具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的轨道交通车辆运营仿真方法，主要适用于城市轨道交通列车运营仿真，也可推广应用至高铁、城际铁路等轨道交通领域，具体包括步骤：

1)根据实际的线路数据，铺画车辆的全线站场图；

2)计算站场图中任意两个相邻停车点之间的每个仿真步长的运行参数，所述运行参数包括运行时分、能耗参数；

3)按时刻表仿真行车，根据运行参数得到车辆从起始仿真时刻到结束仿真时刻的实时状态参数；所述状态参数包括车辆位置、速度、能耗；

4)依据车辆的状态参数，根据全线的电网配置计算车辆全线的能量潮流分布。

本实施例中，步骤1)的详细步骤为：

1.1)找到线路中的岔心；

1.2)按岔心位置将线路分成多条线路；

1.3)在每条线路上标出轨旁设备的布置情况；轨旁设备包括计轴、信号灯、停车点、站台中的一种或多种；

1.4)将各条线路的绘图长度与其对应的物理长度相对应，得到车辆的全线站场图。

本实施例中，在步骤2)中，分析车辆在运行过程中的受力情况，按照一定的操纵方法将车辆从一个地方运行到另一个地方。其中列车受到的合力是一个关于列车当前运行工况、当前速度和列车位置的函数。

以列车运行方向为受力分析的正方向，则作用在列车上的单位合力如式(10)所示：

c(v,x,N_t,N_b,β_c)＝f_trac(v,N_t)-b_brk(v,N_b,β_c)-w₀(v)-g(x) (10)

式中f_trac—列车单位牵引力，N/kN；b_brk—列车单位制动力，N/kN；w₀—列车单位基本阻力，N/kN；g(x)—列车单位加算附加阻力，N/kN；N_t—动车牵引手柄级位；N_b—动车电制动手柄级位；β_c—常用制动系数。

具体地，列车单位基本阻力为动车和车辆单位基本阻力的质量加权平均，如式(2)所示：

式(2)中w′₀—列车单位基本阻力，N/kN；w″₀—车辆单位基本阻力，N/kN；

基本阻力由(1)所示：

w′₀＝a+bv+cv² (N/kN) (1)

式(1)中：v—列车运行速度，km/h；a、b、c—经验常数，与动车和车辆的型号有关。

具体地，单位加算附加阻力包括单位坡道附加阻力、单位曲线附加阻力和单位隧道附加阻力三种；

单位加算附加阻力w_j，w_j在数值上等于加算坡度千分数i_j，如式(6)所示。

w_j＝i_j＝w_i+w_r+w_s＝i+w_r+w_s (N/kN) (6)

列车单位运行阻力w为列车单位基本阻力与因线路条件产生的单位加算附加阻力之和，如式(7)所示：

w＝w₀+w_j (N/kN) (7)

其中单位坡道附加阻力w_i在数值上等于所在坡道的坡度千分数i，按式(3)计算：

w_i＝i (N/kN) (3)

其中上坡道取正值，下坡取负值；

单位曲线附加阻力w_r按式(4)计算：

式中R—曲线半径，单位m；

单位隧道附加阻力w_s按式(5)计算：

w_s＝0.00013L_s (N/kN) (5)

式中L_s—隧道长度，单位m。

本实施例中，步骤3)中的线路时刻表用于记录全线列车(按车次及车底进行编号)，记录所有列车每个车次到站、出站，入库、出库及折返时间等。车辆运行流程如图4所示，针对大小交路、快慢车、折返轨、转换轨和停车库特殊场景，只要站场图中涵盖该部分线路，时刻表中有该部分运行时段，就可以相应进行仿真。

具体地，步骤3)的具体过程为：

3.1)查找时刻表，判断当前仿真时间是否晚于该车底的最晚出现时间，如否，则计算列车所在站区间；如是，则车辆退出运营；

3.2)判断是否停站，如否，则继续行车，查找运行时分表，得到列车实时状态参数；如是，则进入步骤3.3)；

3.3)判断列车之前的速度是否为零，如否，则继续停站，查找运行时分表，得到列车实时状态参数；如否，则进入步骤3.4)；

3.4)判断停站时间是否用完，如是，则强制停车，强制速度和加速度为零，查找运行时分表，得到列车其它实时状态参数；如是，则继续行车，查找运行时分表，得到列车实时状态参数。

本发明还公开了一种轨道交通车辆运营仿真系统，包括：

站场图铺画模块，用于根据实际的线路数据，铺画车辆的全线站场图；

列车运行模块，用于计算站场图中任意两个相邻停车点之间的每个仿真步长的运行参数，所述运行参数包括运行时分、能耗参数；

调度发车模块，用于按时刻表仿真行车，根据运行参数得到车辆从起始仿真时刻到结束仿真时刻的实时状态参数；所述状态参数包括车辆位置、速度、能耗；

供电仿真模块，用于依据车辆的状态参数，根据全线的电网配置计算车辆全线的能量潮流分布。

本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的轨道交通车辆运营仿真方法的步骤。本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的轨道交通车辆运营仿真方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

