（计算机应用技术专业论文）铁路智能交通系统之列车控制、调度与运行仿真平台.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y5 8 6 2 2 8 摘要 铁路智能运输系统 ( r 叮 5 )就是集成了计算机技术、现代信息处 理技术、 控制与 系统技术、管理与决策支持技术和智能自 动化技术等， 以 提高 运输效率、 改善经营管i和提高服务质鳖为目 的新一代铁路运输 系统。 计算机仿真技术作为一门 新兴的高技 术， 其方法建立在计算机能力 的 基础之上。 随着计算机技术的发展， 仿真技术也得到迅逮的发展， 其 应用领域及其作用也越来越大。 在铁路运输中存在大量的控制f# l 题和仿 真f lj 题，而n前己有的ma t l a b * c x 2 或其他的仿真软件 平台只具有一些 通用的仿真的功能， 对铁路运输系统中大量的复杂对象特点缺乏考虑与 支持， i且其中智能 信息处理技术的综合集成设计功能不足， 难以满足 铁路智能运输系统对智能信息处理技术研究的需要。 r s t s 列车控制、 调度与运行仿真平台 ( 简称为r 工 t s 仿真平台) 是 将m a t l a b 与v c - i- 干 混合编程开发出的 平台。 它结合了d c o m技术， 提供了开放性的接口。 用户可以根据自己需求的不断增长向系统添加组 件， 从而能够满足针对铁路特殊对象的仿真需求。 本论文介绍了r i t s 系统中针对列车控制、调 度和运行等对象的仿真平台开发， 包括 r i t s 仿真平台核心技术介绍. r i t s 仿真平台的框架设计和r i t s 仿真平合组 件的 扩展等部分。 并结合自 己 在项目 中 承担的实际开发任务， 论述了 该 平台的框架的实现，及相应模块的具体实现。 关键字:r i t s 、仿真技术、仿真平台、 d c o m、组件 未经作者、 导f l 161 惠 勿全文公布 北京交通大学硕十学位论文 ab s t r a c t a i m e d t o e s t a b l i s h a n e w r a i l w a y t r a n s p o r t a t io n s y s t e m w i th h i 妙 e f f i c i e n c y i n t r a n s p o r ta t i o n , m a n a g e m e n t a n d h i g h - q u a li t y s e r v i c e , r a i lw a y i n t e ll i g e n c e t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ( r i t s ) i n t e g r a t e s m a n y a d v a n c e d t e c h n o lo g i e s s u c h a s c o m p u t e r t e c h n o l o g y , m o d e m d a t a - p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , c o n t r o l a n d s y s t e m t e c h n o l o g y , m a n a g e m e n t a n d d e c i s i o n - m a k i n g s u p p o r t i n g t e c h n o l o g y a n d i n t e l l i g e n t a u t o m a ti o n t e c h n o 拓 舒 c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c hn o l o g y , a n e w t e c h n o l o g y b as e d o n t h e c o m p u t i n g c a p a c i t y o f c o m p u t e r , h a s b e e n r a p i d l y d e v e l o p e d a n d w i d e l y u s e d i n m a n y f i e l d s . i n r a i lw a y t r a n s p o r t a t io n , t h e r e a r e a n u m b e r o f p r o b l e m s c o n c e r n i n g c o n t r o l a n d s i m u l a ti o n . a n d t h e e x i s t i n g s i m u l a t i o n p l a t f o r m s l i k e m a t l a b a n d 0 2 c a n m e e t t h e g e n e r a l n e e d s o f s i m u l a t i o n b u t t a k e a l it t l e 认a c c o u n t a g r e a t m a n y s p e c i f