專利名稱：固定閉塞條件下列車運(yùn)行模擬控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于軌道交通系統(tǒng)中固定閉塞條件下列車運(yùn)行的模擬控制方法，屬于計(jì)算機(jī)程序控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固定自動(dòng)閉塞系統(tǒng)(FAS)在軌道交通列車控制系統(tǒng)中應(yīng)用已經(jīng)近百年，在提高列車運(yùn)行安全性、提高線路通過(guò)能力方面發(fā)揮了重要的作用。為了提高線路通過(guò)能力，固定閉塞系統(tǒng)的顯示制式經(jīng)歷了三顯示、四顯示、五顯示、多顯示的發(fā)展。顯示制式的不斷發(fā)展縮短了列車之間的追蹤間隔，提高了軌道線路的通過(guò)能力。當(dāng)前我國(guó)鐵路的繁忙干線大都是采用固定自動(dòng)閉塞，在這些干線上，由于普遍存在多種客貨列車混行，其重量和速度等因素都有著不同程度的差異，而列車始終運(yùn)行在理想條件(即列車運(yùn)行不受任何非正常阻礙影響)下的情況并不多見(jiàn)，正常情況下應(yīng)是列車追蹤運(yùn)行。列車追蹤運(yùn)行時(shí)，前方信號(hào)顯示是指示列車運(yùn)行的命令，前后列車位于不同的線路平縱斷面上，它們的時(shí)空間隔處在動(dòng)態(tài)變化之中，前行列車位置的改變會(huì)帶來(lái)信號(hào)顯示的變化，并進(jìn)一步影響到追蹤列車的運(yùn)行與操縱。
由于自動(dòng)閉塞區(qū)段列車運(yùn)行的復(fù)雜性，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)則是研究列車追蹤運(yùn)行與操縱問(wèn)題的切實(shí)可行的方法。它可以檢驗(yàn)確認(rèn)各種不同情況下各個(gè)區(qū)段能夠?qū)崿F(xiàn)的列車追蹤運(yùn)行的時(shí)空間隔，同時(shí)可以診斷和揭露出行車系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并提出可能的對(duì)策。固定自動(dòng)閉塞區(qū)段多列車運(yùn)行模擬是一個(gè)涉及鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)車、機(jī)、工、電、輛多方面因素的復(fù)雜問(wèn)題，它本身已經(jīng)超越列車牽引計(jì)算或信號(hào)變化本身。模擬目標(biāo)在于確保安全的前提下，一方面尋求最小的追蹤間隔或更高的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)最大可能的區(qū)間通過(guò)能力；另一方面在既有設(shè)備條件下優(yōu)化機(jī)車操縱，在保證列車安全、準(zhǔn)點(diǎn)、平穩(wěn)的前提下，盡可能地節(jié)能運(yùn)行，降低運(yùn)輸成本，提高運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。在基于計(jì)算機(jī)的模擬研究中，通常有三種模型方法可用于列車的運(yùn)動(dòng)計(jì)算，即基本模型的方法，基于時(shí)間的模型方法以及基于事件的模型方法。應(yīng)用基本模型，當(dāng)軌道電路長(zhǎng)度比較小時(shí)，模擬出的連續(xù)制動(dòng)曲線比較接近實(shí)際的列車制動(dòng)情況。基于時(shí)間的方法易于設(shè)計(jì)和建立仿真模型，但需要較大的計(jì)算量?；谑录哪Ｐ涂梢源蟠鬁p少計(jì)算量，但在某種程度上降低了模擬的精度。
元胞自動(dòng)機(jī)模型作為模擬非線性復(fù)雜系統(tǒng)的一種有效工具，近年來(lái)在交通流的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，模型的時(shí)間、空間、狀態(tài)均離散，規(guī)則簡(jiǎn)單，非常適合計(jì)算機(jī)模擬。元胞自動(dòng)機(jī)模型在保留交通流這一復(fù)雜系統(tǒng)的非線性行為和其他物理特征的同時(shí)，更易于計(jì)算機(jī)操作，可以通過(guò)靈活的修改其規(guī)則以考慮各種實(shí)際交通狀況。李克平等首次將元胞自動(dòng)機(jī)理論應(yīng)用于軌道交通，提出了鐵路的元胞自動(dòng)機(jī)模型，成功地對(duì)鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的列車運(yùn)行進(jìn)行了模擬探討，這為軌道交通列車流的研究開(kāi)辟了一條新思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種固定閉塞系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬控制方法，它是建立在元胞自動(dòng)機(jī)交通模型的基礎(chǔ)上。