轨道交通运行仿真的应用与发展

方惠惠 王春

摘要：对轨道交通运行仿真的理论、模型及建模过程进行了总结，对国内外比较成熟的轨道交通运行仿真软件的主要功能和界面进行了介绍，对轨道交通运行仿真软件的发展趋势进行了分析和展望。

Abstract： The theory of rail transit operation simulation was surmised， as well as the model and the process of model construction. The main functions and interfaces of some rail transit operation simulation software mostly adopted at home and abroad were introduced and discussed. The development trend of rail transit operation simulation software was analyzed and forecasted.

关键词：轨道交通；运行；仿真；模型

Key words： rail transit；operation；simulation；model

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）31-0239-04

0 引言

20世纪60年代以来，随着计算技术的进步而发展，研究者开始采用计算机数字模型来反映复杂交通现象，由此诞生了交通仿真[1]。对于轨道交通这样一个难以用经验模型或数学分析模型来准确描述的复杂系统，仿真可以揭示系统内多维随机要素的状态及其相互作用规律。

在轨道交通的规划设计阶段，可以通过对规划设计线路的运行过程仿真指导线路的选线设计和平纵断面设计，同时也为合理安排牵引供电系统的布局和容量提供理论依据和参考。而在运营管理阶段，又能够通过对运行过程的仿真研究验证列车的性能，优化车辆使用，发现列车运行过程中的影响因素，调整列车运行方案，提高列车控制水平，节约能耗，提高运行准点率，减少停站误差以及增加旅客舒适度。

1 轨道交通运行仿真的理论基础

1.1 连续系统仿真

连续系统是指系统的状态随时间连续变化，比如列车的运动。连续系统的动态模型可以采用微分方程、状态方程和传递函数来描述，采用较多的是状态变量的微分方程。

1.2 离散系统仿真

离散系统的状态只在离散时间点上发生变化，比如轨道交通设计安全的信号系统等。离散系统的数学模型通常用流程图或网络图来描述。离散仿真模型建立的步骤为：①通过定义系统的参变量集合来构造系统映像；②定义事件的类型和发生的时间点；③定义每一事件状态发生变化的时间点；④描述系统中所有实体的活动；⑤构造状态转移函数或算法；⑥通过系统流图描述整个过程。对于离散系统的仿真策略他通常有时间调度法、活动扫描法和进程交互法三种。

由于轨道交通系统运行过程既包括连续过程，也包括离散过程，通常使用组合仿真模型对其进行描述。

2 轨道交通运行仿真模型

2.1仿真模型的规模

从仿真模型规模上来讲，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，轨道交通运行仿真模型可以分为宏观模型、中观模型和微观模型三个层次[2]。宏观模型重点研究轨道交通运输系统与社会经济系统间的关系，通过仿真试验对运输发展政策起到一定的指导型作用；中观模型主要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；微观层次模型对轨道交通最基本工作的运行仿真，用于研究客货运车站、编组场、货场以及线路等基本铁路运营单位的运行规律。

2.2 轨道交通运行仿真建模过程

轨道交通运行仿真的核心内容是以牵引计算理论为基础，对列车运行过程进行建模计算。以经典的宏观物体运动学理论建立列车的运动微分方程，分析列车运动过程受到的牵引力和各种阻力，选取合适的仿真算法对方程进行求解，得到列车的运行里程和速度；同时考虑各种工况下列车运行的控制策略，建立其运行控制算法。

在构造列车牵引计算的力学模型过程中，可以采用单质点和多质点两种处理方法。单质点模型将整列列车处理为单个质点，多质点模型将列车视为多个质点构成的质点列。两种模型在常坡段（坡度不变）的差异不大，但是在变坡点的前后部分路段和曲线段，多质点模型的处理更加符合实际情况。

2.3 轨道交通运行仿真模型的模块组成

交通系统仿真模型包括输入、处理、输出三个组成部分。从功能的角度来看，轨道交通运行仿真模型通常包含以下五个模块：①线路与网络描述模块，这些网络拓扑条件包括坡度、曲线、限速、轨道条件。②列车属性模块，包括列车功率、重量、长度、阻力等。③列车运行环境模块，包括各类交通控制信号系统下的列车运行过程，列车在干线的运行及其与车站运营过程的协调。④列车运行与设备运用计划模块，提供列车运行的时刻表、列车运行的偏好路径、必须停靠站的定义，机车车辆及乘务组周转表定义。⑤仿真结果演示及分析模块，在模拟系统对用户定义的轨道交通运输模拟完毕后，需要有专门的模块来对模拟结果进行分析、显示和输出。

