淺析軌道交通仿真軟件及應用需求

陶雨濛 金立艷 王亮軍

摘? 要：發(fā)展城市軌道交通是緩解城市交通擁堵，提升公共交通服務水平的重要舉措。軌道交通仿真技術可為城市軌道交通規(guī)劃、設計、建設、運營和維護的全生命周期提供有力的決策支撐。該文首先闡述了軌道交通仿真的基本流程，其次針對目前國內外典型的軌道交通仿真軟件，在軟件的功能和特點上進行了比較分析，最后重點探討了軌道交通仿真技術在城市軌道交通領域的應用需求。

關鍵詞：軌道交通;仿真技術;軟件功能;應用需求

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟從高速增長到高質量發(fā)展的轉型，交通運輸行業(yè)發(fā)展也越來越注重質量和效率，為了進一步推進交通強國的戰(zhàn)略部署，高運能、低排放的城市軌道交通，在城市交通高質量發(fā)展的過程中占據(jù)重要地位。《交通強國建設綱要》[1]明確提出“提高城市群內軌道交通通勤化水平，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通，鼓勵引導綠色公交出行”。在大力發(fā)展軌道交通的背景下，軌道交通仿真技術得到了諸多關注和重視，該技術通過融合計算機技術、仿真技術、信息技術等先進技術，借助計算機搭建仿真環(huán)境，模擬城市軌道交通系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的運作過程。軌道交通仿真技術可為城市軌道交通規(guī)劃、設計、建設、運營和維護的全生命周期提供有力的決策支撐。

1 軌道交通仿真基本流程

軌道交通仿真主要分為數(shù)據(jù)收集、模型構建、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析4個階段。在模型構建之前，首先要收集軌道交通系統(tǒng)基礎設施及其屬性數(shù)據(jù)，包括軌道線網(wǎng)數(shù)據(jù)、列車數(shù)據(jù)、列車運行環(huán)境數(shù)據(jù)、列車運行計劃數(shù)據(jù)4個基本數(shù)據(jù)要素。軌道線網(wǎng)數(shù)據(jù)包括軌道長度、坡度、限速等。列車數(shù)據(jù)包括車輛類型、重量等。列車運行環(huán)境指的是信號控制方式，包括信號機位置及類型、閉塞方式、停車點等。列車運行計劃指的是為了滿足運營需求而預先設置的列車時刻表。在模型構建階段，根據(jù)上述基礎數(shù)據(jù)構建軌道交通線網(wǎng)，并進行參數(shù)標定。在仿真模擬過程中，列車在信號控制和時刻表的約束條件下進行模擬運行。最后根據(jù)仿真結果進行數(shù)據(jù)分析，例如列車的站間運行速度、延誤、能耗以及基礎設施的利用情況。

2 國內外典型軌道交通仿真軟件

國外軌道交通的仿真軟件主要有瑞士的OpenTrack、德國的RailSys、美國的RTC（Rail Traffic Controller）等，這些仿真軟件功能相對完善，但是售價高昂，隨之國內開始自主研究，如北京交通大學和香港理工大學合作研發(fā)的GTMSS、西南交通大學的UMTTCS。下面以典型的軌道交通仿真軟件為例，介紹其軟件功能與應用場景。

2.1 OpenTrack

OpenTrack[2]仿真軟件是瑞士聯(lián)邦研究院研發(fā)的，軟件大致可分為數(shù)據(jù)層、仿真層、應用層3個層級，分別用于實現(xiàn)模型構建、模擬仿真、性能評估3個功能，如圖1所示。軟件通過輸入軌道線網(wǎng)信息、列車信息、時刻表信息，構建仿真場景，模擬列車運行狀況，輸出可視化圖表，從而對列車、車站、線路運行情況進行分析。

在軌道線網(wǎng)構建過程中，軟件通過圖形化方式創(chuàng)建軌道區(qū)段、信號機位置、車站區(qū)域，并設置屬性參數(shù)。列車在數(shù)據(jù)層定義的約束條件下進行仿真運行，可以在線輸出列車運行、軌道占用、信號顯示的二維動畫，離線輸出單列車的速度-距離曲線圖，車站的軌道占用情況和線路的列車運行實跡圖等。

OpenTrack仿真軟件能夠以可視化的方式呈現(xiàn)輸入、輸出過程，但是軌道線網(wǎng)數(shù)據(jù)輸入工作量較大，系統(tǒng)設計較為適合歐洲的鐵路系統(tǒng)。

2.2 RTC（Rail Traffic Controller）

RTC[3]由美國伯克利仿真軟件公司研發(fā)，是一款用于軌道列車調度分析的仿真軟件，可以實現(xiàn)大范圍、長距離的軌道交通網(wǎng)絡仿真。RTC的特色是基于列車沖突邏輯（meet-pass N-train logic）解決多列車調度沖突及優(yōu)化問題，可分析不同列車編組、軌道、設備等條件下車輛的運行性能，支撐運行調度、通行能力分析等關鍵應用。目前，RTC的適用場景主要為北美的鐵路運輸網(wǎng)絡。

