据，实时地更新调 度台系统和机车系统的人机交互界面，以光带的形式显示出列车在 路网中的精确定位。所以该方式下计算机的计算量比较大，模拟时 列车的总数量需要进行一定的控制。 图2 - 4 描述了网络运行方式下的系统流程。 该流程是从计算机总的处理方向进行了规定，这里的处理模块 的名称和“系统功能分解”中所述的模块名称不相同，只是为了叙 述的方便和便于理解，将“系统功能分解”中所述的模块进行了组 合，即从大的方面介绍的系统流程。以下详细介绍这种组合的具体 情况： 北方交通大学硕士学位论文 初始化模拟系 统包括仿真调度台 子系统和机车系统 的路网图形显示模 块调用路网平面图 数据显示路网示意 图，它们的网络通 讯模块启动，调度 台系统监听，机车 系统联结到调度台 系统，同时仿真调 度台子系统给连接 上的模拟机车系统 的计算机分配一次 待模拟的列车索引 号，机车系统调入 牵引计算需要的基 础数据。 机车系统更新 列车定位数据实际 是计算机网络通讯 模块和牵引计算模 块的组合功能。列 车牵引计算模块首 先确定本机工况， 确定本机工况时既 要考虑通过计算机 网络通讯模块得到 开始 初始化模拟系统 机车系统计算 新的定位数据 机车系统更新 人机交互界面 向前后行列车和 调度台发送数据包 调度台系统更新 人机交互界面 输出仿真结果 结束 仿 真 周 期 图2 4 网络运行模式下系统流程 调度台的调度命令，又要考虑一般的限制条件，将这些条件综合得 出本机得工况；然后根据本机工况计算新的列车定位数据。 机车系统更新人机交互界面实际是模拟结果图形显示模块的功 能。模拟结果图形显示模块根据新的列车定位数据实时地以光带的 形式显示出列车在路网中的定位。同时，还根据该定位数据显示对 本机操作的一些提示或警告信息。 发送数据包是由计算机网络通讯模块实现。 仿真调度台系统更新人机交互界面是由计算机网络通讯模块、 北方交通大学硕士学位论文 模拟结果图形显示模块、列车实际运行图描画模块和速度时间 曲线描画模块的组合功能。计算机网络通讯模块实现得到机车系统 计算的数据，同时发出有用户输入的调度命令信息。模拟结果图形 显示模块、列车实际运行图描画模块和速度时间曲线描画模块 则通过调用传过来的数据完成各自的功能。 无网络时的批量模拟计算方式。 该方式下系统既不需要进行网络通讯，也不需要进行路网图形 显示和列车定位光带的更新，只需循环计算出每一次模拟列车的数 据，然后将该数据保存在模拟结果数据文件中，所以，这种方式下 系统的流程相对来说比较简单。 图2 - 5 描述了无网络运行方式下的系统流程。 在该运行方式 下，设计了一个新的 列车列表。该列车列 表的元素索引按模拟 运行时的列车前后联 控关系确定。即列车 的前后关系就是该列 车列表中列车元素的 前后关系。当列车经 过车站越行之后，也 要改变相应列车在该 列表中的位置。在每 一个步长的时间内， 都从列车的列表中按 元素的索引依次计算 每一次列车的定位数 据。 咀下将该流程图 作一个简要的说明。 初始化模拟系统 包括调入模拟基础数 据，将各次列车按前 后联控关系顺序存入 一个对象列表中。 该程序流程主要 每 次 歹u 生 图2 - 5 无删络运行模式下系统流程 北方交通大学硕士学位论文 是两个嵌套的循环，大的循环是按模拟时间来确定的循环，每个循 环是时钟推进一个步长，直到模拟的时钟结束；小的循环是按模拟 的列车数来确定的循环，依次计算完每次列车的数据。 确定新的列车定位数据是由列车牵引计算模块来实现的，同样 是先确定本机的工况，然后计算出列车的定位数据。显示和保存模 拟数据是由模拟结果数据表格显示模块实现的。 为了使程序结构清晰，合理，为下一步编程实现打下一个较好 的基础，整个系统总体设计严格按照软件工程的思想和方法。采用 逐步细化的方法，尽量使各模块之间保持松耦合，模块内保持高内 聚，模块之间的数据流向清楚。将系统按功能划分为上述的模块， 在功能上任务明确，调用的数据和需要输出数据也很清楚，能够满 足迸行详细设计的要求。 关于系统的详细设计将在下一章中论述。 北方交通大学硕士学位论文 第三