（电力系统及其自动化专业论文）孟买地铁一号线列车运行建模与仿真.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho n m u m b a im e t r ol i n eo n et r a i no p e r a t i o n c a n d i d a t e ：f e i 物 s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 015 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fe l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f f a n h o n gk o n g v i c es u p e r v i s o r ：v i c ep r o f z h e - x i o n gx u m a r c h ，2 0 1 0 6川3 肌2咖2舢3舢8 i-y 学吖大娜腑驯冈砌 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：虚堤 p p 年哆月f 歹日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 度斐 7 o l o 年多月f 歹日 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 随着地铁的迅猛发展，人们对地铁列车司机的培训提出了更高的要求。地铁 列车驾驶仿真器通过模拟列车运行性能、列车驾驶环境来建构一个具有高度真实 感的虚拟驾驶环境。采用地铁列车驾驶仿真器对司机进行培训可提高培训效率。 目前，列车驾驶仿真器已成为各国城市轨道交通部门进行列车司机培训考核的重 要工具。在地铁列车驾驶仿真器中，对列车运行的建模与仿真开展研究是仿真器 的核心，对驾驶仿真器的研制至关重要。 本文以孟买地铁一号线列车驾驶仿真器的研制为目的，研究了孟买地铁一号 线列车运行建模与仿真的方法与实现过程。 运用面向对象的程序设计方法，建立列车逻辑控制系统模型。该模型的特点 是在总的列车模型下按列车编组建立代表每节列车车辆的子模型，每个子模型内 部变量独立，外部接口清晰，整个列车模型层次清楚，易于理解，便于调试，能 对列车运行过程进行完整、准确和精细的仿真，有较高的重用性与移植性。 采用遗传算法对牵引电机模型参数进行辨识，得出符合孟买地铁一号线牵引 特性要求的牵引特性曲线。建立柔杆式列车模型，该模型综合了单质点模型受力 分析简便、计算量小和多质点模型能够反映列车在变坡点上的运行状况的特点， 更符合列车驾驶仿真器牵引计算的需要。对牵引控制单元、w ( 变频调速) 系统控制牵引电机进行建模与仿真，得出符合控制要求的牵引计算结果。 列车逻辑控制系统模型、牵引计算模型和列车自动控制系统模型共同构成列 车运行仿真系统模型，能在所有输入和运行状态下准确展现了列车各子系统的逻 辑关系与运行状态，模拟列车人工驾驶和自动驾驶的功能与过程，在给定的各类 参数条件下准确地计算和输出地铁列车的速度、加速度和位置。将列车运行仿真 系统模型嵌入列车驾驶仿真器中，可用来培训司机在正常和各种故障条件下的正 确操纵能力、故障判断能力和解除能力。 关键词：地铁列车，运行仿真，遗传算法，牵引计算 t o n g j iu n i v e r s i t y - m a s t e ro fs c i e n c ea b s t r a c t 一一一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em t r , s u b w a yd r i v e rt r a i n i n gh a sp u t f o n v a r d h i g h e rr e q u i r e m e n t s t r a i nd r i v i n gs i m u l a t o rp e r f o r m a n c et h r o u g ht h es i m _ ui a t i o no f t r a i no p e r a t i o na n dt h e 埘y i l l ge n v i r o n m e n tt o c o n s t r u c tav i v i dv i n i 脚d r i v i n g e n v i r o n m e n t t h es i m u l a t o r su s e df o rd r i v e r s t r a i n i n gc a l li m p r o v et h e 仃a i l l i n g e f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h et r a i nd r i v i n gs i m u l a t o rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tt o o lf o rt h e s u b w a yd r i v e rt r a i n i n ga n de x a m 。 