城市軌道交通仿真施工設(shè)計

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1概述

隨著城市軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，無論是廠家，還是設(shè)計院，都需要提前對相應(yīng)的信號系統(tǒng)進行測試，僅僅通過現(xiàn)場試驗對系統(tǒng)的功能和性能進行試驗是不夠的。并且由于現(xiàn)在城市軌道交通設(shè)計時遇到了一些具體問題，例如:行車專業(yè)與信號專業(yè)的分工。行車在牽引計算時，一般沒有考慮信號參數(shù)，而實際的線路控車又是由信號來做，這樣行車計算出來的牽引計算結(jié)果，有時候?qū)剀嚨膶嶋H需要不能夠滿足。另外，如線路的曲線半徑值、曲線超高等，有時候也不滿足控車的需要，有時候造成最終軌道交通線完工時出現(xiàn)一系列的問題，如“平均旅行速度不夠”、“站間行車間隔不夠”、“撞線”、“牽引制動切換過多”等，影響旅客的乘坐舒適度，影響列車運行速度。這些設(shè)計方面各個部門間配合上的問題，最終導致系統(tǒng)不能達到最優(yōu)的組合。于是，現(xiàn)在設(shè)計單位需要開發(fā)一套城市軌道交通相關(guān)的仿真軟件，它不同于生產(chǎn)廠家所用的仿真軟件，需要對我們的施工設(shè)計有指導作用。首先它能夠進行牽引計算仿真，然后能對相關(guān)的線路、行車、信號等專業(yè)進行綜合考慮，對設(shè)計提出一個綜合的指導意見。以西南交通大學交通信息工程及控制實驗室開發(fā)的“CBTC仿真系統(tǒng)”為例，在這個系統(tǒng)中，建立了一個城市軌道交通工程項目的計算機輔助設(shè)計平臺，用實際的線路數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)內(nèi)嵌的列車動力學模型和列車控制模型等數(shù)學模型，為城市軌道交通項目的全過程設(shè)計提供定量分析的理論依據(jù)，對線路上列車運營情況進行精確的仿真計算，通過仿真的結(jié)果提出土建和機電系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，對整個線路的追蹤折返的能力做一個分析，以供設(shè)計院或廠家參考。通過利用該仿真系統(tǒng)進行列車牽引計算、列車運行及追蹤仿真、列車折返能力檢算，從而對行車組織、線路設(shè)計、車站配線、車輛參數(shù)的選擇及配置數(shù)量、信號系統(tǒng)相關(guān)控制參數(shù)的選擇及軌旁設(shè)備的配置等設(shè)計方案進行驗證，并可提供仿真結(jié)果以用于優(yōu)化設(shè)計，保證相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計滿足運營要求。

2計算機仿真對線路的性能分析

在城市軌道交通中，由于發(fā)車間隔非常密，為使列車行駛得又快又好，在設(shè)計中我們更關(guān)注整個系統(tǒng)的性能問題。由于有了線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，信號數(shù)據(jù)，車輛參數(shù)等，再加上牽引計算的結(jié)果數(shù)據(jù)，我們就可以用來分析整條線路的性能到底如何，用專業(yè)的圖表對這些能力直觀顯示出來，用以驗證軌道交通線路的運行能力，主要負責信號系統(tǒng)的能力分析和行車間隔計算，這些可作為后面指導施工設(shè)計的依據(jù)和基礎(chǔ)。計算機仿真通過牽引計算的結(jié)果中性能分析圖大致有:時間-距離圖、速度-距離圖、線路行車間隔、折返站折返間隔、坡度-距離圖、站間運營時分分析和顯示、平均服務(wù)旅行速度分析和顯示、平均技術(shù)旅行速度分析和顯示、列車全周轉(zhuǎn)時間分析和顯示、運用車配車數(shù)分析和顯示、安全防護距離-距離圖分析和顯示、安全制動距離－距離圖分析和顯示、安全距離-距離圖分析和顯示。其中線路行車間隔分析包含了車站、區(qū)間和出入段線的行車間隔，折返站折返間隔將針對幾種基本折返站型進行分析。

