（交通信息工程及控制专业论文）列车超速防护系统的仿真测试系统的研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文摘要 y3 i3 5 2 0 摘要 、 厂 列车超速防护系统是一种基于控制、传感、信息技术的机电一 体化装置，它实现了对列车运行速度的实时监控，对确保行车安全， 提高运输效率，防止列车的“两冒一超”起到了非常重要的作用。 开展对列车超速防护系统的仿真测试系统的研究，可以缩短列车超 速防护系统的开发周期，节省试验费用，弥补现场试验时参数的不 完整性，为我国列车超速防护系统的研究及其在各种铁路现场环境 和将来的高速铁路、地铁中的应用，以及进一步砑究符合我国国情 的先进列车速度控制系统都具有十分重要的意义 本文首先在分析现有列车超速防护系统的功能原理和输入、输 出信息的基础上，通过研究列车运动中的受力情况和列车运行的全 过程( 包括牵引工况、惰行工况和制动工况) ，以及研究连续式信 息和点式信息的发送，机车信号输出的模拟，轨道电路信息传输的 模拟，建立了完整的、复杂的列车运行仿真模型和地车信息发送模 型，且重点考虑了复杂的和特殊的现场环境及不正常的列车运行过 程。 一r 、然后采用当今流行的面向对象的仿真方法，对仿真测试系统的 仿真主机软件进行了设计，从而研制出了具有一定普遍意义的列车 超速防护系统的仿真测试系统，来模拟列车实际运行中的各神现场 环境信息和列车运行状态信息，实现对列车超速防护系统的功能测 试和评价。k 最后针对现有的l c f 型列车超速防护系统设计了仿真实例， 来测试其运行处理情况，评价其对各种情况的反应能力和适应能 力。 关键词：列车超速防护系统，计算机仿真，测试，欲 北方交通大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o ns y s t e m ( a t ps y s t e m ) i san e wk i n do f e q u i p m e n t w h i c hi sb a s e do nc o n t r o lt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g ya n d m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y i ti su s e dt op r e v e n tt h et r a i nt oo v e r s p e n d t h r o u g ht h em e t h o do fs u p e r v i s et h es p e e do f t h et r a i n p r a c t i c e sh a v e p r o v e dt h a t a t ps y s t e mh a se x h i b i t e ds u c ha ni m p o r t a n tf u n c t i o ni n g u a r a n t e e i n g t h es a f e t yo f t r a n s p o r t a t i o na n di m p r o v i n g t h ee f f i c i e n c yo f t h et r a n s p o r t a t i o n i tw i l lc u tt h ed e v e l o p i n gt i m eo fa t ps y s t e m ，s a v e t h et r i a l f e e ，m a k eu pt h ed e f i c i e n tp a r a m e t e r si ns p o tt e s t i n gw h e n c a r r y i n go u tt h es e a r c ha b o u ts i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e mo f a t p i tw i l lb e o f g r e a ts e n s ei nr e s e a r c h i n ga t ps y s t e m ，i nu t i l i z a t i o no fr a i l w a yl o c a l e n o wa n do nh i g h s p e e dr a i l w a ya n du n d e r g r o u n dr a i l w a yi nf u t u r ea n d f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft r a i n s p e e dc o n t r o ls y s t e mt h a ti sa d a p tt ot h e s i t u a t i o no fo u ro w n c o u n t r y , b ya n a l y s i so fw h o l ep r o c e s so f t r a i nr u n n i n ga n dt h eg r o u n d - t r a i ni n f o r m a t i o n t r a n s m i t t i n gi