f o rt h ep u r p o s eo fm u m b a im e t r ol i n eo n e t r a i nd r i v i n gs i m u l a t o rd e v e l o p m e n t ， t h i s p a p e rd i s c u s s e dm e t h o d so fm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n di t s i m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s u s i n go b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d s ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lo f t r a i nl o g i c c o n t r o ls y s t e m t h em o d e li sc h a r a c t e r i z e db yt h a ti nt h eo v e r a l lg r o u p i n g e s t a b l i s h e d b yt h et r a i no fv e h i c l e so nb e h a l fo fe a c hs u b s e c t i o no ft h et r a i nm o d e l t h ei n t e m 2 l l v a r i a b l e sf o re a c hs u b - m o d e li n d e p e n d e n ta n dt h en u m b e r o fe x t e r n a li n t e 梳ei sc l e 筑 i ti se a s yt ou n d e r s t a n dt h ew h o l el e v e lo ft h et r a i nm o d e la n d e a s yt od e b u 2t h e s y s t e m ac o m p l e t ea n da c c u r a t er e s u l tc a l lb eo b t a i n e d ，a n dt h e s y s t e mi sh i g h ! v r e u s a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t y a p p l yg e n e t i ca l g o r i t h mi nt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h e t r a c t i o nm o t o rm o d e l p a r a m e t e r st og e tm er e q u i r e dt r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v ew h i c hi sc o n s i s t i e n t 谢t 1 1 t h et r a c t i o nf e a t u r e so fm u m b a im e t r ol i n eo n e t h ee s t a b l i s h m e n to fs o f t r o dt r a 血 m o d e l ，w h i c hc o m b i n e st h es t r o n gp o i n t so fs i n g l e p a r t i c l em o d e la n dm u l t i - p a r t i c l e m o d e l o nt h et r a c t i o nc o n t r o lu n i t ，w v fs y s t e m ，t r a c t i o nm o t o rc o n t r o lm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o n ，t h a tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h er e q u i r e m e n t sc a l c u l a t i o no ft h e 仃a c t i o n c o n t r 0 1 t h et r a i n d r i v i n gs i