（交通运输规划与管理专业论文）基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究.pdf

摘 要 摘 要 计算机仿真是利用计算机技术对实际系统进行动态模拟，以安全和 经济的方法获得系统动态运行的结果， 为系统评价和决策提供依据的一 种方法。 随着计算机仿真技术在交通运输领域应用研究的深入， 仿真系 统对精确性的要求不断提高。 系统的初始映象是仿真实验使用的基础数 据， 其能否较准确的反映实际系统将直接影响到仿真实验能否达到预期 的目标以及仿真实验结果的精度， 因此， 仿真系统初始映象质量和生成 方法的研究越来越受到人们关注。 论文对实际铁路运输系统和基于路网的铁路列车运行仿真系统的 特点进行了分析， 选择了适合基于路网的铁路列车运行仿真系统的初始 映 象生 成 方 式 ， 总 结了 其 对 列 车 、 车 辆 等 仿 真 实 体 初 始 映 象的 数 量 和 质 量方面的要求。 在此基础上， 从到发列车数量、 列车运行图、列车编组 内容等方面提出判定初始映象是否达到稳态仿真要求的指标。 在设计稳 态判定指标过程中， 一方面考虑了宏观仿真对车流数量、 种类等方面的 要求; 一方面考虑了微观仿真对列车编组内容等方面的要求， 使得判定 指标能够满足各种仿真实验的需要。 此外， 本论文对于初始映象生成过程中的列车运行仿真调整问题也 做了一定的探索和研究， 并且针对列车晚点这一具有代表性的非正常行 车 情况， 重点 研 究了 如 何利 角 仿真 调 整的 方 法决 速生 成 异常 行车 情 况下 的特定初始映象以及加速预热过程的方法。 此外， 论文设计了初始映象生成系统的系统结构和各主要功能模块 的逻辑流程。 并利用仿真系统生成的仿真数据和判定指标， 进行了系统 稳态判定的实例证明。 希望本文所提出的问题求解思路对类似问题的解 摘 要 决具有参考价值。 关键词:计算机仿真 列车运行组织 初始映象 稳态仿真 指标 预热 ab s tra c t ab s t r a c t t h e p u r p o s e o f c o m p u t e r s i m u la t io n i s t o d y n a m i c a l l y s im u la t e t h e r e a l s y s t e m b y c o m p u t e r t e c h n o l o g y , t o o b t a i n t h e r e s u lt o f t h e s im u l a t i o n e x p e r i m e n t s a f e ly a n d e c o n o mic a l ly , a n d t o p r o v i d e w a r r a n t y s u p p o rt t o s y s t e m a n a l y s i s a n d d e c is i o n - m a k i n g . c o m p u t e r s im u l a t io n is w e ll a c c e p t e d a s a t e c h n i q u e f o r r a i lw a y t r a n s p o rt a t io n f e a s i b i l 听 s t u d ie s a n d e q u ip m e n t p r a c t ic a b i lit y s t u d ie s . wit h d e v e l o p m e n t o f a p p l ic a t io n o f c o m p u t e r s i m u l a t io n in t h e fi e ld o f r a ilw a y t r a n s p o rt a t i o n , t h e s i m u l a t o r is r e q u i r e d t o b e m o r e a n d m o r e p r e c is e . a s t h e b a s i c d a t a o f t h e s i m u la t i o n e x p e r im e n t , t h e i n it ia l iz a t i o n o f t h e s i m u l a t o r , d e c is iv e t o t h e p r o c e s s a n d f a t e o f t h e s im u la t io n e x p e r i m e n t , is g e tt in g m o r e a tt e n t i o n f r o m r e s e a r c h e r s t h a n e v e r . t h e f o c u s o f t h i s p a p e r i s o n t h r e e a s p e c t s : t o b r i n g f o r w a r d a s e t o f c r i t e r i a t o j u d g e w h