（交通信息工程及控制专业论文）基于UML的城轨列车运行控制仿真系统设计和实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 现代城市轨道交通系统是一个在高载客量、高密度下运行的列车运行控制 系统。对提高城市轨道交通系统运输效率和运输密度的要求来说，列车运行控 制系统是必不可少的。但是要在实际的运营系统上作研究和测试是不可能的， 而采用计算机仿真的手段就能很好的解决这些问题。建立城市轨道交通列控仿 真系统，可以为列车控制系统研究人员提供方便的研究平台，为线路控制系统 评估提供高可信的数据，为控制系统改进提供强有力支持，因此具有重要的作 用， 考虑到仿真系统的复杂性，本文从仿真软件的功能需求出发，从仿真软件 的描述到仿真软件的开发作了深入的研究，探索了一种基于u m l 的仿真软件 开发方法，运用统一建模语言( u m l ) 和r a t i o n a l 统一过程( r u p ) 这两种有效 的工具，对仿真系统的建模和软件开发的过程进行规范化的描述。使用这种方 法将仿真软件的开发分成了四个阶段，在每个阶段中r a t i o n a l 统一过程指导有 效地使用u m l 建模，通过切“l 标准性的图形语言将模型可视化，从而达到可 视化建模，提高仿真软件生产率和仿真软件可维护性。 论文运用基于u 1 l 的仿真软件开发方法，参照北京地铁一号线列车运行 控制系统的功能和结构，完成了仿真系统的开发。首先在对北京地铁一号线列 车运行控制系统的实际情况进行分析和研究的基础上，采用面向对象的设计思 想，提出了仿真系统的分层结构，将仿真系统模型划分为了八个子模块；接下 来按照r a t i o n a l 统一过程对仿真软件进行开发的步骤，分阶段有计划地对仿 真系统进行开发。在每个阶段中运用u m l 建模语言和r o s e 可视化建模工具辅助 开发过程，获得了仿真平台的各个描述视图及相关的文档、说明书等；最后在 仿真系统之上，运用建立的列车、线路等模型对列车的运行仿真，对控车的策 略进行测试，完成了运行数据的分析评估。 关键词：列车运行控制系统仿真面向对象分析u m lr a t i o n a l 统一过程 第1 页 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m o d c mu r b a l lr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns ”t e mi sat r a i no p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m w o r k i n gw i t hh i g l lp a s s e n g e rc a r i 咖gc 印a c i t ya n dh i g hd e n s i t yt r a i no p e r a t i o n c o n 仃0 ls ”t e mi sv i t a l 矗mt h ei m p r o v 锄e n to fu r b a l lr a i l w a yt r a l l s p o r t a t i o n s y s t e me m c i e n c ya n dd e n s i t ys i n c ei ti si m p r a c t i c a l t oc 踟yo u te x p e r i m e n t sa 1 1 d t e s t so nm er e a lo p e r a t i o ns y s t e m ，锄p l o y i n gm ec o m p u t e r s i m u l 撕o nt os i m u l a t e t h er e a l s y s t e mc a ns o l v e 恤i sp r o b l 锄e s t 曲1 i s h i n g t r a i no p 时a t i o nc o n t r 0 1 s i m u l a t i o ns y s t e mo fu r b a nr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nc a np r o v i d er e s e a r c h e r so f t r 越no p e r a t i o nc o r 灯o ls y s t e mw i t hac o n v e n i e n tr e s e a r c h i n gp l a 墙) n n ，b r m gh i 曲 c r e d i b i h t yd a t at or a i l w a yc o n t l o lc v a l u a t i o ns y s t e ma i l dh e l pt h ei m p r 0 v e m e n to f c o n t m ls ”t 锄，t 1 1 e r e f o r eh a v i n gi m p o r t a n t 胁c t i o i l s c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i 哆o fs i m u l a t i o ns y s t