[摘  要]軌道交通不僅能減少污染，同時還能降低能耗，提升陸運的運輸能力。如何開發(fā)更智能、更高效的列車運行控制系統(tǒng)，是當下軌道交通中的熱點。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，研究在列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）的基礎(chǔ)上構(gòu)建了列車運行控制系統(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，這樣信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性更高。同時利用實際運行時間和仿真運行時間進行對比，以驗證模型方法的運載效率。通過對比上行、下行的實際、仿真用時，發(fā)現(xiàn)仿真在沒有超速的情況下，提高了運行的平均速度，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，確保高效的運載能力，能夠為軌道交通列車的運行控制提供一個新的思路。

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

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


引  言

隨著城市化進程的不斷加快，城市交通問題成為全球關(guān)注的熱點。為了解決這個問題，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、高效地運行。如何高效地利用軌道列車運行控制系統(tǒng)，來解決列車運行控制面臨的調(diào)度、運載效率和安全等問題是該領(lǐng)域的研究熱點。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系統(tǒng)的區(qū)段保護長度進行分析，提出了對軌道車輛和運行路線等參數(shù)進行縮短區(qū)段長度，以此來優(yōu)化保護區(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，通過地鐵運營的實際應用，很好地解決了地鐵信號系統(tǒng)被干擾的情況。趙鵬等人在對列車自動控制系統(tǒng)（Communication Based Train Control System，CBTC）進行研究的基礎(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)備故障判斷的準確度。本文對專家、學者們的研究結(jié)果進行總結(jié)和分析，再結(jié)合通信對軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的影響，提出了基于通信系統(tǒng)的列車運行控制系統(tǒng)模型。


      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行控制的一個重要方面，它直接影響著列車的安全、節(jié)能和高效運行。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)可以實現(xiàn)列車與車載設(shè)備之間的通信，從而實現(xiàn)列車的自動控制。同時還可以讓列車自動調(diào)整運行狀態(tài)，例如調(diào)整速度，避免出現(xiàn)超速風險。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行計劃的優(yōu)化來實現(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間和能耗。例如可以利用對列車運行過程中的自動制動、自動減速等功能，避免出現(xiàn)超速風險。最后CBTC擁有的實時通信功能，可以利用安全算法和列車實時位置信息來提升鐵路的運營效率。

如何更好地運用系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)比對，獲得精確的結(jié)果是進行優(yōu)化的主要目的。因此在對軌道列車控制系統(tǒng)仿真時，需要對軌道列車的加速度和制動系統(tǒng)進行數(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)出牽引和制動命令的同時，車載信號系統(tǒng)能夠探測到列車的實際加速度和減速度，并對制動輸出作出相應的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，使列車能夠按規(guī)定的制動率進行減速。根據(jù)信號安全設(shè)計原理，要將信號誤差、動作延遲時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，在列車運行控制模擬中，通常采用節(jié)時策略來達到運行速度、跟蹤時間等系統(tǒng)指標的限值。根據(jù)能量守恒原理，在一定的控制方案下，對車速進行計算，并對車速進行分析。軌道列車從A站運行到B站的能量是守恒的，可用公式（1）表示能量變化。

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公式（1）中，[EAs]表示列車的位能，[EAd]表示列車的機械能，[Wl]表示直線軌道上的牽引或制動和基礎(chǔ)阻力共同作用，[Wz]表示彎道和隧道阻力的作用。軌道運行的機械能又可分為列車整體平移動能和以車輪旋轉(zhuǎn)形式存在的旋轉(zhuǎn)動能，可用公式（2）表示。

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公式（2）中，[Ep]表示軌道列車平移動能，[Ex]表示軌道列車旋轉(zhuǎn)動能。[Ex]的數(shù)值可用公式（3）計算。

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公式（3）中，[mi]表示軌道列車車輪上單位質(zhì)點的質(zhì)量，[ri]表示單位質(zhì)點到軸心的間隔，[ω]表示瞬時角速度，[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，重力還會影響到軌道列車的運轉(zhuǎn)，會使列車整體平移和使車輪旋轉(zhuǎn)。可用公式（4）表示。