e t h e r t h e i n it i a l i z a t i o n is s u it a b l e t o s t e a d y - g o in g c o m p u t e r s i m u l a t i o n , t o p r o v id e t h e s o lu t i o n o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n r e g u la t io n d u r in g t h e p r o c e s s o f in it ia l iz a t io n , a n d t o d e s ig n t h e in it i a l i z a t io n s y s t e m f o r a d v a n c e d r a ilw a y t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s i m u l a t o r s b a s e d o n r a i lw a y n e t w o r k . f i r s t o f a l l , t o s e le c t t h e s u it a b le t y p e o f i n i t ia l iz a t i o n , t h is p a p e r a n a ly s e s a n d s t u d ie s t h e r e a l r a ilw a y t r a n s p o rt a t io n s y s t e m a n d a d v a n c e d r a ilw a y t r a n s p o rt a t io n s y s t e m s i m u l a t o r s b a s e d o n r a i lw a y n e t w o r k , d e s c r i b e t h e c h a r a c t e r i s t ic s o f t h e s e s y s t e m s , a n d s u m m a r iz e t h e r e q u i r e m e n t s o f s t e a d y - g o i n g c o m p u t e r s i m u l a t i o n t o i n i t i a li z a t i o n . b a s e d o n t h e w a g o n fl o w , t r a i n w o r k i n g d i a g r a m, c o n t e n t s o f t r a i n c o m p o s iti o n a n d s o f o rt h , t h i s p a p e r c o m e u p w it h a s e t o f c r it e r ia t o j u d g e t h e q u a l it y o f i n it ia l iz a t io n , w h i c h i n v o lv e s n o t o n l y t h e r e q u i r e m e n t s o f m a c r o - s im u l a t io n b u t a l s o t h e r e q u ir e m e n t s o f mi c r o - s i mu l a t i o n s e c o n d ly , t h is p a p e r d i s c u s s e s t h e c o m p u t e r s i m u l a t io n r e g u l a t io n a p p li c a t io n d u r i n g t h e p r o c e s s o f i n iti a l iz a t i o n . t h e r e a r e t w o g o a ls o f c o m p u t e r s im u la t io n r e g u la t i o n : t h e o n e i s t o c r e a t e t h e s p e c i f ic in it i a liz a t i o n t o m e e t t h e d e m a n d o f u n c o m m o n s im u la t io n e x p e r im e n t c o n d it i叩 c o n s id e r , f o r e x a m p le , t r a in d e p a rt u r e b e h i n d s c h e d u le d ti m e o r t r a i n a r r iv a l l a t e . t h e o t h e r is t o a c c e l e r a t e ab s t r a c t t h e p r e - r u n n in g - p r o c e s s o f i n it ia l iz a t i o n . i t r e s u l t s i n t w o fl e x i b le mo d e l s , w h i c h c a n a c c o m m o d a t e t o a d v a n c e d r a i lw a y t r a n s p o rt a t io n s y s t e m s i m u la t o r s b a s e d o n r a i lw a y n e t w o r k a n d s u it c o m p u t e r r e a l iz a t io n . f i n a l ly , t h is p a p e r d e s ig n t h e in i t i a liz a t i o n s y s t e m o f s im u la t o r a n d p r e s e n t s o m e d e m o n s t r a t i o n o f t h e c r i t e r i a t o j u d g a w h e t h e r t h e i n i t i a l iz a t i o n i s s u it a b l e t o s t e a d y - g o in g c o m p u t e r s i m u l a t io n . k e y w o r d s : c o m p u t e r s i m u la t io n , m a n a g e m e n t o f t r a i n w o r k i n g , i n it ia l i z a t io n 第一帝 绪论 第一章 绪论 1 . 1问题的提出 近 3 0多年来， 准确性高、容量大、 随着计算机软硬件技术的发展， 逻辑性严格、 计算速度快的优点 计算机仿真技术以 ， 在解决传统解析 方法难以解决的复杂铁路运输问题上发挥了其优势。 铁路运输系统是由运送对象 ( 乘客、货物等) 、运输设备 ( 机车、 车辆、 线路、信号等) 和人力 ( 调度管理人员等)有机结合起来完成运 输功能的综合体。 在铁路运输系统分析中， 通过计算机对既有系统的模 拟， 不仅可以比较逼真地估算在优化运输组织方面要选用的计划方案或 某些管理措施的预期效果， 而且能够指出相应技术作业组织或设备的薄 弱环节， 辅助决策者进一步作好系统的优化工作。 运用计算机对所设计 的运输系统进行不同方案的仿真实验， 能够对其可行性和经济效果做出 正确的评价。 铁路列车运行仿真系统的目 标是最大限度地反映实际系统的真实 情况， 为各类仿真实验或人员培训提供一个通用的平台。 仿真系统初始 映象的生成是一个重要环节， 它为仿真实验提供了开始时刻所需的各个 仿真实体， 既有固定设备实体， 也有作为仿真实验主体的列车和车辆实 体， 这些是仿真实验推进的基础。 尤其应该注意的是， 仿真实验的成功 与否与其使用的基础数据有很大的关系。 特别是仿真实验开始前所构造 的初始映象能否较准确地反映实际系统将直接影响到仿真系统能否达 到预期的目标以及仿真实验的精度。 基于路网的铁路列车运行仿真系统是以一定路网区域为仿真试验 范围， 采用分布式仿真体系结构模型。 系统规模庞大， 既有宏观层次的 北京交通人学硕 卜 学位论文从- f : 路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 车流仿真， 也有微观层次的列车运行仿真， 既有涉及某个区域多个车站 的路网运输组织仿真， 也有针对某个车站的详细作业过程仿真。 由于基 于路网的铁路列车运行仿真应该是一种稳态仿真，同时其仿真规模较 大， 因此， 初始映象的生成不应采用传统人为指定初始映象的方法， 预 热生成初始映象的方法更能满足系统的要求。 同时，随着科学技术迅速发展与应用，在铁路建设和管理过程中， 各设计方案的合理性与运输组织的科学性越来越重要。 这要求计算机仿 真实验平台更加准确的反映铁路运输系统的情况， 对仿真实验初始映象 的精确度提出了更高的要求。 通过分析， 铁路列车运行仿真系统应该是 一个稳态仿真系统， 初始映象应该达到或接近稳定状态。 但是， 在该领 域的研究成果中缺少对初始映象质量的判定指标， 通常由人为指定仿真 开始零时刻的系统映象或人为指定预热时间。 这些都无法保证初始映象 是否能够较好地反映系统长期较稳定的度量特点， 影响了仿真实验的推 进速度和仿真实验结果的精确性. 另外， 在采用预热运行生成仿真系统初始映象时， 会出 现预热时间 过长的问题。为了缩短预热运行时间和尽快生成满足要求的初始映象， 系统在判断系统性能的基础上， 应该能 够进行仿真系统运行调整， 使系 统性能度量尽快达到仿真实验所满意的指标。 除此之外，分布式是铁路列车运行仿真系统的一个重要发展方向， 这类系统由多个具有独立功能的s e r v e r 和公共通信平台组成。服务于 该系统的初始映象生成系统在仿真预热过程中需要和各个独立的 s e r v e r以及通信平台进行数据和请求的交换。