城市轨道交通列车运行控制的研究 计算机专业

1、开开 题题 报报 告告一、文献综述ATO 系统研究现状:国外进行 ATO 系统的研究比较早，现已有更成熟的系统可以应用，系统厂商有 ALCATEL、ALSTOM、SIEMENS 等，都已经开始使用 ATO 系统实现全自动驾驶。典型的系统有： (1)阿尔卡特(ALCATEL)公司的 SELTRAC 系统。Amtag，有了它，列车就可以自己行驶了，就不需要人为的去开车了。(2)阿尔斯通(ALSTOM)公司的 URBALIS 系统。此系统与 SELTRAC 系统的设备具有较大的差异。其中轨道车辆的位置信息是通过 EUROBALISE 应答器进行确定，而控制中心是通过无线 WLAN 控制车辆的运行。(

2、3)西门子(SIEMENS)公司的 TRAINGUARD 系统。采用符合 IEEE802.11b 标准的DSSS 无线 WLAN 方式来实现地车的双向信息传输，地面以标准 EUROBALISE 作为定位校正，实现自动驾驶。此外，日本也有很多公司对 ATO 系统进行相关的研究，如日信（NIPPON SIGNA）的 SPARCS 系统，日立(HITACHI)公司的 CBTC 系统等。但是在我国当前运行自动驾驶系统和国外一些国家的技术水平还有相当大的差距。我国对自动驾驶系统最早开始于 1999 年，其最初主要集中于研发数字轨道电路以及固定闭塞系统。由于我国的轨道交通的基础设施和技术资源基本集中在大中

3、型国有企业，同时自动驾驶系统的资金投入需求也比较大，这直接导致自动驾驶系统的核心技术基本掌握在国有大中型企业中。目前虽然国内外已经有自动驾驶系统投入运营，但是仍然远远赶不上轨道列车运输发展的需求。二、选题的目的和意义城市轨道运转的密度较大，特别是在上下班高峰时段，如果直接在列车运转时，对自动驾驶系统设备进行实验研究，将会破坏操作系统的正常运行，而且新设计的系统运行不稳定，将会存在较大的安全隐患。所以，在直接运用新的系统以前，可以采用智能仿真技术手段对自行设计的新的控制系统进行智能仿真模拟。通过模拟实际运行情况，对设计的自动驾驶系统设备进行智能仿真，从而对设计的系统功能、稳定性进行评价，同时对出

4、现的问题进行改善。采用智能仿真软件模拟方法，不仅可以模拟轨道车辆的实际运行情况，对软件进行综合评价分析，而且可以保持实验过程中条件的一致性，可以更加准确的反应出系统存在的问题，提高了开发水平、缩短了研究周期，节省了整个生命周期的成本，已成为一种必然趋势。因此，把智能仿真技术运用于 ATO 中时非常有必要的。三、研究方案（框架）第一章，介绍现在关于这个设计方面国内具体情况，国外的情况，阐述简单的研究背景第二章，介绍了智能仿真有关的设计，在 2.1 节介绍模型，在 2.2 节介绍和智能仿真有关的一个平台的一个开发的流程。在 2.5 节智能仿真平台控制的算法等。第三章，列车行驶中智能仿真软件所起到的

5、作用。第四章，针对轨道交通问题提出了一系列的节能策略。4、进度计划1.第 1 学期 16-20 周：整理资料并做开题报告，撰写论文提纲;2.第 2 学期 8-10 周：消化整理资料，结合所学知识，撰写论文初稿;3.第 2 学期 11-12 周：在初稿基础上修改论文，撰写论文第二稿;4.第 2 学期 13 周：继续修改论文，最后定稿，交指导老师;5.第 2 学期 14 周：组织论文答辩;6.第 2 学期 15 周：整理论文资料并装订成册，论文归档。五、指导教师意见指导教师： 年 月 日中中 期期 报报 告告题目：题目：学生姓名：学生姓名： 学号学号： 一、进展情况 1 研究背景及意义随着社会的进

