华东理工大学学报(自然科学版)JournalofEastChinaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.33No.22007204

收稿日期:2006205223

作者简介:万　衡(19672),男,上海人,副研究员,博士,研究方向:电气自动控制与EDA。E2mail:wanheng@ecust.edu.cn

文章编号:100623080(2007)0220238204

计算机仿真技术在城市轨道交通设计中的应用万　衡1,　陈江岸1,　江彩玉2(1.华东理工大学信息科学与工程学院,上海200237;2.上海市电气自动化设计研究所,上海200023)

摘要:介绍了轨道交通牵引特性的要求和特点,为估算轨道交通线路数据和运行车辆参数,设计了具有良好交互特性的软件,并将仿真结果与实际轨道线路参数进行了对比,获得了接近实际的实验数据。关键词:计算机仿真;电气技术;铁路;地铁中图分类号:TM273文献标识码:A

ApplicationofComputerSimulationTechniquestoMetroDesignWANHeng1,　CHENJiang2an1,　JIANGCai2yu2(1

.SchoolofInformationScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceand

Technology,Shanghai200237,China;2.ShanghaiDesignandResearchInstituteofElectricalAutomation,Shanghai200023,China)

Abstract:Therequirementandcharacteristicsofmetroareintroducedinthepaper,Asoftwaresystemwithgoodinteractivityisdesiguedandimplementedforevaluatingmetro’srailroaddataandoperatingtrains′parameters.Simulationresultsarecomparedwithrealrailroadparametersandshowthatexperi2mentaldataareclosetorealdata.Keywords:computersimulation;electricaltechnology;railroad;metro

城市快速轨道交通系统是近代高科技的产物,

是目前解决大城市交通问题的最佳途径。由于轨道交通基建投资巨大,进行实际线路试验困难,人工计算工作量巨大,且难以到达计算精度和实效要求,因此采用计算机仿真技术进行先期参数估算具有独特的优势。作为轨道交通设计的关键技术之一,在以往上海地铁设计规划中,相关仿真实验均由外方负责,价格昂贵,且只提供最终数据,具体运行参数和仿真机理均不得而知。因此这给大规模自建轨道交通线路带来了技术瓶颈,也会大大增加建设成本。为此,我们对计算机仿真这一技术展开了相关研究。

1　设计要求在城市轨道交通设计规划时,必须进行主要参数的估算。其中包括:(1)根据选定的不同的机车参数,对规划确定区间中牵引状况进行估算,其中包括区段的牵引重量、运行速度、运行时间、能量消耗等数据并绘制运行图。(2)根据设计线路的需要,为新车设计提供计算机车功率、粘着重量、机构速度等参数依据,为计算供电系统提供基础参数。如上所述,轨道交通基建投资巨大,不可能通过开挖地铁试验段来进行设计数据的采集、分析和修改,只能通过建立数学模型,在仿真模型软件中,输入不同数据,组合模拟出各种地铁交通状况,为机车

832的模拟运行提供一条虚拟轨道,以此来探讨线路结构的合理性和参数对系统稳态、暂态特性的影响,从而确定最佳的控制方案,最佳结构和最优的系统参数,实现优化设计,提高设计质量[1]。2　软件实现牵引特性是整个轨道交通设计的重点,且仿真技术具有独特的优势,在结合以往铁路设计相关软件的基础上,根据上海电气轨道交通相关课题的要求,本文进行了相关仿真系统的研究。常规铁路的仿真模型相对成熟,可以作为主要的设计参考依据,但城市轨道交通与之相比,具有站间距离短,加减速频繁,停站要求快速平稳等一系列特点;在这点上,与垂直运动的高速升降机有相似之处,但城市轨道交通车辆比高速升降机具有更大的运行质量,因此控制难度更大。因此必须结合常规铁路和高速升降机的运行模型,建立城市轨道交通的仿真模型[2]。图1　工况选择流程图Fig.1　Runningprocessofoperatingcondition’schoice 城市轨道交通的电动车组的牵引特性和制动特性属于非线性的,因此采用了精度较高的抛物线拟合曲线求值算法。根据不同段面的车辆限速要求,电动车组以曲段和坡段为界进行仿真计算,引入段面牵引加速度和惰行加速度概念,采用当前段面与下一段面限速相结合来选择列车运行状况。同时为了满足转换段面限速要求和停站要求,采用了以下的方式:以特定段面限速估算出制动距离和到达换段面前的制动距离,结合当时运行实际速度,反复缩短制动距离直到满足规定速度要求[3]。这样既可发挥仿真计算精度高、速度快和可靠性高的优势,也更接近实际的驾驶操作过程。2.1　牵引计算分析根据相关资料可知,轨道交通的车组在各个曲段、坡段上运行工况主要包括了牵引、惰行、电气制动和机械制动4种。如何选择必须根据当前的所处线路的具体条件,根据线路和车组参数,模拟控制中心自动优选工况。该原理引入了对应曲段的曲率、限速和坡段的坡度的牵引加速度af和惰行加速度ad