这就要求初始映象生成 系统不再是一个简单模块， 而是一个结构较完整的系统， 但在现有领域 的研究缺少对该系统较完整的设计。 第一章 绪论 1 . 2国内外研究的现状 在仿真系统的动态运行过程中， 任一时点上系统全部实体的属性的 瞬间表象称作系统的状态。 在仿真实验中是用一组变量的取值来对其进 行记录的， 这一组反映系统状态的数值称之为系统的一个映象。 随着系 统状态的改变， 系统不断地由一个映象变为下一个映象。 从系统仿真角 度出发，系统的动态过程可以表现为系统映象在离散时点上的有序排 列。 在仿真模型中， 系统映象的转换是通过状态转移函数或状态转移算 法来完成的， 为此首先要构造系统的初始映象。 构造系统的初始映象通 常 采用两种方 法: 一 种方法是找 一个尽可能 简单的系统 状态作为 初始状 态。 例如在模拟公共汽车线路的运营时， 可以 取早晨刚开始发车时的 状 态为初始状态， 这时， 所有的公共汽车都在车场等待出发， 构造这样的 初始状态比构造公共汽车正在沿途运行的系统状态要简单的多。 另一种 方法是从一个远离稳定状态( 平衡状态) 但容易构造的状态开始进行仿 真，当 运行一段时间之后， 系统的状态会接近或处于稳定状态( 平衡状 态) 。以此时的系统状态作为仿真系统的初始系统映象，此后的运行结 果作为仿真实验的输出。 1 . 2 . 1国内研究的现状 我国从2 0 世纪8 0 年代开始铁路运输计算机仿真的研究， 早期的研 究主要集中在自 动闭塞区间列车追踪间隔计算、 驼峰溜放车组的速度控 制仿真、驼峰峰高设计、线路或车站通过能力计算等方面。 2 0 世纪9 0 年代以后， 在大型编组站技术作业过程实时仿真、 铁路调度区段列车运 行仿真等方面有了较大进展， 部分成果己经应用到相关科学研究和人员 7 北京交通大学硕十 学位论文基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 培训中。 但总体而言，目前国内的仿真研究仍较为零散，以前的研究主 要面向点或线的仿真，功能单一，规模较小，应用面较窄。 随着研究的深入， 对仿真系统的复杂性、 精确性和通用性要求越来 越高。为此，人们越来越关注仿真系统初始映象生成的方法。现阶段， 国内铁路运输仿真系统初始映象生成的方法大体有三种: ( 1 )人为指定仿真实验开始时刻，根据该时刻运行图、现车分布 和设备等情况生成系统初始映象。 1 9 9 3年北方交通大学研究推出了可用于教学培训的铁路列车接发 系统，并在 1 9 9 7 年完成了产品化。该系统提供了一个铁路运输生产过 程的 逼 真 仿 真 环境， 使 操作 者能 够 在 亲自 动 手 操 作的 过 程中了 解生 产 过 程， 系统涵盖铁路行车技术作业过程的各个方面， 集铁路运输生产多环 节的计划、 作业管理、 设备操作和监督控制于一体。 该仿真系统仿真的 范围是路网上的某一个区段中的十个车站， 提供一个单线半自 动闭塞区 段或双线自动闭塞区段的仿真实验环境。 系统产生和研究的仿真实体是 各个车站到发的客车和货物列车。 系统生成的初始映象主要提供若干个 典型的单线半自 动闭塞区段或双线自 动闭塞区段实验对象， 路网方面包 括车站与区间的有关设备配置、闭塞方式、列车运行的各种技术参数、 编组站各场配列形式， 车辆方面包括编组站现车初始分布等。 该系统初 始映象生成的方法是根据人为设定的初始化参数和配置文件完成车站 ( 场) 控制台盘面图形的安装， 和现车分布情况生成车站 ( 场) 并根据所指定的实验初始时刻的运行图 上列车、机车车辆数据。 该方法没有系统的预热运行过程， 而是根据某一开始时刻的现场统 计资料生成仿真范围内 各个车站的列车、 车辆和机车的分布情况， 并以 此生成设备仿真实体的初始参数。该方法适合在小范围内 ( 一个区段、 车站或车场)进行的简单仿真实验。 第一章 绪论 ( 2 )根据己有研究成果得出的随机变量理论分布形式，生成进入 仿真范围内的到达车流， 在此基础上仿真系统预热特定时间生成初始映 象石 。 对随机变量分布形式的假设通常是建立在一组样本观察值的基础 上， 但实际工作中很少拥有足够的这类先决条件来选择随机变量的理论 分布形式， 往往要借助于所拥有的先验知识做出判断。 对于一个编组站， 按一般规律，到达流为泊松流“ 。另外以编组站到达列车编组顺序表和 列车运行图为依据， 分类生成到达车流统计量。以此统计量集合为基础 生成到达车次， 按照泊松分布确定与各列车车次对应的实际到达时间点 集。 对于各个车次的编成辆数、 包含的组号、 组号包含的车辆数等初始 数据，该方法根据与编组内容有关的统计数据同时利用 o l 均匀分布 随机数加以确定。 该方法以列车运行图和各种统计量作为初始映象生成的基础， 使仿 真实验开始的状态更接近实际铁路运输系统的运行情况。 同时， 该方法 以系统预热特定的时间 ( 系统时钟2 4小时)产生的映象作为仿真实验 的初始映象。 并未提出判定指标来判断仿真实验开始时刻系统是否达到 和接近了稳定状态。 同时， 该方法的仿真范围也局限在一个编组站的范 围内。 ( 3 )以 运行图的某一时刻数据为基础，加随机扰动产生仿真系统 范围内各列车和车辆的状态。以此为基础，设置各设备的初始状态。 