n c l u d i n g c o n t i n u o u si n f o r m a t i o na n d i n t e r m i t t e n ti n f o r m a t i o n ，a sw e l la so u t p u to fc a bs i g n a l i n ga n dt r a c k c i r c u i t ，t w oi n t e g r a t e d a n d c o m p l i c a t e dm o d e l s ，o n e o ft r a i nr u n s i m u l a t i o na n do n eo f g r o u n d t r a i ni n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，h a v eb e e n e s t a b l i s h e d t h ee m p h a s i si st od e v e l o pa t ps i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e m t h a th a su n i v e r s a lf u n c t i o n sb yt h et h o u g h t sa b o u tt h ec o m p l i c a t e do r s p e c i a ls p o ta n d t h ea b n o r m a lt r a i nr u n n i n g p r o c e s s t h e nu s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o nm e t h o dt o d e s i g nt h e s o f t w a r es t r u e t u r eo ft h es i m u l a t i o n t e s t i n gs y s t e m s i m u l a t et h e i n f o r m a t i o no ft r a i nr u n n i n ge n v i r o n m e n ta n dt h es t a t eo ft h er u n n i n g t r a i nt or e a l i z et h ef u n c t i o nt e s t i n ga n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f a t e f i n a l l y ， i tg i v e sas i m u l a t i o nd e s i g na i m i n ga tp r e s e n tl c f a t p s y s t e m ，t oe x a m i n ei t ss t a t e ，a n de v a l u a t ei t sc a p a c i t yo f r e f l e c t i o na n d a d a p t a t i o nw h e n c o n f r o n tw i t hd i f f e r e n tk i n do f p r o b l e m s 北方变通大学硕士学位论文 摘要 北方交通大学硕j 。学位论文 第一章综述 1 1 问题的提出 第一章综述 现代科学技术正在飞速发展，尤其是信息处理技术、现代控制 技术、计算机技术的飞速发展，为铁路运输装备的技术改造和现代 化提供了很好的条件，使铁路运输向高速重载，安全，准时和提 高列车运行密度的方向发展。 在这种提高运输效率的要求下，尤其是随着列车运行速度的不 断提高，如何保证列车运行安全是必须首先解决的问题。根据法国 铁路当局的试验，当列车速度超过1 0 0 公里孙时以后，仅依靠列车 驾驶员的操作控制是很难保证列车运行安全的。因此，世界各国都 一直在致力于研究保证行车安全、性能先进、工作可靠的列车速度 控制系统，如：列车超速防护系统( a u t o m a t i c t r a i n p r o t e c t i o ns y s t e m ， 简称a t p ) 、列车自动控制系统( a u t o m a t i ct r a i n c o n t r o ls y s t e m ，简 称a t c ) 、列车自动驾驶系统( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o ns y s t e m ，简 称a t o ) 等i 1 。 在我国，行车安全一直是铁路运输中头等重要的大事，特别是 1 9 7 8 年在陇海东线杨庄车站发生的旅客重大伤亡事故之后，铁路部 将机车“三大件”一“机车信号、自动停车和无线列调”列为保证 行车安全的必备设备，使行车的恶性事故明显减少。从8 0 年代国 内又开始研究更高层次的列车速度控制系统一a t p 系统，各铁路局 的研究机构和技术单位也相继自行开发了适合本局的监控装置或运 行记录器，这些设备有其优点，但也存在不少缺点，主要是通用性 较差。正是在这种要求下，在八五期间国内开发研制了两种有代 表性的a t p 系统：l c f 型列车超速防护系统【3 i 和l k j - - 9 3 列车运行 监控记录装最。