6、步，城市发展越来越快，车子也越来越多，交通也变得很拥堵，为了使交通变得越来越便利，变得不再那么拥堵，地铁的到来成为了我们的福音，在我国，有好多的地铁线路，乘坐地铁，一个是速度较快，第二个是它很安全，所以说对于交通拥堵这个问题，它对我们起了很大的作用。所以我们要多发展一下地铁，也就是城轨的交通。2 系统智能仿真方案设计智能仿真软件的设计应该是根据实际需求设计，也就是所谓的需求决定软件体系结构，因此，在本文中的开发模型需要减小需求与实现两者的差别。图 2-1 为本文自动驾驶系统智能仿真软件的开发模型，由图可以看出，本文将会采用软件体系结构开发模型，此设计模型完全是根据智能仿真需求进行开发，从而有效

7、地对轨道列车的实际模拟，提高了智能仿真系统的通用性能。此外，本文将采用增量迭代方法开发模型。3 城市轨道交通的列车车辆节能策略3.1 车辆设备节能3.2 列车编组优化3.3 列车重量控制3.4 牵引传动系统节能二、指导教师意见指导教师： 年 月 日结结 题题 验验 收收1、完成日期2018 年 月 日二、完成质量三、存在问题4、结论通过对我国轨道列车自动控制系统的探索，可以预见开发轨道列车自动驾驶系统非常急迫。轨道列车自动驾驶系统是一个很复杂的系统，运行条件、影响因素非常多。要建立一种构造层次分明的智能仿真软件具有一定的困难。软件系统结构是设计抽象化的进一步发展，可以相当容易地明白软件系统的需

8、求，从而能够很方便地设计很繁琐的软件系统。为开发提供了良好的理论基础，具有通用性、可扩展性和可维护性的列车自动驾驶智能仿真体统平台。考虑到轨道交通运输行业的特殊性，建立相应的列车车辆节能优化控制策略，对于推动城市交通系统可持续发展具有重要的意义。本篇论文重点阐述了便于理解、能扩展、可维护、能反复利用的智能仿真系统，而且对列车自动驾驶智能仿真体系有了进一步的研究。包括以下几个方面：（1）通过了解国内外城市轨道列车运行控制智能仿真系统的发展情况，进而设想了基于体系结构的 ATO 智能仿真方法。（2）采用设计的智能仿真系统对列车运行进行智能仿真。这一环节是对通过对轨道车辆的人工驾驶功能和自动驾驶功能

9、两者分别进行智能仿真模拟，智能仿真显示，设计的智能仿真软件可以方便的添加各种算法，同时可以稳定、准确的显示智能仿真结果。指导教师： 年 月 日i中文摘要摘要：摘要：随着社会的进步，城市发展越来越快，汽车数量也越来越多，交通也变得很拥堵，为了使交通变得越来越便利，变得不再那么拥堵，地铁的到来成为了我们的福音，在我国，有好多的地铁线路，乘坐地铁，一个是速度较快，第二个是它很安全，所以说对于交通拥堵这个问题，它对我们起了很大的作用。因此，在本篇文章中主要是以列车自动驾驶系统为研究对象，设计开发一款列车自动驾驶系统智能仿真软件。因为这个设计用到了智能仿真，本文通过介绍一个智能仿真软件，引出了这个设计它

10、的一整个流程，分析研究软件怎么通过计算得出图形的，通过以上的几个摸索，让我们知道列车它自己行驶的整个系统它都有什么功能，到最后我们用这个软件去对它进行智能仿真。模拟结果显示出设计的智能仿真软件可以实现对自动驾驶系统的模拟智能仿真功能，并能更好更安全的对即将上线的轨道交通车辆，进行提前的模拟运行，得出更好的运行结果，从而得出更多有用的运行数据，改进轨道车辆及相应的子系统。同时，我国的城市轨道交通事业发展进入全盛阶段，除了对运行技术具有较高要求，对于列车的节能效果也提出了新的要求。本文也围绕城市轨道交通列车节能，对其策略实施进行深入研究。关键词：关键词：城市轨道列车;控制系统;智能仿真iiABST