3計算機仿真對軌道線路設(shè)計的指導

根據(jù)牽引計算結(jié)果及性能分析結(jié)果，我們可以看出站前設(shè)計中的一些問題，比如不能滿足信號整體系統(tǒng)要求，讓信號控車達不到要求或者影響旅客舒適度等。下面從兩個方面舉例來探討計算機仿真結(jié)果對線路設(shè)計的指導作用。根據(jù)初步設(shè)計的線路數(shù)據(jù)，比如限速，另外有了坡度，曲線，以及信號專業(yè)的設(shè)備位置布置、各種信號參數(shù)的值，這時候就可以對線路的運行進行一個比較真實的仿真。通過仿真軟件得到的旅行速度或者兩個站之間的行車間隔。通過以上的數(shù)據(jù)就可以知道，這樣的線路設(shè)計是否滿足追蹤折返的能力需求。比如通過旅行速度，站間行車間隔，可以從速度距離圖，結(jié)合線路圖上看出，是哪一段出現(xiàn)了速度“卡脖子”的情況，然后可以針對卡脖子的具體情況進行分析，考慮在這段可以進行修改的線路設(shè)計，比如可以在超高上進行修改，甚至可以修改曲線半徑。當然有時候也可以調(diào)整停站時間。經(jīng)過這樣的修改，基本可以讓行車間隔、旅行速度滿足系統(tǒng)需求。另外一種情況，是根據(jù)ATO實際控車曲線，如果ATO實際控車曲線出現(xiàn)“臺階”次數(shù)過多，就說明線路在運行的時候牽引制動次數(shù)過多，這樣會極大地影響旅客的乘坐舒適度。當我們發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果出現(xiàn)臺階過多的情況的時候，一般也可以對線路的相關(guān)參數(shù)進行修正，然后再仿真看ATO的控車曲線是否變得更好。

4計算機仿真對車站配線的指導

一個好的仿真軟件，能夠?qū)囌九渚€進行指導，通常體現(xiàn)在對安全線長度的設(shè)計指導，以及折返線車過道岔時安全距離的指導。工程設(shè)計過程中，經(jīng)常遇到在折返站、終端站等位置需預留多長的安全距離的問題。安全距離預留過短會影響到行車效率，過長又會增加不必要的工程投資。在仿真軟件計算出的牽引計算速度距離圖中，我們可以直觀的看到ATO控車曲線和包絡(luò)線之間橫坐標的差值，即安全距離的長度，見圖2，可以用來指導施工設(shè)計中安全距離的設(shè)置。圖2中的d1、d2、d3分別表示制動的階段一、階段二、階段三。

5計算機仿真對行車組織的指導

對行車組織的指導，以西南交大開發(fā)的仿真系統(tǒng)為例，主要是對配車數(shù)的一個指導。運用車的配車數(shù)與列車全周轉(zhuǎn)時間、最小運行間隔有關(guān)，按下式計算:運用車配車數(shù)N=列車全周轉(zhuǎn)時間T(min)/最小運行間隔(min)其中，列車全周轉(zhuǎn)時間由牽引計算結(jié)果得出，當仿真結(jié)果得到以后，可以對運用配車數(shù)進行一個更合理的指導。

6目前城市軌道交通仿真軟件的缺陷

目前的城市軌道交通的仿真軟件有很多，各個廠家的軟件大致思路一致，但是牽引計算仿真之后得出的結(jié)果可能各有側(cè)重。比如西南交通大學的CBTC仿真是側(cè)重能力計算，以及對線路，車站配線的指導;而opentrack是側(cè)重對行車組織的指導。但是筆者發(fā)現(xiàn)，各個單位的仿真軟件都有一些共同的缺陷。

6．1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性問題

比如現(xiàn)在很多仿真軟件沒有對長短鏈進行處理，沒有對地鐵的通風口的設(shè)計進行考慮，當然對于隧道的風阻等不容易考慮的數(shù)據(jù)也一般沒有考慮。另外，很多數(shù)據(jù)，不一定在軟件的界面進行設(shè)置之后的牽引計算時候真實用到。

6．2仿真的真實性問題

由于在仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃的時候，有些可能性就沒有考慮，而且在軟件開發(fā)中，也確實很難將線路實際運行的所有情況都考慮進去。所以，所有的仿真都不是完全真實的，但需要設(shè)計人員具體問題具體分析，不能完全依靠仿真軟件。

6．3有關(guān)節(jié)能的仿真問題

由于現(xiàn)在全世界都提倡節(jié)能減排，不少設(shè)計單位開始關(guān)注這個問題，都在仿真中對這個有相應(yīng)的需求，但是實際仿真軟件還很少有對這方面的研究。