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公式（4）中，[Wp]表示軌道列車平均動能，[Wx]表示軌道列車平均轉(zhuǎn)動動能，[ai]表示車輪上單位質(zhì)點的加速度，[Δsi]表示單位質(zhì)點的位置變化量，[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)的列車運行策略控制模型構(gòu)建

近年來，基于CBTC系統(tǒng)的列車運行策略控制模型得到了廣泛應用。該模型可以幫助列車安全、高效地運行，減少列車在運行中的能耗和時間成本。研究將從CBTC系統(tǒng)的基本原理和列車運行策略控制模型的構(gòu)建兩個方面進行闡述。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)由一系列相互獨立的設(shè)備組成，包括應答器、移動閉塞信號、車載設(shè)備等。通過這些設(shè)備之間的通信，列車可以實現(xiàn)自動控制，如速度控制、安全保護等功能。其次，列車運行策略控制模型是基于CBTC系統(tǒng)的列車運行策略控制模型的重要組成部分。利用CBTC構(gòu)建模型時主要需要考慮以下幾個方面的參數(shù)。（1）目標函數(shù)。列車運行策略控制模型需要建立一個優(yōu)化目標函數(shù)，以最小化能耗和時間成本為目標。該目標函數(shù)可以是多個不同類型的指標，如速度、距離、能耗等。（2）約束條件。為了實現(xiàn)列車運行策略控制模型的優(yōu)化目標函數(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閉塞信號、車輛定位誤差等。（3）優(yōu)化算法。為了實現(xiàn)列車運行策略控制模型的優(yōu)化，需要使用一些優(yōu)化算法進行求解。這些算法包括了隨機梯度算法、蟻群算法等。（4）求解過程。通過求解上述優(yōu)化目標函數(shù)，可以得到不同類型的列車運行策略控制模型，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)學工具進行求解。

綜上所述，結(jié)合列車速度的優(yōu)化，進一步對列車的運行策略進行控制，并構(gòu)建模型。在構(gòu)建模型時要考慮列車加減速性能和速度控制策略，以它們?yōu)橹饕蛩?，然后再進行系統(tǒng)功能和仿真流程設(shè)計。在構(gòu)建模型時需要考慮到數(shù)據(jù)信息在遭遇復雜的電磁環(huán)境時，數(shù)據(jù)信息傳輸效率會受到影響。因此需要先建立起“車載－地面”通信鏈路，而建立“車載－地面”通信鏈路會消耗一定的時間，又會導致通信鏈路的建立時間被延長，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)失去時效性。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候，因此研究將這部分不計入模型分析中。同時在任何一個區(qū)間中限速上沿均為勻速限速和減速限速的較小值，以保證列車在運行時不超速和準確停車?？紤]到列車控制策略比較單一，速度容易產(chǎn)生波動，因此通過添加限速下限控制速度變化，這時就需要計算A、B兩點的速度，可用公式（5）計算A點的速度。

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公式（5）中，[Mp]表示軌道列車的靜止質(zhì)量，[Mi]列車相對于靜止質(zhì)量的動態(tài)質(zhì)量，[g]表示自由落體加速度，[νA]表示列車在A點前的速度，[νB]表示列車在A點前[Δs]處B點的速度，[hA]表示A點的高程，[hB]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）能夠計算出B點的速度，見公式（6）。

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公式（6）中，[νA]表示列車在A點的速度，[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，[dAB]表示A、B兩點間的坡度，[t]表示列車在A、B兩點之間運行消耗的時間。結(jié)合A、B兩點的速度，得出列車的運行限速公式，見公式（7）。

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公式（7）中，[νtag]表示安全速度，[νlit]表示限制速度，[tcut]表示牽引切除延時，[aerr]表示牽引切除延時期間列車的故障加速度，[tcoa]表示制動施加延時，[νerr]表示測速誤差，[νmar]控制余量。根據(jù)研究分析可知基于CBTC系統(tǒng)的列車運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力學模型來模擬列車的運行情況。然而，目前此類仿真方法多針對車輛特性、動力學特性、線路狀態(tài)等物理特征及約束條件的分析與計算，而針對城市軌道交通控制的相關(guān)研究相對較少。以列車運行時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)計標準和工程設(shè)計約束，構(gòu)建了以列車運行時為基礎(chǔ)的列車控制模擬模型，如圖1所示。

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基于通信系統(tǒng)的列車運行控制仿真系統(tǒng)模型的性能分析