11、RACTTitle: Research on operation control of urban rail transit train.ABSTRACT:With the progress of society, urban development faster and faster, also more and more cars, traffic has become congested, in order to make the traffic is becoming more and more convenient, become less congestion, became ou

12、r Gospel is the arrival of the subway, in our country, there are many subway lines, take the subway, one is the fast, the second is that it is safe, so for this problem of traffic congestion, it played a great role to us.Therefore, in this paper, the automatic driving system of the train is designed

13、 and developed as the research object, and the intelligent simulation software of the automatic driving system is designed and developed. Because the design used in the intelligent simulation, this paper introduces an intelligent simulation software, it brings up the design of the whole process, ana

14、lysis and study how to calculated the graphic software, by more than a few error, let us know what train running it for the whole system has its own what function, in the end we use the software to intelligent simulation for it. Simulation results show the design of the intelligent simulation softwa

15、re can realize the simulation of autopilot system intelligent simulation function, and can better and more safe for the launch of rail transit vehicles, to advance the simulation run, better run results, thus it is concluded that more useful operation data, the improvement of railway vehicles and th

16、e corresponding subsystem. At the same time, the development of urban rail transit in China is in its heyday. Besides the high requirement for the operation technology, the energy saving effect of the train also puts forward new requirements. This paper also focuses on the energy conservation of urb

17、an rail transit trains and carries out in-depth research on its strategy implementation.KEYWORDS：Urban rail trains; Control system; The intelligent simulationiii目录中文摘要 .iABSTRACT .ii1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 选题的目的与意义 .11.3 国内外研究现状 .21.3.1 国内研究现状 .21.3.2 国外研究现状 .21.3.3 小结 .31.4 研究内容 .31.5 研究思路与论文结构 .32 系

18、统智能仿真方案设计 .52.1 智能仿真软件的模型开发 .52.1.1 迭代和增量的智能仿真软件开发模型 .52.1.2 基于体系结构的智能仿真软件开发模型 .62.2 智能仿真平台开发流程 .62.3 智能仿真平台建模开发目标 .72.4 智能仿真平台建模设计 .82.4.1 用例模型的整体描述 .82.4.2 用例图描述 .102.4.3 分析类和包 .102.4.4 创建实现图 .122.5 智能仿真平台算法设计 .122.5.1 节能设计 .123 列车运行智能仿真 .163.1 建立模型 .16iv3.1.1 建立动力学特性曲线模型 .163.1.2 建立列车模型 .163.1.3

19、建立 ATC 模型 .173.2 人工驾驶功能智能仿真 .183.3 自动驾驶功能智能仿真 .184 城市轨道交通的列车车辆节能策略 .204.1 车辆设备节能 .204.3 列车重量控制 .214.4 牵引传动系统节能 .214.5 多列车能耗节能解决方案 .225 结论 .23参考文献 .2411 1 绪论绪论1.1 选题背景选题背景随着社会的进步，城市发展越来越快，车子也越来越多，交通也变得很拥堵，为了使交通变得越来越便利，变得不再那么拥堵，地铁的到来成为了我们的福音，在我国，有好多的地铁线路，乘坐地铁，一个是速度较快，第二个是它很安全，所以说对于交通拥堵这个问题，它对我们起了很大的作用

20、。所以我们要多发展一下地铁，也就是城轨的交通。在发展过程中为了满足城市轨道交通体系高密度、高时效的要求，列车自动控制系统(Automatic Train Control，简写为 ATC)是非常有必要的，它可以在原来线路和相同数量车辆的情形下，缩短行车行驶距离，改善运行速度，实现承载能力的提高。列车自动驾驶系统(Automatic Train Operation，简写为 ATO)是 ATC 系统中的一个子体系，该子系统可以对轨道交通车辆进行制动、驱动等控制。人工驾驶由于驾驶员的驾驶习惯、经验的不同，将会导致经常会出现车辆加速或减速的情况发生，这极大的降低了车辆行驶的平稳性。ATO 系统可以根据操

