（交通运输规划与管理专业论文）客运专线车站作业仿真系统的研究及应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页摘要客运专线车站是客运专线系统与社会、市场联系的纽带，是客运专线网络的节点和中枢，客运专线车站有序、高效的作业是充分发挥车站设备能力的重要保证，进而影响着整个系统的旅客运输能力。在我国如火如荼的进行客运专线建设的国内环境中，对客运专线车站作业组织的研究、对客运专线车站能力、设备等关系的研究是非常有必要的。铁路运输系统仿真是设计和建立某铁路系统的计算机模型来代表真实系统，并利用该模型对真实系统行为变化进行数字模拟实验，以达到对该系统在某些给定条件下的动态行为进行分析和了解的目的，它具有成本低、无风险、效率高、信息采集方便等优点。本文结合铁路运输组织、最优化理论、系统工程学、系统仿真理论、计算机技术等学科的相关理论，对客运专线车站作业系统进行了系统的研究。本论文的研究内容主要包括以下几个方面：( 1 )总结了国内外铁路运输系统仿真软件的发展现状，将系统仿真理论在铁路运输系统仿真中的应用进行了研究：详细的分析了铁路运输系统仿真的原理及特点，研究了铁路运输系统仿真的方法、步骤以及有效性检验方法。( 2 )以大型始发终到站为例详细分析了客运专线车站作业过程及特点，分析了车站作业系统仿真方法，建立了基于离散事件系统仿真理论的客运专线车站作业系统仿真模型，并对模型中实体及其属性、事件活动、过程、状态进行了深入研究，提出了系统仿真策略。( 3 )对客运专线车站作业实时仿真算法进行了分析，提出了本论文所研究系统仿真算法要求，对车站到发线运用问题进行了研究，深入研西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页究了车站咽喉区进路排列问题，结合运输组织学、最优化理论等建立了车站咽喉区进路排列模型并针对其设计了与仿真系统相配合的高效优化算法。( 4 )在本文所进行的理论、模型、算法等研究的基础上开发了客运专线车站作业可视化实时仿真系统( s t a t i o no p e r a t i o ns i m s y s t e m ) 。( 5 )分析了客运专线车站能力的各种影响因素，提出了运用客运专线车站作业仿真系统计算客运专线车站通过能力的方法，研究了车站设备配置如到发线数量、咽喉区布置对车站能力的影响，运用本文所开发车站作业仿真系统对到发线数量与车站能力关系问题进行了深入的仿真研究。论文从理论到应用对客运专线车站作业系统仿真进行了较为系统的研究，以期能为我国客运专线建成运营后的运输组织及研究提供一定的理论支撑和数据支持，为往后进一步的铁路运输系统仿真研究打下一定的基础。关键词：客运专线，车站作业，离散事件系统仿真，铁路运输系统仿真，车站作业仿真模型，优化模型及算法a b s t r a c tt h es t a t i o no fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ei st h el i n k sw h i c hc o n n e c tt h es o c i e t ym a r k e ta n dp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n es y s t e m ，t h en o d ea n dc e n t e ro fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n en e t w o r k 。s t a t i o no p e r a t e do r d e r l y , e f f e c t i v e ，i st h ek e yo ff u l lu t i l i z et h es t a t i o nf a c i l i t y , i ta l s oa f f e c tt h es t a t i o nc a p a c i t yi n d i r e c t l y i nt h ee n v i r o n m e n to ft h ev i g o r o u s l yc o n s t r u c t i o no fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n ei nc h i n a , i ti sn e c e s s a r yt od ot h es t u d yo ns t a t i o no p e r a t i o no r g a n i z a t i o n ，i n f l u e n c eb e t w e e ns t a t i o nf a c i l i t ya n dc a p a c i t y s i m u l a t i o no fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi st od e s i g no re s t a b l i s hac o m p u t e rm o d e lo fo n er a i l w a ys y s t e mt or e p l a c et h ea c t u a ls y s t e mb a s e do ns i m u l a t i o nm o d e l ，t oa n a l y s ea n dr e s e a r c ht h ed y n a m i ca c t i o no ft h ec e r t a i ns y s t e mu n d e rc e r t a i ns i t u a t i o n , i th a st h ef e a t u r e so fl o wc o s t ，l o wr i s k ，h i 醢s p e e d a n dc o n v e n i e n tc o l l e c t i o no fi n f o r m a t i o n 。