基于通信的列車控制系統(tǒng)中列車追蹤間隔的優(yōu)化與仿真word版

1、基于通信的列車控制系統(tǒng)中列車追蹤間隔的優(yōu)化與仿真*游中正原萍李曉峰(上海工程稈技術(shù)人學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上海ii第-作者,碩士研究生)摘耍基于移動(dòng)閉塞的cbtc(某于通信的列車控制)系 統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的atc(列車門動(dòng)控制)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)列車間的 實(shí)時(shí)追蹤運(yùn)行列車的運(yùn)行間隔大大縮短。然而列車之間的 追蹤間隔時(shí)間的優(yōu)化仍然足一大難題。在考慮列車速度、加 速度、制動(dòng)距離和安全距離等因素下研究了區(qū)間追蹤和站臺(tái) 追蹤的追蹤間隔時(shí)間的模型。仿真分析表明，模型是正確和 有效的并在一定程度上優(yōu)化了追蹤間隔" 關(guān)鍵詞 基于通信的列車控制系統(tǒng)；移動(dòng)閉塞；追蹤間隔； 安全距離 中圖分類號(hào) u 2

2、84 48doi：10. 16037/j 1007 - 869x 2015 05. 022optimization and simulation of train headway in cbtc systemyou zhongzheng, yuan ping, li xiaofengabstract the cbtc system based moving block makes the real- time train tracking possible compared to the traditional atc (automatic train control) system,and

3、greatly reduces the train headway how ever, the optimizatio n of tracki ng interval remains a big issue with full consideration of train speed, accelerated speed, break!ng distance and safe distance,the tracking interval model of interval tracking and platform tracking is studied the simulation resu

4、lt verifies the correctness and effectiveness of the model, which could optimize the track interval to a certain extent key words commanication based train control (cbtc); moving block; tracking interval; safe distaneeauthor's address shanghai university of engineering science,201620 ,shanghai,

5、china基于通信的列車控制(cbtc )是新型的列車自 動(dòng)控制(atc )系統(tǒng)，采用的是移動(dòng)閉塞技術(shù)，控 制中心可以獲取列車的實(shí)時(shí)速度、位置等信息，動(dòng)態(tài) 地控制列車的運(yùn)行。包括采用感應(yīng)環(huán)線和無線通信 的cbtc系統(tǒng)，特別是基于無線通信的cbtc系 統(tǒng)將在我國(guó)城市軌道交通屮得到廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)b -4從牽引力和制動(dòng)力角度研究了準(zhǔn) 移動(dòng)閉塞和移動(dòng)閉塞列車的安全防護(hù)距離。由于是 以牽引力為基礎(chǔ)，從而使計(jì)算結(jié)果不具有實(shí)時(shí)性。 文獻(xiàn)e-6研究了安全距離對(duì)追蹤間隔的影響，并 進(jìn)行了了仿真。但由于影響安全距離的因素比較 多，仍然存在一些不確定性。文獻(xiàn)7研究了 cbtc 系統(tǒng)列車追蹤間隔的算法，但是所建立的

6、模型沒有 考慮到前行列車的速度對(duì)追蹤間隔的影響，模型仍 然有改進(jìn)的空間。本文首先介紹了列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間、車站 追蹤間隔時(shí)間的基木概念及影響因索，并在此基礎(chǔ) 上建立了城市軌道交通在cbtc系統(tǒng)下的列車區(qū) 間追蹤間隔和列車車站追蹤間隔模型。最后給出了 相應(yīng)的列車追蹤間隔的計(jì)算方法，應(yīng)用matlab 軟件對(duì)列車追蹤間隔時(shí)間進(jìn)行了驗(yàn)算，并對(duì)仿真結(jié) 果進(jìn)行了分析。1 cbtc系統(tǒng)列車追蹤原理在cbtc系統(tǒng)中，前行列車的車載控制器 (vehicle onboard controller)主動(dòng)地進(jìn)行列車的測(cè)速 和定位，將位置、速度等信息通過無線通信等方式發(fā) 送到軌旁區(qū)域控制器(zone controll

7、er) o軌旁區(qū)域 控制器負(fù)責(zé)追蹤線路上所有的列車并為后續(xù)列車計(jì) 算移動(dòng)授權(quán)(movement authority)，從而形成后續(xù)列 車的移動(dòng)閉塞區(qū)間(moving block) o后續(xù)列車的車 載控制器通過接收到的區(qū)域控制器的移動(dòng)授權(quán)命令 來控制后續(xù)列車的當(dāng)前狀態(tài)，并確保在任何最不利 情況下，后續(xù)列車不會(huì)與前行列車發(fā)生碰撞，這種列*上海市研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃學(xué)位點(diǎn)引導(dǎo)布局與建設(shè)培育項(xiàng)目(13sc002)車追蹤原理如圖1所示。1(0)="丄 dx0 v2(1)其屮，追蹤距離圖1 cbtc系統(tǒng)列車追蹤的原理根據(jù)列車所在的位置，列車之間的追蹤類型又 可分區(qū)間追蹤和站臺(tái)追蹤。2 cbtc系統(tǒng)

