[摘" 要]軌道交通不僅能減少污染，同時(shí)還能降低能耗，提升陸運(yùn)的運(yùn)輸能力。如何開發(fā)更智能、更高效的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，是當(dāng)下軌道交通中的熱點(diǎn)。針對列車控制系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)信息傳輸干擾問題，研究在列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）的基礎(chǔ)上構(gòu)建了列車運(yùn)行控制系統(tǒng)模型。結(jié)果表明，在控制系統(tǒng)的鏈路構(gòu)建中模型方法比現(xiàn)行方法的鏈路始終多1條，這樣信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性更高。同時(shí)利用實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和仿真運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行對比，以驗(yàn)證模型方法的運(yùn)載效率。通過對比上行、下行的實(shí)際、仿真用時(shí)，發(fā)現(xiàn)仿真在沒有超速的情況下，提高了運(yùn)行的平均速度，其中上行、下行分別提高了3.93km/h和2.32km/h。這說明模型方法能夠在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，確保高效的運(yùn)載能力，能夠?yàn)檐壍澜煌熊嚨倪\(yùn)行控制提供一個(gè)新的思路。

[關(guān)鍵字]通信系統(tǒng)" 軌道交通" 列車運(yùn)行" 控制" 仿真系統(tǒng)

課題：陜西省教育廳2021年專項(xiàng)課題“城軌列車車站信號(hào)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試優(yōu)化研究”，課題編號(hào)：21JK0528。

引" 言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市交通問題成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。為了解決這個(gè)問題，越來越多的國家和地區(qū)開始重視交通安全和效率。其中列車運(yùn)行策略控制是一種重要的交通控制技術(shù)，可以幫助列車安全、高效地運(yùn)行。如何高效地利用軌道列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，來解決列車運(yùn)行控制面臨的調(diào)度、運(yùn)載效率和安全等問題是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。謝樹慶基于城市軌道交通安全出行的考慮，通過對軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的區(qū)段保護(hù)長度進(jìn)行分析，提出了對軌道車輛和運(yùn)行路線等參數(shù)進(jìn)行縮短區(qū)段長度，以此來優(yōu)化保護(hù)區(qū)段，從而提高軌道列車的通行效率，通過優(yōu)化明顯地提升了軌道列車的安全性和通行效率。許燁對地鐵通信系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)行了研究，通過對多種通信防干擾系統(tǒng)工作方式的梳理和總結(jié)，提出了地鐵信號(hào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的防干擾方案，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化生產(chǎn)效能模型，通過地鐵運(yùn)營的實(shí)際應(yīng)用，很好地解決了地鐵信號(hào)系統(tǒng)被干擾的情況。趙鵬等人在對列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZC和CI設(shè)備融合判斷列車占用位置的新算法。該算法不但能夠提高列車占用位置的精確度，還提高了對軸設(shè)備故障判斷的準(zhǔn)確度。本文對專家、學(xué)者們的研究結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和分析，再結(jié)合通信對軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的影響，提出了基于通信系統(tǒng)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)模型。

基于通信系統(tǒng)的列車運(yùn)行控制模型構(gòu)建

1.基于CBTC系統(tǒng)的列車速度控制優(yōu)化

列車速度控制是列車運(yùn)行控制的一個(gè)重要方面，它直接影響著列車的安全、節(jié)能和高效運(yùn)行。傳統(tǒng)的列車速度控制方法通常是通過人工操作或者車載設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，但是這些方法存在著許多局限性，因此基于CBTC系統(tǒng)的列車速度控制優(yōu)化變得越來越重要。首先CBTC系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)列車與車載設(shè)備之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)控制。同時(shí)還可以讓列車自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，例如調(diào)整速度，避免出現(xiàn)超速風(fēng)險(xiǎn)。其次基于CBTC系統(tǒng)的列車速度控制優(yōu)化可以通過對列車運(yùn)行計(jì)劃的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。CBTC可以根據(jù)前方道路、天氣情況、交通流量等因素，制定出最優(yōu)的行車路線和行車間隔，從而減少列車在行駛中的時(shí)間和能耗。例如可以利用對列車運(yùn)行過程中的自動(dòng)制動(dòng)、自動(dòng)減速等功能，避免出現(xiàn)超速風(fēng)險(xiǎn)。最后CBTC擁有的實(shí)時(shí)通信功能，可以利用安全算法和列車實(shí)時(shí)位置信息來提升鐵路的運(yùn)營效率。