它们能有效地防止列车运行中的“两冒一超”( 冒 进进站信号机、冒出出站信号机和超速运行) 事故，又能准确记录 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 列车运行及司机操作的事件和全过程，有利于故障分析和机务部门 的现代化管理，有利于提高司机的安全操纵水平【3 4 , 5 1 。实践证明， 这些a t p 系统的推广和应用。对保证铁路运输安全、提高运输效率 起到了非常重要的作用，较好地解决了铁路运输中一直存在着的安 全和效率的矛盾1 6 。】。 我国由于幅员辽阔，铁路现场环境相当复杂，a t p 系统要广泛 的应用于铁路现场，就必须能够适应各种复杂的现场环境的要求。 因此，在a t p 系统的研究设计阶段必须进行大量的运行试验和现场 试验来验证其适应性、可靠性和进行功能测试，这不仅需要大量的 试验费用，还要花费大量的人力、物力【8 l 。随着仿真技术的不断发 展与完善，特别是计算机的引入，越来越多的工业过程都用仿真的 技术来进行分析和研究。在a t p 系统的研究中，利用计算机仿真技 术模拟复杂的铁路现场环境和列车运行状态，用先进的仪器设备对 试验样机进行大量的、全面的实验室测试和仿真实验在得到满意 的实验结果之后再进行现场试验，这样可以大大减少进行现场试验 的费用和时间、减少对现场运输的影响、弥补现场试验时参数的不 完整性、缩短设备的开发周期、加快科研成果向生产力的转化。另 外。对于批量生产a t p 设备出厂时，正式装车运行之前也需要对 a t p 系统进行功能测试；同时，当前电子产品的维护费用越来越高， 方便的测试手段变得越来越重要，需要有专门的设备进行测试与维 护。对仿真测试系统的研究，还可对进一步研究符合我国国情的a t c 和a t o 系统打下良好的基础。由此可见，对a t p 系统的仿真测试 系统的研究具有重要的现实意义。 1 2a t p 系统的分析 1 2 1 a t p 系统的功能 a t p 系统作为一种新型列车速度控制装置，它是以现代微电子 技术，现代控制技术和现代传感技术为基础构成的机电一体化装 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 置，提供了更高的运行安全保障1 3 a , 5 】。其主要功能是对列车运行速 度进行分级或连续监督，当列车实际速度超过允许值时( 线路限速， 道岔、曲线、临时限速等) 。对列车实施常用制动或紧急制动，同 时准确掌握制动的时机，制动力的大小使列车减速或停在显示红灯 的信号机前方，并记录列车运行状况的数据。它不仅适用于内燃机 车还适用于电力机车，对货物列车和旅客列车均能实施不同级别 的常用制动和紧急制动，是铁路建设现代化，保证行车安全的重要 设备，能有效地防止“两冒一超”。 根据系统的工作原理，整个系统可以分为7 个功能相对独立的 模块：系统主机、机车信号子系统、点式信息予系统、测速钡4 距予 系统、显控器、运行记录器、系统电源。如图1 - 1 所示： 图1 1a t p 系统的原理框图 1 2 2a t p 系统的控制模式 目前，国离外有两种控制模式：分级速度和速度一距离摸式曲 线。分级速度控制方式是比较早的应用形式，由于必须设置一个安 全保护闭塞分区来保证行车安全，所以将影响运输效率；而速度一 距离模式曲线控制方式则是根据线路状况、列车速度控制系统特 性、列车类型、制动特性及地面速度控制命令确定的列车运行过程 中最大允许速度与距前方目标距离所构成的速度控制曲线。它完全 反应了司机操纵列车停车的实际过程，不需要安全防护闭塞分区， 3 。 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 只需要留有一定的安全防护距离a s ( 如图1 2 所示) 。所以速度一 距离模式曲线控制方式比分级速度控制方式要有效得多，能进一步 缩短列车运行间隔，提高线路运输能力，是各国a t p 系统发展的趋 势。由北方交通大学研制的l c f 型a t p 系统在自动闭塞区段是以 连续式信息为基础，辅以点式信息，利用速度一距离模式曲线制动 方式实现超速防护。 开始 靠q 动 s ： s 6 图1 2 速度一距离模式曲线示意图 1 2 3 a t p 系统的输入输出信息 系统主机是整个a t p 系统的核心，它的输入信息可分为四类( 如 图1 - 3 所示1 ： 速度 机乍信号 点式信息 列1 三信息 制动命令 状态显示信息 记录数据 斟1 3a t p 系统的输入输出信息 1 ) 速度：利用装在机车车轮的测速传感器获得列车的实时速 度，是列车的运行状态信息，它对于准确定出列车的实际位置和判 断列车是否超速是十分重要的： 2 ) 机车信号：车载机车信号设备通过感应器接收由地面轨道 电路传输的连续式信息，译码，滤波后供a t p 系统使用的信息。它 是列车速度控制命令，包括机车信号点灯条件，速度等级和绝缘节 北方交通大学硕十学位论文第一章综述 信息； 3 ) 点式信息：也即线路信息，包括信号机类型，岔区氏度、 闭塞分区长度、坡度、曲线，限速等，是主机进行计算，建立速度 一距离模式曲线的重要依据，点式信息的获取方式有：大存储方式， 感应器方式和查询应答器方式； 4 ) 列车信息：它是由a t p 系统的显控器输入的信息，包括列 车换长、机车类型、闸瓦压力等信息。 