第10章 列车运行仿真及其软件

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开始
开始
获得速度，位置， 时间，限速
获得列车重量，速度， 位置，时间，限速 计算列车基本阻力 计算列车附加阻力
确定列车操纵手柄位
计算列车状态数据
推进时间步 长
计算列车牵引力 计算列车制动力
数据存储 N 到达模拟 终点？ Y 模拟结束
计算列车加速度 计算步长末速度、位置、时间
结束
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系统主要特点
• 采用等时间步长模拟算法，以牵引计算理论为基 础对列车运行过程进行建模计算
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系统结构介绍
机车数据库 车辆数据库 线路数据库 基础数据输入 闭塞方式选择 列车定义 模拟步长选择
模拟参数定义 通用列车运行 模拟器 模拟结果分析 模拟结果存取 方案比选分析
模拟策略确定
节时 节能 定时 策略 策略 策略
V-S曲线 T-S曲线 手柄位图 应用研究
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模拟计算系统GTMSS的版本
v 目标速度
m1 m2
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城市列车运行计算模拟系统（中文版）
适用于城市铁路的运行模拟 包括两种运行模式： 1）目标模式（与铁路模式类似）列车运行过程 按给定的目标速度、以最大牵引力牵引运行。 2）巡航模式 它是指列车达到某一速度后即保 持以该速度运行，直到列车因受到速度限制 或停车而改变速度。
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节时模式

包括以下几个要点： (1)列车从较低的限速向高限速过渡时，采用机 车最大可能的牵引力； (2) 列车从较高限速向较低限速过渡时，采用制 动方式。 (3) 在某一恒定限速处，尽可能采用与限速接近 的手柄位；
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定时情况下的节能模式
(1)给定列车运行时分 Hale Waihona Puke Baidu2) 从较低限速过渡到较高限速时，采用最大可 能牵引力； (3) 从较高限速过渡到较低限速时，尽量利用惰 行来减少能量消耗； (4) 列车进站时，在进站前段仍可采用惰行，直 到某一临界速度，采用制动停车。

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巡航模式图
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系统应用案例简介
(1) 为不同城市条件下新建铁路系统的可行性研 究提供分析与论证手段； (2) 为既有铁路系统设备的改造计划提供分析与 论证工具； (3) 可以分析不同设备的效果，为新设备购置提 供技术咨询；
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不同策略下的速度-距离曲线
1-节时 2-节能(60km/h) 3-节能(50km/h)
• 计算的核心是机车工况转换与手柄位的确定 • 列车牵引力、动力制动力以及能耗的线性插值计 算，按质量带原理计算列车单位附加阻力 • 采用多种牵引模式（有级/无级）、不同的机车牵 引策略（节时/节能）、不同的信号闭塞制式的多 列车运行计算模型，电力牵引条件下电流、电压 的求解模型
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系统的适用对象及功能
(1) 用于设计部门。系统可以为工程设计人员提 供各种条件下系统相关指标的自动计算。 (2) 用于运营管理部门。系统可以用于机车操纵 方案的优化、铁路既有线提速方案的分析模拟 等方面。 (3) 用于教学研究部门。系统可以为铁路各级学 校及生产一线的教学人员提供不同运行模式下 列车运行过程的动态演示。

计算方式：手工或自动


列车的处理：点或带
坡道处理：化简或不化简 时钟推进方法：等步长法或事件表法 停车处理算法：回退或不回退 列车运行模式：节能、节时或定时优化 其它：多列车间运行的相互影响，供电系统负 荷，信号机布局等
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系统仿真的推进
• 时间步长法 以固定的时间间隔进行驱动； • 事件步长法 按下一类最早发生事件的发生时间推进。
(2) (1)
(3)
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节时与节能模式运营费支出情况
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线路改造前后的速度－距离曲线
(2) (1)
线路改造前后的速度—距离曲线
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线路改造前后的运营费支出情况
线路改造前的运营费支出
能耗 定额 定额 定额 定额 定额 定额 定额 定额 定额 合计 车次 2 3 4 5 6 7 8 9 (度) 1 (元) 1111 1371 10 13 110 454 15.5 8.6 3.6 0.6 47.5 662
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RAILSIM
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TPC Run Types
• END TO END RUN — TPC run from terminal to terminal with station stopping as required • FLYING SPEED RUN — maximum attainable speed run, • ALL OUT SPEED RUN — station to station run with no coasting or train pacing, • SCHEDULED SPEED RUN — station to station run with coasting as required, • ACCELERATE — can be combined with other run types, such as for the “run-away” portion of safe braking distance calculations, • MAINTAIN SPEED — can be combined with other run types, such as for the reaction time period for safe braking distance calculations, • COAST — can be combined with other run types, such as for the brake build-up time of safe braking distance calculations, and • BRAKE — can be combined with other run types, and includes friction service braking, combined braking (friction and dynamic/regenerative), blended braking (dynamic/regenerative with friction at low velocities) and emergency braking options.
线路改造后的运营费支出
车次 能耗 定额 定额 定额 定额 定额 定额 定额 定额 定额 合计 (度) 1 9 2 11 3 95 4 412 5 15.4 6 8.5 7 3.5 8 0.6 9 47 (元) 603
1111 1245
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28
180.00
Average speed
160.00
140.00
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国外列车运行计算仿真系统
• 1 RailSim
• 2 RailSys • 3 Opentrack
• 4 Dynamis
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RAILSIM （北美铁路）
• (1)建立了庞大的各类机车车辆参数库；
• (2)支持自定义列车牵引力和阻力模型；
• (3)提供了多种列车运行计算模型； • (4)高精度的列车运行模型； • (5)支持复杂的列车制动算法； • (6)提供各类输出报表。