m u l a t o rc a nl u l lt h es t a t eo fa l li n p u ta n da c c u r a t e i vs h o w st h e l o g i c a lr e l a t i o n s h i pa n dt h e r u n n i n gs t a t eo ft h ev a r i o u ss u b s y s t e m s u n d e rt h e c o n d i t i o n so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s ，t h ec o r em o d e lc a l la c c u r a t e l yc a l c u l a t e a n d o u t p u ts u b w a yt r a i ns p e e d ，a c c e l e r a t i o na n dp o s i t i o n i ta l s oc a nb eu s e dt ot r a i nt l l e s y n t h e s i z ea b i l i t yo ft h ed r i v e r si nn o r m a la n dv a r i o u sf a u l tc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：s u b w a yt r a i n , o p e r a t i o ns i m u l a t i o n , g e n e t i c a l g o r i t h m ，t i a c t i o n c a l c u l a t i o n i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第l 章引言l 1 1 研究背景及课题来源1 1 2 论文研究的主要内容2 1 3 论文的关键技术3 1 3 1 面向对象的程序设计方法3 1 3 2 遗传算法。4 第2 章列车运行仿真系统的总体设计7 2 1 列车逻辑控制系统7 2 2a t c 系统8 2 3 列车牵引计算系统1 0 2 4 本章小结1 l 第3 章列车逻辑控制系统建模与仿真1 2 3 1 列车逻辑控制系统模型的总体设计1 2 3 1 1 列车逻辑类的设计1 2 3 1 2 逻辑类成员变量的设计1 3 3 1 3 逻辑类成员函数的设计1 5 3 2 列车逻辑控制系统模型的详细设计1 7 3 2 1 司机驾驶控制模块的设计与实现1 7 3 2 2 高压采集及电源分配模块的设计与实现2 l 3 2 3 牵引与制动控制模块的设计与实现2 6 3 2 4 列车控制与监控系统模块的设计与实现3 0 3 2 5a t c 系统车载设备控制模块的设计与实现3 6 3 3 本章小结3 7 第4 章列车牵引计算系统建模与仿真3 8 4 1 牵引计算的力学基础3 8 4 1 1 牵引力3 8 4 1 2 运行阻力3 9 4 1 3 制动力4 2 4 2 牵引计算的列车模型4 3 4 2 1 单质点列车模型4 3 4 2 2 多质点列车模型4 4 4 2 3 柔杆式列车模型4 5 4 3 列车牵引制动模型与仿真4 6 4 3 1 牵引制动控制单元建模与仿真4 6 4 3 2 牵引电机模型4 8 i 同济大学硕士学位论文目录 4 3 3 牵引电机模型参数的辨识5 0 4 3 4 牵引特性分析5 5 4 4 列车运行的牵引计算5 6 4 5 本章小结5 8 第5 章列车运行仿真系统仿真结果6 0 第6 章结论与展望- 6 6 6 1 结论6 6 6 2 研究展望6 6 致谢6 8 参考文献：6 9 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果7 0 i v 第1 章引言 1 1 研究背景及课题来源 第1 章引言 随着世界工业的发展，城市化的进程导致了城市人口的高度集中，于是，城 市轨道交通应运而生。从1 8 6 3 年英国伦敦市第一条地铁正式运营至今，世界上 已有一百多个城市建成了城市轨道交通，其中地铁的运营总里程已达上万公里。 地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，在缓解城市交通压力、拓展城市空间等 方面发挥着重要作用，以其大运量、高效率、低污染等优势，成为世界上许多大 城市解决交通问题的首要选择【l 】。 孟买是印度最大的城市，也是印度最大的港口和交通枢纽，人口近3 0 0 0 万， 是印度乃至世界上人口最多的城市之一。为改善孟买交通拥挤状况，开通孟买地 铁一号线一直是近年来印度政府的重要目标。在孟买向全球发出地铁列车车辆招 标书后，经过数月努力，中国南车南京浦镇车辆有限公司成功签下了1 8 列1 0 8 辆地铁车辆订单。本课题即来源自南车南京浦镇车辆有限公司委托“孟买地铁模 拟驾驶系统 合同项目。 