該模擬控制系統(tǒng)用來(lái)分析各種條件下的列車運(yùn)行狀況，測(cè)試信號(hào)控制系統(tǒng)以及改善信號(hào)控制系統(tǒng)的性能，同時(shí)利用該方法還可以用來(lái)分析固定閉塞條件下列車流各種動(dòng)態(tài)演化特性。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種固定閉塞系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬控制方法，含有以下步驟；步驟1在列車運(yùn)行模擬控制方法中，調(diào)度中心根據(jù)列車運(yùn)行圖，也即運(yùn)行計(jì)劃，產(chǎn)生調(diào)度命令，并通過(guò)無(wú)線中繼設(shè)備下達(dá)給在線路上行駛的列車；步驟2每列列車將自己的位置、方向以及速度參數(shù)等傳送給調(diào)度中心；步驟3調(diào)度中心接受列車的參數(shù)信息，判斷在任意時(shí)刻該區(qū)段的列車前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色及位置，將列車允許運(yùn)行速度等信息傳遞給列車；步驟4列車根據(jù)調(diào)度中心的調(diào)度命令，確保列車按規(guī)定速度運(yùn)行。
在調(diào)度中心的指揮下，列車在行駛過(guò)程中，加速和減速的規(guī)則是(以四顯示固定閉塞系統(tǒng)為例)(1)當(dāng)前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色為綠色時(shí)，列車加速，其速度可以達(dá)到區(qū)間最大允許速度；(2)當(dāng)前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色為黃綠色或黃色時(shí)，列車必須在防護(hù)信號(hào)機(jī)前減至規(guī)定速度；(3)當(dāng)前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色為紅色時(shí)，列車必須在防護(hù)信號(hào)機(jī)前停止；(4)當(dāng)列車的前方為一車站時(shí)，如果車站的防護(hù)段還沒(méi)有清空，則列車根據(jù)站前防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色更新速度，如果車站的防護(hù)段已經(jīng)清空，則列車可以直接進(jìn)入車站?？?。
列車在行駛過(guò)程中，具體的速度更新規(guī)則是(以四顯示固定閉塞為例)
條件I列車前方為防護(hù)信號(hào)機(jī)步驟1加速①防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為綠色vn＝min(vn+a，vmax)②防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為黃綠色當(dāng)Δxn>xcyg]]>vn＝min(vn+a，vmax)當(dāng)Δxn<xcyg]]>vn＝max(vn-b，vyg)否則vn＝vn③防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為黃色當(dāng)Δxn>xcy]]>vn＝min(vn+a，vmax)當(dāng)Δxn<xcy]]>vn＝max(vn-b，vy)否則vn＝vn④防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為紅色當(dāng)Δxn>xcr]]>vn＝min(vn+a，0)當(dāng)Δxn<xcr]]>vn＝max(vn-b，vy)否則vn＝vn步驟2減速vn＝min(vn，gap)步驟3位移xn＝xn+vn條件II列車前方是車站(1)車站防護(hù)段沒(méi)有清空，則根據(jù)防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色更新列車速度，更新規(guī)則與條件I相同；(2)車站防護(hù)段已經(jīng)清空，列車則按下述規(guī)則更新速度；步驟1加速當(dāng)Δxn＞xcvn＝min(vn+a，vmax)當(dāng)Δxn＜xcvn＝max(vn-b，0)
否則vn＝vn步驟2減速vn＝min(vn，gap)步驟3位移xn＝xn+vn式中Δxn列車與前方防護(hù)信號(hào)機(jī)之間的距離xn列車車頭所在的位置vn列車的速度a列車的加速度b列車的減速度xcyg列車在黃綠信號(hào)前減至規(guī)定速度所需距離vyg黃綠信號(hào)時(shí)列車的規(guī)定速度xcy列車在黃色信號(hào)前減至規(guī)定速度所需距離vy黃色信號(hào)時(shí)列車的規(guī)定速度xcr列車在紅色信號(hào)前減至規(guī)定速度所需距離xc列車以最大速度制動(dòng)距離vmax列車的最大限制速度gap列車與前方目標(biāo)點(diǎn)之間的距離以上規(guī)則，可以用一些常用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言去實(shí)現(xiàn)，例如，C++語(yǔ)言以及Matlab語(yǔ)言。作為特例，該模擬方法是用來(lái)模擬單線及單向的軌道交通系統(tǒng)中，列車的運(yùn)行狀況。