本发明的轨道交通车辆运营仿真方法及系统，提供一套全线路路列车运营仿真方案、可以快速、真实地仿真全线列车的运营情况；通过将全线列车车运营能耗作为供电系统的输入，进而可以仿真出轨道交通全线电网的能量分布。

本发明的轨道交通车辆运营仿真方法及系统，可以仿真特殊复杂场景，如包括大小交路、快慢车、折返轨、转换轨和停车库列车运营情况，为信号系统布局、地铁线路载客能力、运行图铺画提供指导。

本发明的轨道交通车辆运营仿真方法及系统，可以选取全天任一时间区段做仿真分析，从而实现快速仿真分析的目的。

下面通过一完整的实施例对本发明的方法及系统进行结合说明：

1、站场图铺画模块

站场图铺画模块，用于根据实际的基础线路数据铺画地铁全线站场图。其中实际的线路数据中存在弯道和坡道，在停车库、站台区域和线路中间可能存在多条股道，站场图的铺画有一定的难度，为此在铺画站场图时进行了一些简化，如将坡道和弯道拉直，只反映道岔之间的连接关系。

铺画时先将站场图中的岔心编好号，按岔心将地铁路网分成多条线段，然后在每条线段上标出线路上的轨旁设备的布置情况，最后将每条线段的物理长度和绘图长度的映射关系建立起来。

如图2所示，为某一城市中2号线A站到B站之间的站场图，站场图的铺画步骤为：

a)将站场图中的岔心找出来并编号，图2中共有10个岔心，编号分别为：P42、P43、P46、P47、P48、P50、P51、P52、P54、P55；

b)按岔心位置将铁路网分成多条线路段并编号，图2中共分为18条线段，编号分别为：T54、T55、T0、T69、T70、T42、T57、T61、T68、T66、T59、T60、T62、T64、T65、T63、T67、T58；

c)在每条线路上标出轨旁设备的布置情况；如图2中标出了计轴、信号灯、停车点和站台位置；

d)将线段的物理长度和绘图长度的映射关系建立起来。如T54和T0的绘图长度分别为328和2248，它们的真实物理长度分别为1328m和4244m。单列车显示在这两条钢轨上时，界面上看到的列车的长度是不一样的，因为这两个钢轨的物理长度和绘图长度的映射比例不一样。

当然，对于多条股道的站台，出入库等复杂线路也可以按上述步骤进行铺画。

2、列车运行模块

列车运行模块就是分析列车的受力情况，按照一定的操纵方法将列车从一个地方运行到另一个的地方。列车运行模块又分为列车运动学模型、阻力计算模型和列车操纵模型。其中列车运行模型的输出为站场图中任两个相邻停车点之间的运行时分。下面对各模型进行具体说明：

2.1、列车运动学模型

根据列车运行过程中，牵引方向受力情况，搭建列车运动学模型，按照《牵引计算规程》建立牵引计算模型。其中列车的运动状态取决于其受到的合力，该合力是一个关于列车当前运行工况、当前速度和列车位置的函数。以列车运行方向为受力分析的正方向，则作用在列车上的单位合力如式(10)所示：

c(v,x,N_t,N_b,β_c)＝f_trac(v,N_t)-b_brk(v,N_b,β_c)-w₀(v)-g(x) (10)

式中f_trac—列车单位牵引力，N/kN；b_brk—列车单位制动力，N/kN；w₀—列车单位基本阻力，N/kN；g(x)—列车单位加算附加阻力，N/kN；N_t—动车牵引手柄级位；N_b—动车电制动手柄级位；β_c—常用制动系数。

由牛顿第二定律，列车运动方程可描述为：

式中ξ—加速度系数，ξ＝0.0981/(1+α)，α为回转质量系数，取0.06。

2.2、阻力计算模型

建立列车运行过程中受到的外部阻力模型，包括基本阻力模型、隧道阻力模型库、坡道阻力模型库、弯道阻力模型。

列车运行阻力按其产生的原因分为基本阻力和附加阻力两种，具体介绍如下：

2.2.1、基本阻力

基本阻力来自于机械摩擦、空气摩擦等作用，与动车和车辆的固有特性有关，一般由大量试验得到的经验公式计算，如式(1)所示：

w′₀＝a+bv+cv² (N/kN) (1)

式(1)中：v—列车运行速度，km/h；a、b、c—经验常数，与动车和车辆的型号有关。

列车的单位基本阻力为动车和车辆单位基本阻力的质量加权平均，如式(2)所示；当列车编组较长时，可只按车辆基本阻力计算：

式(2)中w′₀—动车单位基本阻力，N/kN；w″₀—车辆单位基本阻力，N/kN。

2.2.2、附加阻力

附加阻力是列车通过坡道、曲线、隧道等特定的线路条件时产生的额外的阻力。按其产生时所对应的线路条件，可将其分为坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力三种。

