铁路运营模拟系统的发展与应用研究

2023-04-24 来源：好走旅游网

第9卷第2期2009年4月

交通运输系统工程与信息

JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology

Vol19No12April　2009

文章编号:100926744(2009)0220044206

智能交通系统与信息技术

铁路运营模拟系统的发展与应用研究

苏　梅

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉430074)摘要:　简要分析了国内外铁路运营模拟系统的特点、主要功能和应用领域.针对目前国

内外既有铁路运营模拟软件的不足,从工程设计角度探讨了我国铁路运营模拟系统的技术需求及其特点.结合目前我国铁路客运专线、城际铁路建设的基本形势,分析了工程设计阶段充分考虑与生产运营相协调的指导思想,提出了开发融工程设计与运营计划于一体、促进区段与车站作业计划相匹配的铁路运营生产过程模拟系统的框架和技术要点;最后通过利用模拟系统优化铁路线路设计方案的案例,证明线路设计方案的改善可以节省列车运行能耗1/4甚至更多.通过该系统,将有利于实现在设计阶段提高运输组织设计工作精细度,进一步强化设计工作与运营过程结合的目标.关键词:　铁路运输;铁路设计;运营组织;列车运行计划;线路节能设计中图分类号:　U292.4文献标志码:　A

DevelopmentwithApplicationsofRailwayOperational

SimulationSystems

SUMei

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.,LTD,Wuhan430074,China)

Abstract:　Thispaperanalyzesthecharacteristics,functions,andapplicationfieldsofseveralinternationalanddomesticsimulationsystems.Targetingontheshortagesexistedinthecurrentsystems,theauthordiscussesthetechnicaldemandsofChinaengineersonrailwayoperationalsimulationsystemsfromtheviewpointsofprofessionaldesignersatengineeringlevel.Prospectingonthedemandscomingfromthelarge2scaledconstructionofhigh2speed,passengerandintercityrailways,theauthoradvancessomekeypointsoncoordinatingengineeringdesignandoperationalorganization,andputforwardsasystematicalframeworktojointlyconsiderthedifferentrequire2mentsamongtrainscheduling,facilitylayouts,andstationoperationalschemes.ThepaperfinallygivesacasestudyoftheapplicationofaChinesesimulationsystem(GTMSS)onlinegeometricimprovementwithefficientener2gyconsumption,whichshowsthatsignificantsavingontrainenergyconsumptionmaybeachievedbyaboutonefourth.Byefficientsimulationsystems,itispossibletopolishthedesignofrailwaylinesandstations,andfurtherimprovethequalityofrailwayoperations.Keywords:　railwaytransportation;railroaddesign;operationalorganization;trainscheduling;energy2efficientlinedesign

CLCnumber:　U292.4Documentcode:　A

收稿日期:2008212211　　修回日期:2009202217　　录用日期:2009202227

基金项目:轨道交通控制与安全国家重点实验室(北京交通大学)开放课题(SKL2008K002).作者简介:苏梅(1962-),女,高级工程师.

通讯作者:tsysum@163.com

第2期铁路运营模拟系统的发展与应用研究45

1　引　　言

在铁路设计阶段充分考虑铁路运营要求是铁路建设的一个重要发展趋势,采用成熟、高效的运营方案设计与优化方法及相应的工具是提高铁路工程设计质量与效率的基础.由于影响铁路运营过程的因素多,且相互之间关系复杂,传统的解析方法难以对运输组织方案及其可靠性进行综合的定量评价,因此,模拟或计算实验技术在铁路运营过程分析与论证中起着越来越重要的作用.

一般来说,铁路运营模拟研究需要解决的问题主要有:

(1)新线的建设能否达到预期目标、满足市场需求;

(2)线路结构与车站的拓扑布局是否合理,咽喉区道岔与到发线的布局能否匹配;

(3)设施设计方案能否支撑实施合理的列车运行计划;

(4)如何生成各类运行计划并找出计划实施中的“瓶颈”点及其解决方案(策略)等.

总之,铁路运营模拟系统可以辅助铁路设计和运营调度工作,提高铁路规划、设计与运营管理工作的效率,促进运输组织各个环节的交互,实现运输过程不同环节、不同岗位的协调和运输组织的现代化.