研究通過仿真實驗對模型的性能進行分析，以驗證其有效性。仿真實驗中列車的限速參數(shù)要求為：列車最高限速80km/h、月臺區(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)和動態(tài)質(zhì)量比為0.95，制動施加延時時間為0.3s，制動施加延時施加1.2s，緊急制動效率為-1m/s2；列車的信號參數(shù)有制動輸出延時時間0.4s，常用制動的減速速率為-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。

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圖2  列車平均間距與CBTC系統(tǒng)鏈路建立的數(shù)量關(guān)系

由圖2可知，現(xiàn)行方法在列車間距為200m的時候，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，鏈路降至2組。而模型方法在列車間距為200m時，建立了5組鏈路，同樣也會隨著距離的增加鏈路而減少，在間距為1000m時，鏈路降至3組。造成這種情況的原因是現(xiàn)行方法在進行算法匹配時受到了電磁干擾，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，按照運行距離20km，距離步長1m，時間步長100ms，列車啟動和制動過程使用最大牽引力和制動力，且在區(qū)間運行的過程中保持較高運行速度，設(shè)置利用模型方法仿真結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)進行比較。圖3為CBTC系統(tǒng)下列車整個運行的對比結(jié)果圖。

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圖3（a）表示列車運行上行的對比結(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、對整個系統(tǒng)的運行要求更高；而距離較遠的兩個車站之間，列車的提速具有一定的幅度，即會按照對應的限速要求進行提速，以保證整個列車網(wǎng)絡(luò)運行的準時性和安全性。實際運行過程中上行最快速度為78km/h，平均運行速度在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，將運行速度合理提高，與實際運行速度相比，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行時間，大大提高列車的運載效率。

圖3（b）表示列車運行下行對比結(jié)果。由圖可知，實際運行過程中下行最快速度為76km/h，平均運行速度在59.63km/h；模型方法中上行最快速度為77km/h，平均運行速度在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\行速度提高，與實際運行速度相比，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荷勻速和坡度運行等邏輯，列車在運行過程中能夠提前制動，且很好地避免了超速等不安全行為，制動過程也滿足連續(xù)性的要求，模型方法具有很不錯的運行效果。將整個20km的運行位置分為典型的4個區(qū)域，對實際運行時間、仿真運行時間和差異進行對比分析，結(jié)果如圖4。

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由圖4（a）可知，在劃分的4個區(qū)域中，上行實際運行時間和仿真運行時間差異最小的區(qū)域是在1-2區(qū)域之間，運行時間相同，而差異最大的區(qū)域在3-4區(qū)域之間，相差1.2s，占全程運行時間比值為0.21%。由圖4（b）可知，在劃分的4個區(qū)域中，下行實際運行時間和仿真運行時間差異小的區(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，占全程運行時間比值為0.30%。通過上行和下行在實際運行與仿真結(jié)果的對比可知，模型方法的仿真結(jié)果與真實運行差距極小，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行控制仿真教學系統(tǒng)是一種通過計算機仿真技術(shù)來進行相關(guān)教學目標設(shè)計，能夠?qū)W習者與業(yè)內(nèi)人士、教師和教學資源相聯(lián)結(jié)的電子學習系統(tǒng)。城市軌道交通CBTC系統(tǒng)通常包括列車自動保護/運行、列車自動監(jiān)視、聯(lián)鎖和數(shù)據(jù)通信等子系統(tǒng)，在實際運用中，CBTC系統(tǒng)會受到各種信號源的信號的干擾，為了提高CBTC系統(tǒng)控制運行的效率。研究在CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了列車運行控制系統(tǒng)的模型。在實驗中，首先在CBTC系統(tǒng)中對列車速度控制進行優(yōu)化，然后構(gòu)建列車運行控制系統(tǒng)模型，最后利用仿真實驗去驗證模型方法的有效性。雖然實驗驗證了模型方法能夠在穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，確保高效的運載能力，但研究還存在一些不足之處，針對多鏈路通信的運行控制系統(tǒng)研究還沒有進行深入的分析。今后我們將多搜集數(shù)據(jù)集，以期對多鏈路通信再進行深入的研究。

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（武凝：陜西交通職業(yè)技術(shù)學院）

責任編輯：張言