b a s e do nt h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o n o r g a n i z a t i o nt h e o r y , o p t i m i z a t i o nt h e o r y , s y s t e me n g i n e e r i n g ，s y s t e ms i m u l a t i o nt h e o r y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ep a p e rd i das y s t e m a t i cs t u d yo ns t a t i o no p e r a t i o ns i m s y s t e mo fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e t h a ti n c l u d e ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w ：( 1 ) s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o ns o 氏s t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fs y s t e ms i m u l a t i o nt h e o r yi nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ；a n a l y z e dt h ep r i n c i p l e ，m e t h o da n df e a t u r e so ft h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n , i n c l u d ei t ss t e p ，v a l i d i t yt e s tm e t h o d ，t h e nd e f i n e dt h er e s e a r c hs c o p eo ft h i sp a p e r 0 ) t a k ei n i t i a ls t a t i o nf o re x a m p l e ，a n a l y z e dt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e s嚣南交通大学硕士研究生学位论文第页a n df e a t u r e so fs t a t i o no p e r a t i o n ，a n a l y z e dt h em e t h o do fs t a t i o no p e r a t i o ns i m u l a t i o n ，e s t a b l i s h e dt h es t a t i o no p e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt h ed i s c r e t ee v e n ts y s t e ms i m u l a t i o nt h e o r yf r o mam i c r o c o s m i cv i e w , t h e ns t u d yt h ee n t i t ya n di t sa t t r i b u t e ，e v e n t ，a c t i v e ，p r o c e s s ，s t a t ei nd e t a i l ，p r o p o s e dt h es y s t e ms i m u l a t i o ns t r a t e g y ( 3 ) a n a l y z e dt h es t a t i o no p e r a t i o ns i m u l a t i o na l g o r i t h m ，p u tf o r w a r dt h er e q u i r e m e n to ft h es i m u l a t i o na l g o r i t h mf o rt h ec e r t a i ns y s t e m ，b a s e do nt h et r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o no r g a n i z a t i o n ，o p t i m i z a t i o nt h e o r y , s t u d i e dt h eh i g hs p e e do p t i m i z e da l g o r i t h mo ft h r o