上述給出了四顯示固定閉塞信號(hào)系統(tǒng)的列車更新規(guī)則，對(duì)于其它顯示制式的閉塞系統(tǒng)，可以通過(guò)修改以上的規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提供一種固定閉塞條件下列車運(yùn)行模擬控制系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是(1)可以精確測(cè)定各種顯示制式條件下的列車追蹤間隔；(2)該系統(tǒng)在時(shí)間、空間以及速度上均為離散化，且運(yùn)行速度快，因而適合于大規(guī)模的計(jì)算機(jī)模擬；(3)該模擬方法仿真度高，能實(shí)時(shí)顯示列車的運(yùn)行狀況；(4)易于硬件實(shí)現(xiàn)，費(fèi)用低，應(yīng)用范圍廣。


圖1固定閉塞條件下列車信號(hào)控制系統(tǒng)示意圖；圖2固定閉塞條件下列車信號(hào)控制系統(tǒng)示意圖；圖3追蹤列車運(yùn)行過(guò)程中的位置-時(shí)間圖像；圖4追蹤列車運(yùn)行過(guò)程中的速度-時(shí)間關(guān)系；圖5追蹤列車運(yùn)行過(guò)程中的速度-時(shí)間關(guān)系；圖6追蹤列車運(yùn)行過(guò)程中的速度-時(shí)間關(guān)系；圖7追蹤列車運(yùn)行過(guò)程中的速度-時(shí)間關(guān)系；圖8程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1在軌道交通固定閉塞系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬控制方法中，模擬系統(tǒng)包括四個(gè)部分車站、車載部分、軌道交通沿線部分和調(diào)度中心。車載部分為安裝在列車上的測(cè)速系統(tǒng)、定位系統(tǒng)以及列車檢測(cè)系統(tǒng)等車載設(shè)備，軌道交通沿線部分為安裝在軌道沿線的地面?zhèn)鞲衅鳌⒂涗浖帮@示系統(tǒng)等設(shè)備，系統(tǒng)控制中心也就是調(diào)度中心。圖1所示為四顯示固定閉塞條件下，列車運(yùn)行模擬系統(tǒng)示意圖。圖1中，假設(shè)列車的長(zhǎng)度為100米，列車的加速度和制動(dòng)速度皆為1米/秒2，旅客列車的最大速度為40米/秒，貨物列車的最大速度為30米/秒，安全距離為60米，閉塞區(qū)間長(zhǎng)度設(shè)置為400米。
模擬過(guò)程中，軌道交通沿線的傳感器主要完成列車信息采集，并傳輸給列車自身的車載系統(tǒng)，列車通過(guò)自身的車載系統(tǒng)精確測(cè)定列車車頭所在的位置，并通過(guò)車站將有關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線中繼設(shè)備實(shí)時(shí)傳送到地面調(diào)度中心。地面調(diào)度中心根據(jù)列車前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的精確位置和顏色，確定列車在追蹤運(yùn)行過(guò)程中的目標(biāo)點(diǎn)。以此目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算出列車行駛的速度，并通過(guò)車站將控制命令實(shí)時(shí)發(fā)送給列車。最后由車載系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制列車的行駛速度，以確保列車運(yùn)行安全。
實(shí)驗(yàn)?zāi)M在模擬的過(guò)程中，相鄰兩列列車通過(guò)信號(hào)保持追蹤間隔，如果兩列列車之間的間距較小，則后繼列車在運(yùn)行的過(guò)程中，將會(huì)遭遇黃綠色、黃色等降速信號(hào)，甚至將遭遇紅色信號(hào)而停車。圖4、5、6、7所示為列車運(yùn)行的軌跡，它表示列車運(yùn)行期間的位置和時(shí)間之間的變化關(guān)系。在圖4、5、6、7中，橫軸代表位置，縱軸代表時(shí)間，豎直線對(duì)應(yīng)零速度，這就意味著列車在這一段時(shí)間內(nèi)保持位置不變，也就是說(shuō)列車停留在軌道線路上的某個(gè)位置。圖4和圖5分別模擬了不同的發(fā)車時(shí)間間隔時(shí)，列車流的運(yùn)行軌跡(圖4發(fā)車間隔為78秒，圖5發(fā)車間隔為85秒)。從圖4中，可以明顯地觀察到若干條水平線，最前面四條是由于列車在車站?？慷纬傻?模擬中在車站設(shè)置了四條到發(fā)線)，其余的則是由于列車被延遲而形成的停停走走的現(xiàn)象。這和實(shí)際交通中，列車運(yùn)行的特點(diǎn)一致。