该生成初始映象的方法实现简单，系统初始化时间较短，适合路网 范围内 对 精度 要 求不 高的 仿 真系 统 初始 映 象的 生 成。 但其 没 有 判定 生成 的初始状态是否达到或接近了稳定状态，无法保证初始映象的质量。 北京交通大学硕 1 学位论文 基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 1 . 2 . 2国外研究的现状 国外铁路运输领域内计算机仿真技术的应用开始较早，在加拿大、 法国、 英国、 匈牙利等许多西方发达国家的铁路运输领域， 各种面向不 同目标的铁路运输仿真系统得到了越来越广泛的应用， 而且己经成为现 代化铁路运输生产和研究的理沦 验证、 方案评估、 重人决策过程中小u j 缺少的重要支持工具。目前已具有一些较成熟的仿真系统， 有的己实现 商业化， 在铁路运输的大规模综合仿真方面具有较高水平。 其中具有代 表性的是: ( 1 ) u t r a s 系统。 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仿真系统， 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。 该仿真系统已经在日 本 得到较多应用， 例如， 该系统的仿真结果表明: 移动闭塞与帮能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。 该系统的初始映象的生成 采用人工设定的方式。 不进行系统预热运行， 而是根据每次不同的仿真 实验要求， 设定各线路、 信号等设备初始参数。 同时， 根据每次不同的 运输方案， 设置列车和车辆的初始状态，以此作为仿真实验的基础。 ( 2 ) l o g s i m系统。 l o g s i m是美国开发的 一个仿真系统。 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 ( t r a i n p e r f o r m a n c e c a c u l a t o r ) 系统结合， 可以 进行如下研究: 评 价既有运输通道和枢纽中采取某种措施后列车运行的效果， 包括增加新 第一章 绪论 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: 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; 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: 采用同一逻辑的多 歹 d 车运行过程时的调度决策; 发生随机延误时系统的应变能力。 该系 统的初始映象生成以系统初始文件为基础， 仿真系统从初始文件中读出 并设置各个仿真实体的初始状态，系统初始化结束仿真实验开始。 ( 3 ) v i s i o n 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仿 真软件。v i s i o n的功能包括:仿真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; 研究铁路运输系统在各种假设 条件下的效果;不同区域的分析。v i s i o n仿真系统可以 快速、高效 地分析列车间隔和线路能力， 包括: 验证新项目 的可行性; 对多设 计方案进行论证以寻求最优解; 保证系统能够满足各种运营要求。 本 系统进行的仿真实验涉及路网环境， 因此其初始映象生成时除了采用与 ( 2 )相同的初始文件外，进行了有限的仿真预热过程。其将路网分为 若干段 ( s e g m e n t ) ， 特定数量列车从边界 段 ( b o u n d a r y s e g m e n t ) 进入 仿真范围，以峰值为 巧分钟作为系统预热过程，预热结束后的系统中 仿真实体状态作为仿真实验的初始映象。 经分析， 国外铁路运输仿真系统的初始映象生成方法多以系统初始 配置文件为基础， 某些实验中加入了有限的系统预热过程， 但没有明确 提出系统达到和接近稳定状态的判定指标，导致仿真实验的精度有限。 1 . 3论文研究的主要内容 在充分分析仿真系统初始映象生成问题以及相关领域的研究成果 之后， 本论文准备在以下几个方面对初始映象生成的方法进行研究和完 北京交通大学硕 卜 学位论文基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 盖 ( 1 )分析初始映象所服务的基于路网的列车运行仿真系统，归纳出其 对初始映象的各方面要求; ( 2 )在以上分析的基础上，提出判定初始映象达到稳定状态的各项判 定指标; ( 3 ) 分析系统中列车运行仿真调整问题， 提出计算机仿真调整的方法; ( 4 )较完整地提出初始映象仿真系统的设计，并对其中的核心部分进 行程序开发。 1 . 4选题的目 的和意义 计算机仿真是利用计算机对系统或过程进行动态仿真，以安全和经 济的方法获得动态运行的数量结果，为决策提供重要依据的一种万法。 随着对该领域研究的不断深入， 对仿真系统反映实际系统的精确性要求 更高。 