1997年完成了产品化;1998年,何天键与毛保华等人

共同致力于基于列车牵引计算的列车运行过程模拟

[3,9]

系统研究,并于1999年开始应用于轨道交通系统的工程设计工作,此后又不断完善系统使其适应

[10-12]

不断发展的新机型、新线路;近年来,徐瑞华等人建立基于列车运行图的城市轨道交通列车运行延误的模拟模型,并设计合理的列车运行延误统计指标和模拟分析方案进行模拟,分析列车运行延误及其传播与能力利用率、缓冲时间等因素的关系,并应

[13]用于上海地铁系统的模拟.毛保华等人还研究将列车运行过程计算与优化设计理论用于不同闭塞方[14]

式下的铁路信号机布局优化方法.

[15]

铁路设计与咨询中常用的国内外系统主要有以下几个.

(1)RAILSIM是北美铁路常用的铁路设计与咨询用模拟软件.该系统建立了庞大的各类机车车辆参数库;支持自定义列车牵引力和阻力模型;能提供多种列车运行计算模型;支持复杂的列车制动算法;可以根据用户需求提供各类输出报表.

(2)Villon侧重于详细和可视化的基础设施数据(2D和3D动画均可),因此其不能模拟大规模的路网,不能生成运行图.国外一般将其运用于物流节点———货运站的规划、设计与评价等.人机交互能力强.且具有与AutoCAD和XLS文件的接口,数据的录入简单方便.

(3)Railsys由德国汉诺威大学(UniversityofHannover)设计研发的基于路网的铁路运输微观模拟系统.该系统可实现一系列功能,如:列车运行图的铺划;备用线(或临时列车运行线)的铺划;在兼备股道运用计划时实时列车运行图的铺划;动车周转计划的制定;基础数据的管理;新站配置的规划;在改变基础设施配置时各相关因素的研究以及服务质量的评价等.其对于分析变化的运输需求对现有的铁路运输系统的影响、基础设施的改扩建起到重要的辅助决策作用.但其对基础数据的管理不够人性化,所有线路的数据依靠手工录入;运行图的调整功能不完善,仅能调整小范围的冲突问题.

(4)Opentrack瑞士苏黎世联邦科学研究院(SwissFederalInstituteofTechnology)开发的一款铁路网络系统模拟软件.该软件自1995开始开发,2000年推出1.0版本,以后根据用户反馈意见逐步更新完善,先后推出1.1～1.4等版本,直到目前的1.5版本.该软件具有一系列的功能:能生成列车运行图,

2　国内外铁路运营模拟系统分析

国际上,从20世纪70年代开始,英国、美国等国家就开始采用计算机模拟方法研究铁路运输问题,且取得了一定的成果.近年来,越来越多的学者通过模拟的手段来研究运行图的鲁棒性,稳

[3,4]

定性等.为了研究细微的干扰对整个荷兰路网列车运行准点性的影响,荷兰铁路系统在软件DONS的基础上研发了DONS模拟系统,并指导了

[5]

荷兰1990-2000年的铁路基础设施的投资.Rizzoli等人把模拟的方法应用于道路与铁路联合运输的运营中,通过模拟软件得到联合运输中各设

[6]

备的使用情况.Fateh等人提出基于混合Petri网的模拟方法,为车站的设计提供指导以避免、减少

[7]

或杜绝车站的伤亡事故的发生.

我国从20世纪80年代开始致力于铁路运输模拟系统的研究,初期的研究主要应用于铁路编组站

[8]

及列车运行过程的计算.1993年,杨肇夏等人研究开发了用于教学培训的铁路列车接发系统,并于

[1,2]

46交通运输系统工程与信息2009年4月

且能将计划运行图与实时模拟运行的运行图进行对比;利用连续-离散计算方法来模拟列车运行,可实现前台和后台的模拟,实时显示轨道占用、进路排列和信号设备显示状态等;能实现系统故障和延迟模拟分析,进行小面积范围内的调度调整.此软件在欧洲市场上运用广泛,但其对运输组织方案及线路数据缺乏智能化的输入方法,数据录入的工作量大;且模拟缺乏初始影像,不能保存或调用某个时间片断的映像,因此模拟只能从0状态开始.

