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

摘 要：在城市軌道交通列車自動控制系統(tǒng)（ATC）中，列車自動防護（ATP）系統(tǒng)擔負著保證列車運行安全的重要作用，是列車運行自動控制系統(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的線路信息生成列車速度控制曲線，并與列車實際速度進行比較，監(jiān)督列車運行，實現(xiàn)超速防護、零速檢測、無意識移動防護和車門防護等功能。本文在介紹系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，重點闡述了ATP車載設(shè)備仿真系統(tǒng)中列車動力學(xué)模型的建立，提出了建模時應(yīng)考慮的問題。目前，整個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：列車自動防護、列車動力學(xué)、車載ATP、建模、仿真
1． 引言
近年來，隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，市區(qū)人口逐步向郊區(qū)遷移，城市交通壓力越來越大。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，它的最大特點是運營密度大、列車行車間隔時間短、安全正點。因此，必須采用具有連續(xù)速度顯示監(jiān)督和防護的列車自動防護系統(tǒng)，以確保行車安全，提高行車效率。自從我國建設(shè)第一條地鐵——北京地鐵一號線以來，陸續(xù)建成了北京地鐵環(huán)線、上海地鐵一號線、上海地鐵二號線、三號線、廣州地鐵一號線等多條線路，正在建設(shè)的有北京八通線、北京地鐵五號線、深圳地鐵等多條線路。城市軌道交通的迅猛發(fā)展，帶來了一個重要問題，即作為提高列車運行效率保證列車運行安全的主要技術(shù)——信號控制系統(tǒng)沒有自己的產(chǎn)品，技術(shù)處于落后狀態(tài)，與國外城市軌道交通信號技術(shù)的發(fā)展有較大差距，因此不得不引進國外的產(chǎn)品，例如英國西屋公司、美國US&S公司、德國西門子等公司的產(chǎn)品，雖然通過引進國外的產(chǎn)品，使我們學(xué)習(xí)了解了國外信號系統(tǒng)的先進技術(shù)，促進了國內(nèi)信號技術(shù)的發(fā)展，但是也造成了工程建設(shè)投資大、運營費用高的局面，使我們難以提高地鐵國產(chǎn)化率，不利于我國城市軌道交通事業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
城市軌道交通信號系統(tǒng)ATC主要由三個子系統(tǒng)組成：ATS——列車自動監(jiān)控系統(tǒng)，ATP——列車自動防護系統(tǒng)，ATO——列車自動駕駛系統(tǒng)。列車自動防護系統(tǒng)（ATP）是三個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于我國地鐵目前的列車自動防護系統(tǒng)（ATP）基本上都是從國外引進的，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)中信號系統(tǒng)以引進為主的局面，加快國產(chǎn)化的步伐，促進國產(chǎn)化設(shè)備的應(yīng)用，國家計委在99年的國債項目中，為中國鐵路通信信號總公司立項，研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的城市軌道信號ATP系統(tǒng)。同時，在《城市軌道交通列車自動防護（ATP）系統(tǒng)國產(chǎn)化開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》項目中，為使ATP系統(tǒng)開發(fā)研制能夠在相應(yīng)的仿真環(huán)境下進行測試試驗，加快項目的科研開發(fā)速度，保證城市軌道交通ATP系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計合理、安全可靠，建立ATP工程試驗中心。
傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方法是將樣機放在現(xiàn)場進行試驗，這不僅要花費大量人力物力，還要花費很長時間，而且有些現(xiàn)場環(huán)境是不可能提供的。用模擬環(huán)境代替現(xiàn)場環(huán)境，即模擬仿真方法就成為系統(tǒng)分析設(shè)計測試的強有力工具，因此，有必要建立城市軌道交通ATP的計算機仿真系統(tǒng)，以便在實際開發(fā)的各個階段對ATP系統(tǒng)的各方面功能進行仿真測試。 ATP車載設(shè)備仿真系統(tǒng)是ATP工程試驗中心的重要組成部分，是一個完整的功能仿真及運行過程演示系統(tǒng)，包括模擬列車駕駛臺、列車動力學(xué)模型、車載設(shè)備功能仿真、列車運行環(huán)境等主要部分。其中列車動力學(xué)模型的建立是其中的難點之一，本文著重介紹了建模原則及應(yīng)重點考慮的問題并簡單介紹了其實現(xiàn)方法，對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，列車動力學(xué)模型從模擬機車駕駛臺獲得牽引、制動等控制信息，從設(shè)備運行環(huán)境模型獲得線路屬性，按照列車動力學(xué)原理計算出列車實際的速度、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)量的邏輯運算，并將開門信息、ATP模式、制動等相關(guān)信息發(fā)送到模擬機車駕駛臺進行顯示。
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、模擬計算機仿真和數(shù)字仿真。由于仿真用模型代替實體作試驗，因此具有經(jīng)濟、安全、試驗周期短等特點，這些特點使得仿真技術(shù)作為一種分析、設(shè)計系統(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)近幾一段時間得到了很快的發(fā)展，隨著計算機技術(shù)的進步，應(yīng)用計算機進行系統(tǒng)仿真更是日益受到人們的重視。計算機仿真技術(shù)結(jié)合了實驗和分析這兩種方法，將分析的方法用于模擬實驗，其工作過程一般是：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)計算法，并轉(zhuǎn)換為計算機的程序，使系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型能為計算機接受并能在計算機上運行；最后，是對仿真模型的運行，進行仿真試驗，再根據(jù)仿真試驗的結(jié)果，進一步修正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。在仿真技術(shù)中，有機理建模、辨識建模、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，采用機理建模方法。機理建模方法就是根據(jù)實際系統(tǒng)工作的物理過程的機理，在某種假定條件下，按照相應(yīng)的理論（如質(zhì)量守恒、動力學(xué)等），寫出代表其物理過程的方法，結(jié)合其邊界條件與初始條件，再采用適當?shù)臄?shù)學(xué)處理方法，來得到能正確反映對象動靜態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型。
仿真技術(shù)具有以下優(yōu)點：
解決在危險、昂貴、破壞性、甚至不允許實驗的條件下的仿真；
比現(xiàn)場實驗花費少、時間短，減少研制開發(fā)的經(jīng)費與周期；
可模擬各種環(huán)境條件；
可重復(fù)實驗利于研究分析；
有助于設(shè)計、開發(fā)、研究新產(chǎn)品，展示產(chǎn)品的性能，培訓(xùn)操作人員；