当对仿真系统的结构和各个功能模块研究达到一定程度后， 仿真 实验开始零时刻的初始映象的质量越来越受到人们关注。 列车运行仿真系统初始映象生成是仿真实验开始前的一项重要工 作， 生成的初始映象为仿真实验提供了一个仿真运行环境。 其不仅包括 线路、 信号等固定仿真实体， 还包括列车、 车辆等系统动态运行所需的 仿真实体， 这些构成了仿真实验的基础。 基于路网的铁路列车运行仿真 系统是一个包含仿真实体广泛的综合系统， 其采用稳态仿真的方式。 稳 态仿真要求初始映象反映真实系统长期运行所呈现出的一种有规律的 性能测度， 并且从数量和质量两方面满足仿真实验的要求。 但是， 长期 以来研究工作没有把初始映象生成作为一个单独系统来分析和设计; 对 仿真实验开始零时刻各仿真实体的性能缺少判定指标， 造成仿真实验在 一种人为认定的“ 稳态夕 下开始运行， 无法保证实验结果的准确度和精 确性 设计 第一章 绪论 因此， 仿真实验要求将初始映象作为一个单独的系统进行研究和 对初始映象是否达到稳定仿真的要求需要有一套评价指标加以衡 量。 针对这些问题， 本文对初始映象生成和是否达到稳态的判定指标问 题加以研究， 提出综合判断仿真系统是否达到稳态的评价指标， 并且针 - 对不同粒度的仿真实验的要求， 提出了对指标的补充修正， 使生成的初 始映象更加精确和可信。 另外，由于基于路网的铁路列车运行仿真系统的仿真规模较大，通 常的预热运行过程消耗时间会比较长。 为缩短生成初始映象的预热运行 时间和生成满足特定要求的初始映象， 本文将深入分析该问题并提出计 算机仿真调整的方法， 希望这些方法不仅能够解决初始映象生成过程中 的问题，而且对仿真实验开始后的 推进过程的控制有所帮助。 基于路网的铁路列车运行仿真系统的初始映象生成方法是一个复 杂的运输仿真问题， 具有一定的特殊性， 也具有该类问题的共性， 其建 模和求解的思路对类似问题的解决具有重要参考价值。 1 . 5论文研究的技术路线 本论文的研究将分以下几个步骤进行: ( 1 )广泛研究国内外仿真系统初始映象生成问题研究的现状，获取研 究经验，并确定自己的研究起点; ( 2 )对初始映象生成问题进行分析、归纳，总结出基于路网的铁路列 车运行仿真系统对初始映象的要求; ( 3 )建立判定系统是否达到稳态的评价模型， 提出仿真运行调整的计 算机实现算法; ( 9 ) 较全面的给出初始映象生成系统的设计方案和实现方法，并利用 仿真数据对稳态评价指标进行实例证明; 1 3 北京交通人学硕 1 : 学位论文 基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 ( 5 )最后，总结归纳本论文的主要研究成果，指出有待改进的地方。 结合论文作者研究实践中的切身体会，指出几个比较有意义的发展方 向。 第_章 铁路列车运行仿真系统初始映象生成问 题的分析 第二章 铁路列车运行仿真系统初始映 象生成问题的分析 2 . 1仿真方式的选择 对系统进行仿真实验的目的是在合理的条件下得到系统性能的可 靠估计。 根据仿真方式的不同， 仿真实验可以分为终态仿真和稳态仿真。 终态仿真是在规定的时间t内 进行仿真运行并统计系统性能 测度 的一种仿真实验方式。 其中时间t是指某一规定事件e 发生的时刻， 当 运 行时 间 达到t 时 仿真实 验 过 程中 止。由 于仿 真 事 件 e 可以 是 随 机事 件， 故t 也 可能 是 一 个随 机 变 量， 即 终 态 仿真 实 验仿 真的 一次 运 行可以 在某一个随机时刻终止。 终态仿真的性能测度明显取决于仿真系统的初 始状态， 要使仿真实验结果符合系统的实际情况， 仿真实验开始的初始 状态必须事先谨慎地规定。 稳态仿真是指在仿真运行时间趋于无穷时系统的性能测度达到某 一极限值且趋于平稳状态的仿真方式。 在稳态仿真中不存在停止仿真运 行的事件e ， 仿真运行的时间长短取决于能否得到系统性能测度的优良 估计。稳态仿真的目的是研究非终态系统在长期运行条件下的稳态性 能。 稳态仿真的性能测度不受零时刻仿真实验初始条件的影响， 当规定 不同的初始条件时，稳态仿真给出相同的性能测度。 终态仿真和稳态仿真是两类不同的仿真实验方式。 研究一个客观系 统的性能指标时， 应当采用终态仿真还是稳态仿真， 主要取决于系统本 北京交通大学硕 卜 学位论文坑于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 身的性质， 同时也取决于仿真研究的目的。 铁路运输系统是一个基于路 网范围内的复杂系统， 通常是由 许多子系统构成的， 它的组成部分通过 内部联系连结成一个整体， 按照一个确定的关系 ( 这种关系一般取决于 交通运输流的构成，交通运输设施配置的空间位置和它的技术作业过 程) 相r - 作用， 并且随着时间的变化在不断分解和组合， 很难用一个简 单初始状态来反映其实际情况: 另一方面， 交通运输流具有复杂变化的 组织形式， 但它的组成部分在时间上和空fu l 上有一定的变化规律。 铁路 运输中实际的流应服从列车专门化， 编组计划和运行图的要求， 从这种 意义上讲，它并不是完全随机的，而是有组织的一种 “ 有控随机”引 。 同时， 铁路运输系统中， 各项作业指标在一定时间段和范围内呈现出有 边界值的分布。