a tr o u t ea r r a n g i n ga n do p t i m i z e ds c h e m eo fa p p l i c a t i o no fa r r i v a l d e p a r t u r el i n e s ( 4 ) b a s e do nt h et h e o r y , m o d e l ，a l g o r i t h ms t u d yo ft h i sp a p e r , t h ea u t h o rd e v e l o p e dt h es t a t i o no p e r a t i o nv i s u a ls i m s y s t e m ( s o s ) o fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e 。( 5 ) a n a l y z e dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es t a t i o nc a p a c i t yo fp a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，p r o p o s e dan e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h es t a t i o nc a p a c i t yb yt h es o s ，s t u d i e dt h ei n f l u e n c eb e t w e e ns t a t i o nf a c i l i t ya n dc a p a c i t ys u c ha st h r o a tl a y o u t ，a r r i v a l d e p a r t u r el i n e sq u a n t i t y w i t hs o s ，t h ep a p e rs t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea r r i v a l d e p a r t u r el i n e sq u a n t i t ya n dt h es t a t i o nc a p a c i t y t h ep a p e rd i das y s t e ms t u d yo nt h es t a t i o no p e r a t i o ns i m - s y s t e mf o r mt h e o r yt oa p p l i c a t i o n ，e x p e c tt op r o v i d et h et h e o r e t i c a ls u p p o r ta n ds u g g e s t i o ni ny a r dd e s i g n i n ga n dr e f e r e n c ed a t a b a s ef o rf u r t h e ro p e r a t i o n ，a n dl a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n k e yw o r d s ：p a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，s t a t i o no p e r a t i o n , d e s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n ，r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o n , s t a t i o no p e r a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l ，o p t i m i z a t i o nm o d e la n da l g o r i t h m作者学号q 鱼q z i q z 2西南交通大学学位论文使用授权书客运专线率站作业仿真系统的研究与应用系本人在西南交通大学攻读博士硕士学位期间，予2 0 0 8 荦1 2 胃在导师的指导下完成的学位论文。本人完全了解“西南交通大学图书馆关于保存、使用学位论文的靓定”，嗣意；( 1 ) 按照学校要求提交学位论文的印犀l 舨彝电予版本( 2 ) 图书馆按裁定保存所提交论文的印刷舨衣电子舨。( s ) 本入授权嚣霸交通大学图书镶霹淡采罴影印、缩瘁或其熊复制手段保存论文。授毂藤南交道大学图书馆为教学和科研的目的，可以将公开的学位论文( 包括解密后的学位论文) 作为资料在我校图书馆、资料室等场所或本校的校因网以及部分和我校存在馆际合作关系的高校的用户进蟹舞读窝溅菱。，幽) 膨b 诉乏乃镰反作者签名，狮指譬教师签名说明：本授权书由研究生在办理高校芋续时交劐图书馆瞵越4 吐毯( 密密级要求的籍提供学校榍关部门的定密审查结论，在勰密后遵守此戴定)西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过麴研究成果。对本文的研究做出贡献的令人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：1 详细分毒厅? 