i c a n d c o m p l i c a t e d o b j e c t s t h a t e x i s t i n r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n a l s o th e y h a v e n n o t g i v e n f u l l c o n s i d e r a t i o n t o t h e i n t e g r a t i o n o f i n t e l l i g e n t d a t a - p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y a n d c a n h a r d l y m e e t t h e d e m a n d o f r i t s i n t h i s r e s p e c t m a t l a b a n d v c + + a r e u s e d t o d e v e l o p t h e r i t s s i m u l a t i o n p l a t f o r m i n w h ic h d c o m t e c h n o l o g y i s a p p l i e d a n d a n o p e n i n t e r f a c e i s p r o v i d e d . a c c o r d i n g t o t h e i r n e e d s t h e u s e r c a n a d d n e w c o m p o n e n t s t o t h e s y s t e m s o a s t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f s i m u l a t i o n f o r t h e s p e c i f i c o b j e c t s i n r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n t h i s t h e s i s d i s c u s s e s t h e d e v e l o p m e n t o f s i m u l a t i o n p l a t f o r m f o r t h e c o n t r o l , s c h e d u l e a n d o p e r a t i o n o f t r a i n . i t i n t r o d u c e s th e c o r e t e c h n o l o g i e s u s e d i n t h e p l a t f o r m , t h e f r a m e w o r k o f r i t s a n d t h e e x p a n s i o n o f r i t s 北京交通大学硕士学位论文 c o m p o n e n t s . c o m b i n e d w i t h m y o w n t a s k i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e p l a t f o r m , i t a l s o i n c l u d e s t h e r e al i z a t i o n o f f r a m e w o r k a n d i t s c o r r e s p o n d i n g mo d i d e s k e y w o r d s : r t t s , s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n p l a t f o r m , d o o m, c o m p o n e n t 北京交通大学硕十学位论文 第一章 绪论 1 . 1 r i t s综述 1 . 1 . 1 r i t s 概论们 随着轨道运输事业的蓬勃发展， 世界上很多国家积极投入到轨道运 输与工 t s 的结合，开始进行铁路智能 运输系统 ( r a i l w a y工 n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ， 简 称r i t s ) 的 研 究 z 作， 并 在 行 车 安 全 及 控 制、 旅客服务、 列车定位、 列车运行自 动控制等方面取得了许多具有重 大意义的研究成果。目 前国际上尚未有关于b i t s 统一的定义，但根据 r 工 t s 所涉及的技术、 应用对象以 及应用范围， 我们可以给出以下定义: 铁路智能运输系统就是集成了电子技术、计算机技术、现代通信技术、 现代信急 处理技术、 控制与系统技术、 管理与决策支持技术和智能自 动 化技术等，以实现信息采集、 传输、 处理和共享为基础， 通过高效利用 与铁路运输相关的所有移动的、 固定的、 空间的、 时间的和人力的资源， 以较低的成本达到保障安全、 提高运输效率、 改善经营管理和提高服务 质量目的新一 代铁路运输系统。 