在地铁迅猛发展的同时，人们对地铁列车司机的培训和列车性能的提高也提 出了更高的要求。列车司机作为轨道交通行业的一线岗位，对安全运营起着非常 重要的作用。列车司机不但需要精通基本的驾驶技能，还需要懂得如何处理各类 突发事件，掌握列车在非正常情况下的处理等高级驾驶技能。由于地铁的高使用 率以及对安全性的相关要求，不可能在已经建成的线路进行大量的实地培训。如 何又快又好地进行司机培训是面临的一大难题，列车驾驶仿真器是一个很好的解 决方案。 列车驾驶仿真器通过仿真列车运行性能、列车驾驶环境来建构一个具有高度 真实感的虚拟驾驶环境。在这样的环境中，既能够进行驾驶技能的培训，也可对 司机进行心理素质的训练。国内外经验表明，采用列车驾驶仿真器对司机进行培 训可提高培训效率3 0 , - - 5 0 1 2 1 ，可为列车动力学、优化操纵、舒适度评价、安 全驾驶行为等领域的研究工作提供实验平台。目前，列车驾驶仿真器已成为各国 铁路、城市轨道交通部门进行列车司机培训考核和进行各类相关研究的重要工 具。 仿真技术用于列车驾驶仿真器的研制是仿真技术的一个典型应用。列车驾驶 仿真器是一个典型的人在回路的实时仿真系统【3 】，其仿真对象包括两类：列车运 行性能仿真和列车驾驶环境仿真。其中运行性能仿真部分主要实现列车牵引及制 同济大学硕士学位论文孟买地铁一号线列车运行建模与仿真 动系统、列车控制系统、列车动力学、车载信号系统等与列车运行相关的系统的 仿真。对列车运行过程的建模及仿真是对其进行分析与控制的前提，是列车驾驶 仿真器研制的关键。 随着计算机仿真技术的不断发展与完善，越来越多的工业过程都用仿真技术 来进行分析和研究【4 】。计算机仿真也称计算机模拟，是借助高速、大存贮量数字 计算机及相关技术，对复杂的真实系统的运行过程或状态进行数字化模仿的技 术。用计算机仿真技术模拟复杂的地铁驾驶现场环境和列车的运行状态与线路情 况，可以更好地研究列车的运行特性和线路特性。实践证明，这是一种十分经济 而有效的方法，可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题，进行重复 可控的实验，避免实施危险、节约开销，与传统的数学解析方法和实物仿真方法 相比具有高效、优质、安全、经济的优势。因此，用计算机模拟的方法建立列车 运行实验平台，对进行列车运行研究和司机培训具有十分重要的意义。 1 2 论文研究的主要内容 本文以孟买地铁一号线列车为研究对象，以研制孟买地铁一号线列车驾驶仿 真器为目的，研究了列车运行仿真系统建模与仿真的方法和实现过程。论文首先 分析了列车运行仿真系统的组成。其次，按照列车运行仿真系统的组成部分研究 了各自的建模方法与仿真过程。 在深入分析列车电气控制原理图的基础上，结合空气制动管路图、机车原理、 列车自动控制系统原理和列车相关电子控制模块原理，采用面向对象的程序设计 方法建立列车逻辑控制模型，并对自动控制系统与列车逻辑控制系统的交互功能 进行仿真。 针对列车运行特点，分析列车运行时的受力情况，比较了传统的列车单质点 和多质点模型的优缺点，采用综合两种模型各自优点和驾驶仿真器需要的柔杆式 列车模型进行牵引计算的受力分析。研究列车牵引系统控制单元、牵引电机、 v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g ea n dv a r i a b l ef r e q u e n c y ，变频调速) 系统、制动电子控制 单元、空气制动系统等相关系统和设备的控制逻辑与功能，引进遗传算法，对牵 引电机进行参数辨识，在此基础上建立列车牵引计算模型，得出列车牵引特性曲 线。 最后，通过三个步骤的调试，对整个列车运行仿真系统的仿真结果进行了测 试和验证。 2 第1 章引言 1 3 论文的关键技术 1 3 1 面向对象的程序设计方法 ( 1 ) 面向对象的程序设计方法概述 面向对象的程序设计方法模拟自然界认识和处理事物的方法，将数据和对数 据的操作方法放在一起，形成一个相对独立的整体对象，对同类型对象抽象 出共性，形成类。任何一个类中的数据都只能用本类自有的方法进行处理，并通 过简单的接口与外部联系。对象之间通过消息进行通信。 面向对象的程序设计的着眼点是对象，程序设计的核心是从问题中抽象出合 适的对象，即首先解决“做什么的问题。至于“怎么做”，则以操作的设计封 装在对象内部。对于操作方法的设计，核心仍然是算法的设计。 ( 2 ) 面向对象的基本概念 1 ) 对象 对象是指现实世界中各式各样的实体，每个实体都有其一些特定的属性和行 为，在面向对象的程序设计中将该实体的属性( 数据) 和行为( 操作数据的函数) 封装在一个整体里，每个实体都有一个所属的类【5 】。 2 ) 类 类是对一组对象共同具有的属性和行为进行抽象，它提供了一个具有特定功 能的模块和一种代码共享的手段。对象是类的一个实例，在程序中，从语法上来 看，类和对象的关系相当于数据类型和变量的关系。 3 ) 消息 消息是向某对象请求服务的一种表达方式。