a t p 系统的输出信息主要包括控制列车进行减速的制动命令、 以及为以后分析丽用的状态显示信息和记录数据。 1 3 系统仿真技术的发展概况 1 3 1 系统仿真 系统仿真是以相似原理，系统技术信息技术及其应用领域有 关的专业技术为基础，建立所研究对象( 系统、事件或过程) 的数 学模型或物理模型，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系 统模型对真实的或设想的系统进行动态实验研究、预测和分析评定 的一门综合性技术1 9 1 。 系统仿真具有无破坏性、安全、可多次重复和经济等特点，是 完全建立在科学理沦基础上的一门包含密集科学知识的高技术，具 有多个领域的技术相融合的性质。由于计算机技术的迅猛发展，系 统仿真电同益成为继理论分析和实物实验后人类认识客观世界的强 有力手段。系统仿真技术已广泛应用在航空、航天、舰船、电站、 化工、国防等领域和部门，用于方案论证、设计、制造、过程控制、 训练、维护、管理等方面。 1 3 2 系统仿真的分类 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 系统仿真首先需要描述所研究的系统的实体属性、活动及环 境，即建立系统模型。模型是系统本质方面的表达，它以各种可用 的形式( 数学或物理的) 提供被研究系统的信息，它具有与系统相 似的数学描述或物理属性，模型的分类方法如图1 4 所示： 图l 一4 模型的分类与仿真 由图l 一4 可知，由于模型的类型不同，系统仿真的方法也不同， 按模型的实现方法和手段，系统仿真可分为三种：物理仿真，数学 仿真，物理一数学仿真( 半实物仿真) 。 物理仿真的优点是直观、形象化。但是构造一套物理模型有时 将花费比较大的投资，周期也长：另外，在物理模型上作试验，很 难修改系统的结构，试验受到一定的限制，而数学仿真则比较经济、 方便。尤其是计算机的引入，为数学模型的建立与试验提供了较大 的灵活性，因此数学仿真一般就是在计算机上对系统的数学模型进 行试验，简称计算机仿真。这种方法无须配备昂贵的用于模拟产生 环境的各种物理效应设备，而只用计算机来再现真实系统，所以特 别适用于科研项目的前期论证和预测，以及模拟实际中难以再现和 还不存在的系统。其缺点是不够形象，不能给人身临其境的感觉。 在某些系统研究中，还把数学模型及物理模型以及实物联合在 一起进行试验，也即将系统的一部分写成数学模型，并将它放到计 算机上，而另一部分则构造其物理模型或直接采用实物，然后将它 6 北方交通大学硕七学位论文第一章综述 们连接成系统进行试验，这种仿真就称为数学物理仿真，或称为 半实物仿真。 1 3 3 计算机仿真 由上述可知，计算机仿真包括三个要素：系统、模型与计算机。 联系这三个要素的有三个基本活动：模型建立、仿真模型建立及仿 真试验1 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 j 。以上三要素及三个基本活动的关系可用图1 - 5 来表 示。计算机仿真的过程，就可通过图1 5 所示的三要素间的三个基 本活动来描述。 图1 5 计算机仿真三要素及三个基本活动 建立模型活动反映了理论系统和模型间的关系，它的主要任务 是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量 的基础上，用物理或数学的方法进行描述，实际上模型常常是一个 被简化了的模型。仿真模型的建立反映了系统模型同计算机之间的 关系，它的主要任务是设计一种算法，以便使系统模型能为计算机 接受并能在计算机上运行，由于算法设计上存在着的误差，仿真模 型对于实际系统将是一个二次简化模型。仿真试验是指对模型的运 转。对于模型运转需要设计一个合理、方便的服务于系统研究的实 验程序和软件。 1 3 4仿真技术的最新发展 近十年来，对于复杂系统的研究，使得仿真研究从对对象单一 的形式化模型研究发展到对于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，将人一信息智能集成在一个复杂的信 7 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 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，使得建立人一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。从而使得仿真方法有了 一些新的发展，如定性仿真方法，面向对象的仿真方法( o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n ，o o s ) ，分布式交互仿真方法( d i s t r i b u t e d i n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，d i s ) ，人一机和谐仿真环境建立方法学 】。 对于复杂系统的研究，由于系统的不可知性和模糊性，因此引 入定性仿真的研究方法就很必要了。定性仿真相对于传统的定量仿 真而言，力求非数字化，以非数字手段处理信息输入、建模、行为 分析和结果输出。通过定性模型推导系统的定性行为描述。 