(5)GTMSS由北京交通大学与香港理工大学共同研究和开发的通用列车运行模拟系统(Gener2al2purposedTrainMovementSimulationSystem,GT2

[3,10]

MSS)是我国自主研制的新一代综合模拟系统.拓扑结构、机车车辆(动车组)属性、列车运行图、机

车(动车组)的周转等.

(2)过程计算模块.过程计算模块是模拟系统的核心,主要包括模拟参数的设置以及运行过程计算.模拟参数的设置即设定模拟的对象与计算场景、选择线程技术以及输出指标等.过程计算还包括模拟过程中动、静态数据的储存.

(3)结果分析、评价与输出模块.

模拟系统对用户定义的方案或计划计算完毕后,需要有专门的模块对模拟结果进行分析、评价和输出(显示).因此,除了建立完整的评价指标体系外,提供合理、有效的设计方案分析手段与输出方式也是评价系统性能的内容.3.2　铁路运营模拟系统的技术需求分析铁路运营模拟系统是一个涉及数据输入、模拟环境设定以及指标输出的复杂系统,模拟的工作量由路网规模、路网上列车开行对数的多少决定,且不同的用户群体对系统的功能各有不同的需求,因此,铁路运营模拟系统应以“方便用户”为宗旨,其技术特点如下.

(1)人性化的数据输入方式.

数据输入是模拟系统中极为耗时且易出错的阶段,为了使模拟的运行环境最接近列车的实际运营环境,铁路运营模拟系统应具备人性化的数据输入方式.重点要考虑三个方面:一是提供与常用软件(如AutoCAD软件)或其他模拟系统的接口;二是具备对数据的查错功能;三是兼顾与设计规范有关的工程技术人员的习惯.

(2)系统的统计输出指标.输出指标设计具有两个重要意义:一是体现系统性能,模拟系统应该具有比传统手工设计时更加全面、微观、精确的评价指标体系;二是体现设计宗旨与目标偏好,即不同用户关注的目标不同,可以选择不同的设计技术.

(3)适度灵活的人机交互功能.铁路运输组织过程的3个主要部分包括列车运行图、动车组周转以及列车占用股道的作业计划.在整个运输组织过程中,这3个计划相互影响.传统的算法和软件都难以得到三者结合的可行方案,模拟手段可以对环境进行设定,但仍不能完全使模拟与实际运营过程完全吻合,必要时须进行人工干预,也可体现设计者风格.

该系统的特点是以我国“列车运行计算规程”为依据,较好地考虑了我国铁路设计的技术需求.同时,该系统在传统牵引电算思想基础上,吸纳了国外软件的优点,在计算精度方面,采用了可以根据用户需要设定的等步长法,摒弃了按质点(代之以列车质量带分布)计算列车运行过程的近似算法,实现了可考虑不同信号闭塞方式、不同运行目标(节时与节能)模式的运行过程计算,可以研究多列车条件下列车间的影响.这一系列实质性改进可实现利用列车运行过程计算优化设计方案的目标.该系统还较好地考虑了城市轨道交通的特点,可以进行列车运行能耗、信号机布局等专题分析工作,目前在我国轨道交通等领域已经有较广泛的应用.

[16]

3　铁路运营模拟系统的技术需求分析

3.1　铁路运营模拟系统的一般结构

根据铁路运输组织的组成模块与日常运营的工作流程,在进行铁路运营的模拟时,模拟系统的结构一般包括三大部分,如图1所示.

图1　模拟系统的结构流程图

Fig.1　Structureofrailwaysimulationsystem

(1)数据准备与维护模块.

数据是模拟的条件和依据,完善、高效的数据

准备与维护模块是保证模拟效率的前提.通常,铁路运营模拟数据模块主要包括线路属性与路网的

第2期铁路运营模拟系统的发展与应用研究47

(4)继承与记忆功能.

辅助设计与管理人员进行多方案比选是模拟系统的特点,因此,模拟系统应该具备对方案及其特征的继承与记忆功能,能储存多方案的模拟结果,甚至轨迹对比分析功能,以方便用户.