铁路运输系统方针豹原理及特点，研究了铁路运输系统仿冀的方法及步骤2 以大型始发终到站为例分析了客运专线车站作业过程和特点，建立了基于离散事件系统仿真理论的客运专线车站挥业仿真模型，荠对模型中实体、属性、事件、活动等进行了深入研究，提出了系统方针策略3 对客运专线作业实时方针算法进行了分析，结合运输组织学、最优化理论等建立了车站咽喉区进路排列模型并设计了高效优化算法4 开发了客运专线车站作业仿真系统( s t a t i o no p e r a t i o ns i m s y s t e m )5 分析了客运专线车站能力的各种影响因素，提出了运用客运专线车站作业仿真系统计算客运专线车站通过熊力的方法，研究了车站设备配置如到发线数量、咽喉布置对车站能力的影响，运用所开发系统对上述系列问题进行了深入的仿真研究学位论文作者签名j 藿1日期：枷3 7 刖、西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页第一章绪论1 1论文的研究背景1 1 1我国客运专线建设概况经过新中国5 0 多年的发展，我国铁路建设取得了可喜的进展，初步形成了四通八达的铁路运输网络，营业里程7 6 6 万公里，占世界铁路营业里程的6 。5 0 年里中国铁路成就辉煌：我们用占世界6 的铁路完成了2 4 的运量。特别是通过1 9 9 7 年以来的六次大提速，客车最高运行时速达到了2 0 0 公里，部分区段时速达到了2 5 0 公里。以大秦铁路重载运输、青藏铁路开通运营等为标志，我国铁路客货运输全面进入世界先进行列。从八十年代至今，我国社会各界对在中国修建高速客运专线的必要性和可行性做了大量而有力的论证，认为在中国修建高速客运专线是社会发展的需要，是促进我国工业发展，科技水平提高以及改善我国交通运输落后面貌的重要手段。也是提高铁路运输能力，彻底解决运能不足和改善铁路旅客服务水平及服务质量的最有力措施。高速铁路具有全天候、大运能、高速度、舒适安全、低能耗、轻污染、成本低、占地少、投资省、效益高等特点，发展高速铁路可为社会发展、经济发展提供强大支撑。根据经济社会发展需要和市场需求，大陆客运专线网规划覆盖了全国各个主要城市，将使北京、上海、广州、武汉、成都、西安6 个中心城市至全国主要城市的旅行时间大大缩短。铁路客运专线网规划，到2 0 2 0 年，将初步形成北京一上海、北京一武汉一广州一深圳、北京一沈阳一哈尔滨( 大连) 、杭州一宁波一福州一深圳和徐州一郑州一兰州、杭州一南昌一长沙、青岛一石家庄一太原、南京一武汉一重庆一成都“四纵四横”客运西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页专线，客运专线总规模约1 2 5 万公里，旅客列车运行时速达到2 0 0 公旱以上。另外还有几条重要客运专线及3 个区域城际轨道交通。但是由于我国国情的限制，高速铁路起步较晚，很多方面都还处于探索状态。即使在高速铁路投入运营后，我国的铁路仍然有着很多的压力，伴随着我国客运专线的建设与投入运用，我国铁路的通过能力将极大地增加，铁路的服务水平和市场竞争力将得到有效地提高。但是，如何有机地配置客运专线技术设备，有效地运用客运专线各种资源，协调客运专线各个运输生产环节，形成有效的客运专线综合能力包括车站及线路的能力、动车组供应及检修能力、客运专线“点、“线 、“网”能力之间的协调以及相关技术设备能力与运输生产环节能力的协调等是关系到能否有效发挥客运专线效能的亟待解决的问题。客运专线的作业方法及技术指标与普通铁路存在着较大的差异，客运专线客运站接发的列车种类除高速列车外，还有其它速度等级的列车，客运站到发线运用，有混用的或分专用的高速车场，因此，与通常的客运站通过能力计算方法相比既有共性也有特性。由于高速铁路的运行环境不同于客货共线及机车加车列的模式，因此，现行的客运站通过能力计算方法及理念，不能移植到高速客运专线的客运站通过能力计算中来，这一点也同样体现在客运专线车站的站场设计中，不能以以往的标准来设计和衡量站场布置以及设备配置。需要进行相应的研究，以使高速客运专线的客运站通过能力计算方法能正确反映作业实际，使客运站的设计和设备数量科学合理。1 1 2轨道交通仿真的国内外研究现状计算机模拟法( q j 真) 虽然在上世纪6 0 年代初就由苏联专家引入车站能力利用研究中，但我国专家学者在这方面只是进行了初步探索，而把仿真运用到高速客运专线通过能力研究上则还处于初期的研究状态。仿真西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页就是用模型代替真实系统进行试验研究并获得所需信息，需要综合考虑真实系统中的各种影响因素，并反映各因素之问的协调关系。通过仿真方法研究客运专线通过能力及其他问题的优势在于运行结果真实可靠，仿真结果形象直观并且能够正确反映作业实际，对客运站设备进行优化，提高设备利用率和车站通过能力。目前国内外轨道交通仿真研究中比较成熟的有德国汉诺威大学研发的铁路运输微观模拟系统r a i1 s y s 、瑞典皇家技术学院的o p e n t r a c k 铁路运营仿真软件、德国亚琛r w t h 技术大学的s t r e s i仿真程序引，我国同济大学、北京交通大学也在此方面进行了相关研究。r a i l s y s h 翮是欧洲运用最广泛的轨道交通运营管理仿真软件，它能微观的模拟到单个列车对某一段轨道的占用情况，该程序包括4 个组件：设施管理，时刻表管理，仿真管理，评价管理。设施管理：处理相关设施及信号控制的数据，同时可以根据需要进行新方案的评价。