面向对象的方法认为宏观世界是由各式各样的对象组成，每种 对象都有各自的内部状态与运动规律，不同对象问相互作用的联系 构成不同的系统。可见，对象是一种普遍适用的基本逻辑结构，包 含了大量信息实体，从而使这种方法为分析、设计到系统实现提供 了统一的框架。面向对象的建模是以人们认识世界的思维方式，直 接以现实世界中可分离、可识别的真实实体作为对象，整个系统的 功能是由对象的操作及对象信息的彼此作用来实现，对象间信息的 传送引起系统的所有活动。 因为仿真对象经常分布于广阔的时空领域，这就要求把不同地 理位置、不同类型的仿真对象构造成一个基本框架，分布式交互仿 真方法正是用计算机网络将分布于不同地点的仿真设备连接起来， 通过仿真实体间实时数据交换构成时空一致合成仿真环境的一种先 进仿真技术。 总而言之，面向对象的仿真方法，提供了更为自然、直观的系 统仿真框架，而人一机和谐仿真环境，渚如可视仿真( v i s u a l s i m u l a t i o n ，v s ) ，多媒体仿真( m u l t i m e d i as i m u l a t i o n ，m s ) ，虚拟现 实( v i s u a lr e a l i t y , v r ) 的研究业已广泛展开，这种方法能使真实化 环境、模型化的物理环境与用户融为一体使研究主体一人能产生 身临其境的感受。 8 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 1 4 仿真技术在铁路中的应用 1 4 1 仿真技术在国外铁路中的应用 目前，世界匕许多技术先进的国家分别从不同角度开展了计算 机仿真在铁路上应用的研究，也认识到对列车运行仿真研究的重要 性，开发了各式各样的仿真系统 1 4 , 15 , 1 6 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 1 。纵观这些仿真系统， 它们在仿真模型、复杂程度、仿真机制、仿真开发环境及仿真运行 环境等方面都不尽相同。文献】中介绍了运用离散事件仿真的方法 研究了信号系统的稳态性能和对干扰的响应。文献m 1 中的仿真系统 是一个通用式的系统，对线路、车站联锁、运行图管理进行了考虑， 能评估不同信号系统的性能，功能十分完善；文献| 2 0 介绍了日本为 了便于开发更先进饷a t p a t o 系统以及有效地验证先进技术在实 际应用中的效果，还丌发了一种面向研制高速度、高密度运营条件 下a t p a t o 系统的实时仿真系统“n e wj u m p s ”，此系统主要包括 车站单元、运行计算单元、信号处理单元、供电系统单元等部分， 同以往仿真系统相比较，此种仿真系统具有一些显著的特征：1 、 丰富的机车描述，可对现有主要类型电力机车建模，并可允许在同 一线路上，同时对多种类型的机车进行仿真。2 、对于信号系统， 则可对地面信号、机车信号及列车速度控制系统的类型进行任意选 择。3 、所有有关运行的道路条件和速度限制条件可任意设置。4 、 可监测同一线路上运行的所有列车并将信号指令送给每一个列车。 5 、可对供电系统进行建模。由此可见，此仿真系统具有强大而丰 富的功能，它的实现不但可以促进a t p a t o 系统技术的发展，而 且可对列车各个有机组成部分的技术发展起到促进作用，从而为实 现高效、安全的列车速度控制系统提供有利的技术条件。另外，美 国、加拿大曾用1 0 年时间研究了列车运行行为的计算机模拟方法； 西欧、日本也先后开展了高速铁路客运的计算机仿真研究【2 】，并在 此基础上设计了先进的列车速度控制系统，以准确的行为模拟及精 确的控制确保了高速铁路列车的安全运行。国外发达圃家对仿真技 北方交通大学硕士学位论文 第一章综述 术在铁路中应用的研究开展的比较早，也研究的比较深入，有许多 成熟的经验都可为我们所借鉴。 1 4 2 仿真技术在国内铁路中的应用 近年来，我国电非常重视仿真技术在铁路中应用的研究，例如， 上海铁道大学为了模拟列车运行和操作过程，高效、科学地培训司 机，提高司机操作技能，自1 9 8 5 年首先在对列车动力学分析的基 础上研究了列车运行仿真，从而研制出了国内第一台列车模拟驾驶 器【2 i 】，其特点是它把每一辆车看作一个质点，用准动态的数学模型 实时计算每一辆车的车钩力，共用一个计算机接口对三种类型的 机车进行仿真时只需更换机车操纵台即可。西南交通大学在“七五” 期间承担了国家“七五重点科技攻关项目一重载列车动力学的研 究”，在此基础l 二重点研究了长大重载列车的运行仿真，并也研制 出了t d s j d 型司机操纵模拟装置m i 。其特点是以线路和实验室的 数据为依据分别建立了列车的纵向动力学和横向动力学的数学模 型可模拟列车运行过程中机车车辆之问的作用力及机车车辆与轨 道间作用力变化的动态过程，其讨算机及接口系统采用微型计算机 为主体的并行分布式多处理器系统，使用快速运算器完成数学模型 的计算任务，列车运行过程中的动态参数按牵引规程表示方法。我 校也在以上研究的基础上研制了能模拟出机车牵引车辆的整个动态 过程和机车内部的工作状态的新一代机车模拟驾驶系统| 2 4 , 2 5 , 2 6 i ，其 特点是增加了机车电路和风路的工况模拟及动态显示，运行仿真具 有模拟超速防护的功能和司机操作行为的实时控制。 