具备检验计划方案是否合理的功能,且给出合理的指标评价体系.合理的计划方案应该综合考虑列车运行图、动车周转与车站作业计划3部分之间的协调,研究和解决三者之间的相互反馈是模拟的关键技术.

对于调度部门而言,调度调整是铁路运输系统的核心.在运营初期,优化合理的运输组织方案极为重要,但此阶段运营模拟系统能提供的调度调整策略的效果并不明显.在具备实际运营的数据时,对数据进行研究,分析运行图的瓶颈位置、晚点的传播方式和传播公式,利用实际的运营数据为输入条件进行模拟,为调度部门提供策略.

对铁路运营模拟系统设计而言,主要关键点包括:①定义模拟研究的目标;②获得模拟所需要的准确而完备的数据;③可能时采用真实的运营数据来标定基础案例数据;④对基础案例进行调查(既有运营);⑤定义要评价的方案;⑥将行为数据表示为对服务、能力和经济性相关的指标.在这些关键点上需要充分兼顾上述需求.4.3　发展趋势为了体现通用性和集成性,铁路运营模拟软件应集面向设计、面向计划与面向运营调整的模拟方法与技术于一体,为铁路运输从设计到运营的工作流程提供指导.

(1)面向设计———用于评价方案的合理性.不同设计年度客流和货运量是不断变化和增长的,铁路的基础设施建设也需要有相应改变.基础设施的变化或者新站的建设会产生什么样的变化,需要通过模拟系统来进行分析和检验,因此,运营模拟系统要能辅助工程设计单位进行新线或新站的设计.

(2)面向计划———用于制定合理的运输计划.计划是运营管理的核心.列车运行计划是整个铁路运输组织的综合计划,包括列车运行图、车站作业计划以及各类人员与设备的周转计划等.运行图是其他计划的依据,同时也需要其他计划的支撑.因此,在制定车站作业计划时,需要时时向运行图、机车周转进行反馈,但三者之间的相互影响极为复杂,用经验方法等无法理清其间的关系,因此,模拟的方法极为重要.

(3)面向运营———在可行计划基础上提供一定的调整调度空间.

一份优化的计划方案应具有良好的自我恢复

4　铁路运营模拟系统的发展趋势

4.1　现有系统的优缺点分析

国外铁路运营模拟软件的优点是开发过程规范,软件文档齐备,版本体系感好,维护管理机制完善.对我国用户来说,也存在一些不足:首先,在数据准备时,输入接口大部分都是系统自身的数据格式或欧洲标准的数据格式(如Railml格式),与常用的数据格式(如AutoCAD格式)不兼容,因此,数据准备工作量极大.其次,模拟计算时,如果对运行图添加细微的扰动,系统能自动调整,恢复到正常运营状态,但当晚点面积扩大,运行图的自动恢复正常运营的能力减弱,这与欧洲大部分国家的实际路情有关.欧洲大部分国家线路区间里程短、线网上列车对数少,能力富余,对于细微扰动调整较为简单.第三,在进行车站作业时,股道的选择均采用“优先级”的方式,既缺乏智能性,又造成股道利用的不均衡性,即车站作业计划的方案不合理.

国内的模拟系统具有如下特点:系统一般是在完成某特定项目时为特定目的而开发,兼顾了国内设计规范,较好地考虑了部分用户的需求偏好,其功能比较有针对性.不过,这往往造成系统的通用性相对不足;在进行模拟计算时,多数侧重于运输组织的某一方面,由于运输组织各个模块间是相互影响的,使既有系统难以兼顾各计划的协调.

总的来看,国内铁路运营模拟软件多数是针对运营单位而研发的,对工程设计人员的需求尤其是综合设计与运营需求的系统几乎还没有.工程设计是运输组织工作的基础,合理的设计方案既能减少工程投资,又有利于运输组织方案的制定和实施.4.2　模拟系统需求的发展

对于设计部门而言,综合评价设计方案的优劣以便进行方案评价是设计部门的工作重点和核心.为了满足设计部门的需要,铁路运营模拟软件须从数学方法着手,挖掘评价运输组织方案的综合评价指标.