因此， 对该系统的仿真应该是稳态仿真， 其初始映象应 该为仿真实验提供一个满足稳态仿真要求的仿真环境. 2 . 2基于路网的铁路列车运行仿真系统对初始映象的总体要 求 对铁路列车运行仿真系统而言， 初始映象生成的主要任务是读取仿 真区域内各车站及区间的线路、 信号、 设备等基本数据， 并根据当前仿 真区域的列车运行图、编组计划等信息，生成指定时刻本区域内列车、 车辆的分布数据， 并设置各车站的当前作业状态以及各类设备的当前状 态等附属数据，所有这些输出数据最终构成系统的仿真初始映像。 基于路网的铁路列车运行仿真系统有仿真规模大、涉及仿真实体 多、 采用分布式结构等特点。 这些特点对初始映象的规模、 精确性和通 用性等提出了一定要求。 第_章 铁路列车运行仿真系 统初始映象生成问题的分析 2 . 2 . 1规模要求 计算机仿真的作用是对特定系统进行分析和研究， 根据相应原理建 立系统模型， 并基于该模型以计算机为工具进行实验。 随着在交通运输 领域应用研究的深入， 计算机仿真研究的对象己经不再局限在单个编组 站、 车场或区段范围内。 大型网络和巨量交通流量成为仿真试验追求的 两大目标。 对于基于路网的仿真系统而言， 其研究的对象不同于传统仿真以区 段 ( 或车站) 为研究单位。 传统方法以区段为仿真系统研究单位时， 区 段内车站的衔接方向数相同， 一般都为2( 尽头站为1 ) 0 假设区段内车 站数为n ， 则区间数量为n -1 ; 对于货物列车来说，区段的起点和终点 通常为列车的始发站和终到站;区段内同方向列车具有相同的列车经 路; 区段内至少有一个限制区间， 列车的关系仅发生在同区段运行列车 间， 相对简单。 基于路网的仿真系统通常以一定范围的路网 ( 铁路局或 分局管辖路网) 为研究单位， 网络内车站衔接线路方向数不同。 假设仿 真路网内有车站数为n ，因为存在衔接方向大于2 的车站，区间数量不 一定为 n -1 ;每个区段的起点和终点通常不是列车始发站和终到站; 路网内同方向的列车可能有多条列车运行径路; 对路网内每个区段至少 存在一个限制区间; 列车的关系不仅发生在同区段运行列车间， 也影响 与之衔接区间列车的运行，仿真实体间的关系相对复杂。 这些特点决定了 基于路网的仿真系统的初始映象生成更为复杂。 一 方面， 初始映象要在列车、 车辆等仿真实体的数量和质量上满足稳态仿 真的需要。 初始映象不再局限在一个车站和区段的范围内， 其应该包括 一定仿真范围内多个车站涉及到的各种仿真实体; 另一方面， 针对相对 复杂的仿真系统关系， 初始映象生成不再是人为简单指定的某个运行图 北京交通人学硕 i - 学位论文基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 状态，而应该是在一定规模的仿真路网上经过预热运行来产生。 2 . 2 . 2可信度要求 由2 . 1 节的分析， 基于路网的铁路列车仿真系统采用稳态仿真的方 式， 这就要求初始映象为其提供一个满足稳态仿真要求的运行环境。 对 于不同的仿真实验方案， 稳态仿真要求消除初始映象对系统性能枯计造 成的影响， 即系统初始状态对仿真结果的影响可以忽略。 这样可以保证 在此仿真实验环境中多次进行的仿真实验结果的可信度和可比性。 系统生成初始映象时， 终态仿真为消除由于初始状态对系统性能估 计造成的影响， 需要多次独立运行仿真模型， 并且要求每次运行的初始 条件相同， 但必须是相互独立的。 对于稳态仿真， 一般是执行一次长度 很 大的 仿真 运行。 如 果， 令p ，y z , .，y m 是 仿真系 统 在 预热 过 程中 某项性能属性的一系列量度， 则 y , , i ,1 的稳态平均响应 ; 由 下式定 义: v= 1im 菩 y, / m 稳态仿真要求 v 的极值存在， 这样的 v 与仿真系统的初始值无关。 达到 稳态的初始映象保证每次仿真实验是在相同或相似的系统性能测度下 进行的， 各次仿真实验的运行结果或每次运行所得到的样本数据其有可 比性，对方案的比 选或设备性能的测评是可信的。 2 . 2 . 3满足多粒度仿真的要求 从系统论的观点看，复杂系统内部都是分层次的，不同层次的活动 第二章 铁路列车运行仿真系统初始映象生成问题的分析 或事件有不同的重要属性。 基于路网的 铁路运输仿真系统作为复杂系统 的一个例子，仿真运行也是分层的，既服务于路网上车流的宏观仿真， 也服务于车站作业的微观仿真。 根据不同仿真实验的目标和要求， 系统 决定不同仿真实体的大小、 空间属性、 时间属性和效能属性等方面的粒 度或分辨率。 2 . 2 . 3 . 1多粒度仿真的基本思想 多粒度建模问题最早由美国兰德公司在 8 0年代中期提出，用于解 决分布式交互仿真中经常遇到的两类不同分辨率描述的对象必须相互 作用的 情形。 这导 致建 模仿真 理论界 开始从 研究模型 抽象的角度 研究 层 次建模问题。 目 前， 国外在层次建模的 有关问 题如模型聚合与解聚问 题 上虽然己有一些具体的应用结果，但在理论和实践上还没有真正解决。 基于路网的铁路运输仿真系统是一个典型的多层次分布式交互仿 真系统， 不同 层次的仿真应用对实际环境的 抽象不同， 需要的仿真精度 也不同，因此，必须采用多粒度建模方法来构建仿真系统平台。 