8、列車區(qū)間追蹤模型移動(dòng)閉塞的區(qū)間追蹤根據(jù)是否考慮前行列車的 制動(dòng)距離可分為兩種：一種是不考慮前行列車的制 動(dòng)距離，稱之為絕對(duì)迫蹤模式；另一種是要考慮前行 列車的制動(dòng)距離，稱之為相對(duì)追蹤模式。為了對(duì)模型進(jìn)行分析，首先對(duì)后續(xù)模型中將要 出現(xiàn)的符號(hào)進(jìn)行說明，如表1所示。表1符號(hào)說明參數(shù) 參數(shù)含義vi 前行列車的速度v2 追蹤列車的速度t立列車在安全距離內(nèi)走行的時(shí)間l列列車長(zhǎng)度l安后續(xù)列車的冃標(biāo)停車點(diǎn)距前行列車尾部的安全距離l防站臺(tái)區(qū)域的安全防護(hù)距成l反司機(jī)確認(rèn)信號(hào)及制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)列車走行距離l加列車出站加速行走距離to追蹤列車間隔時(shí)間t反司機(jī)確認(rèn)信號(hào)及制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間t制列車的制動(dòng)停車時(shí)間t列一個(gè)列車長(zhǎng)距

9、離內(nèi)走行的時(shí)間t前行列車開出停車站行駛完安全防護(hù)距離加列車長(zhǎng)出 度這段所需的時(shí)間表1中列車的速度單位為m/s,計(jì)算中v2以列 車最大允許運(yùn)行速度vmax來計(jì)算，即v2 = vmax；加速 度a單位為m / «；時(shí)間的單位為s；距離以及長(zhǎng)度單 位為m；l安在模型中取值為55 m；l防一般為60 m； 取t反二1 so2 1區(qū)間絕對(duì)追蹤模式 在這種模式下，不考慮前行列車的制動(dòng)距離，只考慮前車所在的位置，如圖2所示。列車在位置0處的追蹤時(shí)間間隔為：lt = l反+ l制+ l安+ l列2i =2.制2a圖2絕對(duì)追蹤模式示總圖2 2區(qū)間相對(duì)追蹤模式 在這種模式下，不僅考慮前 車所在的位置，也

10、考慮前行列車的制動(dòng)距離，如圖3所示。t(0) =' -klx0 v2=1反+ l制2 + l安+ l列.l制|3 cbtc系統(tǒng)列車站臺(tái)追蹤模型列車在站臺(tái)追蹤示意如圖4所示。由于列車需要在車站停車，于是列車在位置0 的追蹤時(shí)間間隔為：t(0) =5+上停+5lt2 t(0) =dx + t 伴 + t 出(7)o 2其中：l(2 二 l反 + l制5= s2 + l 防 + l 列2l 制=2a(11)2 + v max但是根據(jù)前行列車速度v,的大小不同，求解t出 的方式也就不同（此時(shí)兩列列車的速度都滿足v.< vnax,v?<vmax），也可分為兩種模式。于是車站的追蹤間隔

11、時(shí)間可表示為:2當(dāng)打時(shí)，'l防十l列l(wèi)t2 1dx + t° v2maxpl 防 + lt（0）= i dx + t0 v2t(0)=時(shí),列其中:2 (l防 + l列)(14)(l+ l ) + v22a%(15)v2 = vmalt2 = 1反 + l制。圖4列車站臺(tái)追蹤示意圖4仿真結(jié)果及分析3. 1站臺(tái)區(qū)域追蹤模式1這種模式下，前行列車在安全防護(hù)距離內(nèi)一直 處在加速狀態(tài)，并沒有超過列車最大允許運(yùn)行速度vmw 一直加速行走完l加+ l列此時(shí)務(wù)滿足：t出的求解方式為：2l2max仿真采用matlab軟件。仿真參數(shù)：列車長(zhǎng)度 l列=120 m,安全距離l安=55 m,加速距離l

12、加二 60 m,啟動(dòng)加速度a = 1 m/s2,制動(dòng)加速度a = 0. 9 m/s2,反應(yīng)時(shí)間t二1 s,停站時(shí)間t =30 so分別模 擬了區(qū)間追蹤和站臺(tái)追蹤。圖5和圖6是列車區(qū)間追蹤仿真結(jié)果，圖7是 列車在站臺(tái)區(qū)域追蹤仿真結(jié)果。t _2 （l 加 + l列）'_a,則to可表示為：t（0）="丄 dx + t +o v2(12)2（l防+ l列）a3 2站臺(tái)區(qū)域追蹤模式2前行列車在安全防護(hù)距離內(nèi)先加速運(yùn)行，一段 時(shí)間后該列車速度達(dá)到列車最大允許運(yùn)行速度 ，并以這個(gè)速度行走完l防+ l列。此時(shí)a,滿足：£vmax2l防+ l列t出的求解方式為:t 出=（l防 +