根据中国铁路运输和信息化的实际情况，我国r i t s 的实际内涵是: 利用当代先进的智能技术、 信息处理技术、 数据通信技术、自 动控制技 术、 管理科学等现代高科技，以 信息化为基础， 通过整合， 实现信息共 享， 加强列车控制系统和安全保障系统的建设， 在确保行车安全的同时， 进一步提高运输效率， 加强电子商务和客户信息服务系统建设， 大幅度 提高服务的质量、 效率和适应市场的能力， 加强基于管理和控制的智能 化综合决策支持建设， 提高决策的时效性和科学性， 系统建成后将覆盖 北京交通大学硕士学位论文 客货运输管理、客户服务、 列车控制与调度、 安全保障、 基础设施的管 理与维护等领域， 形成一个完整的集智能化控制、 管理、 决滚于一体的 以 保障安全、 提高运输效率、 改善经营管理、 提高服务质量和实现国际 楼轨为日的的新 代铁路运输系统。 1 . l , 2我国r i t s 体 系 框 架 tv 我国r 工 t s 体系框架主要由 用户主体、 服务主体、 服务框架、 逻辑框 架、物理框架和技术经济评价几个部分组成，见表1 a 表: i 二 育 5 休 累摧架的内容体系 r .r 济技术 谬价 掇 务礁 架 - ,j i,l 它仁密v相关，共同构成r i t s 体系框架的有机整体: 1 用户主 体是系 统服 务面对的 主 要用户， 即 在某 个服务 领域提出 需求的主体; 服务主体是服务的提供者，为用户主体提供服务。 服 务主体与用户主体是服务与被服务的关系， 两者代表了r i t s 服务领 域的 供需双方， 是确定r i t s 服务 框架的前提与基础。 2 .服务框架是进行r i t s 体系框架设计的 起点， 在进行r i t s 服务 框架设计时， 首先要明确铁路外部用户 旅客， 货主、 相关部门等) 和铁路内部用户( 运营管理部门、 行车控制与调度部门、 救援部门等) 对r 工 t s 的需求， 在对上述需求进行分析的 基础上， 提出r 工 t s 为满 足f户a求ri 提供的各类服务。 服务框架的建立采用层次结构方 式，由 顶层到底层逐层细化， 最终形成r i t s 服务框架的全部定义。 i r i t s 的逻辑框架是 对r i t s 内 部结构的逻辑描述，即针对r i t s 北京交通大 学硕士学位论文 服务框架确定的各类用户服务，定义出 满足上述目 标应具有的最合 理的数摄源、数据输ffi和处理过程，以及输人w w 中rh i 数据和输 出数据与处理过程的相互关系。 4 .r 工 t s的 物理框架是对 r 工 t s 物理实现的 描述，将逻辑框架中所 定义 i 各类功能模块及数据流进行整合， 定义出能实现r i t s 各类功 能的 物理子系统，以 及这些子系统之伺交互的框架流及其关系。 5 .r t t s的经济技术评价是对r 工 t s 项日 的 经济合理性、 技术可行 性、 社会效益、 环境影响和风险做出评价， 为r i t s 提供一个综合的、 全面的、直观的评价结果，为 具体 顶日 的可行性研究、实施效果及 实施方案的比 选、 优化、 决策提供科学依据。 1 13 我国r i t s 体 系框 架的 主 要内 容 r m 3 i 用户主体和服务主体: 用户主体包括铁路内 部用户和铁路外部用 户两大类。 服务主体包括运营管理部f l , 固定设施管理部门、 移动设施 管i f 部门、 铁路运输信息服务部门 和紧急救援与安全管9部门。 2 ，服务框架。服务框架的定义是整个r i t s 体系结构制定发展的基 础。 m绕铁路智能运输系统i 4 高品质服务、 高安全、 高效率” 的三高目 杯， 根据用户需求分析的结果， 并结合我国 铁路运输的 现状、 发展趋势、 管理机制等因累， 将r i t s 划分为 智能化用户导航系统、 铁路电 子商务 系统、 综合运输系统、 智能化紧急救援与安全系统、 智能化铁路资源管 理系统、 智能化营运管理系统、 智能 化行车控制与调度系统等7 个服务 领域，2 1 个子服务领域。 3 逻辑框架: 逻辑框架基于 前边所定义m用户服务， 确定r i t s 为 满足用户需求所需提供的功能及各功能之间交互的信息流和数据流n i x 辑框架的构建不考虑管理体制和技术因素， 它只确定系统的功能， 而不 北京交通大学硕士学位论文 管功能由谁来实现， 如何实现， 具体的实现工作由 物理框架完成。 逻辑 框架与系统的其体实现分离使得其具有较好的灵活性和可扩展性。 建立 逻辑框架的步骤如下a ( 1 ) 根据用户服务需求建立系统功能层次表: 对需 求分析的结果进行整理、 汇总， 对服务领域进行功能性的划分， 生成功 能层次表。 ( 2 ) 在系统功能层次表的基础上， 建立数据流程图( d a t a f l o w d i a g r a m , 简 称d f d ) a d f d 图 包括过程 说ra 和数据流定 义两部分。 过程说 明 是在功能层次表的 基础_ e 对过程的 叙述性说明、 输入输出 数据流的简 要说明。 数据流就是在逻辑框架中功能之伺以 及功能和终端之间传输的 信息。 在数据流m中， 数据流表示为一个箭头并在逻辑框架的数据字典 中 进行定义说明。 数据流按照起终点一致的原则， 集合起来形成物理框 架中的框架流。 4 物理框架; 物理框架是系统的 物理视图, 将逻辑框架中的功能实 体化、 模型化， 将相关的系统功能和数据流集成为系统与子系统。 