铁路列车运行计算模拟系统 城市列车运行计算模拟系统 中文版 英文版
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铁路列车运行计算模拟系统

适用于城市间大铁路的运行模拟 包括如下运行模式：节时、定时下的节能、 目标模式。 节时模式是一种单目标的极端运行模式，并 不直接用于实际工作中。而定时模式综合考 虑了线路条件和机车牵引性能，是一种具有 实用价值和优化意义的运行模式。
第十章 列车运行计算系统
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第10章 列车运行计算软件系统
• 10.1 列车运行仿真计算
• 10.2 国内列车运行计算仿真系统 • 10.3 国外列车运行计算仿真系统
列车运行计算软件
• 核心算法
• 系统结构
• 主要功能 • 应用范围 • 发展趋势
列车牵引计算的特点及其发展
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列车模拟计算过程考虑要点
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RAILSIM Network Simulator
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2 Railsys

RailSys 包括 4 个功能模块 , 包括：设施管理、时刻表管理、 仿真管理以及评价管理。 RailSys最擅长处理的是对铁路既有或新建线路、车站以及 网络的比较评估，对列车运行计划的编制、验证以及评价 等。 RailSys还通过仿真分析有干扰和无干扰条件下的轨道交通 系统运行情况来评价运行时刻表的质量与可靠性。 在给定时刻表的前提上，计算仿真在各个时刻轨道交通网 络上运行的多个列车的位置、速度，分析列车相互之间以 及与信号等设施的相互影响，通过在仿真过程中考虑不同 的交通控制策略以及不同的运输扰动情况，输出各个列车 的实际运行速度时分曲线。
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V 1 惰行 2
限速 计算速 度 制动
牵引
S2
S1
S
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具有固定运行时分的 列车节能运行示意图
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目标模式

目标模式首先要确定列车实际运行的目标速度， 在列车起动及停车的过程中与节时模式类似， 只是在区间运行时以目标速度为基准，速度上 下波动来运行。
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目标模式图
k2 k1 速度 惰行 制动 惰行 惰行 牵引 牵引 惰行 牵引 距离
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1 RAILSIM
RAILSIM 主要模块包括列车运行行为计算器（ TPC ）、 RAILSIM路网编辑器、机车车辆库、负载电流分析器、报告生 成器、时刻表设计评估以及列车群运行仿真等。 TPC是RAILSIM中最核心、也是最著名的模块。它根据线 路平纵断面和列车编组，计算分析列车运行速度、时分、制动 距离以及能耗，评价评估机车、车辆性能以及进行轨道交通线 路设计分析，很多轨道交通仿真系统均加载了该计算程序。 RAILSIM TPC 能够准确分析计算各种类型列车的运行行 为，可以设置仿真时钟从0.01s到10.0s，可以为列车运行仿真选 择不同的车站停车时间和停车模式，能够仿真计算不同闭塞方 式、不同类型列车控制系统以及不同机车牵引策略的列车运行 行为，也能够研究运输能力分析、列车运行间隔计算、信号设 计、列控系统与机车车辆设计、系统能耗计算以及车站客流分 布等问题。
Target Speed 120km/h
Target speed 140km/h
Target speed 160km/h
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地铁线路上两种闭塞方式的比较
移动闭塞
B
A
固定闭塞
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AutoCAD输出图
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系统未来的发展
1 设计部门的手段(已经基本实现) 2 路局、分局列车运营管理的工具 机务部门机车定额管理 工务部门线路改造优化 调度部门运行组织与调整的依据 3 列车自动驾驶(ATO) 通过车载计算机装备到城市间与城市铁路的动 车操纵室，完成列车运行的无人驾驶。
△t
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列车运行过程计算模型
• 目标函数 下一个时间步长的机车工况/手柄位 • 约束条件 运行时分约束； 运行限速约束；信号约束； 运行进路约束； 机车操纵基本规则的约束； 运输组织规则约束； 列车运行模式约束。
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等时间步长法列车运行模拟的基本流程
根据限速、线路条件、列车编组和运 行时分确定机车工况/手柄位 计算机车牵引力或制动力 计算列车阻力 计算列车单位合力 计算列车加速度 计算列车在时间步长末的速度、距离 和能耗
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00 ·Ì á ¨Î ÷- ¨ ¶Ð Ë -± ±å Ç· çµ ê-¼ ñå ý -Ô ª Ð ¡¿ µ× ¯-² ½Î ä³ Ç-À λ Ô -Ð Â « ¶Ë «Ç Å-¤ ³¸ ð -Ë Õ ÷ ÎÆ ½ -½ ¹ ÷ ø Û -È ý ä ÎÊ ¤¹ Ø-¤ м Ò¸ Û-º¿ Ú -º º ½ ÉÆ Â -º Ø ò Ñ ¥Ë ¾-» ÆÐ ãÇ Å-Å ÇÍ ·æ ä-° × íÛ â- ¯ ÊÍ å -º â ò ÏÑ ôÇ Å-í м Ò¶ ´- Å ÕÌ ² -À Ö ó ´¿ Ó¿ Ú-Šý ­¿ Ú-¹ ãÖ ÝÎ ÷¤Ð ³ Áµ ê Ó ºµ ê ¶Ö ¨ Ý Ê Ï Á ô¿ Í °× Ø ¯ Ï ç± Ä ÏÑ ôÕ ¯ Ç Å ¯ × ¹Ã Ù í ¢Ó Ð ×µ ê ¢ и Ð Î ÷ ÊÇ ¤ Å ÁÏ Ù æ Æ »É ³½ Ö ¼ ÏÄ ý ÌÐ ï Ä É ½ ÍÔ ß ° » ³± ² ý ¸Ç ß Å ÔÌ ´ ¶ ã ¹Ö ÝÄ Ï