e m 蛐db a s e do n t 1 1 ef h n c t i o n r e q u i r e m e n to f s i m l l l a t i o ns o 胁a r e ，t t l i sp 印e rm a k e sp m f o l l l l dr e s e a r c hr e 舸n g m e d e s 洲p t i o na n dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o ns o f 研a r c ，e x p l o r e sas 曲u l a t i o ns o f 押a r e d e v e l o p m c n tm e m o db 舔e do nu m l e m p l o y i i l g 删f i e dm o d e l 协gl a l l g i l a g e ( u m l ) 孤dr a t i o n a lu i l i f i e dp r o c e s s 皿u p ) t o o l s ，t h i sm e t l l o dc a l lp m m o t es t a l l d a r d i z e d d e s c r i p t i o nf o rt h em o d e l i n go fs i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h ep r o c e s so fs o f t w a r e d e v e l 叩m e n t b yt l l i sw a y ，w ec a l ld i v i d et h ed e v e l 叩m e n to fs i r n u l a t i o ns o f t w a r e i n t of o l l rp h a s e s h 1e a c hp h a s e ，r a t i o n a lu n m e dp r o c e s sw i l id i r e c tu st om o d e l i n g e 雎c t i v e l yu s i n gu ml t h e 伊a p h i c1 a i l g u a g eo fu m l v i s u a l i z e st h em o d e l sa l l d p m d u c t i v i t yo f s i l l l u l a t i o ns o f t w a r ei se n h 蛆c e da sw e l l a sm a i n t a i n a b i l 时 e m p l o 姐n gm cs i m u l a t i o ns o 胁a r ed e v c l o p m e mm e t h o d b a s e do nu m l ，t 1 1 e d c v e l 叩m e n to fs i l l l u l 8 t i o ns y s t e mi sa c h i e v e dr e f b i n gt om e 如n c t i o na n ds 虹1 l c t u r e o f b 蜘i n gs u b w a y1 i n e1 t r a i no p e r a t i o nc o n t r 0 1s y s t e m f i r s t l y ，也ep r a c t i c a li n s t a n c e o fb 嘶j n gs u b w a yl i n e1 仃a i no p 耐i o nc o n t ls y s t e mi sa n a l y z e d ，a n d 也e 第页 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t 埘b e r a r c h yo f s i m u l a t i o ns y s t 锄i sa b s t r a c t e du s i n gt h e0 b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d ，a n d t h em o d e li sd i v i d e di n t oe i g h ts u bm o d e l s e c o n d l y ，f o l l o w i n gt h es t e p so fr a t i o n “ u n i f i e dp r o c e s s ，m es i m u l a t i o ns y s t 锄i sd e v e l o p e db ys t a g e sa n dd e s i g n e d l ym e a c hp h a s e ，u m l 甜l dr o s ev i s u a lm o d e l i n gt 0 0 1 sa r e 锄p l o y e dt oa s s i s t a n tt h e d e v e l o p m e l l t ，a n dd e s c r i p t i v ev i e w so fs i m u l a t i o ns y s t 锄i sw o r k e