物理 框架与未来的铁路运输管理体制密切有关。 1 ,2 r i t s仿真平台的国内外现状与应用fi l l 铁路智能 运输系统的概念是最近凡年才提di的， 但发达em家有关铁 路智能运输系统范畴的研究己 有4 0 余年的历史了。 且在综合运营管理、 列车运行自 动控制、 电 子付费、 紧急 救援和安全监控等方面取得了很多 成就。如欧洲的铁路运输管理系统 e r ms at c s ,日 本的列车运行管理 系统c o s m o s 和c a r a t ，美国的a t c s 及a r e s 等。 2 1 世纪以来随着i t s 研究的深入开展， 一些国 家开始认识到基于己 有工作基础从总体上规划 铁路智能运输系统的重要性， r 工 t s的概念及其体系框架的研究开始引 起关注。 在日 本提出了 轨道领域的i t s - c y b o r r a i l 系统， 我国台湾地 区提出了 智能铁路系统一工 r s t l ) . 北京交通大学0上 学位论文 在现有的未t式称为铁路智能运输系统而属于r 工 t s 范畴的项目 中， 发展最好的是欧洲a t e r t m s 项俄， 其研究目的在于建立全欧洲铁路网统 - - m标准、 保证各14 7 #11 车在欧洲铁路网内 的互通运营， 提高铁a运输瞥 理 水 平 从1 9 9 11 年开 始围 绕 技 术 规范的 制定、 完善、 v f 估 模拟、 测 试 试验、立法和商用推广，欧共体展开了 5个阶段的工作。第一阶段是 1 9 9 0 -1 9 9 8 = r- . 制定基本m范、 确定功能需求和系统需求; 第二阶段 是1 9 9 8 -2 0 0 0 年， 完成功能和系统分类， 达到交互使用的 基本要求; 第三阶段是1 9 9 9 -2 0 0 1 年， 测试 系统功能， 验证系统及功能的 互操作 性， 并提出 修改意见; 第遴阶段是2 0 1 0 - 2 0 0 2 年，完成互通标准豹改 进， 制定出 完成e r t m s 的技术规范: 第五阶段是2 0 0 0 -2 0 0 5 年，实施 商, ( it s 七 及全球范围内豹推广。 e r t 1 的核心是欧洲列车运行控制系统 t c s和超速防护系统，并将在未来增加用于列车调度控制的设备或支 持商 lv 性运输工作的设备等。 在i 格按 工 t s流程发展铁路智能 运输系统il l 总 体规划 方面，fi 本从 2 0 0 。 年初开始的c y b e r r a i l 的 研究 值得关 注. c 沙 e r r a 且是日 本铁路系 统发展的一个参考模型， 是从i t s 的角度建立起一个通用的标准或体系 枢架。 其系统复杂性决定了 它不q能出 任何单个组织完全实现系 统的功 能。 n-此丹本铁道技术研究所决定成立一个研究小组来促进c y b e r r a i 3 系统的研究开发。 用于实现更先进的 基于通讯的列车控制系统。 其增强 功能主要体现在三个方面: 1 预报列车控制， 即通过预报前面的 交通条件控制列车以 保证列车 追踪间隔、 尽快从运行紊乱恢复i常、降低能耗。 2 ，监视和障碍物检m. 即通过从车上或从轨m旁9 视铁轨以 预防列 车 脱轨、 避免 we撞障 碍物， 其主要应 用地点 是站台 和平交路口 。 i t k 道 旁 工作 者 和维 修车 辆的 保 护。 即 把接 近列 车的 信息 通过 便 携 北京交通人学硕士学位论文 式终端提供给作业者及基于位置信息控制维修车辆以避免与运行列车 的碰撞。 综合分析以上两个系统可见: 作为r i t s 的一个应用例子， 采用高新 技术该改造铁路系统的欧洲e r t m s 在服务、 效率、 安全方面取得的成功 令人鼓舞。但另一方面，如何从1 t s 的角度建立起r i t s 的体系框架以 更好地指导铁路运输的发展， 可以说c y b e r r a i l 的出现正在代表着铁路 运 输 发 展的 一 个新 方向 。 12 1 计算机仿真技术作为一门新兴的高技术， 其方法是建立在计算机能 力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展， 其应用领域及其作用也越来越大。 尤其在航空、 航天、国防及其他大规 模复杂系统的研制开发过程中， 计算机仿真一直是不可缺少的工具， 它 在减少损失、 节约经费、 缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨 大作用。在铁路运输中存在大量的控制问题和仿真问题，当前己有的 m a t l a ei , g 2 或其他的仿真软件平台只具有一些通用的仿真的功能， 如: 微分方程的数值计算、 简单的控制算法设计和图 形曲 线展示等， 对铁路 运输系统中大量的复杂对象特点缺乏考虑与支持， 而且其中智能信息处 理技术的综合集成设计功能不足， 难以满足铁路智能运输系统对智能信 息处理技术研究的需要。 急需一种通用的智能建模、 控制、 优化软件平 台 来进行设计分析和仿真验证。 1 3 1 在r 工 t s 仿真平台中，同时运用了m a t l a b 和v c 两种开发语言， 充 分的发挥各自 的优势，并结合r i t s 技术和仿真技术， 针对铁路上的一 些特定的对象进行建模，实现了对列车控制、运营和调度方面的 模拟. 1 . 