同时，国内也丌发了一些列车运行仿真系统1 2 7 , 2 5 , 2 9 , 3 0 i ，主要分为 两类：一类是针对行车组织及列车运行调整的研究而开发的，它们 一般以列车在车站的到发来表征，不考虑列车在区间的具体追踪行 为，因此往往对列车运行的模型作大量的简化f 2 8 瑚】：令一类是针对 某个具体的信号系统开发的，如文献m 1 开发的列车速度联控仿真系 统，可用于仿真列车在区间的追踪运行，文献眇j 的仿真系统能仿真 f a s 条件下的列车在区间的追踪。我校也在“八五”期间专门开展 了对a t p 系统的运行仿真研究，在实验室内模拟出许多铁路现场环 1 0 - 北方交通大学硕十学位论文第一章综述 境，对列车的实际运行和制动特性进行仿真，建立了列车运行仿真 系统 8 , 3 1 3 2 3 3 , 3 43 5 , 3 6 i ，该系统的研究对a t p 系统的设计，控制模型的 研究和缩短研制周期发挥了重要的作用。然而，它只是a t p 系统研 究的前期工作，只建立了简单的模型，仅考虑了列车制动工况下的 运行仿真模型，而且对a t p 系统研制完成后的测试要求考虑的较 少。 1 4 3 几种列车运行仿真类型的比较 总结前人在将计算机仿真用于铁路信号系统及对列车运行仿真 的大量研究工作。归纳起来，所采用的仿真类型主要有以下五种方 法：1 ) 、准连续仿真，以时间步氏的形式来求解一组离散化的解析 方程：2 ) 、整数规划，即求取满足一组线形约束的目标函数的最小 值；3 ) 、基于知识的专家系统，模仿有关领域专家的问题求解策略： 4 ) 、离散事件仿真，通过一些在离散时刻发生的事件来触发系统状 态改变；5 ) 、面向对象的仿真，充分利用仿真模型的不同部分的层 次关系，来提高软件的可重用性和灵活性。其中，在国内外开发的 列车运行仿真系统中又以准连续仿真，离散事件仿真和面向对象的 仿真为主。 ( 一)准连续仿真 时问、距离和速度是表征列车运行的三个重要的运动参数，它 们之间的关系可以用时间一距离曲线，距离一速度曲线和时间一速 度曲线来表示。列车在线路上的运行过程是一个连续的过程，为了 建立列车运行的较为准确的模型，可以按照不同的工况，将列车运 行过程划分为几个阶段，即：恒加速阶段，缓加速阶段，恒速运行 阶段，惰行阶段和恒减速阶段。在实际应用中，一般只考虑三个阶 段，即恒加速，恒速和恒减速阶段。对以上各阶段，可以采用一组 解析运动方程来将列车的速度表示为时问和距离的函数，将距离表 示为时间的函数。在进行数字仿真的过程中，必须将这些方程进行 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 离散化，也就是蜕将变量的当前值用它们前一步长时刻的值加上一 个增量来表示。以恒加速过程为例，它在第n 步的方程为： 或 及 u ：+ 2 厶严 v 。= v + 一l a t s 。= s 。一l + o 5 ( v 。+ v 。一1 ) a ， 其中，叶及0 分别为距离，速度和时间在第步的值，而s 和，分别为距离和时间的增量。 由于准连续仿真是基于列车的运行方程，它充分考虑了列车的 各种工况及具体线路参数( 如坡道，弯道，线路限速等) 的影响， 因此，特别适用于需要对列车运行进行全面而详细地仿真的场合。 ( 二)离散事件仿真 铁路信号系统在本质上呈分布式特征它需要和大量在离散时 刻被触发的事件打交道。尽管列车运动参数，如位置，速度和加速 度是连续变化的，但是这些变化是由各种离散事件来触发的，如列 车出清某个闭塞分区、列车接近信号机或进路道岔等，因此，铁 路信号系统很适合于用离散事件仿真来建模1 。 离散事件仿真按照仿真时钟推进方式的可分为事件扫描法和定 步长法i ，两者各有优缺点。前者通过一个离散事件表来自动地对 整个系统的各种事件进行管理，对它们进行排序并指定相应的优先 级，这种特点能保证所有的事件按时问顺序被依次处理，而不必在 每个时问步长内对系统的状态进行轮询，因此，在没有什么重要事 件需要处理时，系统的占用时间将显著减少，这种方法在面向行车 组织和列车运行调整的仿真系统中被大量采用1 1 4 , 2 8 , 5 7 。而后者按等 步长方式推进仿真时钟，在每个时间( 步长) 问隔内对系统状态进 行扫描，时间可按需要任意设定，它不仅可以仿真列车在区间运行 1 2 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 的细节，而且可以和在线图形显示有机结合，因此，这种方法在一 些功能较强的综合性的仿真系统中被广泛采用 1 s , 3 0 。 i 三)面向对象的仿真 面向对象的仿真方法是当前离散系统仿真领域最新的研究方向 之一，具有广泛的发展前景和应用前景，尤其在对列车运行仿真的 研究中，是一个值得研究的方向。它在理论上突破了传统仿真方法 的观念，根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型， 模型的对象通常表示实际系统中的实体，从而弥补了模型和实际系 统之间的差距，而且它分析、设计和实现系统的观点与人们认识客 观世界的自然思维方式极为一致，因而增强了仿真研究中直观性和 易理解性。面向对象的仿真具有内在的可扩充性和可重用性，为仿 真大规模的复杂系统提供了极为方便的手段【4 6 6 0 州】。 1 。