do u ta sw e l la s r c l a t e dd o c u m e m sa n ds p e c i f i c a t i o n f i n a l l y ，u s i n ge s t a b l i s h e dm o d e l ss u c ha s 仃a i n s a f l d1 i n c s ，廿l eo p e r a t i o no f 打a i ni gs i n m l a t e d ，t h e 俩nc o n t r o ls t r a t e g yi st e s t e da 1 1 d m 肌i n gd a t ae v a l u a t i o ni sa c c o m p l i s h e d k e y w o r d s ：t r a i no p e r a t i o nc o 蛐ls y s t 锄，s i m u l a t i o n ，o o a ，胁i o m lu l i f i e d p m c e s s u m l 第1 i i 页 北京交通大学硕士学位论文第一章概述 1 1 课题研究目的和意义 第一章概述 随着世界经济的飞速发展，各国的城市规模不断的扩大，同时城市人口也 不断增长，世界范围内人口超千万的大城市越来越多，城市交通拥挤已成为世 界范围内亟待解决的难题，近几十年来，世界范围内的大量实践证明，轨道交 通在解决城市交通拥挤问题中扮演着越来越重要的角色。 现代城市轨道交通系统是一个在高载客量、高密度下运行的列车运行控制 系统。对提高城市轨道交通系统运输效率和运输密度的要求来说，列车运行控 制系统是必不可少的，它能在原有线路、同样车辆数的情况下，缩短行车间隔， 提高运行速度和载客能力。 列车运行控制系统的主要功能就是优化列车的运行性能，这个系统中有多 种信号和设备的使用，虽然这些设备完成的任务相似，但是他们的特性和行为 各不相同，因此如何选择最适合的设备来构建一个新的轨道交通系统和升级现 有系统是很重要的。但是关键因素的众多使得整个系统变得非常复杂，城市轨 道交通运行密度大，尤其在上下班的高峰期，如果直接在列车运行时对列车运 行控制系统设备及算法进行试验研究，会破坏运营系统的正常工作，同时列车 载客运行，安全性难以得到保证；再者，城市轨道交通运营间隙时间短暂，几 乎没有足够的时间间隙支持测试和试验；更重要的是列车运行控制系统庞大， 测试某一个或某一部分设备需要涉及到其他相关的很多设备和人员，需要众多 部门和人员的协调合作，费用极其昂贵。 由此可见，要在实际的运营系统上作研究和测试是行不通的，而借助计算 机仿真手段是一种非常有效的研究方法。作为重要辅助研究和设计手段，数字 计算机仿真技术已越来越多的应用在轨道交通理论研究和工程设计中。特别是 过去三十年来，随着计算机软硬件技术的发展，数字计算机仿真技术在国内外 第1 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 轨道交通的研究、规划、设计、管理中已有广泛的应用。它能对不同类型的系 统，不同类型的控制算法进行分析比较。而且比较时所运行的环境能保持一致， 这是实际系统很难实现的，倘若不能保证每一次的操作条件都相同，则无法对 试验结果的优劣做出正确的判断与评价。 建立城市轨道交通列车运行控制仿真系统，可以为列车控制系统研究人员 提供方便的研究平台，为线路控制系统评估提供高可信的数据，为控制系统改 进提供强有力支持，因此具有重要的作用。 1 2 城市轨道交通列车自动控制系统概述 列车自动控制系统( a u t o m a f i ct r a i n c o n 仃0 1 ，a t c ) 眦1 是一套以安全和效 率为目的、调节列车运行间隔的自动控制设备。通过车载设备、地面设备、车 站和控制中心组成的控制系统完成列车运行控制。a t c 系统包括三部分设备： 列车自动监控系统a t s 、列车自动防护系统a t p 和列车自动驾驶系统a t o 。 a t s 系统实现监督、引导列车按预定的时刻表运行，保证地铁运行系统的 稳定性。它通过转换道岔建立发车进路，并向列车提供由控制中心传来的监督 命令。 a r p 系统具有超速防护、零速度检测和车门限制等功能。a t p 提供速度限 制信息以保持列车间的安全间隔，使列车在符合限制速度的标准下运行。在打 开车门前，瑚口先检查各种允许打开车门的条件，检查通过后，才允许打开车 门。 a t 0 系统能自动调整车速，并能进行站内定点停车，使列车平稳地停在车 站的正确位置。 当今世界大多数的轨道交通系统在操作上都或多或少配置了先进的列车自 动控制设备来强化其安全性和操作的灵活性。轨道交通系统自动化几十年来的 发展大致如下【3 j ： 第一代：列车装备了简单的信号设备，但仍是由司机驾驶列车。本世纪3 0 第2 页 北京交通大学硕士学位论文第一章概述 年代出现了基于轨道电路的自动闭塞装置，从而使原来站间的一个闭塞区间划 分为若干个与列车制动距离有关的较短的闭塞分区，大大提高了线路的通过能 力。与自动闭塞装置伴随而生的是机车信号和自动停车装置，前者使司机嘹望 信号的条件得以改善，后者则是防止因司机的疏忽无视信号显示而导致重大事 故。现在仍有许多城市的地铁运行系统采用这种方式。 第二代：列车装备了a t p 和a t 0 系统，是有人照看的自动驾驶系统。