ATP車載設(shè)備仿真系統(tǒng)中列車動(dòng)力學(xué)模型的研究與實(shí)現(xiàn)

摘 要：在城市軌道交通列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）中，列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著保證列車運(yùn)行安全的重要作用，是列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其中，ATP車載設(shè)備是ATP系統(tǒng)中保證行車安全的關(guān)鍵設(shè)備，它根據(jù)接收的地面信息和車上存儲(chǔ)的線路信息生成列車速度控制曲線，并與列車實(shí)際速度進(jìn)行比較，監(jiān)督列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)、零速檢測(cè)、無(wú)意識(shí)移動(dòng)防護(hù)和車門防護(hù)等功能。本文在介紹系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了ATP車載設(shè)備仿真系統(tǒng)中列車動(dòng)力學(xué)模型的建立，提出了建模時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題。目前，整個(gè)ATP仿真系統(tǒng)已完成開發(fā)，取得了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：列車自動(dòng)防護(hù)、列車動(dòng)力學(xué)、車載ATP、建模、仿真
1． 引言
近年來(lái)，隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，市區(qū)人口逐步向郊區(qū)遷移，城市交通壓力越來(lái)越大。城市軌道交通的發(fā)展已成為解決現(xiàn)代城市交通擁擠的有效手段，它的最大特點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)密度大、列車行車間隔時(shí)間短、安全正點(diǎn)。因此，必須采用具有連續(xù)速度顯示監(jiān)督和防護(hù)的列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，以確保行車安全，提高行車效率。自從我國(guó)建設(shè)第一條地鐵——北京地鐵一號(hào)線以來(lái)，陸續(xù)建成了北京地鐵環(huán)線、上海地鐵一號(hào)線、上海地鐵二號(hào)線、三號(hào)線、廣州地鐵一號(hào)線等多條線路，正在建設(shè)的有北京八通線、北京地鐵五號(hào)線、深圳地鐵等多條線路。城市軌道交通的迅猛發(fā)展，帶來(lái)了一個(gè)重要問(wèn)題，即作為提高列車運(yùn)行效率保證列車運(yùn)行安全的主要技術(shù)——信號(hào)控制系統(tǒng)沒(méi)有自己的產(chǎn)品，技術(shù)處于落后狀態(tài)，與國(guó)外城市軌道交通信號(hào)技術(shù)的發(fā)展有較大差距，因此不得不引進(jìn)國(guó)外的產(chǎn)品，例如英國(guó)西屋公司、美國(guó)US&S公司、德國(guó)西門子等公司的產(chǎn)品，雖然通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的產(chǎn)品，使我們學(xué)習(xí)了解了國(guó)外信號(hào)系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，但是也造成了工程建設(shè)投資大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高的局面，使我們難以提高地鐵國(guó)產(chǎn)化率，不利于我國(guó)城市軌道交通事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)ATC主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成：ATS——列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，ATP——列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，ATO——列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）是三個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于我國(guó)地鐵目前的列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）基本上都是從國(guó)外引進(jìn)的，已經(jīng)不能適應(yīng)城市軌道高速發(fā)展的需求，因此研制和開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ATP系統(tǒng)提上了日程。為了改變城軌建設(shè)中信號(hào)系統(tǒng)以引進(jìn)為主的局面，加快國(guó)產(chǎn)化的步伐，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的應(yīng)用，國(guó)家計(jì)委在99年的國(guó)債項(xiàng)目中，為中國(guó)鐵路通信信號(hào)總公司立項(xiàng)，研制開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的城市軌道信號(hào)ATP系統(tǒng)。同時(shí)，在《城市軌道交通列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項(xiàng)目中，為使ATP系統(tǒng)開發(fā)研制能夠在相應(yīng)的仿真環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，加快項(xiàng)目的科研開發(fā)速度，保證城市軌道交通ATP系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理、安全可靠，建立ATP工程試驗(yàn)中心。
傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方法是將樣機(jī)放在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，這不僅要花費(fèi)大量人力物力，還要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，而且有些現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是不可能提供的。用模擬環(huán)境代替現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，即模擬仿真方法就成為系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)測(cè)試的強(qiáng)有力工具，因此，有必要建立城市軌道交通ATP的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，以便在實(shí)際開發(fā)的各個(gè)階段對(duì)ATP系統(tǒng)的各方面功能進(jìn)行仿真測(cè)試。 ATP車載設(shè)備仿真系統(tǒng)是ATP工程試驗(yàn)中心的重要組成部分，是一個(gè)完整的功能仿真及運(yùn)行過(guò)程演示系統(tǒng)，包括模擬列車駕駛臺(tái)、列車動(dòng)力學(xué)模型、車載設(shè)備功能仿真、列車運(yùn)行環(huán)境等主要部分。其中列車動(dòng)力學(xué)模型的建立是其中的難點(diǎn)之一，本文著重介紹了建模原則及應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題并簡(jiǎn)單介紹了其實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)大量的公式不一一列出。
2． ATP車載設(shè)備仿真系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)
其中，列車動(dòng)力學(xué)模型從模擬機(jī)車駕駛臺(tái)獲得牽引、制動(dòng)等控制信息，從設(shè)備運(yùn)行環(huán)境模型獲得線路屬性，按照列車動(dòng)力學(xué)原理計(jì)算出列車實(shí)際的速度、位移以及線路占用信息，并將這些信息傳給其他各相關(guān)模塊。模擬車載設(shè)備完成列車速度控制模式曲線的生成和一些開關(guān)量的邏輯運(yùn)算，并將開門信息、ATP模式、制動(dòng)等相關(guān)信息發(fā)送到模擬機(jī)車駕駛臺(tái)進(jìn)行顯示。
3． 仿真技術(shù)的理論概述
仿真作為一門綜合性學(xué)科已有幾十年的發(fā)展歷史。其間經(jīng)歷了物理模型仿真、模擬計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)字仿真。由于仿真用模型代替實(shí)體作試驗(yàn)，因此具有經(jīng)濟(jì)、安全、試驗(yàn)周期短等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得仿真技術(shù)作為一種分析、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、培訓(xùn)人員的工具，廣泛應(yīng)用于幾乎所有工程與非工程領(lǐng)域。
仿真技術(shù)近幾一段時(shí)間得到了很快的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)仿真更是日益受到人們的重視。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合了實(shí)驗(yàn)和分析這兩種方法，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，其工作過(guò)程一般是：首先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；然后建立系統(tǒng)的仿真模型，主要是設(shè)計(jì)算法，并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)的程序，使系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能為計(jì)算機(jī)接受并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行；最后，是對(duì)仿真模型的運(yùn)行，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，再根據(jù)仿真試驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步修正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。在仿真技術(shù)中，有機(jī)理建模、辨識(shí)建模、模糊建模、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模等構(gòu)建模型的方法，在本系統(tǒng)中，采用機(jī)理建模方法。機(jī)理建模方法就是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)工作的物理過(guò)程的機(jī)理，在某種假定條件下，按照相應(yīng)的理論（如質(zhì)量守恒、動(dòng)力學(xué)等），寫出代表其物理過(guò)程的方法，結(jié)合其邊界條件與初始條件，再采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理方法，來(lái)得到能正確反映對(duì)象動(dòng)靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。
仿真技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
解決在危險(xiǎn)、昂貴、破壞性、甚至不允許實(shí)驗(yàn)的條件下的仿真；
比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)花費(fèi)少、時(shí)間短，減少研制開發(fā)的經(jīng)費(fèi)與周期；
可模擬各種環(huán)境條件；
可重復(fù)實(shí)驗(yàn)利于研究分析；
有助于設(shè)計(jì)、開發(fā)、研究新產(chǎn)品，展示產(chǎn)品的性能，培訓(xùn)操作人員；