如何更好地運(yùn)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，獲得精確的結(jié)果是進(jìn)行優(yōu)化的主要目的。因此在對軌道列車控制系統(tǒng)仿真時(shí)，需要對軌道列車的加速度和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集的過程中需要對有限輸入的數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)高精度的傳輸。一般情況下，在直線軌道上，列車的加速度和制動(dòng)性能都是由牽引質(zhì)量和牽引力共同作用而產(chǎn)生的。在發(fā)出牽引和制動(dòng)命令的同時(shí)，車載信號(hào)系統(tǒng)能夠探測到列車的實(shí)際加速度和減速度，并對制動(dòng)輸出作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使列車能夠按規(guī)定的制動(dòng)率進(jìn)行減速。根據(jù)信號(hào)安全設(shè)計(jì)原理，要將信號(hào)誤差、動(dòng)作延遲時(shí)間和線路坡度等因素考慮在內(nèi)。因此軌道交通中的線路坡度，就像是交通系統(tǒng)的限制條件一樣，也是列車加速和減速的限制條件。此外，在列車運(yùn)行控制模擬中，通常采用節(jié)時(shí)策略來達(dá)到運(yùn)行速度、跟蹤時(shí)間等系統(tǒng)指標(biāo)的限值。根據(jù)能量守恒原理，在一定的控制方案下，對車速進(jìn)行計(jì)算，并對車速進(jìn)行分析。軌道列車從A站運(yùn)行到B站的能量是守恒的，可用公式（1）表示能量變化。

E_As+E_Ad+W_l+W_z=E_Bs+E_Bd" " " （1）

公式（1）中，E_As表示列車的位能，E_Ad表示列車的機(jī)械能，W_l表示直線軌道上的牽引或制動(dòng)和基礎(chǔ)阻力共同作用，W_z表示彎道和隧道阻力的作用。軌道運(yùn)行的機(jī)械能又可分為列車整體平移動(dòng)能和以車輪旋轉(zhuǎn)形式存在的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，可用公式（2）表示。

E_d=E_p+E_x" （2）

公式（2）中，E_p表示軌道列車平移動(dòng)能，E_x表示軌道列車旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。E_x的數(shù)值可用公式（3）計(jì)算。

公式（3）中，m_i表示軌道列車車輪上單位質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r_i表示單位質(zhì)點(diǎn)到軸心的間隔，ω表示瞬時(shí)角速度，V表示軌道列車車輪每分鐘的轉(zhuǎn)速，R表示軌道列車的車輪。另外，重力還會(huì)影響到軌道列車的運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使列車整體平移和使車輪旋轉(zhuǎn)?？捎霉剑?）表示。

公式（4）中，W_p表示軌道列車平均動(dòng)能，W_x表示軌道列車平均轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，a_i表示車輪上單位質(zhì)點(diǎn)的加速度，Δs_i表示單位質(zhì)點(diǎn)的位置變化量，a表示軌道列車車輪周加速度，Δs表示軌道列車車輪的輪周位置變化量。