一 般情况下，筒曙和a t o 通过地面的点式或连续式信号设备接收限制速度、运行 任务等信息。朋 0 根据接收的信息计算并施加控制力，a r p 计算限速曲线进行 速度防护。驾驶员的任务只是控制车门的开关以及列车的启动。但万一a t p 或 a t o 失灵，驾驶员也要负责列车运行中的操作。这种系统在世界上的大城市中 已运营了几十年，亚特兰大、华盛顿和新加坡的地铁就是这种模式。 第三代：无人驾驶系统。在此，列车的间隔控制可以采用固定闭塞，也可 以方便地采用移动闭塞。它不需要任何驾驶员或工作人员在车辆上，列车的任 何操作方式都是由控制中心直接管理。里尔，图卢兹和m e t e o r 系统就是这种类 型。 1 3 列车运行控制仿真系统的研究发展现状 1 3 1 计算机仿真技术的发展 计算机仿真也成为计算机模拟，就是利用计算机对所研究系统的结构、功 能和行为以及参与系统控制的主动者一人的思维过程和行为，进行动态性的比 较和模仿，利用建立的仿真模型对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示 出来。 计算机仿真包括三个要素l 引，即：系统、模型与计算机；系统是研究对象， 模型是系统特性的一种表述，一般来讲模型不仅用来代替系统，而且应该是系 统的简化。联系这三个要素的基本活动有三个：数学模型建立、仿真模型建立 第3 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 及仿真试验( 运行) ，以上三个要素及三个基本活动间的关系可由图1 1 来表示。 型建立 图1 1 计算机仿真三要素及三个基本活动 近十年来，由于被研究系统复杂性的增强，使得仿真工作者从对对象单一 的形式化模型及数字化信息空间的定量研究发展到对对象建立起定性和定量相 结合，形式化模型与认知模型相结合，将人信息一智能集成在一个复杂的信息 空间中的定性和定量的研究。同时，由于近年来信息技术的发展特别是高性能 海量并行处理技术，可视化技术，分布处理技术，多媒体技术，虚拟现实技术 的发展，使得建立人机一环境一体化的分布的多维信息交互的仿真模型和仿真 环境成为可能，形成了一些新的仿真方法，如面向对象的仿真方法l ”、分布式 交互仿真方法、人机和谐仿真方法。 仿真技术的种类和特点可归纳为表1 1 所示。 仿真技术特点 面向对象仿真直观、扩展性、维护性、稳定性很好 分布交互式仿真利用计算机网络，仿真实体间实时数据交换构成时空 一致仿真环境 人机可视仿真仿真信息以直观的图形显示 和谐 多媒体仿真仿真结果具有可视、可听和生动性 仿真 虚拟现实仿真投入感、沉浸感和多维信息的人机交互性 表1 1 仿真技术的种类和特点 仿真技术在轨道交通中由于受到仿真模型需要反复论证、基础数据缺乏、 输入参数质量不高、输出结果难以保证等问题的限制，被视为一种既费时、又 费钱的工程。随着信息技术的发展，仿真系统在轨道交通中受到越来越多的重 视，一般说来，目前仿真技术在轨道交通中的应用主要有：1 系统建成以后是 第4 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 否能够达到目的；2 什么是最好的功能建设计划和运营计划；3 系统投资和运 营费用是否节省；4 系统的效益分布在那些部门。 下面介绍有代表行的国内、外仿真系统i “7 l ： 1 。3 。2 匡外仿真系统简介 l 、v i s i o n 【8 】系统 v i s i o n 是英国a e a 铁路技术公司开发的铁路模拟软件，可在p c 机上 w i n d o w sn r 环境下运行。v i s i o n 的功能包括：l 、模拟简单或复杂路网上列 车、信号系统及基础设施之间的相互作用的效果；2 、研究铁路运输系统在各种 假设条件下( 即“肝t 加玳”) 的效果；3 、不同区域的分析。 v i s i o n 模拟系统可以快速、高效地分析列车间隔和线路能力，包括：l 、 验证新项目的可行性；2 、对多设计方案进行论证以寻求最优解；3 、保证系统 能够满足各种运营要求。 2 、l o g s “系统 l o g s 讧是美国开发的一个模拟系统。该系统已经在波士顿到纽约、纽约 到华盛顿等线路的运营管理研究中被成功地应用于研究时刻表、列车运行实时 调度等方面的问题。 该系统与t p c ( 1 h i p e r f o m a n c ec a l c u l a t o r ) 系统结合，可以进行如下研 究：l 、评价既有运输通道和枢纽中采取如下措旆后列车运行的效果，包括增加 新的列车服务种类、增加更高速度的列车、在既有速度服务水平下增加列车数 量；2 、确定和检验设备改善的效率，包括侧线位置的确定、附加股道的确定、 联锁设备的设置或改进以及信号设备改善等；3 、评价新时刻表的可行性。 该系统在以下两方面可以辅助决策：1 、采用同一逻辑的多列车运行过程时 的调度决策；2 、发生随机延误时系统的应变能力。 3 、r a i i ，s m 妒1 系统与t p c 系统 r a j i s m 是北美铁路常用的一套铁路模拟软件。它以t p c ( 删n 第5 页 北京交通大学硕士学位论文第一章概述 p e r f o m a n c e c a l c u l a c o r ) 为基础，可以精确地模拟各种铁路系统中的多种列车的 运行，包括：机车库、t p c 、阻力方程、网络仿真、r a i l s 订编辑器、负荷流 量分析( u 认) 、列车间隔计算、安全制动距离、信号设计。 