5 本论文的研究目的和t 点 以上所介绍的仿真技术在国内外铁路中应用的研究，大都是对 复杂的现场环境和列车运行过程建立简化的列车运行仿真模型，只 考虑了现场环境的一般情况和列车运行的正常情况，而对复杂和特 殊的现场环境及不正常的列车运行情况考虑的较少，另外，在a t p 系统研制的前期需要对a t p 系统进行数学仿真，在研制后期并不能 说列车运行仿真研究就可以不用了，恰恰相反，在这个阶段仍需要 对a t p 系统进行数学一物理仿真也即进行仿真测试，通过在实验 室开展模拟试验，来验证其可用性，对其功能进行测试和评价。正 是在这样的的研究背景下，对a t p 系统的仿真测试系统的研究就显 得十分必要和迫切了。这就需要我们在实验室内建立能对现有我国 铁路( 包括地铁及城市轻轨) a t p 设备进行全面功能测试的仿真测 试系统。从而进一步实现研制新型列车速度控制设备的开发平台， 包括硬件设计工具、软件开发平台、计算机仿真、系统全面测试手 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 段等。为我国的新一代列车速度控制系统的研究及其在当前铁路现 场和将来的高速铁路中的应用打下坚实的基础。 当然，影响列车运行的因素很多，也很复杂，要想一一考虑并 用理论推导的方法来计算它们是很困难的；同时，列车的运行过程 也是一个复杂的过程，a t p 系统的输入信息不仅多，而且相当复杂， 因此，在这一方面要做细致的工作，另一方面要抓住问题的关键。 本课题研究的重点正是在前人研究基础上，针对许多列车运行仿真 研究存在的问题，计划通过对列车运动中的受力情况和列车运行全 过程( 包括牵引工况、惰行工况和制动工况) 的研究以及对连续式 信息，点式信息，机车信号输出的模拟，轨道电路信息传输的模拟 的研究，建立完整的、复杂的列车运行仿真模型和地车信息发送模 型，并采用当今流行的面向对象的仿真方法，从而研制出具有普遍 意义的a t p 系统的仿真测试系统，来模拟列车实际运行中的各种现 场环境信息和列车运行状态信息，实现对a t p 系统运行处理情况的 测试和对各种现场情况的反应能力和适应能力的评价。 a t p 系统的仿真测试系统的构成如图l 一6 所示。 图1 - 6 仿真测试系统的构成 1 4 北方交通人学硕士学位论文第一章综述 它主要由以下几部分组成：仿真主机，机车模拟驾驶台，速度 模拟，信息发送部分，被测对象一a t p 系统，及其一些接口电路。 仿真主机是本系统的主体部分，首先是建立列车在牵引、惰行、 制动工况的运行仿真模型，进行机车描述，建立符合铁路现场的列 车运行环境，控制仿真进程，研究各种参数变化时a t p 系统的工作 情况；然后实时地模拟列车运行过程，动态地将仿真过程显示出来， 如列车运行过程，信号灯类型，列车运行的位置，速度，距离前方 信号灯的距离及运行特性曲线等；最后，对测试结果进行分析。 机车模拟驾驶台类似于一个专用的司机驾驶台，通过它可启动 列车运行、加速、减速或停车，为仿真提供超速状态。在设计时， 这一部分工作也可以脱开，通过仿真主机的键盘来实现。 信息发送部分的工作是接收仿真主机传来的有关连续式和点式 信息，并进行分别调制，叠加合成后通过功放送到一小段钢轨上， 为a t p 系统模拟真实的信息发送。而速度模拟则是实时地向a t p 系统发送速度脉冲信息。 a t p 系统是该仿真测试系统的被测对象。按照仿真测试的要求 和将来研究新型列车速度控制系统的需要，该仿真测试系统不仅能 针对当前的a t p 系统进行测试，还可对其它列车速度控制系统进行 测试和研究。 从功能上讲，为了实现对a t p 系统的仿真测试，需要对列车的 运行过程和a t p 系统的输入信息分别建立列车运行仿真模型和地车 信息发送模型，构造出各种铁路现场的基本条件，实时地向a t p 系 统输入相关信息( 如图1 3 ) ，并不断扫描和记录a t p 系统发出的 控制信息( 如图1 3 ) ，控制仿真测试的进程，最后对仿真测试结果 进行分析，判断a t p 系统是否工作正常，进而完成测试功能。 在本仿真测试系统所研究的a t p 系统中，由于机车信号可作为 主体化来考虑，它的功能相对独立，因此也就提出了仿真测试与被 测对象一a t p 系统在何处分界的问题。如图1 7 所示： 1 5 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 目 a t p 卜i 系统 i - j l2 图1 7 仿真测试系统与a t p 系统分界点的两种划分 一种方法是按图1 7 中l 号线所示作为仿真测试系统和a t p 系 统的分界点，那么在仿真测试系统中就需要分析地面发送设备向轨 道电路所发送的连续式信息，需要在信息发送部分中对连续式信息 进行精确的模拟： 另一种方法是按图1 7 中2 号线所示作为仿真测试系统和a t p 系统的分界点，那么在仿真测试中就不需要对连续式信息进行模 拟，只需要考虑连续式机车信号的输出信息。这种方法在设计中要 简单的多，但不能真正地实现对铁路现场环境的模拟。 本论文共分为四章：第一章、通过对现有的a t p 系统，计算机 仿真技术的发展和应用的分析，以及仿真技术在国内外铁路中应用 的介绍提出了本文研究的内容和意义；第二章、在对列车运行中所 受到的牵引力，阻力和制动力的分析和对列车牵引工况、惰行工况、 制动工况的分析的基础上，建立了各种工况下的歹0 车运行仿真模 型。它是描述列车( 包括机车和车辆) 的仿真模型，最后还分析了 测速脉冲的模拟；第三章、通过对提供给a t p 系统的连续式信息和 点式信息的分析，以及对连续式机车信号输出的模拟和信息传输通 道一轨道电路信息传输的模拟建立了地车信息发送的模型。