对于运输计划部门而言,合理的计划方案是指导运输工作的基础,因此,铁路运营模拟软件需要

48交通运输系统工程与信息

表1　线路纵断面设计参数

2009年4月

能力,这在能力不太紧张时不难做到.在区间和车

站的能力利用率较高时,列车运行图中会存在一些“瓶颈”点,同时列车在实际运行过程中受某些偶然因素影响,会发生偏离.因此,铁路运营模拟系统采用的算法应充分考虑能力紧张条件下,计划实施过程中提供一定的调度调整空间,以使运行图具备较强的恢复能力.

将面向设计、面向计划及面向运营的模拟技术融为一体,从设计到运营的数据都能相互反馈,既能达到统一规划的目的,又能节省基础设施的投资,节省人力、物力、财力.

Table1　Parametersofraillinegeometrydesign最高速度

(kmΠh)

135120100

进站制动距离出站加速距离

(m)500～600300～350150～200

(m)1000800400

节能坡长

(m)500～600300～350150～200

　　本文的案例一区间长3350m,由地下标高为-2m,进入高架标高为31m处,图1中的A、B、C(横坐标为距离,纵坐标为标高)是经过初步勘察生成的3个纵断面方案.

5　案例研究

为说明运营模拟软件在设计中的作用,下面以地铁线路设计为例,从列车运行节能角度入手研究线路纵断面的优化设计问题.

地铁运营成本中有1/3为列车运行能耗,因此,节能是运营单位追求的重要目标.作为铁路设计应考虑运营的成本,而线路纵断面是重要的影响因素,它不但直接影响列车运行效果,还影响其运营成本.一般进出站纵断面坡度、长度宜与列车出站加速和进站减速的运行工况协调.如当坡道为20‰～30‰,列车最高速度为135km/h,制动距离

为500～600m,出站加速距离为1000m,则节能坡范围以制动距离为依据.在车站高差不大时,区间宜设为凹型纵断面,进出站范围内设为20‰～30‰的断面,中间为缓坡.一般条件下,不同速度条件下的节能坡范围如表1所示.

图2　线路纵断面设计方案

Fig.2　Verticalsectiondataofdifferentdesignscenarios

　　采用GTMSS软件,分别计算3个方案的运行

时分及能耗效果,可以得到表2的结果.

表2　3个方案的能耗计算效果

Table2　Energyconsumptionsofdifferentschemes

方案

IIIIII

时分

131.68/135.1131.61/134.98131.65/134.9

能耗(度)

64.6/80.642.5/65.431.1/57.6

总能耗(度)

145.2107.988.7

节能比(%)

025.6438.87

节费用(万元)

060299140

　　注:费用按200列/天、0.74元/度、30年计.

　　可以看出:两站标高不变,只改变纵断面设计,3个方案区间运行时分相近,运行效果相同,但方

6　研究结论

本文根据作者的研究简要分析了铁路运营模拟系统的进展,从设计层面剖析了相关技术需求及其发展趋势.综合上述研究,可以得到如下结论:

(1)目前铁路运营模拟系统的研制应该集设计与运营于一体,推进铁路或轨道交通设计与运营管理

案二与方案三在该3km多的区间能耗费用节省高达25.64%和38.87%,按30年累计,其费用节省近1亿,是十分明显的.

第2期铁路运营模拟系统的发展与应用研究49

的协调,提高整个轨道交通系统建设的技术水平.

(2)运营模拟系统的研制应综合各专业、各岗位的业务需求,充分考虑工程设计人员的个性化需求特征,提供人性化的数据输入方式、灵活的人机交互功能与良好的记忆功能,以促进系统的推广.(3)要充分考虑运营模拟系统的通用性和前瞻性,深化研究我国高速铁路、客运专线、城际铁路的技术需求与相关规范,使铁路运营模拟系统能满足不同类型线路从设计到运营的各个层次的需求.

可以看出,加快研制具有自主知识产权、适合我国国情特征、具有综合功能的铁路运营模拟系统是目前铁路模拟研究的当务之急,它不仅可以辅助铁路线路的设计与规划及运营调度,而且对加快铁路运输组织的现代化也具有重要意义.

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