4 、t r a i n s t a r f l 0 1 系统 t r a i n s l 敞系统是o r t h s l a r 公司1 9 9 9 年开发的一个机车工程师辅助系 统，它提供了新一代的智能列车控制系统。t r a i n s t a r 将w a b c o 导航系统技 术和o 舢s ，i m t 列车模拟技术相结合，为机车工程师提供了智能辅助系统。 t r a i n s t a r 系统的目标是改善机车操纵、降低能耗、增加安全性能如避免脱轨 等。 t r a i n s l a r 的关键技术是提供了自适应的列车行为预测，可以在当前运营 条件下展望列车未来行为，并预测制动及动力行为问题，必要时采取适当的补 偿策略。 5 、【兀r a s 【1 1 】系统 u r r a s 是日本交通控制实验室在2 0 世纪8 0 年代开始研制的一个具有通用 意义的铁路模拟系统，并在2 0 世纪9 0 年代开始得到应用。该系统从研究新干 线的交通控制系统出发，可以进行列车运行计算、列车模型对运营的影响分析、 延误恢复及分析、不同通信信号制式的影响分析、多列车运行能力及效果的评 价等。该模拟系统已经在日本得到较多应用。例如，该系统的模拟结果表明： 移动闭塞与智能a t c 信号控制系统( a t c p ) 较传统地面信号系统可以增加列 车密度1 5 2 0 ，它还被东芝公司用于日本新干线的改造研究。 6 、o p d 盯r 托d 1 2 1 系统 o p e r l t r a c k 支持下列几种任务： ( 1 ) 确定铁路网络基础设旌的需求； ( 2 ) 分析线路能力； ( 3 ) 机车车辆的研究； ( 4 ) 建立时刻表，分析时刻表的健壮性： ( 5 ) 分析不同的信号系统，如：固定闭塞、l z b 、e t c sl 1 & l 2 & l 3 、e r t m s ； 第6 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 ( 6 ) 分析系统故障的影响和延时的影响； ( 7 ) 磁悬浮系统的仿真，如t r a i l s r a p i d 。 o p e n t r a c k 采用了双点网络图3 j 的方法描述铁路网络。用户可用图形化的 方法编辑网络拓扑结构。图中的点和边包括着不同的属性。用户可建立和管理 这些对象，包括信号机、道岔、车站和进路。 o p e n t r a c k 保存了多个机车的技术参数，包括牵引力速度曲线、载重、长 度、粘着系数、能耗等。一个被成为车库的数据库管理机车。被仿真的车辆从 车库中选择一个或多个机车，并加上旅客车厢或货车厢，构成完整的车辆。车 底( t r a i r l s e t ) 也由数据库管理。 时刻表数据库保存了每一列车在每一个车站的信息，包括到达和出发时间、 最小站停时间、和其它列车的连接关系。用户编辑时刻表时，既可采用表格的 形式，也可直接采用运行图的形式。 仿真时，预先确定的列车根据时刻表运行在铁路网上。o p e r m a c k 在时刻 表和信号系统的约束下计算列车的移动。在仿真运行后，0 p e i l t r a c k 可输出数 据表、运行图、占用图表和统计数据，用来分析和显示仿真结果。 仿真时，列车试图遵守时刻表。速度和距离的微分方程是计算列车运行的 基础，铁路网络的信号系统是限制条件。轨道占用和信号显示有可能妨碍列车 运行的进程。列车将运行数据( 速度、加速度、位置、能耗等) 记录下来，以 便离线分析评估。用户也可通过动画模式回放整个系统的运行情况。 1 3 3 国内仿真系统简介 我国从2 0 世纪8 0 年代开展仿真技术在轨道交通方面的研究“1 ，有代表性 的有： ( 1 ) 1 9 9 3 年，北方交通大学开发出可用于教学列车接发系统 ( 2 ) 1 9 9 7 年开始，香港理工大学、北方交通大学致力于基于牵引计算的 通用列车运行过程模拟系统的研究。 第7 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 ( 3 ) 原上海铁道大学陈永生副教授开发的“城市轨道交通a t s 仿真系统”。 ( 4 ) 原上海铁道大学吴芳美教授开发的“车站通用信号仿真系统”。 ( 5 ) 北京理工大学、上海中岳公司、中国铁路通信信号集团针对上海地铁 一、二线联合开发的列车自动运行仿真系统( s 删1 。 由上可见，城市轨道交通列车运行仿真系统是一个功能较多的系统软件包， 在对该仿真系统的研究上国外曾投入大量的人力和物力，已经取得了长足发展。 而在国内，学者们也正在加快研究的步伐。 基于国内外发展的现状，针对前人研究的成果和不足，把先进的计算机建 模和现代软件工程技术，用于城轨列车运行控制系统的研究之中，建立符合客 观情况，并对可能存在的设备有高度可兼容性和可扩展性的仿真系统，对轨道 交通基本的信号控制系统和列车运行进行高准确度的数字化仿真模拟加速我国 城市轨道交通列车运行系统的研究进程，缩小与国际列车运行控制水平的差距。 1 4 仿真系统的功能 一个仿真活动的全过程本质上是一种知识处理活动的过程，包括：以模型 为基础的活动、与模型行为有关的活动、与质量有关的活动和与管理有关的活 动。仿真研究的许多活动是通过仿真软件来实现的。