21、控中心的信息来自动控制轨道车辆的行驶，减少车辆因不必要的加速和减速现象发生，有效地提高了车辆行驶平稳性。因此研究 ATO 是非常有必要的。1.21.2 选题的目的与意义选题的目的与意义城市轨道运转的密度较大，特别是在上下班高峰时段，如果直接在列车运转时，对自动驾驶系统设备进行实验研究，将会破坏操作系统的正常运行，而且新设计的系统运行不稳定，将会存在较大的安全隐患。所以，在直接运用新的系统以前，可以采用智能仿真技术手段对自行设计的新的控制系统进行智能仿真模拟。通过模拟实际运行情况，对设计的自动驾驶系统设备进行智能仿真，从而对设计的系统功能、稳定性进行评价，同时对出现的问题进行改善。采用智能仿真软

22、件模拟方法，不仅可以模拟轨道车辆的实际运行情况，对软件进行综合评价分析，而且可以保持实验过程中条件的一致性，可以更加准确的反应出系统存在的问题，提高了开发水平、缩短了研究周2期，节省了整个生命周期的成本，已成为一种必然趋势。因此，把智能仿真技术运用于 ATO 中时非常有必要的。1.31.3 国内外研究现状国内外研究现状1.3.11.3.1 国内研究现状国内研究现状ATO 智能仿真研究现状:一个是利用智能仿真算法的算法，一个是供智能仿真使用的平台。其中智能仿真系统算法主要是根据提供的参数来实现自动驾驶系统评价功能，同时设定智能仿真模拟的流程；而 ATO 系统智能仿真平台的研究重点是如何构建适当的

23、 ATO 特性的智能仿真环境。国内对列车自动驾驶系统智能仿真模拟相关的研究较少。其中我国的学者黄志平等人为了提高轨道车辆停靠的准确度，通过采用智能仿真模拟的方法，最终获得了智能预测控制策略。但是其研究的结果存在一个缺点就是过度依赖牵引电算软件，没有采用轨道列车运行的大众属性，导致智能仿真模拟的结果不具备通用性。随着国内外学者对列车自动驾驶系统智能仿真系统研究不断的深入，模拟智能仿真理论以及软件功能不断的完善，对列车自动驾驶系统的评价准确性越来越高。1.3.21.3.2 国外研究现状国外研究现状ATO 系统研究现状:国外进行 ATO 系统的研究比较早，现已有更成熟的系统可以应用，系统厂商有 AL

24、CATEL、ALSTOM、SIEMENS 等，都已经开始使用 ATO 系统实现全自动驾驶。典型的系统有： (1)阿尔卡特(ALCATEL)公司的 SELTRAC 系统。Amtag，有了它，列车就可以自己行驶了，就不需要人为的去开车了。(2)阿尔斯通(ALSTOM)公司的 URBALIS 系统。此系统与 SELTRAC 系统的设备具有较大的差异。其中轨道车辆的位置信息是通过 EUROBALISE 应答器进行确定，而控制中心是通过无线 WLAN 控制车辆的运行。(3)西门子(SIEMENS)公司的 TRAINGUARD 系统。采用符合 IEEE802.11b 标准的DSSS 无线 WLAN 方式来

25、实现地车的双向信息传输，地面以标准 EUROBALISE 作为定位校正，实现自动驾驶。3此外，日本也有很多公司对 ATO 系统进行相关的研究，如日信（NIPPON SIGNA）的 SPARCS 系统，日立(HITACHI)公司的 CBTC 系统等。但是在我国当前运行自动驾驶系统和国外一些国家的技术水平还有相当大的差距。我国对自动驾驶系统最早开始于 1999 年，其最初主要集中于研发数字轨道电路以及固定闭塞系统。由于我国的轨道交通的基础设施和技术资源基本集中在大中型国有企业，同时自动驾驶系统的资金投入需求也比较大，这直接导致自动驾驶系统的核心技术基本掌握在国有大中型企业中。目前虽然国内外已经有自

