城市轨道交通仿真施工设计

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1概述

随着城市轨道交通建设的高速发展，无论是厂家，还是设计院，都需要提前对相应的信号系统进行测试，仅仅通过现场试验对系统的功能和性能进行试验是不够的。并且由于现在城市轨道交通设计时遇到了一些具体问题，例如:行车专业与信号专业的分工。行车在牵引计算时，一般没有考虑信号参数，而实际的线路控车又是由信号来做，这样行车计算出来的牵引计算结果，有时候对控车的实际需要不能够满足。另外，如线路的曲线半径值、曲线超高等，有时候也不满足控车的需要，有时候造成最终轨道交通线完工时出现一系列的问题，如“平均旅行速度不够”、“站间行车间隔不够”、“撞线”、“牵引制动切换过多”等，影响旅客的乘坐舒适度，影响列车运行速度。这些设计方面各个部门间配合上的问题，最终导致系统不能达到最优的组合。于是，现在设计单位需要开发一套城市轨道交通相关的仿真软件，它不同于生产厂家所用的仿真软件，需要对我们的施工设计有指导作用。首先它能够进行牵引计算仿真，然后能对相关的线路、行车、信号等专业进行综合考虑，对设计提出一个综合的指导意见。以西南交通大学交通信息工程及控制实验室开发的“CBTC仿真系统”为例，在这个系统中，建立了一个城市轨道交通工程项目的计算机辅助设计平台，用实际的线路数据，利用系统内嵌的列车动力学模型和列车控制模型等数学模型，为城市轨道交通项目的全过程设计提供定量分析的理论依据，对线路上列车运营情况进行精确的仿真计算，通过仿真的结果提出土建和机电系统的优化配置方案，对整个线路的追踪折返的能力做一个分析，以供设计院或厂家参考。通过利用该仿真系统进行列车牵引计算、列车运行及追踪仿真、列车折返能力检算，从而对行车组织、线路设计、车站配线、车辆参数的选择及配置数量、信号系统相关控制参数的选择及轨旁设备的配置等设计方案进行验证，并可提供仿真结果以用于优化设计，保证相关系统的设计满足运营要求。

2计算机仿真对线路的性能分析

在城市轨道交通中，由于发车间隔非常密，为使列车行驶得又快又好，在设计中我们更关注整个系统的性能问题。由于有了线路基础数据，信号数据，车辆参数等，再加上牵引计算的结果数据，我们就可以用来分析整条线路的性能到底如何，用专业的图表对这些能力直观显示出来，用以验证轨道交通线路的运行能力，主要负责信号系统的能力分析和行车间隔计算，这些可作为后面指导施工设计的依据和基础。计算机仿真通过牵引计算的结果中性能分析图大致有:时间-距离图、速度-距离图、线路行车间隔、折返站折返间隔、坡度-距离图、站间运营时分分析和显示、平均服务旅行速度分析和显示、平均技术旅行速度分析和显示、列车全周转时间分析和显示、运用车配车数分析和显示、安全防护距离-距离图分析和显示、安全制动距离－距离图分析和显示、安全距离-距离图分析和显示。其中线路行车间隔分析包含了车站、区间和出入段线的行车间隔，折返站折返间隔将针对几种基本折返站型进行分析。

3计算机仿真对轨道线路设计的指导

根据牵引计算结果及性能分析结果，我们可以看出站前设计中的一些问题，比如不能满足信号整体系统要求，让信号控车达不到要求或者影响旅客舒适度等。下面从两个方面举例来探讨计算机仿真结果对线路设计的指导作用。根据初步设计的线路数据，比如限速，另外有了坡度，曲线，以及信号专业的设备位置布置、各种信号参数的值，这时候就可以对线路的运行进行一个比较真实的仿真。通过仿真软件得到的旅行速度或者两个站之间的行车间隔。通过以上的数据就可以知道，这样的线路设计是否满足追踪折返的能力需求。比如通过旅行速度，站间行车间隔，可以从速度距离图，结合线路图上看出，是哪一段出现了速度“卡脖子”的情况，然后可以针对卡脖子的具体情况进行分析，考虑在这段可以进行修改的线路设计，比如可以在超高上进行修改，甚至可以修改曲线半径。当然有时候也可以调整停站时间。经过这样的修改，基本可以让行车间隔、旅行速度满足系统需求。另外一种情况，是根据ATO实际控车曲线，如果ATO实际控车曲线出现“台阶”次数过多，就说明线路在运行的时候牵引制动次数过多，这样会极大地影响旅客的乘坐舒适度。当我们发现仿真结果出现台阶过多的情况的时候，一般也可以对线路的相关参数进行修正，然后再仿真看ATO的控车曲线是否变得更好。

4计算机仿真对车站配线的指导

一个好的仿真软件，能够对车站配线进行指导，通常体现在对安全线长度的设计指导，以及折返线车过道岔时安全距离的指导。工程设计过程中，经常遇到在折返站、终端站等位置需预留多长的安全距离的问题。安全距离预留过短会影响到行车效率，过长又会增加不必要的工程投资。在仿真软件计算出的牵引计算速度距离图中，我们可以直观的看到ATO控车曲线和包络线之间横坐标的差值，即安全距离的长度，见图2，可以用来指导施工设计中安全距离的设置。图2中的d1、d2、d3分别表示制动的阶段一、阶段二、阶段三。

5计算机仿真对行车组织的指导

对行车组织的指导，以西南交大开发的仿真系统为例，主要是对配车数的一个指导。运用车的配车数与列车全周转时间、最小运行间隔有关，按下式计算:运用车配车数N=列车全周转时间T(min)/最小运行间隔(min)其中，列车全周转时间由牵引计算结果得出，当仿真结果得到以后，可以对运用配车数进行一个更合理的指导。

6目前城市轨道交通仿真软件的缺陷

目前的城市轨道交通的仿真软件有很多，各个厂家的软件大致思路一致，但是牵引计算仿真之后得出的结果可能各有侧重。比如西南交通大学的CBTC仿真是侧重能力计算，以及对线路，车站配线的指导;而opentrack是侧重对行车组织的指导。但是笔者发现，各个单位的仿真软件都有一些共同的缺陷。

6．1基础数据的完整性问题

比如现在很多仿真软件没有对长短链进行处理，没有对地铁的通风口的设计进行考虑，当然对于隧道的风阻等不容易考虑的数据也一般没有考虑。另外，很多数据，不一定在软件的界面进行设置之后的牵引计算时候真实用到。

6．2仿真的真实性问题

由于在仿真基础数据结构规划的时候，有些可能性就没有考虑，而且在软件开发中，也确实很难将线路实际运行的所有情况都考虑进去。所以，所有的仿真都不是完全真实的，但需要设计人员具体问题具体分析，不能完全依靠仿真软件。

6．3有关节能的仿真问题

由于现在全世界都提倡节能减排，不少设计单位开始关注这个问题，都在仿真中对这个有相应的需求，但是实际仿真软件还很少有对这方面的研究。