仿真软件是一类面向仿真 用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。仿真软件的功能1 h 可概括 为： 1 模型描述的规范级处理； 2 仿真试验的执行与控制： 3 数据与结果的分析、显示及文档化； 4 对模型、数据、图形和知识的存储、检索与管理。 此外，新一代的仿真软件还将进一步重视和突出人在仿真工程中的作用。 在对国内、外仿真系统进行仔细分析的基础上，结合实验室在列控方面的 优势，开发一个能够适应于列控系统研发的专用型的仿真系统，使之既能够对 第8 页 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 北京地铁一号线列车运行控制系统进行模拟，同时又具有一定通用性。具体来 说，包括以下两方面的内容】： 1 、在线路、机车、信号系统一定的前提下，系统能够根据列车运行控制方 式，仿真整个系统的运行过程，进一步能够计算系统的旅行速度、列车运行间 隔等指标。 2 在轨道交通信号系统设计阶段，仿真软件根据线路数据( 如：站间距离、 坡道、曲率) 、信号制式、机车数据以及设计者提出的旅行速度、列车运行间隔 等指标，仿真得到可行的信号实施方案，为车地通信方式的确定、轨道分区划 分、信号机布置、a t p 控制模式的选择等信号系统设计提供科学依据。 1 5 本文的主要工作 在列车运行控制仿真系统的研究领域，本人所在研究室通过几年来踏踏实 实的工作积极地探索，已运用面向对象的方法对城市轨道交通列车运行控制仿 真系统进行一定的分析与模型设计，取得了一定的成果，积累了宝贵的经验。 本论文将在此基础上，运用基于面向对象的分析和以此为基础的u m l 的 方法，侧重更高层次的规划和描述来分析和设计城市轨道交通中的列车运行控 制仿真系统，使所建立的仿真系统易于理解、易于扩展、易于维护；同时采用 r 砒i o n a l 统一过程r u p 来指导仿真软件的开发，与u 】l 的使用很好得结合在 一起，提高仿真软件开发的效率。经过广泛的调研和大量的文献分析，结合当 前国内外轨道交通列车运行控制系统的发展，着重进行了以下几方面的研究： 1 、详细介绍了城市轨道交通列车运行控制系统的组成及发展过程，阐述了 开发和完善列车运行控铝5 仿真系统的必要性。在研究国内外列车运行控制系统 建模与仿真的发展概况的基础上，重点分析了北京地铁一号线运行控制系统基 本原理，提出了具有良好扩展性、复用性和维护性的仿真系统层次结构模型， 并对模型进行了面向对象的描述。 2 、分析了仿真方法的发展概况和仿真软件开发所用到的技术，着重探讨了 第9 页 北京交通大学硕士学位论文第一章概述 面向对象的仿真软件和基于u m l 的r a t i o n a l 统一过程软件开发方法，详细分析 了基于u m l 的仿真软件的描述方法和组织开发方法，并给出了基于u m l 仿真 软件开发方法合步骤。 3 、运用r a t i o m l 统一过程的方法和步骤，完成了基于u m l 的列车运行控 制仿真系统的建模和实现。 4 、在完成的仿真系统中对一号线的列车运行控制系统进行仿真，完成列车 安全制动距离曲线计算、信号控制闭塞方案结果的分析和验证等分析评估工作。 第l o 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 仿真系统是对实际系统的模拟，要反映实际系统的特点。因此要对城轨列 车运行控制仿真系统进行分析，首先应该对被仿真的系统理解透彻。本文中讨 论的仿真系统是参照北京地铁一号线列车运行控制系统来完成的。在对仿真系 统进行分析和建模之前，深入了解北京地铁一号线列车运行控制系统的基本原 理是非常必要的环节。 在早期的仿真软件设计中，人们把软件设计的重点放在了数据结构和算法 的选择上。随着人们对仿真系统的性能要求越来越高，促使了许多新的仿真技 术不断出现并被采用。与此同时，仿真软件的规模也越来越大，复杂度也越来 越高。 随着仿真软件复杂程度日益加剧，传统的面向过程的仿真软件设计方已经 显得力不从心，面向对象的软件工程方法学m 1 已经广泛运用到仿真软件的设 计中。面向对象的技术以面向对象的程序设计( o o p ) 为代表已经在我国如火如 荼地发展起来，到现在程序员们编写软件所使用的开发工具几乎全是面向对象 的，如：v b 、v c 、d e l p h i 、j a v a 等等。面向对象的程序设计，确实使编程的效 率大为提高，使得开发程序耗费的时间比以前有了显著缩短。 本章在对北京地铁一号线列车运行控制系统的实际情况进行分析和研究的 基础上，采用面向对象的设计思想，结合仿真系统要实现的功能来组织模型。 从系统组成的角度对系统进行分析，利用类及对象作为基本构造单元，来更好 地与客观世界相吻合。使设计出的软件模块化、可复用性、易于维护，降低开 发维护费用，提高软件质量。促进软件的用户、系统设计人员、软件设计人员、 编程人员和管理人员之间进行充分地信息交流。 第1 l 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 2 1 城轨列车运行控制仿真系统功能分析 2 1 北京地铁一号线列车运行控制系统概述 北京地铁一号线( 苹果园一四惠东) 采用从英国西屋公司引进的列车自动 控制系统。它连续固定自动闭塞和无绝缘移频轨道电路，速度控制为台阶方式。 目前北京地铁只应用了a ：r p 、a t s 系统。 ( 1 ) a r p 子系统功能简介 a t p 子系统是列控系统的安全部分，具有超速防护、零速度检测和车门限 制等功能。a t p 提供速度限制信息以保持列车问的安全间隔，使列车在符合限 制速度的标准下运行。在联锁区，a t p 保证列车只在道岔锁定在规定位置并且 已经锁闭的线路上运行。当两列或多列车竞争使用同一区段时，a t p 保证同 时间内只有一列车占用该区段。在打开车门前，a t p 先检查各种允许开车门的 条件，检查通过后，才允许开车门。 a t p 子系统实现所需的设备包括：地面设备和车载设备。 地面设备主要由集中设置的地面轨道电路f s 一2 5 0 0 无绝缘轨道电路构成， 由发送器、接收器、码发生器及调谐单元组成。其发码由微机联锁设备及控制 中心控制，以保证安全追踪间隔及临时限速等。 车载设备由地面信息接收部分、测速部分、速度比较控制部分等完成，当 列车运行速度超过允许速度时自动完成减速控制。车载设备以微处理器为基础 的安全子系统和非安全子系统、速度表、天线及装在不同轴上的测速电机组成。 a r p 系统的功能包括：在设置区间闭塞分区时保证列车追踪运行时的最小 安全间隔，防止列车尾追事故：列车按线路最大允许安全速度运行，防止列车 超速运行；确保所排进路正确、安全；确保提供车门正确开闭条件；区间临时 限速。 车载设备可以选择四种驾驶模式：限制人工驾驶模式( 简称r m 模式) 、非 限制人工驾驶模式( 包括正常非限制和紧急非限制两种) ( 简称n r m 模式) 、编 第1 2 页 北京交通大学硕士学位论文第二章面向对蒙的列车运行控制仿真系统分析和建模 码人工驾驶模式( 简称c m 模式) 和自动驾驶模式( 简称a r o 模式) 。 ( 2 ) a t s 子系统简介 a t s 系统能产生时刻表，对列车实现监督，引导列车按预定的时刻表运行， 保证地铁运行系统的稳定性。它通过转换道岔建立发车进路，并提供列车接收 控制中心传来的监督命令。列车通过车地通信设备完成a t s 与列车之问的通信。 a t s 由调度控制中心与车站控制中心构成。车站控制中心又分为有岔站和 无岔站。有岔联锁站采用车站程序单元 u ，如西单、复兴门、公主坟、玉泉 营、苹果园等七站；无岔站安装远程终端单元r 1 u ，如木樨地、军博、万寿路 等六站安装r 1 。 调度控制中心完成自动办理进路、运行调整、时刻表的调整、车次追踪、 时刻表自动编制及运行图绘制、运行报告和调度员培训等功能。联锁站用于监 视和自动控制本控制范围内全部列车进路和列车出发，也能控制一个或多个本 范围内的r t u 。 根据功能，整个系统又可分为四级1 博】： 中央层：分布在运营控制中心、车场控制中心和本地控制的集中层和分散 层。在中央层，具有运营管理功能。在车站控制室，执行本地控制功能。 轨旁层：由一些分布在沿线的具有传感和信息处理功能的设各组成，它们 一同执行全部的联锁和轨旁期限功能。 轨道层：包括轨道电路以及实现轨道地或车到地通信所需设备。 车载层：包括车载a t p ，a 了d 设备。 北京地铁一号线列车运行控制系统结构总图见图2 1 。 第1 3 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 图2 1 北京地铁一号线列车运行控制系统结构总图 2 1 2 北京地铁一号线的列车运行控制方案 a t p 系统在接收到地面轨道信息和测量出列车的实际速度后，对列车实施 控制时，根据地面信息量大小和系统设计，a t p 车载设备可以采用不同的方式 对列车进行控制。目前a t p 系统的控制方式主要有两种：分级速度控制方式和 速度距离模式曲线控制方式。 分级速度控制方式在一个闭塞分区内只控制一个速度等级，即在一个闭塞 分区中只按照一种速度判断列车是否超速。阶梯控制方式又可分为：出口检查 方式、入口检查方式。出口检查方式要求司机在闭塞分区内将列车运行降低到 目标速度，设备在闭塞分区出口检查列车运行速度。如果司机按照允许速度操 纵列车，速度监督设备不干预司机正常操作。当司机违章操作或列车运行超过 允许速度时，a r p 车载设备将自动实施制动。对于采用出口检查方式设备，列 车的允许速度为该区段的入口速度，但机车信号显示器给出目标速度。本区段 的目标速度就是下个闭塞分区的允许速度，这种控制模式属于迟后控制，由于 制动后列车要走行一段距离才能减速( 或停车) 。因此，禁止信号后方要有一段 防护区段。北京地铁一线a t p 车载设备就是采用的这种控制方式，图2 t 2 描述 了北京地铁一号线的一个特定区间内的分级速度控制示意图。它给司机表示的 是限制速度目标速度控制，当列车进入该区段后，如列车实际速度大于目标速 第1 4 页 北京交通大学硕士学位论文第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建摸 度，则a t p 车载设备给出声光报警，提醒司机减速，如列车速度不减，超过限 制速度时则实施紧急制动，保证行车安全。 型幽塑卜型生斗迎卜_ _ 罂业卜一! 业一 - ! 置一 图2 2 分级速度控制示意图 2 2 城轨列车运行控制仿真系统的面向对象分析和建模 列车运行控制系统是一个复杂的大系统，其中有诸如轨道线路的静态模型 也有比如列车牵引计算的动态模型。