在軌道線路上運(yùn)行混編車流時(shí)(如貨車與旅客列車)，列車具有較為復(fù)雜的加速和減速行為。圖6所示為旅客列車在貨物列車之后的運(yùn)行過(guò)程，圖中給出了該旅客列車速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。同時(shí)圖7也給出了在軌道線路上運(yùn)行同類型的列車時(shí)，列車速度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從該圖可以看到，軌道上運(yùn)行同類型的列車時(shí)，列車在運(yùn)行過(guò)程中其前方的信號(hào)都為綠色通過(guò)信號(hào)，只是在車站區(qū)域發(fā)生加速、減速的行為，而當(dāng)線路上運(yùn)行混編列車時(shí)，跟隨在貨車之后的旅客列車的行為較為復(fù)雜，在運(yùn)行過(guò)程中，其前方信號(hào)機(jī)的顏色由綠色通過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)橄匏傩盘?hào)，并且出現(xiàn)了三次遇到紅色信號(hào)而停車的現(xiàn)象，列車呈現(xiàn)出低速、停停走走的特征。
實(shí)施例2如圖2示，發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)主要在于調(diào)度中心對(duì)于列車的運(yùn)行速度的互動(dòng)過(guò)程。調(diào)度中心根據(jù)在線列車所傳送的信息，根據(jù)所設(shè)定的列車速度更新原則，計(jì)算列車的速度，再傳送至列車，列車根據(jù)調(diào)度中心的指令，調(diào)整自身的運(yùn)行策略，形成了這樣一個(gè)互動(dòng)的過(guò)程。
在軌道的沿線設(shè)備中，包括閉塞信號(hào)系統(tǒng)，即防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色的更新系統(tǒng)。防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色根據(jù)列車的當(dāng)前的位置信息，通過(guò)軌道電路，進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和更新，具體更新規(guī)則如下如圖3所示(以四顯示閉塞信號(hào)系統(tǒng)為例)，當(dāng)列車2在分區(qū)4，則，分區(qū)4的信號(hào)機(jī)顏色為紅色，在其后方的閉塞分區(qū)的信號(hào)則分別為黃、黃綠和紅色。閉塞信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)在線列車的當(dāng)前位置更新沿線的信號(hào)機(jī)顏色，并傳送到調(diào)度中心，作為調(diào)度中心對(duì)列車當(dāng)前速度進(jìn)行計(jì)算的重要依據(jù)。
如實(shí)施例1中的計(jì)算公式，是調(diào)度中心內(nèi)部的運(yùn)算過(guò)程，是計(jì)算列車的速度的重要依據(jù)，而列車根據(jù)調(diào)度中心所給出的列車運(yùn)行速度信息而調(diào)整自身的速度。
在固定閉塞系統(tǒng)中，閉塞信號(hào)所起到的作用為保證列車與列車之間以閉塞分區(qū)間隔追蹤運(yùn)行，以保證列車的行車安全。例如在圖3中，列車2處于分區(qū)4時(shí)，該分區(qū)的信號(hào)顏色為紅色，則列車1最大限度運(yùn)行至該信號(hào)機(jī)前必須停止，以保證列車追蹤運(yùn)行的安全性。
以計(jì)算列車1的速度為例，(1)軌道沿線設(shè)備采集列車1的位置信息和列車1前方的防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色、位置信息并傳送至調(diào)度中心，同時(shí)列車1通過(guò)通訊設(shè)備將自身的參數(shù)信息(如列車型號(hào)、所允許運(yùn)行最大速度、自身的最大加減速度等)傳送至調(diào)度中心；(2)調(diào)度中心根據(jù)所得到的上述信息，根據(jù)所提出的列車速度更新原則對(duì)列車的當(dāng)前速度進(jìn)行計(jì)算，得到列車當(dāng)前應(yīng)采取的操作策略。
調(diào)度中心將所得的計(jì)算結(jié)果傳送至列車1，列車1根據(jù)得到的運(yùn)行指令調(diào)整自身的運(yùn)行速度。
如圖8所示，是單線軌道的列車追蹤運(yùn)行，列車區(qū)間或站內(nèi)的追蹤過(guò)程為在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，列車首先測(cè)定自己的位置和速度。然后，計(jì)算列車與前方目標(biāo)點(diǎn)的距離，前方目標(biāo)點(diǎn)包括前方防護(hù)信號(hào)機(jī)或前方站點(diǎn)所在的位置。在列車與前方目標(biāo)點(diǎn)的距離的基礎(chǔ)上，根據(jù)模擬模型的規(guī)則，計(jì)算追蹤列車的速度，并進(jìn)一步確定列車在下一時(shí)刻的位置。