它是描 述a t p 系统所需要的外界信息的仿真模型；第四章、通过对面向对 象程序设计方法的基本概念和特性的分析，讨论了面向对象的仿真 - 1 6 北方交通大学硕士学位论文第一章综述 方法及其在a t p 系统的仿真测试系统中的仿真建模过程、各功能模 块的分类和对象设计，且设计了仿真测试系统的仿真主机软件，最 后针对l c f 型a t p 系统的仿真实例进行了仿真结果的分析。 1 8 小结 本章在分析现有a t p 系统的功能原理和输入、输出信息，以及 讨论仿真技术在国内外铁路中应用的基础上，提出了本文研究的意 义：a t p 系统的仿真测试系统对缩短开发周期，节省试验费用，弥 补现场试验时参数的不完整性，为我国a t p 系统的研究及其在各种 铁路现场环境和将来的高速铁路、地铁中的应用，以及进一步研究 符合我国国情的先进列车速度控制系统都具有十分重要的现实意 义：同时也提出了本文研究的内容和重点：通过对列车运行全过程 ( 包括牵引工况、惰行工况和制动工况) 的分析和对连续式信息， 点式信息，轨道电路传输特性的分析，建立完整的、复杂的列车运 行仿真模型和地车信息发送模型，重点考虑复杂的和特殊的现场环 境及不正常的列车运行过程，并采用当今流行的面向对象的仿真方 法，从而研制出具有普遍意义的a t p 系统的仿真测试系统，来模拟 列车实际运行中的各种现场环境信息和列车运行状态信息，实现对 a t p 系统运行处理情况的测试和对各种现场情况的反应能力和适应 能力的评价。 i 7 北方交通大学硕士学位论义第二章列车运行仿真模型 2 。1 引言 第二章列车运行仿真模型 建立仿真对象的数学模型反映了理论系统和模型问的关系，它 的主要任务是通过对实际系统的理论分析及试验测试，在忽略次要 因素及不可检测变量的基础上，把所研究的重点用物理或数学的方 法进行描述，实际上模型就是对实际系统的抽象及其简化【9 l 。按照 计算机仿真的三要素和三个基本活动，在计算机仿真的过程中，建 立模型是仿真过程的基础和最重要的内容，模型的好坏将直接决定 仿真的结果。 本章将主要讨论a t p 系统的仿真测试系统中列车运行仿真模 型的建立，通过对列车在运行过程中受力情况的分析和对列车牵引 工况、惰行工况和制动工况的分析尝试分别建立复杂的、符合实际 的牵引工况和惰行工况，以及制动工况下列车运行仿真模型，然后 研究了a t p 系统中的重要信息，建立列车运行仿真测试系统的重 要参数一测速脉冲的模拟。 2 2 列车运动力学模型 2 2 1 作用于列车上的外力 机车在运行过程中的受外力的情况，可用三种类型的力来表 示，即机车牵引力f 、列车运行阻力w ( 包括列车基本阻力和由弯 道，隧道及坡道等引起的附加阻力) 和列车的制动力3 7 , 3 8 1 。 1 b 北方交通大学硕一l 学位论文第二章列车运行仿真模型 1 ) 机车牵引力卜由机车动力装景引起的，通过机车动轮与 钢轨的相互作用而产生的力，它是司机可以控制的、使列车运行的 力。 2 ) 列车运行阻力f 卜一列车运行时由各种原因引起的，阻止 列车运行的力。其大小不能由司机控制。 3 ) 列车制动力b 一一为使列车减速或停止，司机操纵制动装 鬣，通过轮轨问的相互作用而产生的力。 三种外力作用于列车形成合力，在不同时刻，根据线路情况及 列车运行的要求，其中一个力起主导作用，其结果，列车将有三种 工作状态，即牵引，惰行和制动。下面就详细分析一下这三种力。 2 2 2 机率牵引力f 机车产生牵引力必须具备两个主要条件：第一，机车动力装霞 传给动轮对以旋转力矩：第二，机车动轮与钢轨的粘着作用，图2 1 为一对机车动轮的受力情况。 图2 - 1 牵引时动轮对受力图 其中，m 为牵引电动机的转矩通过牵引齿轮到动轮的力矩；q j 为一动轮承受的载荷；9 庐为轴颈与轴承间的摩擦力，其中毋为 摩擦系数；r 为轴承作用于轴颈的反力；i 为钢轨给轮对的支反力； - 1 9 北方交通大学硕士学位论文 第二章列车运行仿真模型 ，为钢轨作用于动轮的摩擦反力；r 。为动轮半径；- 为动轴半径；t r t 为滚动摩擦系数：以，表示轮对转动惯量；c 。表示轮对转动角速度。 则轮对力矩方程为： t 一f r ，一| v ，m ，一q - 庐= i ，( 2 - 2 1 ) 可得出： ，=等一半一警一等(2-2-2r r ，州 r，月， 7 由此可见，机车动轮对“ 动力装置得到旋转力矩m ，轮轨间在 其接触处就有相对滑动趋势，从而引起钢轨作用于动轮周的摩擦反 力z 。工中包括四项：力矩m 引起的部分，滚动摩擦引起的部分， 轴承与轴颈问摩擦引起的部分和动轮转动角加速度引起的部分。 由机车动力装置产生的力矩m 所引起的那部分钢轨作用于动 轮周的摩擦反力m 么就叫做机车轮周牵引力。整个机车的轮周牵 。、 引力以f 表示，则： 只= 誓( 2 - 2 3 ) 儿j 它的大小可以由司机调节心来控制也即通过调节柴油机的 功率来实现。 机车车钩牵引力是指机车用来牵引列车的那部分牵引力，若用 r 表示车钩牵引力，它与轮周牵引力的关系为： = 一( 2 2 - 4 ) 式中形，_ 一机车总阻力 在牵引讨算中可以取用这两种牵引力中的一种。我国取用轮周 牵引力，所以列车牵引计算规程解释中规定：“牵引计算中的 机车牵引力n 均拨动轮轮周牵引力计算”。 虽然牵引力的大小可由司机改变m 来调节但它是有限制的。 因为产生牵引