时刻表管理：提供交互操作，能够帮助设计者制定无冲突的时刻表，输出图形化的时刻表，此功能类似于我国的铁路列车运行图编制系统。同时能得到轨道占用计划、后台计算运行时间和轨道占用情况。仿真管理：在时刻表的基础上进行仿真，同时可以在仿真中考虑不同的交通控制策略以便找出产生冲突时的解决办法。目前只能处理小范围的冲突问题。评价管理：主要是对输出数据的组织和管理输出主要包括每车平均延误、延误的车辆数和比例、轨道线路变换次数等。可以以时空曲线形式显示延误车辆的行进路线。数据也可以以e x c e l ，a c c e s s 等方式的导出。西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页图1 1r a i l s y s 仿真软件结构图f i g u r el 一1t h es t r u c t u r eo fr a i1 s y so p e n t r a c k 仿真程序由苏黎世的瑞典皇家技术学院开发，由几个部分组成：路网的图形编辑器，列车属性编辑器，时刻表管理数据库，仿真结果输出等。路网图形编辑器对轨道网拓扑及与运营有关的信息进行编辑，如设定行车路线的起终点等。列车属性编辑器可以对列车的技术参数进行修改，如重量、长度、速度等。时刻表管理数据库包括到达和出发时刻、停站时间及列车编组信息。为了找出无冲突的时刻表，只有通过仿真程序来分析。同时，在仿真程序中还可以进行外部影响因素的敏感性分析，如额外的停站时问延误。整个仿真过程可以在计算机屏幕上通过动画演示。同时，控制方案也可以作为仿真的输入，以体现运营中人工干预的情形。嘲西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页该仿真程序还能自动判别超车的发生，并对设定的路线进行修订。如果操作人员事先设定，仿真程序还能自动选择不同的行车线路。仿真输出包括列车运行图、轨道占用计划等。同时，数据可以导出到其它程序如e x c e l 中。s t r f s t 仿真软件由于其应用范围仅限于复线的轨道线路，故相对较少被使用。但对于其特定的应用范围( 复线) ，该程序能得出可靠的计算结果。程序由德国亚琛r w t h 技术大学开发，内容包括：设备数据录入，列车数据录入，行驶时间和占用时间计算，仿真计算，输出等。设备数据录入包括设备数据和信号控制数据的输入和管理。一旦列车数据被录入，就可以计算相应的行驶时间和占用时间。可以对时刻表中的出发时刻、发车频率进行定义；也可以分时段( 如每小时) 定义，甚至可以产生随机的时刻表。而随机时刻表就要求程序以异步方式运行。仿真由优先级最高的列车开始，逐次将其它列车加入到时刻表中，以保证无冲突产生。这使得仿真程序能很好地应用于突发事件下时刻表的重新制定。程序的输出包括图形和数据的导出。在国内，有同济大学开发的城轨交通运输组织仿真系统，以及北京交通大学研发的编组站作业仿真系统等等。上述多种轨道交通仿真软件各有长处和特点，针对不同问题提出了不同的解决方案，但在我国客运专线车站设备配置研究和通过能力计算方面，使用以上软件均无法实现需要的功能，需要开发一个全新的系统，为进行客运专线设备配置和通过能力计算等方面的研究量身订做一套有针对性的仿真解决方法。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页1 2论文的研究目标及意义客运专线车站能力与其它铁路客运车站能力一样，主要包括咽喉区通过能力和到发线通过能力两个部分，而咽喉布置由于其复杂性使得咽喉区通过能力通常成为客运站限制能力，咽喉布置的分析设计是为了形成一定的作业能力，咽喉通过能力计算则是用来对咽喉的设计布置进行检验、评价，这两者之间具有因果、反馈、互为交叉的关系。由于车站咽喉作业的动态复杂性，以传统的定性、估测、平均为特点的方法必然造成人为因素多或考虑不够完善、对实际情况模拟不够细致且计算繁琐等缺点，本论文研究目标就在于要结合铁路运输组织、最优化理论、系统工程学、系统仿真理论、计算机技术等相关理论对客运专线车站作业仿真系统进行研究，用于研究客运专线车站设备配置及能力方面的相关问题。在车站能力计算方面，虽然有传统的直接计算法、利用系数法、利用率法、图解计算法等等，这些方法都有一定的理论依据但在实际运用中由于参数的取值及原始资料的得来不易、不能适应车站日常工作变化要求等，均无法得到精确的计算结果，使用计算机模拟仿真的方法可以减小上述各方面困难，得到较为可靠的数据，其研究意义主要在于：( 1 ) 在短时间内通过车站作业仿真得到足够的车站各项参数和仿真统计数据，即使是新建车站或是筹建车站只要能够确定其站场布置图，便可得到想要的参考资料。( 2 ) 通过仿真一个过程的结果，可以得到比较准确的车站到发线通过能力以及咽喉通过能力，而此仿真的过程可以在很短时间内完成且只需要很少的成本和人力资源投入。( 3 ) 研究各种设备配置与车站能力的关系问题，如通过对不同站型布置的仿真试验比较，可以对车站咽喉设计起到很好的指导作用，在铁路设西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页计过程中起到辅助设计的作用。总之，当今世界国外轨道交通仿真技术的研究和实用仿真系统的丌发同趋广泛，中国的轨道交通仿真研究尚处发展阶段，在我国客运专线j f 在全面建设的今天，加强客运专线各方面仿真系统的研制和开发，不仅能为铁路运营者、铁路设计者提供强大的理论支撑和数据支持，同时也将对我国客运专线建设及运营的顺利进行起到重要的指导意义。