而动态模型既有连续系统特点又具离散系 统特点，比如说，列车在线路上运行，遵循的是连续性的运动微分方程公式， 这本身是一个连续时间事件，但是就调度中心，车站，轨道线路的角度来观察， 列车的运行状态是一个非连续的离散点序列，在建立数学模型中采用的是非连 续参量方程，它应该遵循的是离散事件模型的规则。基于此，我们对列车运行 控制系统的建模和仿真是混合性的。 对于这种复杂的混合性【i 铫的仿真系统，它的模型建立也是相当复杂的。采 用面向对象的建模技术的优势在这种情况下就能表现出来了，它将信息以离散 对象的集合的形式组合，并封装现实实体的数据结构和行为。这样，将复杂的 大型系统很清晰的分解成若干个较小的，贴合真实情况的对象，对象的高复用 性使得系统具有标准性和良好的可扩展性。 2 2 1 面向对象的仿真系统模型抽取 一个仿真模型的建立过程是一种抽象过程，抽象的结果就是这个模型。也 第1 5 页 北京交通大学硕士学位论文第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 就是说，在抽象过程中现实世界被逐步的简化，最后产生一个反映现实世界的 模型，这一模型可以精确的描述在仿真中须描述的所有问题。 由于列车运行控制系统很庞大，很复杂，如果采用面向过程的分析方法， 将关注点放在事物状态的联系互动上，必然会导致系统分析不全面，不直观。 所以，采用的策略是用面向对象技术中对象与现实世界中的实体一一映射的关 系，使功能和软件结构模块化，有助于形成表达北京地铁一号线列车运行控制 系统实际情况的完整的软件库。同时，如此建立起来的软件库，可以包含各种 不同厂家生产的a r p 和a t 0 设备的对象模型，也可以对不同的轨道特性进行 设置，能方便地对各种版本的列控设备和各种轨道环境进行仿真，实现了仿真 系统的易扩展和易修改性，并且这样构架出来的仿真系统，极大地方便了列车 运行策略的选择和构建新的铁路运行系统以及设备的更新等。 本文提出的基于北京地铁一号线的列车运行控制系统制仿真系统的分层模 型，如图2 3 所示：分为平台层、设备层、管理层圳。 图2 3 列车运行控伟4 仿真系统分层模型 三层结构叙述如下： 1 平台层 第1 6 页 北京交通人学硕士学位论文第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 在仿真系统中，很难建立实际线路和选择实际列车来满足系统的需要，但 是这两个部分又是列车运行控制系统中不可缺少的，可以说，线路和列车，是 仿真系统的平台，因为：有了线路和列车，不管以后列车在线路上采取何种形 式的运行控制方式，如：阶梯式控制、速度一距离模式曲线控制，列车就能在 线路上运行了。这就要求仿真系统设计人员能够建立与现场实际情况相符的线 路和列车模型。同时，对司机驾驶台严格按照实际操作进行定义。三维视景子 系统与司机驾驶台相连，把视点选择在司机室，线路按照实际线路公里标数据 设置，实时接收司机操作台传递的信息，计算列车运行速度和移动的距离，呈 现出逼真的北京地铁一号线场景。 2 设备层 设备层包括轨旁设备模块和车载设备模块，在仿真系统中这些设备由p c 机替代，通过软件来模拟实际设备的功能。模块的输出量参照实际设备的输出 来制定。这样便于将来把实际的设备接入仿真系统中进行测试，为仿真平台向 仿真测试平台的过渡做好基础。 3 管理层 管理层是列车运行控制系统中的逻辑控制单元，联锁站通过处理来自轨旁 设备取得的数据，进行联锁逻辑的处理，来保证列车的安全，同时，a r p 控制 中心根据阶梯控制的原则，根据前后车所在轨道区间，进行码序的逻辑处理， 控制列车的运行速度。 2 2 2 面向对象的仿真系统模型分析 面向对象的系统分析( o o a ) 采用从特殊到一般的归纳方法，对现实世界 中的实体进行分类，区分对象及其属性，整理对象及其组成部分，并划分成不 同的对象类，从而得到现实系统中对象及其关系，进而分析并掌握系统运行的 规律。o o a 的重点是使用面向对象的观点解决现实世界模型的建立问题。o o a 是利用从问题领域中抽象出的类和对象来研究实际需求的一种系统方法。 第1 7 页 北京交通大学硕士学位论文第二章面向对象的列车运行控制仿真系统分析和建模 根据已建立的仿真系统分层模型，可以进一步对系统中各个部分用对象来 描述，从逻辑上看，一个对象是独立存在的模块，模块与模块之间通过定的 接口进行联系，对外界用户来说，不必关心模块内部的逻辑，只需了解接口之 间的交互规范。这样的好处在于当对一个模块内部的逻辑进行修改时，只要保 证接口信息不变，则整个系统的功能不会受到影响。这样的好处在与可以提高 仿真系统的通用性。本仿真系统模型是参照北京地铁一号线列控系统的结构建 立的，在今后的研究中我们可能还会针对不同的线路进行仿真，因此在仿真系 统的设计中必须考虑到兼容性与灵活性。可以根据不同的线路，方便的对仿真 系统进行修改，来完成不同线路条件下的仿真。采用如上所述的这种面向对象 的建模机制，可以很好的满足这一需求。 2 2 2 1 线路模型 列车的运行过程始终离不开线路，线路模型作为系统框架中平台层一部分， 起到了一种媒质的作用，主要描述城市轨道线路上一些基础信息，在这种媒质 上，设计者可以进行安装设备。线路抽象为线路断面和设备层，线路断面描述 物理线路的特性包括坡度和曲率两个对象，在对一条线路进行仿真时，首先需 要铺设物理线路，然后在线路上安装设备层。设备层主要包括车站、分区、道 岔、桥梁隧道等。 根据坡度和曲率