以上便完成了列車在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的追蹤過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種固定閉塞系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬控制方法，其特征是含有以下步驟；步驟1在列車運(yùn)行模擬控制方法中，調(diào)度中心根據(jù)列車運(yùn)行圖，也即運(yùn)行計(jì)劃，產(chǎn)生調(diào)度命令，并通過(guò)無(wú)線中繼設(shè)備下達(dá)給在線路上行駛的列車；步驟2每列列車將自己的位置、方向以及速度參數(shù)等傳送給調(diào)度中心；步驟3調(diào)度中心接受列車的參數(shù)信息，判斷在任意時(shí)刻該區(qū)段的列車前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色及位置，將列車允許運(yùn)行速度等信息傳遞給列車；步驟4列車根據(jù)調(diào)度中心的調(diào)度命令，確保列車按規(guī)定速度運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固定閉塞系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬控制方法，其特征是有以下步驟步驟1加速①防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為綠色，vn＝min(vn+a，vmax)；②防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為黃綠色，當(dāng)Δxn>xcyg]]>vn＝min(vn+a，vmax)當(dāng)Δxn<xcyg]]>vn＝max(vn-b，vyg)否則vn＝vn；③防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為黃色，當(dāng)Δxn>xcy]]>vn＝min(vn+a，vmax)當(dāng)Δxn<xcy]]>vn＝max(vn-b，vy)否則vn＝vn；④防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色為紅色，當(dāng)Δxn>xcr]]>vn＝min(vn+a，0)當(dāng)Δxn<xcr]]>vn＝max(vn-b，vy)否則vn＝vn；步驟2減速vn＝min(vn，gap)；步驟3位移xn＝xn+vn；式中Δxn列車與前方防護(hù)信號(hào)機(jī)之間的距離xn列車車頭所在的位置vn列車的速度a列車的加速度b列車的減速度xcyg列車在黃綠信號(hào)前減至規(guī)定速度所需距離vyg黃綠信號(hào)時(shí)列車的規(guī)定速度xcy列車在黃色信號(hào)前減至規(guī)定速度所需距離vy黃色信號(hào)時(shí)列車的規(guī)定速度xcr列車在紅色信號(hào)前減至規(guī)定速度所需距離vmax列車的最大限制速度gap列車與前方目標(biāo)點(diǎn)之間的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種固定閉塞系統(tǒng)列車運(yùn)行模擬控制方法，其特征是加速和減速的規(guī)則是(1)當(dāng)前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色為綠色時(shí)，列車加速，其速度可以達(dá)到區(qū)間最大允許速度；(2)當(dāng)前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色為黃綠色或黃色時(shí)，列車必須在防護(hù)信號(hào)機(jī)前減至規(guī)定速度；(3)當(dāng)前方防護(hù)信號(hào)機(jī)的顏色為紅色時(shí)，列車必須在防護(hù)信號(hào)機(jī)前停止；(4)當(dāng)列車的前方為一車站時(shí)，如果車站的防護(hù)段還沒(méi)有清空，則列車根據(jù)站前防護(hù)信號(hào)機(jī)顏色更新速度，如果車站的防護(hù)段已經(jīng)清空，則列車可以直接進(jìn)入車站?？?。
全文摘要
本發(fā)明提供一種軌道交通固定閉塞條件下列車運(yùn)行模擬控制方法。該模擬系統(tǒng)適用于分析各種條件下的列車運(yùn)行狀況，能夠分析在各種顯示制式下列車流的各種動(dòng)態(tài)特性。模擬過(guò)程中，每列列車將自己的位置、方向以及速度信息傳送給調(diào)度中心，調(diào)度中心則根據(jù)軌道線路沿線設(shè)備所采集的防護(hù)信號(hào)機(jī)的位置和顏色，通過(guò)模型所設(shè)定的規(guī)則確定列車當(dāng)前的加速和減速操作，并利用無(wú)線中繼設(shè)備將調(diào)度指令下達(dá)給在線路上行駛的列車，沿線列車根據(jù)所接受的調(diào)度指令更新列車的運(yùn)行速度。本模擬系統(tǒng)仿真度高，能實(shí)時(shí)顯示列車的運(yùn)行狀況，而且規(guī)則靈活，易于修改以適合于不同交通條件下的模擬。
文檔編號(hào)G06G7/76GK101088822SQ20071011922
公開(kāi)日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月18日
發(fā)明者高自友, 李克平, 李峰 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)