2.基于CBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行策略控制模型構(gòu)建

近年來，基于CBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行策略控制模型得到了廣泛應(yīng)用。該模型可以幫助列車安全、高效地運(yùn)行，減少列車在運(yùn)行中的能耗和時(shí)間成本。研究將從CBTC系統(tǒng)的基本原理和列車運(yùn)行策略控制模型的構(gòu)建兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。首先，CBTC系統(tǒng)的基本原理是通過無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車與列車、列車與車站之間的通信。該系統(tǒng)由一系列相互獨(dú)立的設(shè)備組成，包括應(yīng)答器、移動(dòng)閉塞信號(hào)、車載設(shè)備等。通過這些設(shè)備之間的通信，列車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，如速度控制、安全保護(hù)等功能。其次，列車運(yùn)行策略控制模型是基于CBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行策略控制模型的重要組成部分。利用CBTC構(gòu)建模型時(shí)主要需要考慮以下幾個(gè)方面的參數(shù)。（1）目標(biāo)函數(shù)。列車運(yùn)行策略控制模型需要建立一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以最小化能耗和時(shí)間成本為目標(biāo)。該目標(biāo)函數(shù)可以是多個(gè)不同類型的指標(biāo)，如速度、距離、能耗等。（2）約束條件。為了實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行策略控制模型的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，需要考慮一些約束條件。這些約束條件包括了不同類型的移動(dòng)閉塞信號(hào)、車輛定位誤差等。（3）優(yōu)化算法。為了實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行策略控制模型的優(yōu)化，需要使用一些優(yōu)化算法進(jìn)行求解。這些算法包括了隨機(jī)梯度算法、蟻群算法等。（4）求解過程。通過求解上述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以得到不同類型的列車運(yùn)行策略控制模型，如最優(yōu)速度控制、最優(yōu)能耗控制等。這些求解過程需要使用一些數(shù)學(xué)工具進(jìn)行求解。

綜上所述，結(jié)合列車速度的優(yōu)化，進(jìn)一步對列車的運(yùn)行策略進(jìn)行控制，并構(gòu)建模型。在構(gòu)建模型時(shí)要考慮列車加減速性能和速度控制策略，以它們?yōu)橹饕蛩兀缓笤龠M(jìn)行系統(tǒng)功能和仿真流程設(shè)計(jì)。在構(gòu)建模型時(shí)需要考慮到數(shù)據(jù)信息在遭遇復(fù)雜的電磁環(huán)境時(shí)，數(shù)據(jù)信息傳輸效率會(huì)受到影響。因此需要先建立起“車載－地面”通信鏈路，而建立“車載－地面”通信鏈路會(huì)消耗一定的時(shí)間，又會(huì)導(dǎo)致通信鏈路的建立時(shí)間被延長，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)失去時(shí)效性。但通過大量的研究發(fā)現(xiàn)這種情況只發(fā)生在鏈路剛開始建立的時(shí)候，因此研究將這部分不計(jì)入模型分析中。同時(shí)在任何一個(gè)區(qū)間中限速上沿均為勻速限速和減速限速的較小值，以保證列車在運(yùn)行時(shí)不超速和準(zhǔn)確停車。考慮到列車控制策略比較單一，速度容易產(chǎn)生波動(dòng)，因此通過添加限速下限控制速度變化，這時(shí)就需要計(jì)算A、B兩點(diǎn)的速度，可用公式（5）計(jì)算A點(diǎn)的速度。

公式（5）中，M_p表示軌道列車的靜止質(zhì)量，M_i列車相對于靜止質(zhì)量的動(dòng)態(tài)質(zhì)量，g表示自由落體加速度，ν_A表示列車在A點(diǎn)前的速度，ν_B表示列車在A點(diǎn)前Δs處B點(diǎn)的速度，h_A表示A點(diǎn)的高程，h_B表示B的高程，a表示列車的牽引和基本阻力產(chǎn)生的加速度，a′表示隧道阻力產(chǎn)生的加速度。由公式（5）能夠計(jì)算出B點(diǎn)的速度，見公式（6）。

公式（6）中，ν_A表示列車在A點(diǎn)的速度，a表示列車的牽引和基本阻力產(chǎn)生的加速度，a′表示隧道阻力產(chǎn)生的加速度，d_AB表示A、B兩點(diǎn)間的坡度，t表示列車在A、B兩點(diǎn)之間運(yùn)行消耗的時(shí)間。結(jié)合A、B兩點(diǎn)的速度，得出列車的運(yùn)行限速公式，見公式（7）。