3 r i t s系统的发展远景11 4 1 .宏观上， 发展铁路智能运输系统可以提高中国铁路的国际竞争力 北京交通大学硕士学位论文 以应对我们面临的挑战。 微观上， 铁路智能运输系统的实现可以大大提 高铁路的整体服务质量， 赢得市场， 同时通过采用先进的技术实现列车 的定位、自 动驾驶及综合调度、营运管理等， 从而大大提高铁路运输的 效率。 其次通过建立全路的行车安全保障体系， 提高铁路运输的安全性。 z 在服务方面， 铁路智能运输系统将为旅客和货主提供详尽信息及 电子秘书功能。 在出行前或托运前， 旅客和货主可以通过互联网及时了 解铁路提供的各种服务及相应规定， 查询列车时刻表、 票价、 在目的地 换乘其他运输方式的时刻表、 票价等。同时可输入始发地、目 的地、 优 化目 标 ( 时间最少、 费用最少) 等参数，由 系统的电 子秘书为其量身定 制提供履行计划/ 托运计划决策支持，并可利用电子商务手段在网上直 接订票、 办理货物托运及网上支付等。 最后还可定制个性化服务信息( 如 通过手机短信息提醒旅客出发时间、列车晚点的通知、站内导航等) 。 在出行中或托运中， 货主可追踪查询货物的位置和状态。 旅客可得到站 内导航、列车速度、 位置、早晚点、天气等信息。 在列车发生晚点或出 现紧急事故时，系统的电子秘书可为旅客或货主提供换乘的决策支持、 事故救援信息等，协助旅客尽快到达目 的地。 3 在效率方面， 铁路地理信息系统的建设 将为铁路运输各子系统提 供一个综合的共享平台， 对所有相关信息进行集中管理， 以 提高整体效 率、 保证各业务子系统的 协调运行。 基于该共享平台， 可以 建立基于无 线通信技术的智能化的综合调度系统及综合营运管理系统， 使得铁路的 移动资源、固定资源、 人力资源等得到高效利用， 实现高速高密度的铁 路运输， 进一步挖掘铁路规模经济效益潜力。 同时建立编组站综合信息 管理及自动化系统，以实现列车高效安全的分解和编组2 3 毛 在安全方面， 通过建立全路的安全监控系统及基于专家知识的安 个评估决策体系， 可以及时监测全路运输资源的状态， 一旦发现不正常 北京交通大学硕士学位论文 j隋况可立即进行现场维修或远程维修。 同时可对全路自 然灾害情况进行 实时监控， 形成全路的防灾、 救援、 决策与指挥信息系统。 从而全面保 证列车运行的安全。 1 . 4论文的组织与安排 本文对于r 工 t s 仿真平台的以下几个问题进行了探讨: i .r i t s 技术和仿真技术的 应用; 2 . r i t s 仿真平台核心技术的介绍; i r i t s 仿真平台 框架设计、 模块之间的运行关系和模块实现: 4 . 结合自己在项目中实际负责的模块，讨论了r 工 t s 仿真平台模块的 管理和扩展等问题。 各章具体安排如下: 第一章 绪论; 介绍了一些项目 的背景知识， 包括我国r 工 t s 的体系 框架及其内容和r 工 t s 仿真平台国内 外发展的情况。 第二章 r 工 t s 技术与仿真技术综述: 介绍了r 工 t s 技术和仿真技术 的应用和发展情况。 第三章 r 工 t s 仿真平台核心技术介绍: 介绍了m a t l a b 和y c 棍合编 程的方法和意义:介绍了d c o m 技术及其在本系统中的。 第四 章 h i t s 仿真平台 框架设计: 介绍了 组件的 应用、 主要的功能 模和系统运行方式。 第五章r 工 t s 系统模块的实 现: 介绍了 组件管理器的实现、 仿真工 程管理器的实现和仿真运行器的实现。 详细介绍了管理组件的基类， 并给出了组件管理核心函数具体实现的程序源代码。 第六章 对本论文和自己从事的科研课题进行了总结， 并对下一步 要进行的工作进行了展望。 g 北京交通人学硕士学位论文 第二章 b i t s 技术与仿真技术详述 2 . 1 r i t s技术介绍 2 . 2 . 1 b i t s 与传统铁路运输系统的比 较1 171 1 . 智能性: 在铁路智能运输系统中， 通过采用先进的智能技术、 通 信技术、 信息处理技术等列车、 线路、控制中心都具有一定的智能，即 具有判w -_ , 推理及学习能力。 列车通过车载计算机的控制可以 在无人千 预或较少人工干预的前提下实 现自 动启动、 运行及停车， 并能自 动判别 及遵守来自 固定设施, 邻近车辆的 约束。 线路b ) .在路旁设备的 控制下识 别 经过车辆的特征， 根据4 45征向 列车及控制中心发送相应信息或进行 相应处理。 还可对列车流进行调整， 增加运输密度， 提高线路通过能力。 控制中心可对固定设 施和移动设施的 状态进行实时监控， 基于知识库提 供维修， 故障的预防和处理的智能决策支持，同时自 动完成调度、 营运 管理及信息服务的功能。 象 ;2 . 3 效性、高安全、高品质服务:在铁路智能 运输系统中， 通过实 施智能化营运管理、 智能r 行车控制与调度、 智能化铁路资源管理等实 现铁路运输的高 效性。 其次通过智能 化紧急救援与行车安全监控等的建 设实现高安全性。 最后通过智能用户导航、 综合运输、电子商务等的建 设 为 用 户 提 供高 品 质的 服 务 洲。 