在面向对象的程序中，程序执行 是靠对象之间传递消息来完成的。消息实现了对象与外界、对象与其他对象之间 的联系。 ( 3 ) 面向对象程序设计的特点 1 ) 抽象 抽象是指忽略一类事物中与当前处理问题的主题无关的细节，包括数据抽象 和代码程序两方面，数据抽象定义了对象的属性，而代码抽象则定义了某类对象 的共同行为特征。在面向对象的程序设计中，类是实现抽象的工具。 2 ) 封装 封装是指将抽象得到的数据和代码集合在一个整体里的过程，它还具有对内 部细节隐藏保护的能力，类内的某些成员可以以对外隐藏的属性被保护起来。在 c + + 中，类是实现封装的工具，封装保证了类具有较好的独立性，防止外部程序 同济大学硕士学位论文孟买地铁一号线列车运行建模与仿真 破坏类的内部数据，同时便于程序的维护和修改。 3 ) 继承 继承是一种连接类与类的层次模型，利用现有类派生出新类的过程称为类继 承。新类( 子类) 拥有原有类( 父类) 的特性，有增加了自身新的特性，程序设 计时，只需对新增加的内容或是对原内容的修改设计代码。除了共享机制，继承 还具有传递机制，即最下层的子类可继承其上各层父类的全部特性。 4 ) 多态性 多态性是指发出同样的消息被不同类型的对象接收时导致完全不同的行为， 即当向不同的对象发出相同的服务请求时，会得到不同的响应。具体的多态性表 现为：支持函数重载；支持运算符重载；支持虚函数和动态联编【6 】。 由列车运行仿真系统的设计模型可知，在系统中存在着许多实体或虚拟的模 型，这些模型间有着信息交互和控制关系，因此比较适合运用面向对象的程序设 计方法来对系统进行设计与开发。 1 3 2 遗传算法 ( 1 ) 遗传算法的概述 遗传算法( g a ，g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是模拟达尔文生物进化论的自然选择和 遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优 解的方法，它最初由美国m i c h i g a n 大学j h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年首先提出来的， 并出版了颇有影响的专著( ( a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n d a r t i f i c i a ls y s t e m s ) ) ，g a 这个 名称才逐渐为人所知，j h o l l a n d 教授所提出的g a 通常为简单遗传算法( s g a ) 。 遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群( p o p u l a t i o n ) 开始的， 而一个种群则由经过基因( g e n e ) 编码的一定数目的个体( i n d i v i d u a l ) 组成。每个 个体实际上是染色体( c h r o m o s o m e ) 带有特征的实体。染色体作为遗传物质的 主要载体，即多个基因的集合，其内部表现( 即基因型) 是某种基因组合，它决 定了个体的形状的外部表现，如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种 基因组合决定的吼因此，在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工 作。由于仿照基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化，如二进制编码，初代 种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代( g e n e r a t i o n ) 演化产生 出越来越好的近似解，在每一代，根据问题域中个体的适应度( f i t n e s s ) 大小选 择( s e l e c t i o n ) 个体，并借助于自然遗传学的遗传算子( g e n e t i co p e r a t o r s ) 进行 组合交叉( c r o s s o v e r ) 和变异( m u t a t i o n ) ，产生出代表新的解集的种群。这个过 程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境，末代种群中 的最优个体经过解码( d e c o d i n g ) ，可以作为问题近似最优解。 第1 章引言 ( 2 ) 遗传算法的特点 遗传算法是解决搜索问题的一种通用算法，对于各种通用问题都可以使用。 一般搜索算法的共同特征为： 1 ) 首先组成一组候选解； 2 ) 依据某些适应性条件测算这些候选解的适应度；， 3 ) 根据适应度保留某些候选解，放弃其他候选解； 4 ) 对保留的候选解进行某些操作，生成新的候选解。 