采用多粒度方法构建仿真系统平台的基本思想是建立多层抽象实 体， 它根据需要对客观实体的多层次抽象同时并存或取舍， 然后研究实 体间的交互， 制定实体交互规则表， 根据规则表处理仿真过程中的实体 交互。 2 . 2 . 3 . 2多粒度仿真方法 就目 前对多粒度仿真方法的研究而言， 常用的有优化选择法、 聚合 一解聚法和多重表示建模法。 优化选择法的思想是只执行最详细的模型， 所有其它层次的模型通 北京交通大学硕 七 学位论文基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的i q f 究 过从中选择部分信息来执行， 即以细粒度仿真为基础， 通过忽略细粒度 的不同仿真细节得到不同程度的粗粒度仿真。 当对一个过程的所有时间 段都必须进行详细描述时， 这种方法是必要的， 但是， 最详细的模型往 往是最复杂的模型， 而建模的目 的之一就是对模型进行合理简化以便于 研究， 因此执行最详细的模型会增加系统复杂性， 消耗过多的计算资源。 优化选择法的优点在于仿真模型运行中不发生变化，模型的一致性较 好。 聚合一解聚法就是通过对低分辨率模型进行解聚， 或者对高分辨率 模型进行聚合， 以确保实体在同一层次上进行交互。 在仿真运行时， 一 般运行低分辨率的模型， 当需要更多的细节时， 触发 解聚， 执行高分辨 率模型， 当不需要细节时， 触发聚合， 继续执行低分辨率模型。 聚合一 解 聚 法 节 省 系 统 资 源， 但 由 于 在 仿 真 运 行 过 程 中 ， 参 加 仿 真 运 行 的 模 型 会发生变化， 因此对同一实体述的一致性将变得十分重要， 是系统实现 的难点。 多重表示法的思想是将不同层次的抽象表示在一个实体中， 层次间 的交互和一致性由专门的模块进行维护， 采用这种方法以最小的开销实 现了多层次模型间交互的有效性和表示的一致性。 2 . 2 . 3 . 3多粒度仿真对初始映象的要求 为基于路网的铁路列车运行仿真系统服务的初始映象应该满足多 粒 度 仿 真 的 要 求， 其 描 述 各 个 仿 真 实 体 状 态 歌据 应 该 包 括 宏 观 仿 真 和 微 观仿真所需要的实体属性数据。 例如， 基于多粒度仿真的需求， 线路仿 真实体的构造分为宏观和微观两层， 其中宏观层涉及所有同车流相关的 仿真应用， 而微观层则适用于同具体的列车作业相关的仿真应用， 宏观 层和微观层路网模型在车站进行衔接，组成统一的路网模型，如图2 - 1 第_章 铁路列车运行仿真系统初始映象生成问题的分析 所示。 根据上述各种多粒度仿真方法的 特点， 多 重表示法在各层次模型 间交互更为容易， 计算机实现较为简便， 能够较好地满足基于路网的铁 路列车运行仿真系统的需要。 微观层 / 一 一一 一、 一一一/ / 宏观层 图2 - 1两层路网间的关系 此外， 为满足多粒度的要求， 生成的初始映象的预热运行过程应该 包括宏观仿真和微观仿真， 其达到稳态的判定准则同样应该包括对宏观 仿真实体和微观仿真实体两阵状态的度量。 2 . 2 . 4通用性要求 基于路网的铁路列车运行仿真系统是一个较通用的仿真平台， 其功 能既包括宏观层次的车流仿真， 也有微观层次的列车运行仿真， 既有涉 及某个区域多 个车站的路网运输组织仿真， 也有针对某个车站的详细的 车站作业过程仿真。 另外， 其初始映象采用预热运行的方式， 初始映象 生成系统需要同整体列车运行仿真系统的各个功能模块协作完成预热 过程的推进。 因此， 为满足宏观仿真和微观仿真不同的要求， 同时较好 地与其他模块协同工作， 初始映象生成系统应具有较好的 通用性。 北京交通大学硕 丁 学位论文基于路网的铁路列车运行仿真系统初始映象生成方法的研究 构建通用的初始映象生成系统，其通用性主要体现在以下方面: 1 . 仿真接口的通用性 在预热过程中， 初始映象生成系统通过通用的仿真接口同仿真平台 进行交互，利用仿真平台的仿真支撑平台和各个服务器进行数据交换， 并且利用系统资源进行预热运行。 通用的系统接口包括通用的数据接口 和通用的操作接口， 数据接口使初始映象生成系统可以获得平台提供的 基础数据，操作接口使初始映象生成系统可以利用平台的各种计算资 源，并和其它相关模块进行交互，共同完成预热过程。 2 . 仿真数据的通用性 初始映象生成系统涉及到的数据种类和格式繁多， 但是为仿真实验 所提供的数据应该是通用的，概念相同的信息表达为一份标准的数据， 生成的初始映象应该能够较通用地为不同仿真应用服务， 这增加了仿真 结果的可信度和可比性。 通用的数据也有利于不同模块间的数据交换， 减少了转换次数，提高了系统的运行效率。 2 . 3生成初始映象方法的实现思路 由2 . 1 节分析， 基于路网的铁路列车运行仿真系统采用稳态仿真的 方式， 其初始映象应该满足稳态仿真的要求。 对于初始映象的生成方法， 以前的研究多以运行图某一时刻的列车运行情况和各种统计量为基础， 加上适当随机扰动产生初始映象。 该方法在生成初娘映象过程， 虽然以 实际系统的统计量为基础， 具有一定的可靠性。 但是， 以某一个时刻实 际 系 统 的 状 态 作 为 初 始 映 象， 只 是 对 系 统 在 此 时 刻 静 止 状 态 的 一 种 描