3 国内外轨道交通运行仿真系统分析

3.1 国外的发展

国外在列车运行仿真计算方面的起步比较早，目前比较成熟的软件有美国SYSTRA公司的RailSim与TPC（Train Performance Calculator）系统；美国Camegie-Mellon大学轨道研究中心开发的TOM（The Train Operations Model）软件；美国铁路协会（AAR）开发的用于研究列车纵向运行仿真的TOES（The Train Operation and Energy Simulator）和TEM（Train Energy Model）仿真器；英國AEA铁路技术公司开发的VISlON系统；德国汉诺威大学（University of Hannover）和德国铁路管理咨询公司（RMCon）共同研发的Railsys系统；欧洲ORTHSTAR公司的TrainStar系统；日本的UTRAS（Universal Train Simulator）系统；瑞士苏黎世联邦研究院开发的OpenTrack软件等。其中应用较多的是TOM、RailSim、Railsys和Opentrack。

3.1.1 TOM（The Train Operations Model）

TOM是一种多用途的轨道交通分析软件，可用于评估行车时刻表、车辆能耗、供电系统与列车控制系统性能等，已经在干线铁路、轻重型轨道交通、高速铁路以及磁悬浮系统上成功应用[3]。TOM主要有列车性能仿真器（TPS，Train Performance Simulator）、电网仿真器（ENS，Electric Network Simulator）、列车运行仿真器（TMS，Train Movement Simulator）3个主要功能模块，如图1所示。TPS用于计算特定网压下的单车性能，ENS用于结合牵引供电参数仿真多车的运行工况，TMS的功能与ENS类似，不同之处在于TMS可以仿真多列车在统一控制系统下的运行情况，这有助于发现和解决多车运行时存在的冲突问题。

3.1.2 RailSim与TPC系统

20世纪60年代，美国铁路开发了TPC（Train Performance Calculator）程序，根据线路平纵断面和列车编组，计算分析列车运行速度、时分、制动距离以及能耗，评价评估机车、车辆性能以及进行轨道交通线路设计分析，很多轨道交通仿真系统均加载了TPC程序，如RailSim、RailPlan、OnTrack和Rail Traffic Controller（RTC）等。RailSim是以TPC程序为核心的列车操纵与运行仿真系统[4]，主要模块包括列车运行行为计算器（TPC）、路网编辑器、机车车辆库、负载电流分析器、报告生成器、时刻表设计评估以及列车群运行仿真等，如图2所示。

RailSim能够准确分析计算各种类型列车的运行行为，可以为列车运行仿真选择不同的停站时间和停站模式，也能够研究运输能力分析、列车运行间隔计算、信号设计、列控系统与机车车辆设计、系统能耗计算以及车站客流分布等问题。

3.1.3 OpenTrack

OpenTrack是由瑞士苏黎世联邦技术研究院基于“铁路网络运营管理系统研究”的项目而开发的铁路网络仿真系统[5]。主要包括输入、模拟和输出三个子系统，子系统下又包含若干模块，如图3所示。OpenTrack的特色是基于给定运行时刻表的多列车运行仿真计算，能够根据用户输入的线路数据和列车，按照预定义的时刻表和仿真参数实现列车运行全过程的再现。另外，也可以实现在一些较为复杂的区域，再现列车的到发、通过、折返以及车站的轨道占用以及进路排列等多种现象，以及线路沿线信号设备显示状态与变化情况。

3.1.4 RailSys

RailSys 是由德国汉诺威大学（University of Hannover）和德国铁路管理咨询公司（RMCon）共同研发的基于路网的铁路运输微观模拟仿真系统[6]，系统主要包括4个功能模块，包括：设施管理、时刻表管理、仿真管理以及评价管理，如图4所示。通过仿真可以真实的呈现铁路路网全系统运行情况，对分析变化的运输需求对现有铁路运输系统的影响、基础设施的改扩建、信号系统的安全及可用性评价、列车时刻表的制定和优化等起到重要的辅助决策作用。

RailSys的特色是对铁路既有或新建线路、车站以及网络的比较评估，以及有干扰和无干扰条件下运行时刻表的质量与可靠性评价。与RailSim内嵌TPC程序类似，RailSys软件中关于列车运行时分的计算是使用了DYNAMIS内嵌程序完成的。

3.2 国内的发展

我国从20世纪80年代开始致力于轨道交通运输模拟系统的研究，初期的研究主要应用于铁路编组站。后来陆续有传统铁路院校开发了应用于教学与科研的仿真程序，有代表性的成果是1997年北京交通大学与香港理工大学合作开发的通用列车运行模拟系统GTMSS（General-purposed Train Movement Simulation System）[7]。系統将机车、车辆和线路数据建立数据库，并设计节时、定时、节能算法库，建立牵引计算、操纵经验的知识库，通过迭代运算，模拟实际列车运行过程，系统架构如图5所示。