3 综合性: 在传统的 铁路运输系统中， 各个业务系统之间彼此孤立， 缺乏横向联系， 而铁路智能运输系统更强调系统的综合化、 集成化， 基 于先进的 无线通信技术等列车、 线路、 控制中 心、 用户之间都可以 相互 交换信息， 从而使各业务系统之间的 横向 联系得到加强。 例如采用先进 北京交通大学硕十学位论文 的智能技术、 计算机技术等建立综合调度中心实现运营管理、 行车指挥 的综合化等。 4 人、车辆、线路的高度协调: 在铁路智能运输系统中人、车辆、 线路之间的信息交互是充分的， 人可以 随时得到车辆的票务信息、 运营 情u, 线路的安全情况， 车辆可以得到客流的信息、 固定设施及移动设 施 1 状况， 线路同 样可以得到来自 人和车辆的信息， 即客流、 车辆的实 施运营信息等。 而在传统的 铁路运输系统中 人、 车辆、 线路之间的 信息 交互往往是单向的、不充分的。 2 . i . z r i t 5 的 开 放系 统结 构 il 研究系统的开放性结构， 有9个行为决定了系统的开放性省先是系 统的能量信息输入、 输出 行为;另一个是系统的能量信息自 组织行为。 系统就是在不断地输入、输出能量与信息， 对能量与信息进行自 组织的 过程中 进化。 其中更为核心的是系统豹能 量信息自 组织行为， 几乎决定 了系统进化过程的 所有动态特点。 必须基于开放性的 这两种行为， 才能 够研究铁路智能l输系统的开放型结构。 铁路智能运输系统的开放性结构铁路智能运输系统具备开放系统 结构的特点， 必须具备互联性、灵活性和可扩展性，实现信息共享。 在 铁路智能运输系统开放性系统结构， 重点 应该是铁路智能交通运输系统 p lj 信息输入与 输出行为和信息的自 组织行为。 铁路智能运输系统首先必 须具备良 好的信息输入、 输出 行为。 从信息论与控制论的观点出发， 能 量的 输入与输出是实现系统控制目 标的 基本要求， 信息的输入、输出是 系统状态的基本要求。 铁路运输系统传统信息输入、 输出的主要是各种 自 然信息和模拟信息。 这些信息本身语义模糊， 在传递的过程中易受到 干扰和损失， 引起信息污染。 这种信息输入、输出方式将阻碍进一步提 北京交通大学硕 厂 学位论文 高铁路运营效率和运营安全。 随着电 子技术、 计算机技术和通信技术在 铁路运输系统中的 应用， 数字信息的输入、输出 行为 逐渐成为铁路运输 系统的 主要 模式。 t m i s ( t r a n s p o r t a t i o n m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 系统、 d m i ( d i s p a t c h i n g m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 系统和客运售 票 系统以 及r g i s ( r a i l w a y g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ) 系统和数字 铁 路的概念， 都是以 铁路运输系统信息输入、 输出 行为数字化为根本目 的。 因为， 数字信息具有语义准确、传递过程中不易受到污染等优点;最根 本的是， 数字信息能够利用数字计算机强大的计算能力进行数字信息的 组织活动。 铁路智能运输系统的信息自 组织行为是其开放性结构中最根 本的行为， 它刻画了 铁路智能运输系统进化过程中的动态行为特征。 现 有的铁路智能运输系统中的数字信息自组织过程是以数据库应用技术 为基础的空间组织行为， 通过通信技术实现数字信息的空间流动， 其目 的 在于完成数字信息的共享。 这种信息组织行为虽然能够大大地提高铁路 的运营效率， 但是其信息组织行为的模式相对比较简单， 对数字信息只能 在较低层面上完成信息交换， 是一种较为低级的 组织行为，而且在不同 数 据库技术和数据通信技术之间的 信息流动、 信息交换效率低成本高。 铁 路智能运输系统的信息自 组织行为应该具有更高的要求， 通过其信息自 组织行为， 能够兼容不同的 数据库技术和数据通信技术， 能够融合具有不 同 应用日 的的数字信息系统， 使得系统具备真正的灵活性与扩展性， 从更 高的层面上实现信息共享2 5 1 铁路智能运输系统开放性系统结构的形成包含了前面所述内容， 计 算机的强大计算能力使得数字信息系统具备更好的系统开放性结构。 因 此， 铁路智能运输系统的首要研究任务是研究如何将传统的铁路运输系 统中的各种信息转换成数字信息， 从而增加其信息的输入、输出能力。 这也就是当 前得到普遍重视的“ 铁路信息化” 概念。 中国 铁路运输系统 北京交通大学硕士学位论文 已 经从各个角度、各个方面积极地开始这一项工作， 取得的成果更是显 而易见的。但是， 开放性的系统结构还需要有效的信息自 组织行为。目 前的铁路运输系统中各种信息子系统还缺乏一种有效的自 组织行为。 举 例来说， 铁路客运售票系统与t m i s 系统、 d m i s 系统和r g i s 系统中的 许多信息都存在着共享的需求， 但是当讨论到系统之间的数字信息共享 时 ， 至少有三个问 题需要考虑 旧 : l .数据共享行为的描述， 究竟共享哪些数据内容， 以 什么样的形式进 行共享? 2 数据共享行为对本系统的影响分析， 各种数据共享行为模式对系 统的稳定性将产生什么样的作用，对系统的安全性会有什么样的破坏? 3 . 