在遗传算法中，上述几个特征以一种特殊的方式组合在一起：基于染色体群 的并行搜索，带有猜测性质的选择操作、交换操作和突变操作。这种特殊的组合 方式将遗传算法与其它搜索算法区别开来。 遗传算法还具有以下几方面的特点： 1 ) 遗传算法从问题解的串集开始搜索，而不是从单个解开始。这是遗传算 法与传统优化算法的极大区别。传统优化算法是从单个初始值迭代求最优解的； 容易误入局部最优解。遗传算法从串集开始搜索，覆盖面大，利于全局择优。 2 ) 许多传统搜索算法都是单点搜索算法，容易陷入局部的最优解。遗传算 法同时处理群体中的多个个体，即对搜索空间中的多个解进行评估，减少了陷入 局部最优解的风险，同时算法本身易于实现并行化。 3 ) 遗传算法基本上不用搜索空间的知识或其它辅助信息，而仅用适应度函 数值来评估个体，在此基础上进行遗传操作。适应度函数不仅不受连续可微的约 束，而且其定义域可以任意设定。这一特点使得遗传算法的应用范围大大扩展。 4 ) 遗传算法不是采用确定性规则，而是采用概率的变迁规则来指导他的搜 索方向。 5 ) 具有自组织、自适应和自学习性。遗传算法利用进化过程获得的信息自 行组织搜索时，硬度大的个体具有较高的生存概率，并获得更适应环境的基因结 构。 ( 3 ) 遗传算法的应用 由于遗传算法的整体搜索策略和优化搜索方法在计算时不依赖于梯度信息 或其它辅助知识，而只需要影响搜索方向的目标函数和相应的适应度函数，所以 遗传算法提供了一种求解复杂系统问题的通用框架，它不依赖于问题的具体领 域，对问题的种类有很强的鲁棒性，所以广泛应用于许多科学，下面我们将介绍 遗传算法的一些主要应用领域： 1 ) 函数优化 函数优化是遗传算法的经典应用领域，也是遗传算法进行性能评价的常用算 例，许多人构造出了各种各样复杂形式的测试函数：连续函数和离散函数、凸函 同济大学硕士学位论文孟买地铁一号线列车运行建模与仿真 数和凹函数、低维函数和高维函数、单峰函数和多峰函数等。对于一些非线性、 多模型、多目标的函数优化问题，用其它优化方法较难求解，而遗传算法可以方 便的得到较好的结果。 2 ) 组合优化 随着问题规模的增大，组合优化问题的搜索空间也急剧增大，有时在目前的 计算上用枚举法很难求出最优解。对这类复杂的问题，人们已经意识到应把主要 精力放在寻求满意解上，而遗传算法是寻求这种满意解的最佳工具之一。实践证 明，遗传算法对于组合优化中的n p 问题( 多项式复杂程度的非确定性问题) 非 常有效。例如遗传算法已经在求解旅行商问题、背包问题、装箱问题、图形划 分问题等方面得到成功的应用。此外，g a 也在生产调度问题、自动控制、机器 人学、图象处理、人工生命、遗传编码和机器学习等方面获得了广泛的运用。 根据牵引电机模型的特点，将遗传算法用于牵引电机参数的辨识，能够得到 较高辨识精度的牵引电机参数，从而提高列车牵引计算系统的仿真度。 6 、 第2 章列车运行仿真系统的总体设计 第2 章列车运行仿真系统的总体设计 孟买地铁一号线列车驾驶仿真器采用分布式体系结构，由列车运行仿真系 统、数据采集及输出系统、视景仿真系统、声音仿真系统以及司机操纵台、电器 柜等组成，在培训应用中，还配备有教员监控及操纵评价系统、观摩系统等辅助 系统【8 1 。其中列车运行仿真系统包括对列车逻辑控制系统、a t c 系统( a u t o m a t i c t r a i nc o n t r o l ，列车自动控制系统) 、牵引计算系统三个系统的仿真。 列车运行仿真系统的总体设计如图2 1 所示： 司机操纵台 l 按司控器li 徽力表、速度表il i ld d l p i s 电器柜 j 1 i1 -i ：3 数据采集及输出系统 h 黼 ： 模拟地面信息h 列车逻辑控制系统h 牵引计算系统 声音仿真系统a t c 系统视景仿真系统 图2 1 列车运行仿真系统的总体设计 数据采集及输出系统负责对司机的操纵动作及故障设置进行实时采集，并控 制实物司机操纵台上的指示灯、仪表、h m i ( a t c 显示单元) 、d d u ( 司机驾驶 显示单元) 、p i s ( 乘客信息系统显示单元) 等的显示状态。列车逻辑控制系统接 收数据采集及输出系统的输出、a t c 系统的信号和模拟的地面信息，结合牵引 计算系统进行实时的仿真运算，输出列车的运行状态和列车设备的状态给数据采 集及输出系统、声音仿真系统、视景仿真系统，同时也将这些信息反馈给a t c 系统。列车运行状态包括列车的速度、加速度和位置等参数信息【9 】。 2 1 列车逻辑控制系统 列车逻辑控制系统的控制关系由列车电气控制原理图来表示。列车电气控制 原理图是反映列车电路的结构组成及各元器件间连接关系的示意图，表达了列车 电气控制的工作原理，由司机控制器、低压电器、导线、控制单元、电机等基本 元素组成，其中低压电器包括断路器、继电器电磁线圈及其触点、二极管、按钮、 指示灯、电磁阀、压力开关等。用电设备通过开关、按钮、继电器触点等的变化 7 同济大学硕士学位论文孟买地铁一号线列车运行建模与仿真 改变回路，进而实现不同的电路功能。 