GTMSS最大的特点是在用于科研分析和项目论证的同时，也有较强的教学功能，目前在我国轨道交通等领域已经有较广泛的应用。

4 轨道交通运行仿真的发展趋势

经过多年的研究与开发，轨道交通运行仿真已经从传统的列车牵引计算发展成为集仿真、分析、评价为一体的系统平台，并呈现出以下的发展趋势。

4.1 面向设计、计划和运营的全周期应用

为实现通用性和集成性并满足轨道交通规划、建设、运行全周期过程的需要，轨道交通运行仿真系统开始全面应用于相应的生产过程。

面向设计用于分析和检验不同设计年度的客流和货运量的变化导致的基础设施变化产生的影响，以此辅助工程设计单位进行既有线改造、新线或新站的设计，从而对方案的合理性进行评价。

面向计划用于厘清列车运行计划中关系复杂且相互影响的列车运行图、车站作业计划和设备周转计划之间的关系，制定合理的运输计划。

面向运营用于通过仿真分析获得车站和区间高利用率情况下列车运行图的“鲁棒性”脆弱点，找出瓶颈并为此提供一定的调度调整空间是在可行计划的基础上提供一定的调整调度空间。

4.2 研究领域的交叉与拓展

轨道交通运输涉及很多不同的专业领域，如果要对运输过程的所有环节进行仿真模拟，则需要多专业之间的合作。供电是轨道运输中非常重要的环节，目前已有较多运行仿真软件整合了供电仿真模块，用以对列车牵引供电情况以及能耗进行分析，比如TOM系统中的ENS模块，Railsim中的Load Flow Analyzer模块以及OpenTrack中的OpenPower- Net插件。随着轨道交通制式的不断丰富，有轨电车、索道、独轨、磁悬浮等轨道交通系统得到越来越多的应用，与传统轮轨式系统一样，这些系统的设计、计划和运营也需要模拟仿真的辅助。由于驱动方式和运行控制策略的不同，传统的列车牵引计算不再适用，需要对其走行过程、信号系统和调度控制重新进行建模。目前利用RailSys已经能够对有轨电车和索道的运行进行仿真，未来研究领域应该会进一步拓展。

4.3 数据格式的通用化

近60年来，许多公司、研究机构及高校开发了很多关于轨道交通运行仿真的程序和软件，这些程序和软件对于仿真输入数据的格式要求各有不同，导致了通用性的降低和数据交互的巨大困难。有鉴于此，2001年德国的弗劳霍恩夫运输与基础设施研究所与瑞士苏黎世联邦理工学院开始联合开发基于XML（eXtensible Markup Language，可扩展标记语言）的描述轨道交通专用数据的轨道标记语言RailML，用于在内部和外部轨道交通应用之间交换数据，主要包括运行时间表、基础设施和机车车辆相关数据。2015年，德雷斯顿技术大学开发了针对RailML语言的可视化程序railVIVID，能够对导入的数据以图表的形式显示出来进行检查和校验。

5 结语

运行仿真能够有效地分析和解决轨道交通在规划设计和运营管理期间碰到的各种问题，国内外已经开发出了多种通用和专用仿真软件，在行业内得到了广泛的应用。目前轨道交通运行仿真软件呈现出全周期、跨领域和通用化的发展趋势，随着大数据、云计算研究的不断深入，智能化将是轨道交通运行仿真所面临的新的挑战。

参考文献：

[1]任其亮，刘博航.交通仿真[M].北京： 人民交通出版社，2013.

[2]张国强.微观交通仿真基础[M].北京： 人民交通出版社，2017.

[3]TOM Company. What is TOM？ [EB/OL].[2018-06-12] http：//home.comcast.net/～rail_system_center/tom.htm.

[4]Railsim Team.Introduction of Railsim.[EB/OL].[2018-06-13].http：//www.railsim.com/modules/train-porformance-calculation.html.

[5]OpenTrack Railway Technology Ltd. Railway Simulation. [EB/OL].[2018-07-18]. http：//www.opentrack.ch/ opentrack/opentrack_e/opentrack_e.html.

[6]Benfeldt， J.-P.； Mohr， U.； Müller， L. 2000. RailSys， a system to plan future railway needs[J]. Proceedings of the Seventh International Conference on Computers in Railways VII： 249-255.

[7]毛保華，何天键，袁振洲，刘海东，赵立宁，陈志英.通用列车运行模拟软件系统研究[J].铁道学报，2000（22）：1-6.