数据共享行为对本系统自 身复杂性的影响， 是否会引起一些信息 混沌的复杂现象? 面对上述问 题， 由 于缺乏有效的 信息自 组织行为， 现有铁路运输系统 中的各种数字信息系统， 往往难以 给出 一种有效的 解决方案。除非在建 造各个子系统之前对信息共享的需求做出精确的描述和分析， 设计出合 理的数据信息共享行为模式对各个子系统之间的数据接口 进行准确的 定义, a能完成那些被设计好的 数据共享，而在进行系统扩展时所产生的 不被设计的数据共享行为将得不到支持。 信息的自 组织行为是由 信息在 产生、 传递和处理过程中的一系列信息技术规范、 信息技术标准来决定 的。现有的铁路运输系统所采纳的信息技术规范和信息技术标准， 主要 是面向 数字信息的产生和传递过程， 而对需要进行理解、整合等高层次 信息处理的过程则描述不足。因 此， 必须从一种更加宏观的角度来研究 铁路智能运输系统的信息自 组织行为， 着重研究面向高层次信息处理过 程的 信息技术规范和标准(t 0 北京交通大学硕士学位论文 2 . 1 . 3 r i t s 研究基础、目的、重点及采用的关键技术 1 研究基础: 随着计算机及其相关技术的发展， 公路运输的信息化 建设取得了很多成果， 先后建成了调度指挥管理信息系统、 公交管理信 息系统、g p s 系统、线网规划辅助支持系统等，积累了很多发展 工 t s 的 基础。同样铁路的信息化建设也为 r 工 t s的建设打下了坚实的基础。如 全路通信网的建成、 t m 工 s , d m i s , a t t s , p m i s 等。， ， 2 .研究目的: 首先在服务方面，目前无论是公路运输还是铁路运输 的 服务都与用户要求存在一定差距，特别是随着网络技术的飞速发展， 开展用户信息导航服务、 实施电子商务及发展多式联运对于两个系统而 言都是急需解决的问题。其次在效率方面，公路运输存在着大量拥堵， 而铁路运输侮年都存在很多由于自 然灾害等引起铁路设施损毁造成交 通阻塞、 列车晚点的情况。 其次在安全方面， 公路运输的交通事故发生 卜 分频繁， 铁路运输也会发生由于基础设施的故障、驾驶员的误操作、 调度指挥及各级操作人员的失误导致的列车运行事故。 两者共同面临的 问题决定了两者的研究目的是一致的， 即保证运输系统的高效率、 高安 全、高服务质量。 3 .研究重点: r i t s 在服务方面存在着为用户提供详尽的旅行向导及 相关信息、 如何采用先进的网络技术发展电子商务、 如何提供多式联运 辅助决策的问题。 其次在效率方面存在着如何采用智能技术、 通信技术 等实现车辆的自 动驾驶、车辆之间的信息通信、车辆的智能调度指挥、 各业务系统的信息共享。 最后在安全方面， 存在着如何用智能检测技术 检验基础设施的状态， 进行智能化的维修决策及制定综合防灾决策的问 题。州 4 .采用的关键技术: r i t s 需要利用先进的传感技术检测基础设施的 北京交通大学硕士学位论文 信息， 采用先进的通信技术解决移动体间、 移动体与固定体间的信息通 信问题， 采用先进的定位技术实现列车的定位， 采用先进的信息处理技 术、智能决策技术实现相关的决策和控制。 2 . 2仿真技术介绍 2 . 2 . 1计算机仿真模型及步骤 1 .模型定义:模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的 描述， 是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象， 是人们认识事物的 一种手段或 上 具。 2 .模型的分类: ( 1 ) 物理模型: 指不以人的意志为转移的客观存在的实体， 如: 飞行 器研制中的飞行模型;船舶制造中的船舶模型等。 c 2 ) 数学模型: 是从一 定的功能或结构上进行相似， 用数学的方法来 再现原型的功能或结构特征。 ( 3 ) 仿真模型: 指根据系统的 数学模型， 用仿真语言转化为计算机可 以实施的模型。 3 .仿真的三要素 ( 1 ) 系统:研究的对象: ( 2 ) 模型:系统的抽象; ( 3 ) 计算机:工具与手段. 4 . 仿真的基本步骤: ( 1 ) 建模; ( 2 ) 仿真实验; ( 3 ) 结果分析. 北京交通大学硕十学位论文 2 . 2 . 2仿真的分类 1 . 按模型分类: ( 1 ) 物理仿真: 采用物理模型， 有实物介入。 有效果逼真， 精度高等 优点， 但造价高或耗时长， 大多在一些特殊场合下采用 ( 如导弹、卫星 一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等) ，具有实 时性、在线的特点。 ( 2 ) 数学仿真: 采用数学模型。 在计算机上进行， 具有非实时性、 离 线的特点，经济、快速、实用。 2 .按计算机类型分类: ( 1 ) 模拟仿真: 采用数学模型， 在模拟计算机上进行的实验研究。 描 述连续物理系统的动态过程比 较自 然、 逼真， 具有仿真速度快、 失真小、 结果可靠的优点， 但受元器件性能影响， 仿真精度较低， 对计算机控制 系统的仿真较困难，自 动化程度低。 模拟计算机的核心是运算部分， 它 由 我们熟知的 “ 模拟运算放大器”为主要部件所构成。 ( 2 ) 数字仿真: 采用数学模型， 在数字计算机上借助于数值计算方法 所进行的仿真实验。 计算与仿真的精度较高。 