13、l列）+ v：2$ vmaxto可表示為：圖5區(qū)間絕對(duì)追蹤模式曲線從圖5中可以看出，在仿真所設(shè)置的條件k，列 車z間的追蹤時(shí)間間隔和列車的v詢冇關(guān)，當(dāng)列車 以vmax =63 km/h的速度運(yùn)行時(shí)，列車之間的追蹤間 隔時(shí)間可達(dá)到最優(yōu)。在vmax達(dá)到63 km/h之前，隨 著v喻的增加，列車之間的追蹤間隔時(shí)間會(huì)不斷減 ??；當(dāng)x超過63 km/h z后，隨著v詢的增加，列車之間的追蹤間隔時(shí)間會(huì)不斷增大。因此，選擇合適 的列車最大允許運(yùn)行速度，將在一定程度上減小列 車之間的追蹤間隔時(shí)間，提高線路運(yùn)營(yíng)效率。在同等條件下，相對(duì)追蹤模式還考慮前行列車 的制動(dòng)距離，仿真前行列車在片v.v/2和 2v甸/3三

14、種不同情況，其追蹤結(jié)果如圖6所示。圖6區(qū)間撞軟墻模式曲線從圖6中可以看出，當(dāng)前行列車以滿負(fù)荷運(yùn) 行時(shí)，列車z間的追蹤間隔時(shí)間達(dá)到最優(yōu)值。因此， 保證每列列車無故障、滿狀態(tài)運(yùn)行也是減少列車之間 的追蹤間隔時(shí)間,提高運(yùn)行效率的一種手段。從w二 vmax/2,v, =2vmax /3的追蹤曲線又可以看出，不是前行 列車速度越接近vmax,追蹤時(shí)間間隔就越短，列車追蹤 時(shí)間間隔和之間不滿足線性關(guān)系。因此,在某些 特殊情況下，當(dāng)列車無法達(dá)到最大允許運(yùn)行速度滿負(fù) 荷運(yùn)行時(shí),對(duì)列車運(yùn)行速度的選擇不是讓其盡量以較 大的速度運(yùn)行，而是應(yīng)該選擇合適的速度來減少追蹤 間隔時(shí)間,提高線路運(yùn)行效率。在仿真列車站臺(tái)區(qū)域追

15、蹤時(shí)，在上述條件下還 增加了列車的啟動(dòng)加速度a, = 1 m/s2和列車出車 站加速行走的距離l加二60m。從圖7中可以看出，在移動(dòng)閉塞條件下的站臺(tái) 追蹤間隔時(shí)間與vm體有關(guān)，在所給出的條件下， vmax = 46 km/h時(shí)追蹤間隔時(shí)間可取得最優(yōu)值 58 5 so從圖7中還可以看出，在站臺(tái)區(qū)域不是列 車的運(yùn)行速度越大就能得到越小的追蹤間隔時(shí)間； 在站臺(tái)區(qū)域，由于存在站臺(tái)限速，列車的最優(yōu)速度可 能大于站臺(tái)限速也可能小于站臺(tái)限速。當(dāng)列車最優(yōu) 速度小于站臺(tái)限速時(shí)，列車以最優(yōu)速度運(yùn)行將減少 列車之間的追蹤間隔時(shí)間；當(dāng)列車最優(yōu)速度大于站 臺(tái)限速時(shí)，列車應(yīng)盡量以靠近站臺(tái)限速的速度運(yùn)行 來減小追蹤間隔時(shí)間

16、，提高運(yùn)行效率。圖7站臺(tái)追蹤模式曲線5結(jié)語(yǔ)列車之間的追蹤間隔時(shí)間是cbtc系統(tǒng)中非常 重要的性能指標(biāo)，雖然移動(dòng)閉寒方式一定程度上縮 短了列車之間的追蹤間隔時(shí)間，但是仍然還有很大 的優(yōu)化空間。其相關(guān)的優(yōu)化方法在實(shí)際的工程中也 會(huì)有很大的應(yīng)用價(jià)值。本文研究了 cbtc系統(tǒng)列車 追蹤間隔時(shí)間的優(yōu)化，并用仿真的方法展現(xiàn)了列車 最大允許運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)速度、加速度等因素對(duì)列 車追蹤間隔時(shí)間的影響?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)列車最大允 許運(yùn)行速度、列車的加速度、列車的制動(dòng)減速度和安 全防護(hù)距離等因素來獲得最優(yōu)的追蹤間隔時(shí)間，這 具有一定的實(shí)際意義。至于這些因素共同作用下， 在何時(shí)可使線路的迫蹤間隔時(shí)間達(dá)到最優(yōu)將在后續(xù) 研究屮加以討論。參考文獻(xiàn)1林海香，董昱基于通信的列車控制在軌道交通中應(yīng)用的關(guān) 鍵技術(shù)j城市軌道交通研究2010(9) ：812趙曉峰無線cbtc信號(hào)系統(tǒng)工作模式分析j城市軌道交 通研處,2012(5) :1033林穎，王長(zhǎng)林車載列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)安全防護(hù)距離計(jì)算模 型城市軌道交通研究,2011(10) ：244薛