城市軌道交通仿真施工設(shè)計(jì)

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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(jì)院，都需要提前對(duì)相應(yīng)的信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，僅僅通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行試驗(yàn)是不夠的。并且由于現(xiàn)在城市軌道交通設(shè)計(jì)時(shí)遇到了一些具體問題，例如:行車專業(yè)與信號(hào)專業(yè)的分工。行車在牽引計(jì)算時(shí)，一般沒有考慮信號(hào)參數(shù)，而實(shí)際的線路控車又是由信號(hào)來做，這樣行車計(jì)算出來的牽引計(jì)算結(jié)果，有時(shí)候?qū)剀嚨膶?shí)際需要不能夠滿足。另外，如線路的曲線半徑值、曲線超高等，有時(shí)候也不滿足控車的需要，有時(shí)候造成最終軌道交通線完工時(shí)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(dòng)切換過多”等，影響旅客的乘坐舒適度，影響列車運(yùn)行速度。這些設(shè)計(jì)方面各個(gè)部門間配合上的問題，最終導(dǎo)致系統(tǒng)不能達(dá)到最優(yōu)的組合。于是，現(xiàn)在設(shè)計(jì)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(duì)我們的施工設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。首先它能夠進(jìn)行牽引計(jì)算仿真，然后能對(duì)相關(guān)的線路、行車、信號(hào)等專業(yè)進(jìn)行綜合考慮，對(duì)設(shè)計(jì)提出一個(gè)綜合的指導(dǎo)意見。以西南交通大學(xué)交通信息工程及控制實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“CBTC仿真系統(tǒng)”為例，在這個(gè)系統(tǒng)中，建立了一個(gè)城市軌道交通工程項(xiàng)目的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，用實(shí)際的線路數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)內(nèi)嵌的列車動(dòng)力學(xué)模型和列車控制模型等數(shù)學(xué)模型，為城市軌道交通項(xiàng)目的全過程設(shè)計(jì)提供定量分析的理論依據(jù)，對(duì)線路上列車運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行精確的仿真計(jì)算，通過仿真的結(jié)果提出土建和機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，對(duì)整個(gè)線路的追蹤折返的能力做一個(gè)分析，以供設(shè)計(jì)院或廠家參考。通過利用該仿真系統(tǒng)進(jìn)行列車牽引計(jì)算、列車運(yùn)行及追蹤仿真、列車折返能力檢算，從而對(duì)行車組織、線路設(shè)計(jì)、車站配線、車輛參數(shù)的選擇及配置數(shù)量、信號(hào)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(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并可提供仿真結(jié)果以用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足運(yùn)營(yíng)要求。

2計(jì)算機(jī)仿真對(duì)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(jì)中我們更關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)的性能問題。由于有了線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，信號(hào)數(shù)據(jù)，車輛參數(shù)等，再加上牽引計(jì)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(duì)這些能力直觀顯示出來，用以驗(yàn)證軌道交通線路的運(yùn)行能力，主要負(fù)責(zé)信號(hào)系統(tǒng)的能力分析和行車間隔計(jì)算，這些可作為后面指導(dǎo)施工設(shè)計(jì)的依據(jù)和基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)仿真通過牽引計(jì)算的結(jié)果中性能分析圖大致有:時(shí)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(yùn)營(yíng)時(shí)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(shí)間分析和顯示、運(yùn)用車配車數(shù)分析和顯示、安全防護(hù)距離-距離圖分析和顯示、安全制動(dòng)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(duì)幾種基本折返站型進(jìn)行分析。

3計(jì)算機(jī)仿真對(duì)軌道線路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)