列车电路按电路中的各种电器设备的功能和作用、电压等级，可分为主电路、 辅助电路和控制电路三个部分，主电路的功能是在牵引和制动时完成能量传递和 转换，特点是大功率、高电压、大电流，设备主要包括主变压器、牵引变流器、 牵引电机；辅助电路分为交流辅助电路和直流辅助电路两部分，交流辅助电路的 功能是给主电路的通风、冷却电机等供电，特点是三相交流供电，功率较小，设 备包括单三相变换器、通风电机、油泵电机、空压机、方便插座等，直流辅助 电路的功能是给电器控制、电子控制及照明、空调设备供电，特点是直流l l o v 供电，有蓄电池作为后备电源，设备包括l l o v 交直流变换电源、蓄电池、空调 等；控制电路是机车三大电路中最为复杂的电路，属于低压直流小功率电路，可 以控制主电路和辅助电路中各电器的动作，并通过司机控制台上各按钮、开关和 司机控制器手柄位置操纵，完成各种工况的操作，设备包括继电器、电磁阀、压 力开关等。机车的三大电路通过电磁、机械或电空传动相联系。 列车电路的实现采用了继电器接触器逻辑控制方法uo 】，是由各种开关电器 组合，并通过物理接线的方式实现逻辑控制功能的。由继电器、接触器组成的控 制电路中，电器元件只有两种状态，线圈通电或失电、触点闭合或断开。这两种 不同状态，可以用逻辑值表示，也就是说，可以用逻辑代数来描述这些电器元器 件在电路中所处的状态和连接方法。在逻辑代数中，用“1 和“0 表示一种开 关状态。同理，也可表示开关电器元件的逻辑状态。我们在分析继电逻辑控制电 路时，元件状态是以线圈通电或断电来判定的。该元件线圈通电时，其本身的常 开触点闭合、常闭触点断开。对于开关电器规定正逻辑为：线圈通电为“1 状 态，失电为“o 状态；元件的常开触点，规定闭合状态为“1 状态，断开状态 为“0 状态，线圈没通电的触点状态称为原始状态。负逻辑则相反。 电气控制电路逻辑函数的数学意义是：数目确定的变量，在所有符合规定的 取值情况下，经逻辑运算后，函数均取“1 值。电气控制电路逻辑函数的物理 意义是：一个逻辑函数取“1 值，就意味着这个函数对应的逻辑电路中被控电 器通电，而符合规定的各种变量取值情况则是函数取“1 ”值的条件。 列车电气控制原理图具有以下特点：功能模块化、电路的层次性强、模块间 的电路接口清晰、设备多具备自身属性功能。正因为有着这样的特点，使得模型 非常适合面向对象的设计。采用面向对象的方法，通过对列车的逻辑控制电路进 行模块化分析，依据其属性及功能，建立起逻辑控制模型。 2 2a t ( 3 系统 8 第2 章列车运行仿真系统的总体设计 孟买地铁一号线列车采用西门子准移动闭塞信号系统。基于轨道传输列车控 制报文的西门子准移动闭塞地铁列车自动控制系统( a t c ) 由自动防护子系统 ( a t p ) 、自动驾驶子系统( a r o ) 和自动监控子系统( a t s ，包括计算机联锁子 系统c i ) 组成，负责列车的安全高效运行。正常情况下，控制中心通过通信传 输系统与站、段a t c 子系统以及其他系统交换信息，并通过网络实现对a t p 、 a t o 等子系统的监控。a t c 包含的各子系统之间的关系如图2 2 所示，整个a t c 系统的设备分别设置在控制中心、信号设备室、地面及地铁列车上。控制中心仅 有a t s 设备，图2 2 中t w c 为车地通信子系统。a t c 系统的主要功能有：调 整车速，控制列车的最大速度( 防止超速) ；限制列车之间的最小距离，以保证安 全制动距离；到站自动停车；按照事先排好的时刻表自动发车；监督列车的位置 和运行；自动调整道岔位置、开放信号引导列车运行；在出现潜伏的危险因素时， 阻止列车运行；发现运行异常时，向操作人员报警【l 。 控制中心 控制台或 显示器 计算机 子系统 数据传输 系统( 办 公室) 车站控制室 _ _ - 。_ _ _ _ 。_ _ 一 局部控i 信号设备室 自动闭塞信号 剿l 医磊可赢 彳j i 三兰 ，i 芎疆硝。l 蓊苓 n 型线路请求f 卜二二二 显示 t w c 收发 系统 局部数据 传输系统 ( 现场) 联锁控制i 罄蠢 停站控制 停站检测 图2 2a t c 系统框图 轨 道 连 接 器 轨道 t w c 天线 接收 线圈 t w c 天线 车载设备 a t p 速度命令 门控制 a t 0 a t s 机车显示 列车状态 引导行车 a t c 各子系统的功能： a t p 子系统主要实现自动连续检测列车位置、确定信息发送方向，及时显示 列车车速、列车限速、目标速度、目标距离等信息，对列车超速、设备故障进行 报警，防止列车超速运行，确保列车之间的安全距离，并对列车自动折返进行监 督 1 2 1 。 a t o 子系统结合a t s 和a t p 子系统完成列车区间运行自动驾驶、车站站台 定位停车控制和车站通过控制，实现司机监督下的自动折返控制、车门开关控制 以及列车运行调整和节能控制。 9 同济大学硕士学位论文孟买地铁一号线列车运行建模与仿真 a t s 的主要功能是实现列车自动识别、自动追踪、进路自动控制或人工控制， 完成列车运行时刻表的编制与管理，描绘和自动调整列车运行图，并通过网络对 a t p 和a t o 等子系统进行监控。