公式（7）中，ν_tag表示安全速度，ν_lit表示限制速度，t_cut表示牽引切除延時(shí)，a_err表示牽引切除延時(shí)期間列車的故障加速度，t_coa表示制動(dòng)施加延時(shí)，ν_err表示測速誤差，ν_mar控制余量。根據(jù)研究分析可知基于CBTC系統(tǒng)的列車運(yùn)行策略控制模型的原理是列車速度將保持在限速上限與下限之間，避免出現(xiàn)超速和速度較低的情況。在傳統(tǒng)的軌道交通牽引計(jì)算方法中，一般是將列車、路徑等作為研究對象，通過建立一系列的動(dòng)力學(xué)模型來模擬列車的運(yùn)行情況。然而，目前此類仿真方法多針對車輛特性、動(dòng)力學(xué)特性、線路狀態(tài)等物理特征及約束條件的分析與計(jì)算，而針對城市軌道交通控制的相關(guān)研究相對較少。以列車運(yùn)行時(shí)的能量守恒原則為基礎(chǔ)，將列車的加減速特性和速度控制作為主要的影響因素，結(jié)合列車的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)約束，構(gòu)建了以列車運(yùn)行時(shí)為基礎(chǔ)的列車控制模擬模型，如圖1所示。

基于通信系統(tǒng)的列車運(yùn)行控制仿真系統(tǒng)模型的性能分析

研究通過仿真實(shí)驗(yàn)對模型的性能進(jìn)行分析，以驗(yàn)證其有效性。仿真實(shí)驗(yàn)中列車的限速參數(shù)要求為：列車最高限速80km/h、月臺(tái)區(qū)域限速60km/h、道岔側(cè)向限速30km/h，列車長度為100m；列車的車輛參數(shù)中靜態(tài)和動(dòng)態(tài)質(zhì)量比為0.95，制動(dòng)施加延時(shí)時(shí)間為0.3s，制動(dòng)施加延時(shí)施加1.2s，緊急制動(dòng)效率為-1m/s2；列車的信號(hào)參數(shù)有制動(dòng)輸出延時(shí)時(shí)間0.4s，常用制動(dòng)的減速速率為-0.5m/s2，列車測速的誤差范圍不超過2%，列車車速控制余量為2km/h。利用現(xiàn)行方法與模型方法進(jìn)行對比，來判斷模型方法對鏈路數(shù)量的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，現(xiàn)行方法在列車間距為200m的時(shí)候，能夠建立起4組鏈路，且隨著距離的增大，鏈路明顯呈下降趨勢，且在間距為1000m時(shí)，鏈路降至2組。而模型方法在列車間距為200m時(shí)，建立了5組鏈路，同樣也會(huì)隨著距離的增加鏈路而減少，在間距為1000m時(shí)，鏈路降至3組。造成這種情況的原因是現(xiàn)行方法在進(jìn)行算法匹配時(shí)受到了電磁干擾，而模型方法能夠合理地分配資源和功率控制，從而有助于鏈路的穩(wěn)定，在更長的距離中建立更多的鏈路。在其他參數(shù)不變的前提下，按照運(yùn)行距離20km，距離步長1m，時(shí)間步長100ms，列車啟動(dòng)和制動(dòng)過程使用最大牽引力和制動(dòng)力，且在區(qū)間運(yùn)行的過程中保持較高運(yùn)行速度，設(shè)置利用模型方法仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖3為CBTC系統(tǒng)下列車整個(gè)運(yùn)行的對比結(jié)果圖。