1 3论文的研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：仿真理论在客运专线车站作业仿真中的应用、客运专线车站作业仿真模型及内部算法、客运专线车站作业微观仿真系统的开发以及仿真系统在客运专线车站能力计算以及客运专线车站设备配置分析应用的研究。1岳山基于离散事件系统仿真理论的微观仿真优化客运专线车站作业仿真系统由列车运行仿真、车站作业过程仿真、车站调度控制躲仿真等基本部分组成，要求能够进路排列到发线运用列车排队决策优化系统控制系统系统图卜2 客运线下站作业仿真系统结构图f i g 1 2t h es t i u c t u r eo fs t a ti o ns i m u l a t i o ns y s t e m根据用户需要对车站作业过程进行比较细致的模拟，以每列列车为基本单元，在仿真系统中体现每列列车在车站的作业过程，使整个车站始终处于一个高效率的运营状态当中，并且能够跟踪列车的各种信息。篇一西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页左图为客运专线车站作业仿真系统结构组成，进路排列优化系统和到发线运用控制系统组成的车站调度控制系统对车站各项作业进行控制，车站作业可视化系统用于将计算机内部计算结果输出到显示设备，以便研究人员比较直观的了解和掌握车站作业过程及车站状态；人机交互界面用于系统的人机对话，如修改车站运行条件、车站技术作业标准等等：技术作业信息统计系统用于对车站作业过程各项结果的统计，为研究人员提供试验结果及参考数据。本文将围绕客运专线车站作业仿真系统理论、系统开发、应用进行一系列的研究。西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页第二章铁路运输系统仿真的原理及方法2 1 系统仿真技术概念系统仿真是用于分析复杂系统，解决科研、管理和工程技术难题的有效工具，在现实生活中，大多数系统( 如一条生产线、一个正厂、商场、物料储运中心、医院，包括铁路车站等等) 的动态行为都十分复杂，涉及许多不确定的变化因素，所以很难运用甚至根本无法运用一般的解析方法来对冀进行分析或是数学建模。在这些情况下，计算机仿真就显得格外重要。计算机仿真的基本思想就是建立一个能够模仿某个真实系统( 设计方案) 动态行为的计算机模型，利用该模型来对真实系统的行为变化进行数值模拟实验，通过重复运行的模拟实验以及对模拟输出数据的分析来达到对该系统在给定条件下的动态行为的了解评估，进而改进或者优化系统的目的。计算机仿真在西方发达国家已经是成熟应用的技术，在中国其研究与应用也已发展到了一定水平，但在铁路运输系统钟的应用面仍然比较狭窄。系统仿真就是设计和建立计算机模型来代表某个真实系统，并利用该模型对真实系统的行为变化进行数字模拟实验，通过这样的模拟实验达到对该系统在某些给定条件下的动态行为进行分析和了解的目的。首先，仿真为研究工作提供的是一个工具和一种手段，用来磅究原本复杂的系统问题，必须建立在一次或多次仿真实验的基础上才能得到想要的研究结果，搿并不能逶过仿真巍接得到某问题的结果。其次，系统仿真的模拟对象是某个真实的系统，对系统这一概念的定义有很多不同说法，其意思大同小异，专业研究侧重不同，也会对系统的西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页内涵的理解有所不同。引用钱学森同志对系统下的定义：由相互作用的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，而这个系统本身又是它所从属的更大系统的组成部分。所有的系统都具有某些共同特性，既系统的共性，包括系统的有序性( 层次性) 、系统的集合性、系统的相关性和整体性等；同时，随着系统的层次由低级向高级的发展，高级层次具有低级层次的共性，但又产生了低级层次所不具备的特性。如每个铁路车站都可以看作一个独立的系统，具有处理列车各项作业、组织列车顺利通过等功能，所有的铁路车站连同铁路线路组成了更高级的铁路运输系统，其特性与功能都与铁路车站有着很大区别。对系统的仿真，要求系统具有以下几个要素：系统输入、输出、“加工”过程、资源、行为变化，以及衡量系统表现的尺度，其中加工或转化过程也就是把对系统的投入转变成为系统输出的过程，在客运专线车站系统中，此过程可简单概括为把需要进行各种作业的列车接入车站，在车站系统内部完成这些作业，最后输出新的列车。第三，为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验，系统仿真通过对真实系统建模，在模型的基础上进行系统试验，本文所研究客运专线车站工作仿真模型，是一个离散的、确定性的非自激模型，其系统状态变化事件不是随时问变化而改变，而是需要根据输入的数据，激发不同事件改变其状态，且系统输出时模型会给出一个确定的结果。系统仿真是对系统进行试验研究的综合性技术学科，是研究系统、解决问题的方法和手段，以系统为研究对象，通过进行仿真试验达到解决系统问题的目标。西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页2 2 交通运输系统仿真特点分析交通运输系统仿真是利用系统仿真技术来研究交通运输行为，对交通行为随时问和空间的相互变化关系进行跟踪的综合性新兴技术。交通运输系统仿真是计算机仿真技术在交通运输领域的重要应用，是反映复杂交通运输现象的重要分析方法。交通运输仿真模型建立和交通运输仿真试验系统的开发是交通运输系统仿真研究的两个最重要的内容。