具有轨道电路、道岔、信号机逻辑联锁关系的 计算机联锁子系统c i 用以完成排列进路。排列进路过程中，联锁设备监督轨道 电路的空闲或占用，控制道岔转换、锁闭和信号机的开放；列车通过进路后，其 进路自动解锁。 本文讨论了对a t c 系统与列车逻辑控制系统交互功能进行仿真的方法与过 程，由于对于a t c 系统设备，其内部电路和结构无法获知，只能通过已知的输 入、输出信号和a t c 系统功能原理，推理出输入、输出信号的关系，从而建立 仿真模型，实现对a t c 系统的仿真。 2 3 列车牵引计算系统 牵引计算主要包括列车运行的牵引计算和制动计算。列车在线路上运行时， 列车与线路一起构成了一个复杂的运动系统，涉及列车的编组条件、机车车辆的 牵引和制动装置、线路情况、司机操纵方法等多方面的因素。对于列车驾驶仿真 器而言，需要对速度、加速度、位移等运行参数进行实时计算。这些计算结果是 驾驶仿真器正确运行的基础，也是对司机操纵平稳性进行评价的依据。 列车牵引计算系统仿真的主要任务是根据不同载荷、线路、供电、动车损失、 运行策略等条件，计算列车在运行过程中速度、位移、电流、能耗和时间的关系， 并绘制相应的特性曲线。 列车牵引制动控制信号流动图如图2 3 所示。 图2 3 牵引制动控制信号流动图 牵引制动指令和力需求值在人工驾驶时由司机控制器产生，司机控制器的 手柄位置确定了所给指令对应的转矩( 牵引或制动力) 。自动驾驶时则由车载a t c 设备产生，编码器将来自司机控制器或a t c 系统的力需求值信号调制成p w m 信号作为牵弓1 $ 0 动控制单元的输入。牵引控制单元和制动控制单元配合完成电 l o 第2 章列车运行仿真系统的总体设计 空混合制动的功能，由牵引控制单元输出p w m 信号控制v v v f 系统，v v v f 控制的逆变器连接电机，通过同时改变频率和电压，达到磁通恒定( 可以用反电 势频率近似表征) 和控制电机转速( 和频率成正比) 的目的。 2 4 本章小结 本章讨论了列车运行仿真系统的组成，以及其作为列车驾驶仿真器的核心， 与驾驶仿真器中其他系统的控制关系。对列车运行仿真系统的三个组成部分：列 车逻辑控制系统、a t c 系统、牵引计算系统各自的组成和功能进行了详细的介 绍，为以后章节对这三个系统建模与仿真的研究打下了基础。 同济大学硕士学位论文孟买地铁一号线列车运行建模与仿真 第3 章列车逻辑控制系统建模与仿真 3 1 列车逻辑控制系统模型的总体设计 列车逻辑控制系统模型是列车电气控制原理图的数学模型，在此数学模型 。 中，为实现电路、器件的故障设置，包含了所有的器件、电路。列车运行在正常 和故障工况条件下，器件的当前状态由上一时刻状态、其他关联器件或电路的状 态、相关的输入、列车运行所设置或解除的故障及对应的逻辑计算式决定。完整 的列车运行逻辑控制模型包含上千状态变量及逻辑计算式。每个仿真周期中，仿 真程序读取输入信号，并按电路的顺序根据逻辑计算式对所有器件状态进行逐一 计算，部分状态被输出作为其他系统的输入或驱动仪表、指示灯等设备。状态变 量之间的关系以及逻辑计算式被存放在列车逻辑函数中，供仿真程序调用。 假设： 一 输入变量： ，= 阢。，l ：，l 。】 故障设置变量： g = 【g 。，g ：，g 。】，其中g ， 故障解除变量：。 j = 。，2 ，以】，其中g ， 状态变量： s = 防。，s ：，s ，】 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 输出变量： o = 【q ，d 2 ，q 】 ( 3 5 ) 从仿真时序n 运行至时序n + l ，采集所有输入，根据器件间的逻辑控制关系， 有以下开关函数： 状态变量： s 川= p ( l + l ，g 川，以+ 。) ( 3 6 ) 输出变量： q + ，= f ( 1 川，s 川，g 州，以+ ，) ( 3 7 ) 3 1 1 列车逻辑类的设计 孟买地铁一号线的每列车辆由4 节车组成，列车编组形式为d t + m = m + d t ，其中d t 型车为带有一个司机室和受电弓的拖车，m 型车为动车。两个 d t 车、m 车从硬件上分别是完全一样的，可以互换。故在列车逻辑控制系统模 型设计时，将整列车的逻辑控制系统抽象为列车逻辑类，设计d t 型车的逻辑控 制系统为d t 型车逻辑类，m 型车的逻辑控制系统为m 型车逻辑类。列车逻辑 1 2 第3 章列车逻辑控制系统建模与仿真 控制系统模型结构如图3 1 所示。 图3 1 列车逻辑控制系统模型结构 列车逻辑类生成代表整列地铁列车的模型，在此模型下，d t 型车逻辑类和 m 型车逻辑类分别生成各自的对象d t l 车模型、d t 2 车模型和m 1 车模型、m 2 车模型，作为整列地铁列车模型的子模型。d t l 车模型与d t 2 车模型有相同的 逻辑函数和变量定义，但是根据每节车被控制关系的不同，变量名相