圖3（a）表示列車運(yùn)行上行的對比結(jié)果。由圖可知，不同車站之間的距離存在差異，在兩個(gè)距離較近的車站之間，列車的提速和降速需要更迅速、對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行要求更高；而距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)車站之間，列車的提速具有一定的幅度，即會(huì)按照對應(yīng)的限速要求進(jìn)行提速，以保證整個(gè)列車網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的準(zhǔn)時(shí)性和安全性。實(shí)際運(yùn)行過程中上行最快速度為78km/h，平均運(yùn)行速度在61.26km/h；模型方法中上行最快速度也為78km/h，平均運(yùn)行速度在65.19km/h。這說明模型方法能夠在保證合理限速的條件下，將運(yùn)行速度合理提高，與實(shí)際運(yùn)行速度相比，模型方法的平均速度增加了3.93km/h，這在確保安全的前提下能夠縮短運(yùn)行時(shí)間，大大提高列車的運(yùn)載效率。

圖3（b）表示列車運(yùn)行下行對比結(jié)果。由圖可知，實(shí)際運(yùn)行過程中下行最快速度為76km/h，平均運(yùn)行速度在59.63km/h；模型方法中上行最快速度為77km/h，平均運(yùn)行速度在61.95km/h。這說明模型方法在列車下行的過程中，同樣能夠?qū)⑦\(yùn)行速度提高，與實(shí)際運(yùn)行速度相比，模型方法的平均速度增加了2.32km/h，同樣也能夠提高列車的運(yùn)載效率。通過圖3（a）、（b）的對比分析可知，模型方法符合列車的上行和下行過程中負(fù)荷勻速和坡度運(yùn)行等邏輯，列車在運(yùn)行過程中能夠提前制動(dòng)，且很好地避免了超速等不安全行為，制動(dòng)過程也滿足連續(xù)性的要求，模型方法具有很不錯(cuò)的運(yùn)行效果。將整個(gè)20km的運(yùn)行位置分為典型的4個(gè)區(qū)域，對實(shí)際運(yùn)行時(shí)間、仿真運(yùn)行時(shí)間和差異進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4。

由圖4（a）可知，在劃分的4個(gè)區(qū)域中，上行實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和仿真運(yùn)行時(shí)間差異最小的區(qū)域是在1-2區(qū)域之間，運(yùn)行時(shí)間相同，而差異最大的區(qū)域在3-4區(qū)域之間，相差1.2s，占全程運(yùn)行時(shí)間比值為0.21%。由圖4（b）可知，在劃分的4個(gè)區(qū)域中，下行實(shí)際運(yùn)行時(shí)間和仿真運(yùn)行時(shí)間差異小的區(qū)域是第1區(qū)域，相差0.9s；差異最大的區(qū)域在2-3區(qū)域之間，相差1.6s，占全程運(yùn)行時(shí)間比值為0.30%。通過上行和下行在實(shí)際運(yùn)行與仿真結(jié)果的對比可知，模型方法的仿真結(jié)果與真實(shí)運(yùn)行差距極小，這體現(xiàn)了模型方法具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

結(jié)" 論

基于通信的軌道交通列車運(yùn)行控制仿真教學(xué)系統(tǒng)是一種通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來進(jìn)行相關(guān)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)，能夠?qū)W(xué)習(xí)者與業(yè)內(nèi)人士、教師和教學(xué)資源相聯(lián)結(jié)的電子學(xué)習(xí)系統(tǒng)。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)通常包括列車自動(dòng)保護(hù)/運(yùn)行、列車自動(dòng)監(jiān)視、聯(lián)鎖和數(shù)據(jù)通信等子系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)用中，CBTC系統(tǒng)會(huì)受到各種信號(hào)源的信號(hào)的干擾，為了提高CBTC系統(tǒng)控制運(yùn)行的效率。研究在CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的模型。在實(shí)驗(yàn)中，首先在CBTC系統(tǒng)中對列車速度控制進(jìn)行優(yōu)化，然后構(gòu)建列車運(yùn)行控制系統(tǒng)模型，最后利用仿真實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證模型方法的有效性。雖然實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型方法能夠在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，確保高效的運(yùn)載能力，但研究還存在一些不足之處，針對多鏈路通信的運(yùn)行控制系統(tǒng)研究還沒有進(jìn)行深入的分析。今后我們將多搜集數(shù)據(jù)集，以期對多鏈路通信再進(jìn)行深入的研究。

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（武凝：陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院）