根據(jù)牽引計(jì)算結(jié)果及性能分析結(jié)果，我們可以看出站前設(shè)計(jì)中的一些問題，比如不能滿足信號(hào)整體系統(tǒng)要求，讓信號(hào)控車達(dá)不到要求或者影響旅客舒適度等。下面從兩個(gè)方面舉例來探討計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)線路設(shè)計(jì)的指導(dǎo)作用。根據(jù)初步設(shè)計(jì)的線路數(shù)據(jù)，比如限速，另外有了坡度，曲線，以及信號(hào)專業(yè)的設(shè)備位置布置、各種信號(hào)參數(shù)的值，這時(shí)候就可以對(duì)線路的運(yùn)行進(jìn)行一個(gè)比較真實(shí)的仿真。通過仿真軟件得到的旅行速度或者兩個(gè)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(jì)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(duì)卡脖子的具體情況進(jìn)行分析，考慮在這段可以進(jìn)行修改的線路設(shè)計(jì)，比如可以在超高上進(jìn)行修改，甚至可以修改曲線半徑。當(dāng)然有時(shí)候也可以調(diào)整停站時(shí)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(shí)際控車曲線，如果ATO實(shí)際控車曲線出現(xiàn)“臺(tái)階”次數(shù)過多，就說明線路在運(yùn)行的時(shí)候牽引制動(dòng)次數(shù)過多，這樣會(huì)極大地影響旅客的乘坐舒適度。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果出現(xiàn)臺(tái)階過多的情況的時(shí)候，一般也可以對(duì)線路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正，然后再仿真看ATO的控車曲線是否變得更好。

4計(jì)算機(jī)仿真對(duì)車站配線的指導(dǎo)

一個(gè)好的仿真軟件，能夠?qū)囌九渚€進(jìn)行指導(dǎo)，通常體現(xiàn)在對(duì)安全線長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，以及折返線車過道岔時(shí)安全距離的指導(dǎo)。工程設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常遇到在折返站、終端站等位置需預(yù)留多長(zhǎng)的安全距離的問題。安全距離預(yù)留過短會(huì)影響到行車效率，過長(zhǎng)又會(huì)增加不必要的工程投資。在仿真軟件計(jì)算出的牽引計(jì)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(biāo)的差值，即安全距離的長(zhǎng)度，見圖2，可以用來指導(dǎo)施工設(shè)計(jì)中安全距離的設(shè)置。圖2中的d1、d2、d3分別表示制動(dòng)的階段一、階段二、階段三。

5計(jì)算機(jī)仿真對(duì)行車組織的指導(dǎo)

對(duì)行車組織的指導(dǎo)，以西南交大開發(fā)的仿真系統(tǒng)為例，主要是對(duì)配車數(shù)的一個(gè)指導(dǎo)。運(yùn)用車的配車數(shù)與列車全周轉(zhuǎn)時(shí)間、最小運(yùn)行間隔有關(guān)，按下式計(jì)算:運(yùn)用車配車數(shù)N=列車全周轉(zhuǎn)時(shí)間T(min)/最小運(yùn)行間隔(min)其中，列車全周轉(zhuǎn)時(shí)間由牽引計(jì)算結(jié)果得出，當(dāng)仿真結(jié)果得到以后，可以對(duì)運(yùn)用配車數(shù)進(jìn)行一個(gè)更合理的指導(dǎo)。

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(gè)廠家的軟件大致思路一致，但是牽引計(jì)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(xué)的CBTC仿真是側(cè)重能力計(jì)算，以及對(duì)線路，車站配線的指導(dǎo);而opentrack是側(cè)重對(duì)行車組織的指導(dǎo)。但是筆者發(fā)現(xiàn)，各個(gè)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(duì)長(zhǎng)短鏈進(jìn)行處理，沒有對(duì)地鐵的通風(fēng)口的設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮，當(dāng)然對(duì)于隧道的風(fēng)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(jìn)行設(shè)置之后的牽引計(jì)算時(shí)候真實(shí)用到。

6．2仿真的真實(shí)性問題

由于在仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)劃的時(shí)候，有些可能性就沒有考慮，而且在軟件開發(fā)中，也確實(shí)很難將線路實(shí)際運(yùn)行的所有情況都考慮進(jìn)去。所以，所有的仿真都不是完全真實(shí)的，但需要設(shè)計(jì)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(jì)單位開始關(guān)注這個(gè)問題，都在仿真中對(duì)這個(gè)有相應(yīng)的需求，但是實(shí)際仿真軟件還很少有對(duì)這方面的研究。