2 2 1交通运输系统仿真技术的特点交通运输系统仿真技术是系统仿真技术的分支，可以广泛的应用在铁路运输系统、道路交通系统、公共交通系统、航空运输系统、水运系统、行人交通系统以及管道交通系统。相对于其他交通运输分析技术，交通运输系统仿真技术具有一些比较显著的特点：1 ) 仿真试验不需要真实系统的参与，不影响真实系统的正常运行，并且非常适合于规划中的系统或是有缺陷的交通运输系统研究；2 ) 系统仿真的时间标尺在理论上可以进行任意调节，根据需要进行欠时、实时或者超时仿真，从而可以在短时间内得到较长时间的系统运行结果，或是对某复杂的交通行为进行分解分析；3 ) 交通运输系统中，存在一些事件很难用数学模型进行描述或求解，系统仿真可以根据系统内部的逻辑关系和数学关系，根据系统实际过程和事件来构造模型，使问题得到简化；4 ) 通过系统仿真试验，可以清楚的了解系统运行过程中各个参数的变化情况，各参数的影响范围，从而找出影响系统效率的重要参数，有针对性的进行系统优化：5 ) 仿真系统可以对某种特对能过的运输条件进行反复试验，通过改变系统参数或运行条件，可以比较容易对不同的规划方案进行公西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页正的比选，预测对不同情况下的系统行为，对未来可能出现的情况进行预报，利于提出解决措施或优化方案：6 ) 其他交通分析技术不适用的问题，系统仿真往往能够有效的解决问题。虽然系统仿真技术在研究中有以上所述特点，但其运用时往往会碰到一系列特有的困难。首先，仿真模型中需要大量的数据输入，在某些问题中，一些数据会比较困难或者根本无法取得，给仿真研究带来困难。其次，仿真模型需要正确的标定和检验，只有与实际情况吻合的模型参数才能得到可靠的仿真结果，如果忽视了模型的有效性检验，或者简单的套用数学模型，仿真结果将与预期有很大的出入。第三，进行系统仿真研究，除了需要有扎实的专业知识基础外，还必须熟悉计算机程序设计语言或某种特定的仿真语言。2 2 2交通运输系统仿真的作用交通运输系统仿真的目的是通过对系统仿真模型运行过程的观察和统计，获得系统仿真输出和掌握模型基本特性，推断被仿真对象的真实参数( 或设计最佳参数) ，以期获得对仿真对象实际性能的评估或预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善或优化。它的作用主要可以描述为以下几个方面：1 ) 在一个运输系统建立之前，可以通过改变仿真模型结构、调整系统参数分析评价系统性能，优化系统设计：2 ) 对多方案选优问题，可以通过仿真对各个方案进行比选，以选择合理的系统方案：3 ) 对于无法进行实际测试研究或者实测研究需花费大量人力、物力的试验，可采用仿真技术进行反复试验，节省研究成本，提高研究效率；西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页4 ) 对于危险性大的试验，使用仿真试验可避免危险性；5 ) 预测系统性能，预测外部作用对系统的影响。系统仿真的方法可以深化对系统内在规律和外部联系及相互作用的了解，以采取相应的控制与决策，使系统处于科学化的控制与管理之下，经过长时间的发展交通运输系统仿真技术已成为运筹学和系统分析中应用最广泛和最容易被接受的研究工具之一。2 3 铁路运输系统仿真模型及其研究方法2 3 1铁路运输系统仿真模型铁路运输系统仿真模型是典型的离散型仿真模型，其系统状态只是在某些时间点上发生离散变化，需要有特定的事件来驱动系统状态改变。根据分析要求和基础数据条件不同，以及模型对交通运输系统描述的方法程度不同，和其他交通运输系统仿真模型一样，铁路运输系统仿真模型可以分为宏观模型、中观模型、微观模型三个层次。1 ) 宏观层次。运输系统宏观模型重点研究运输系统与社会经济系统间的关系，研究者所关心的是在一定的政策调控下，运输能力与运输需求的总体规模如何随社会经济的发展而变化，以及一些特殊政策或限制对社会经济系统产生的影响，通过仿真试验对运输发展政策起到一定的指导型作用，明确总体需求规模，研究宏观供需平衡以及通过政策手段的供需调控。2 ) 中观层次。这一层次上的仿真研究主要是针对铁路路网上的车流分布及车流调整，研究车流分布状况及车流运行规律，为车流调整方案确定提供指导。通过对路网分布的建模、仿真，用于对铁路路网规划、城市轨道交通网络规划、地铁发展规划及运营模式的研究等。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页3 ) 微观层次。用于构建微观层次的铁路仿真模型成分可以细致到一段轨道电路、一个道岔、一列列车、一个机车、一个车辆等，是对铁路最基本工作的运行仿真，通过对运营工作的逻辑关系、数学关系的仿真，模拟出铁路最基本设备的作业过程。用于研究铁路客货运车站、编组场、货场以及铁路线路等基本铁路运营单位的运行规律。三个层次上的仿真实验具有一定程度上的相互关联，细化层次的仿真系统可以为抽象程度更高层次的仿真模型提供参数确定依据或说明。如铁路运输系统宏观仿真模型来说，需要描述的是宏观需求特性和宏观分布特性，而其宏观分布特性等数据资料的来源可以通过中观仿真研究得到，研究路网及车流特性的中观仿真模型需要微观仿真模型提供基础模型，如中观仿真网络模型中的一个节点，实际上就是一个微观的车站模型。本文所研究客运专线车站工作仿真是基于离散事件系统微观仿真的铁路运输仿真系统，将在后文中详述。