2.3 GTMSS

GTMSS[4]包括基礎數(shù)據(jù)模塊、模擬參數(shù)定義模塊、系統(tǒng)運行模塊和系統(tǒng)輸出模塊。以線路、列車、信號數(shù)據(jù)為模型基礎，通過模擬參數(shù)定義模塊選擇列車運行環(huán)境，在參數(shù)定義完成后進行初始化檢查，最后在列車模擬運行時同步顯示運算結果。

GTMSS的列車運行控制方式適應多種需求，提供自動控制和手動控制2種方式，見表1。自動方式下，設計節(jié)時、節(jié)能、定時、巡航4種模擬策略，適用于不同運行對象，單列車可采用定時策略，多列車可采用節(jié)時、節(jié)能和 巡航策略。其中巡航策略針對地鐵列車的運行測試，使列車在站間區(qū)間以固定速度運行。根據(jù)不同的運行目標選取指定策略，列車完成自動運行。手動方式針對單列車運行，可通過鍵盤上的方向鍵或鼠標進行手動操縱。

3 軌道交通仿真軟件特性對比

3.1 基礎設施數(shù)據(jù)輸入差異

從軟件輸入的基礎數(shù)據(jù)對比中可以發(fā)現(xiàn)，上述幾種軌道交通仿真軟件在模型構建時，都包括線網(wǎng)數(shù)據(jù)、列車數(shù)據(jù)、信號數(shù)據(jù)，區(qū)別在于是否輸入列車時刻表，這與不同國家的鐵路運輸對象有關。歐洲國家和美國均采用客貨共線的鐵路運輸組織形式，歐洲國家的鐵路運輸以客運為主，具有一定的規(guī)律性，不同類型的列車需要按照計劃時刻表運行，以此來提高線路的利用率。而美國以貨運為主，具有較強的隨機性，常規(guī)的列車時刻表難以適應該運營模式，需要根據(jù)實際需求確定列車計劃。因此考慮不同國情，在數(shù)據(jù)輸入方面有差異化的體現(xiàn)。當然RTC只是不以時刻表為輸入數(shù)據(jù)的軟件代表，并不意味著所有美國的軌道交通仿真軟件都有該類特點，如Railsim[5]等就考慮到時刻表的影響。

3.2 列車運行參數(shù)設置差異

從列車運行參數(shù)設置角度出發(fā)，OpenTrack、RailSys仿真模塊可以調用數(shù)據(jù)模塊中的列車、時刻表等數(shù)據(jù)，根據(jù)預設目標，自由調整參數(shù)。GTMSS軟件在列車仿真運行模塊內制定了模擬策略，一定程度上為特定目標下模擬參數(shù)的設定提供了便利，但在靈活性上略有欠缺。

4 仿真軟件在城市軌道交通領域的應用需求探討

目前，軌道交通仿真軟件的分析對象和適用場景主要為鐵路系統(tǒng)，列車在模擬運行過程中的重點是避免列車之間發(fā)生沖突。仿真軟件面向城市軌道交通系統(tǒng)及其應用場景的專用化軟件較為少見。從系統(tǒng)的基本組成上來看，城市軌道交通系統(tǒng)與鐵路軌道交通系統(tǒng)存在很多共性特點，如軌道、信號基礎設備等設施單元，以及停車點的設置、超速防護等運行規(guī)則，但是城市軌道交通的運行組織形式（如發(fā)車間隔）、信號控制方式（如聯(lián)鎖方式、閉塞制式）與鐵路軌道交通系統(tǒng)存在一定的差異，因此需要在仿真建模中考慮這些差異，可以通過調整模型參數(shù)，或者開發(fā)新的模型進行優(yōu)化。

現(xiàn)有的軌道交通仿真軟件，主要圍繞列車進行仿真建模和分析，這可以滿足分析大范圍、長距離、低頻次的鐵路系統(tǒng)需求，但是針對城市軌道交通系統(tǒng)，在發(fā)揮列車運行效率的同時，更要考慮其出行服務效率，因此，需要進一步結合城市軌道交通客流進行建模，包括客流的產生、分配等環(huán)節(jié)。與此同時，隨著綜合交通運輸系統(tǒng)越來越受到重視，軌道交通仿真需要融入綜合交通運輸系統(tǒng)仿真中進行考慮，考慮樞紐站的聯(lián)運協(xié)同，地面公交與軌道交通協(xié)同等新的分析應用。

5 結語

該文闡述了軌道交通仿真技術實現(xiàn)的基本流程，重點介紹并對比分析了國內外典型的軌道交通仿真軟件，探討了軌道交通仿真技術在城市軌道交通領域的應用需求。

參考文獻

[1]中共中央國務院.交通強國建設綱要[EB/OL].（2019-09-19）[2020-7-20].http：//www.gov.cn/zhengce/2019-09/19/content_5431432.htm.

[2]Haramina H，Schobel A，Aksentijevic J，et al.OpenTrack-A Tool for Simulation of Railway Networks[C]//4th International Conference on Road and Rail Infrastructure-CETRA 2016.Sibenik：University of Zagreb：39-44.

[3]White T.Alternatives for Railroad Traffic Simulation Analysis[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，2005，1916（1）：34-41.

[4]毛保華，姜帆，劉遷，等.城市軌道交通[M].北京：科學出版社，2001.

[5]方惠惠，王春.軌道交通運行仿真的應用與發(fā)展[J].價值工程， 2018，37（31）：239-242.