理论上计算机的字长可以 根据精度要求来 “ 随意” 设计， 因此其仿真精度可以 是无限， 但是由于 受到误差积累、 仿真时间等因素影响， 其精度也不易定得太高。 对计算 机控制系统的仿真比较方便。 仿真实验的自 动化程度较高， 可方便地实 现显示、 打印等功能。 计算速度比 较低， 在一定程度上影响到仿真结果 的可信度。但随着计算机技术的发展， “ 速度问题”会在不同程度上有 所改进与提高。 数字仿真没有专用的仿真软件支持， 需要设计人员用高 级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。 ( 3 ) 混合仿真: 结合了 模拟仿真与数字仿真。 北京交通大学硕士学位论文 川现代计算机仿真: 采用先进的微型计算机， 基于专用的仿真软件、 仿真语n 来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。 3 .按使用技术分类2 7 1 . ( i ) 面向对象的仿真技术 ( o b j e c t - o r i e n t e d s i m u l a t i o n ):该技术 在理论上突破了传统的仿真方法的观念， 它根据系统的对象及其相互作 用关系来构造仿真模型。仿真模型的对象通常表示了实际系统的实体， 从而称补了模型与实际系统之间的差距， 而且面向对象的仿真分析、 设 计和实现系统的观点与人们认识系统的自 然思维方式极为一致， 因而增 加了仿真研究的直观性和可重用性， 为仿真大规模的复杂系统提供了极 为方便的手段。面向对象的仿真容易实现与计算机图形学、人工智能、 专家系统和决策科学的结合， 从而可以形成新的一代面向对象的建模仿 真环境。 面向对象技术的实现步骤: 确定构成系统的各个组成部分和它们的属性; 确定每个对象的操作和功能; 确定每个对象对于其他对象的可见度; 确定每个对象的接口; 实现每个对象 ( 2 ) 分 布式 交互 仿真 ( d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v e s i m u l a t i o n ) : 它 是对具有时空一致性、互操作性、可伸缩性的综合环境的表达。d i s 采 用 一 致的结构、 标准和算法， 通过网络将分散在不同地理位置的不同类 型的仿真应用和真实世界互联、 互操作， 建立一种人可以 参与、 交互的 综合环境川。 分布式交互仿真的主要特点是: 北京交通大学硕十学位论文 没有控制整个仿真系统的中心计算机:一些仿真系统 ( 如网络m u d ) 使用一台中 心计算机维持整体的 状态，并计算 每一实体动作对其他实体和环境的影响， 这样的系统必须根据 其最大可能负载来确定资源配置，以便能够处理极端情况下的 运算负载。d i s 采用分布式仿真的方法，把仿真实体状态的任 务留给通过网络相连的相互独立的仿真计算机。 使用一个标准协议传输底层真实数据:每一个仿真应用 都将它所控制( 测量) 的实体的状态( 位置、方向、速度、铰链 部件的位置等被称为底层真实数据) 传递给网络中的其他仿真 应用， 接收方负责接收并进行计算，以确定发送方所代表的实 体是否可通过视觉或电子装置所感知， 被感知到的实体状态将 会按单个仿真的要求展现给用户。 平台级的大系统仿真:d i s 充分利用现代计算机网络提 供的强大的分布计算能力实现对复杂大系统的仿真， 这和以往 采用单计算机实现大系统仿真的策略不一样。比如对一次作战 过程进行仿真，如果采用单计算机进行，则由于计算能力的局 限，只能采用概率模型 ( 比较典型的是兰彻斯特方程) 进行大 粒度建模仿真， 在缺乏足够的试验数据支持下，这种概率模型 的仿真结果可信度比较低。 而d i s 则提供基于武器平台粒度级 的仿真， 通过大规模联网实 现对大系统的仿真。 显然， 单个武 器平台的仿真模型要比一次作战过程的模型容易建立， 且具有 更高的可信度。 因此d i s的仿真结果更加真实地模拟了实际系 统。 北京交通火学1 01 : 学位论文 ( 3 ) t t 靠性仿真技术 ( r e l i a b i l i t y s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ): 可 靠性是指 “ 产品在规定的条 件下和规定的时间内，完成规定功能的能 力”， 它是与 性能同样重要的产品质量 特性之一。 随着产品性能的提高， 其复杂性和技术含量相应也提高了， 产品的可靠性问题日 益突出。 因此， 如何搞好可靠性工作成为当前一个迫切需要解决的问题。 随着仿真技术 的不断发展， 仿真技术应用到了 可靠性研究上， 形成了可靠性仿真。 针 对可靠性研究的特点， 可靠性仿真一般采用数学仿真方法。 所谓数学仿 真就是用数学模型代替实 际系统在计算机上进行试验。 其优点包括: 精 度高、对计算机要求较低、难度较低和成本低。 可靠性仿真的基本方法和步骤: 建立可靠性数据库， 广泛收集可靠性数据，对数据进行 加工、 处理， 得出 各分系统、 及各分系统内各元器件、 组合、 部件等的寿命分布类型和可靠性参数值，从a n 建立系 统的可 靠性数据库。 构造故障树: 故障树法是可靠性工程中最常用、 最有效 豹 一种设计分析方法，它既可以进村定性分析，也可以进一