的概念,结合电动车组当时实际运行速度νv和运

行中对应的各区段限速ννmax来选择工况并建立了数学模型,并以此建立仿真模型,其软件框图如图1[3～5]。图中:gk=1、2、3分别表示牵引、惰行及制

动工况,af为牵引加速度,ad为惰性加速度,

ν

v为实

际运行速度,ννmax为各区段限速,ννqmax为牵引工况限速,ννzmax为制动工况限速。 在各个曲段、坡段上运行采用什么工况,必须根据当前的具体线路条件,模拟司机操作自动优选工况。为此本文引入了对应曲段的曲率、限速和坡段

932第2期万　衡,等:计算机仿真技术在城市轨道交通设计中的应用的坡度的牵引加速度af和惰行加速度ad的概念,结合电动车组当时实际运行速度νv和运行中对应的各区段限速ννmax来选择工况,分析如下[3]:(1)当af>0,ad>0时,假设当前为牵引工况,牵引工况限速ννmax设置为ννmax-νqx。νqx是曲段限速时牵引工况运行的控制开关速度,根据用户需要确定。当νv≤ννqmax时下一时刻运行采用牵引工况,若νv>ννqmax,则下一时刻应转为惰行运行;假设当前为惰行工况,若νv>(ννqmax-1.5),下一时刻应转为制动运行,若νv≤(ννqmax-1.5)则应继续惰行运行;假设当前为制动工况,制动工况限速ννmax设置为ννmax-νzx。νzx是曲段限速时制动工况运行的控制开关速度,若νv<(ννmax-νzx),下一时刻应转为惰行运行,否则应选择制动工况。(2)当af>0,ad<0时,假设当前为牵引工况,若νv≤(ννqmax-1.5),下一时刻运行采用牵引工况,若νv≥(ννqmax-1.5),则下一时刻应惰行运行;假设当前为惰行工况或制动工况,惰行工况限速νdmax设置为ννmax-νdx。若νv>ννdmax,下一时刻应惰行运行,若νv≤ννqmax则应选择牵引运行。(3)当af<0,ad<0时,不管当前为何种工况,都应转换到牵引工况。在运行过程中采集到的路面数据即坡段数据和曲段数据有时是交叉的,但每个曲段有限速的要求,车辆运行时必须控制速度在限速以下,而且在当前曲段运行时,还应考虑下一曲段限速的要求,否则在下一曲段运行时,就可能超过规定的限速。因此在牵引仿真时,首先要调整各曲段限速。其原理如下:当下一曲段的限速高于当前曲段限速时,则在当前曲段运行可按本曲段限速要求运行,并以此限速值的速度通过换曲段点。考虑到设计线路数据中坡段区间和曲线段区间交叉情况的存在,例如在转弯路段的某一时刻,线路出现了下坡。但每个曲线段区间都有限速的要求,车辆运行时必须控制速度在限速以下,而且在当前曲线段运行时,还应考虑下一曲段限速的要求,否则在下一曲线段运行时,就可能超过规定的限速。因此在牵引仿真时,首先要调整各曲线段限速。其原则是当下一曲段的限速大于本曲线段时,仍按照这一曲线段限速运行,直到换曲线段点。2.2　数据接口程序的编写考虑到系统使用者的需要,软件界面的设计充分考虑到交互性和人机界面的友好,通过一组直观的交互界面,易于规划设计的使用者,同时也使得软件具备了演示功能,为软件进行人员培训的二次开发作好了准备。为此,采用WinCC组态软件设计界面。通过接口程序,实现软件仿真部分计算所得数据和WinCC读取输入的相关设定参数的双向传递[6～7]。WinCC的数据输入和输出跟vc大部分相同,数据的输入要根据数据文件的格式来编写,WinCC

接口数据的流程图如图2所示。

图2　WinCC接口数据流程图Fig.2　RunningprocessofWinCCinterfacedata

轨道交通牵引特性软件组态的交互界面如图3

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