(1)其中单位坡道附加阻力w_i在数值上等于所在坡道的坡度千分数i，按式(3)计算：

w_i＝i (N/kN) (3)

其中上坡道取正值，下坡取负值。

(2)单位曲线附加阻力w_r按式(4)计算：

式中R—曲线半径，单位m。

(3)单位隧道附加阻力w_s按式(5)计算：

w_s＝0.00013L_s (N/kN) (5)

式中L_s—隧道长度，单位m。

在牵引计算中，将单位坡道附加阻力w_i、单位曲线附加阻力w_r，和单位隧道附加阻力w_s合并为单位加算附加阻力w_j，w_j在数值上等于加算坡度千分数i_j，如式(6)所示。

w_j＝i_j＝w_i+w_r+w_s＝i+w_r+w_s (N/kN) (6)

列车单位运行阻力w为列车单位基本阻力与因线路条件产生的单位加算附加阻力之和，如式(7)所示：

w＝w₀+w_j (N/kN) (7)

当编组较长的列车在线路上运行时，可能覆盖多个坡道和曲线，此时釆用传统的单质点模型计算将会产生较大的误差。为了更加准确地计算列车的附加阻力，牵引计算时应考虑列车的编组长度。本实施例中选用“均质棒”模型，假定所有动车或车辆的质量均按其自身长度均勾分配，即每单位长度的动车或车辆具有相同质量。对每一个计算步长，按动车或车辆长度所覆盖的地段，将单位坡道附加阻力、单位曲线附加阻力和单位隧道附加阻力按长度进行加权求和，换算为每节动车或车辆的单位加算附加阻力。其中第k节动车或车辆的单位加算附加阻力w_j ^k计算公式如式(8)所示：

式中L_k—动车或车辆长度，m；i_p—所在第p个坡道的坡度千分数；l_p—所在第p个坡道的长度，m；l_q—所在第q个曲线的长度，m；R_q—所在第q个曲线的半径，m；l_r—所在第r个隧道的长度，m；n₁—所在的坡道数量；n₂—所在的数量；n₃—所在的隧道数量；

整列车的单位加算附加阻力由列车编组中所有动车和车辆质量加权平均后得到，如式(9)所示：

式中m_k—第k节车辆的质量；N—动车和车辆总数；x—列车在线路上的位置。

2.2.3、ATO操纵模型

a)目标曲线生成功能模块，用于生成满足运行时分的列车运行目标曲线。

需求描述：满足列车运行优化条件和限速要求，列车以最快的运行速度从出发点运行到结束点。最大性能运行曲线用于验证列车的牵引制动性能。

(1)启动阶段

列车从静止开始，在舒适度允许的情况下，采用最大的牵引力牵引至出站限速点附近；

快接近出站限速点时降低列车级位，防止列车超速；

超过出站限速点后，在舒适度允许的情况下，继续采用最大的牵引力牵引直到列车达到限速范围。

(2)中间运行过程

匀速运行过程中，采用合适级位，保持相对匀速，在工况转换点采用牵引-惰行-制动或制动-惰行-牵引的控制模式，搜索合适的惰行点，在保持列车相对匀速运行的条件下尽量惰行，适当降低列车的运行能耗，同时为了避免级位和工况的频繁切换导致列车对指令的误判断，和降低乘客乘坐的舒适度，在匀速运行阶段，设定每种工况和级位至少保持一定的运行时间；

如遇前方限速下降，降低列车级位，采用常用制动减速运行到限速下降点；

如遇前方限速上升，在舒适度允许的情况下，采用最大的牵引力，牵引至限速上升点；

(3)制动进站过程

采用常用制动制动到进站限速点附近，然后继续减速直到列车进站停稳，为满足停车精度的要求，在最后进站的几十米的范围内，搜索合适的级位，满足精确停车的要求。

b)目标曲线跟随功能模块，搭建ATO操纵模型，跟随目标曲线运行。

如图3所示，采用速度环和加速度环的双闭环控制，同时为了解决PI算法超调问题，采用限速控制模型作为前馈控制，防止超速。

3、调度发车模块

调度发车模块输入为线路时刻表。其中线路时刻表用于记录全线列车(按车次及车底进行编号)，记录所有列车每个车次到站、出站，入库、出库及折返时间等。

调度发车模块的运行流程如图4所示。针对大小交路、快慢车、折返轨、转换轨和停车库特殊场景，只要站场图中涵盖该部分线路，时刻表中有该部分运行时段，就可以相应进行仿真。

4、供电仿真模块

供电仿真模块，用于将列车的功率、位置等状态参数作为输入，根据全线的电网配置计算地铁全线的能量潮流分布。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。