2 3 2铁路运输系统仿真的方法和步骤铁路运输系统可看作一个离散事件系统，它的主要组成部分包括实体和设备，实体是指铁路上活动的列车、机车、车辆等，设备就是系统中固定的成分，用于对实体进行加工、处理和服务，如铁路车站站线、区间线路及其他很多铁路固定设备。整个系统的运行表现为系统状态的改变，这种改变来源于系统中实体和设备的属性和状态改变，系统中发生的事件驱动产生特定活动引起实体和设备的状态改变。仿真系统所采用的基本方法就是按照实际工作流程，把各种作业概括为实体和设备的事件，在仿真时钟的运行下，按规律产生事件改变实体和设备的状态，模拟系统运行。要将铁路运输系统抽象为模型并用仿真试验进行分析研究的主要过程可以描述如下：西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页1 仿真系统的建立1 ) 对要仿真的系统进行充分的认识了解，深入研究其工作原理，找出系统各成分问的逻辑联系；2 ) 定义问题，弄清所仿真的系统的层次，根据需要确定进行仿真的目标和范围；3 ) 建立仿真的概念模型，描述组成系统的实体和设备，定义输入、输出变量，建立其逻辑关系：4 ) 用计算机语言或者合适的仿真软件实现模型，将概念模型转变为计算机逻辑模型；5 ) 检验并完成仿真模型。2 系统仿真分析1 ) 确定统计实验目标，设定系统参数，拟定实验方案；2 ) 仿真实验，收集数据；3 ) 分析仿真实验结果并对其作出解释性的结论或进行相关报告；4 ) 根据仿真分析结果优化系统设计。其总体流程与各步骤间关系可由图2 1 表示。2 3 3铁路运输系统仿真系统的有效性在仿真实验中，需要确定所建仿真模型是否能够有效的代表所研究的真实系统。如果与真实系统有差距，应设法减小这种差距，使之更加有效。使仿真模型能有效的代表所研究的真实系统叫验i i e ( v a l i d a t i o n ) ，对系统仿真来说，致效是一个非常重要的问题，未经验证的模型是没有实用价值的。因此在建立仿真模型后或在建立模型的过程中，需要对仿真系统的有效性进行核实。进行核实工作主要有几种方法：1 在编制仿真模型的计算机程序时，按照模块或者子程序逐一编写与调试。对大型仿真程序，把全部程序全部写完再进行调试几乎都会出错，西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页l 墨竺苎竺ij 兰兰墨竺竺兰堡竺卜臣亘匿匿至! ! i 卧一一一”、l 壁兰墨竺竺壅竺里 口垂匦匿亘i ! i d 一、l 编与仿真系统程序 】塑三! ! j 薹睡堕卤是! 是是 置- 查一 篙否足厂研龚页盯厂1 缝墨鳘h i ! 岔蚯i匦匦乎歪是 囵幽2 1 铁路运输系统仿真流程图f i g 2 - if l o wc h a r to f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n且出错的可能性太多，确定程序错误非常困难。比较好的方法是首先写与调试模型相关的关键子程序，分开独立调试，再将各个子程序加入主程序中并进行相应的附加调试。实践证明，从一般简单模型开始，再逐渐按需要使之复杂化，总是比直接退出复杂模型容易获得成功，花费时间更短。2 进行可视化仿真，随着仿真程序的运行，在绘图终端上显示仿真的实际运行结果，为调试提供形象信息，核实其与真实系统的模拟程度，这种方法在铁路运输系统仿真中非常有效。3 示踪。示踪是核实离散时间系统仿真程序的最有效方法之一，随着程序的运行，系统事件的不断发生，与事件相关的实体、设备属性，系统状态的改变信息通过某种方式显示。使研究人员掌握状态改变的各种信息从而从中找出问题并优化、改进系统。4 为了确定仿真程序是否按预期运行，若有可能，应使模型运行于某些能使模型简化的假设条件之下。在这种条件下，模型的真实特征应是已知或是容易计算的。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页进行仿真系统的有效性研究的目的是使所建仿真系统模型尽量与真实系统逼近，使仿真分析可靠性达到最高。在实际的仿真系统研究中，不同的核实方法在不同问题中的应用效果往往有所区别，需要使用一种或多种致效核实方法，提高开发效率和系统有效性。仿真试验信息的实时可视化就是一种比较有效的有效性检验方法。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页第三章客运专线车站作业系统仿真方法研究客运专线车站作业系统是一个有多条到发线、进行多项列车作业的复杂子系统，主要包括始发作业、终到作业、通过作业、折返作业等，该系统具有排队论的三个基本组成部分，输入流、服务机构和所遵循的排队规则，具有一般排队系统的基本结构与特性。在正式投入运营后其输入流一般是确定的，排队规则为等待制，当所有服务设备均处于繁忙时，新到列车必须等待。但车站作业系统仍具有一般排队系统不具备的特征，由于进路间的敌对关系，使得车站并联的服务设备之间出现一种“互锁 的逻辑关系，在仿真系统的设计过程中对这些特征进行充分的考虑。3 1客运专线始发终到站作业特点客运专线车站按技术作业性质分为越行站、中间站和始发站。越行站是专门办理旅客列车越行跨线作业而设的车站，只办理列车通过、越行作业，不办理旅客乘降作业；中间站主要办理列车通过、越行、和客运业务，部分中间站还办理少量的列车折返作业；始发终到站则办理列车始发、终到作业及客运业务，列车的立即折返，动车组进入动车段进行检修、整备和存放等作业均在始发终到站办理，故须设动车段或综合维修基地。3 1 1始发终到站车站作业内容客运专线始发终到站办理的作业一般包括以下内容：1