26、动驾驶系统投入运营，但是仍然远远赶不上轨道列车运输发展的需求。1.3.31.3.3 小结小结在上一节讲 ATO 研究现状的时候讲到了供智能仿真使用的一个平台，那么我们就要先讲和列车有关的自己自行行驶的系统，通过讲解这个，我们就能对平台有更加深刻的理解，我们对它了解的更多，所以说它当它坏了的时候，我们就能对它进行维修保护。这样的话我们对它的研究就会多一份进展。刚才说到了列车自动驾驶，它是一种系统，能够自己控制自己，形成闭环，列车在自己行驶的过程中，能够知道自己的速度是多少，同时它也在计算着它自己所能达到的速度最快是多少，它的计算是靠计算机来进行的，同时呢也参考了其他的的一些方法，比如说:当列车开

27、到弯路时，或者开到上坡下坡时等等原因，这样就可以知道列车能够开多快的速度。ATO，ATP 可以给它传达信息，一个是 ATP 它行驶时的速度的命令，、一个是它自己走了多远的路，一个是它自己真正的速度。就是有了这个速度的命令，它就能让车的速度保持一定的范围，然后停车的时候就要做到准确，而且是在有屏蔽门的站台那停车。1.41.4 研究内容研究内容根据国内外城市轨道交通列车运行控制现状及存在问题，本研究将重点研究以下内容：本文框架第一章，介绍现在关于这个设计方面国内具体情况，国外的情况，阐述简单的研4究背景第二章，介绍了智能仿真有关的设计，在 2.1 节介绍模型，在 2.2 节介绍和智能仿真有关的一个

28、平台的一个开发的流程。在 2.5 节智能仿真平台控制的算法等。第三章，列车行驶中智能仿真软件所起到的作用。第四章，针对轨道交通问题提出了一系列的节能策略。1.51.5 研究思路与论文结构研究思路与论文结构本研究的研究路线如图 1-1 所示。图 1-1 研究路线图文章结构设计方面国内外研究情况智能仿真的设计智能仿真软件作用节能策略52 2 系统智能仿真方案设计系统智能仿真方案设计2.12.1 智能仿真软件的模型开发智能仿真软件的模型开发智能仿真软件的设计应该是根据实际需求设计，也就是所谓的需求决定软件体系结构，因此，在本文中的开发模型需要减小需求与实现两者的差别。图 2-1 为本文自动驾驶系统智

29、能仿真软件的开发模型，由图可以看出，本文将会采用软件体系结构开发模型，此设计模型完全是根据智能仿真需求进行开发，从而有效地对轨道列车的实际模拟，提高了智能仿真系统的通用性能。此外，本文将采用增量迭代方法开发模型。如图 2-1 所示。图 2-1 基于软件体系结构的开发模型2.1.12.1.1 迭代和增量的智能仿真软件开发模型迭代和增量的智能仿真软件开发模型通过分析，本篇论文提出了一种迭代和增量两者共同作用的智能仿真软件开发模型。因为开发智能仿真软件需要耗费长时间的精力和金钱。因此将开发智能仿真软件产品这项工作分成较小的部分是可行的。每个不同的部分能得到一个增量迭代过程。每一个小部分都有专门的人员

30、进行开发，每个研发人员都有自己的研发周期，研发人员必须在自己的研发周期内完成自己的任务，只要每个研发人员都能按照计划按时完成自己的任务，智能仿真软件就能够如期完成。每个研发人员完成自己的任务之后就相当于智能仿真软件进行了一次更新，这就是迭代和增量模型共同拥有的特点。下面再说说迭代和增量模型不同点，主要是研发人员的研发周期不同，增量模型是按6照研发人员的工作量来划分的，在规定的研发周期内必须完成自己的任务。迭代模型是在原有的开发模型上选择行的进行修改。因此，迭代的过程需要接受控制，通过原来已有的设计方案来选择性的迭代。2.1.22.1.2 基于体系结构的智能仿真软件开发模型基于体系结构的智能仿真

31、软件开发模型最近几年中，有一批软件开发者专门研究软件体系结构开发模式和它在中小型软件项目中的使用结果，得到了阶段性的进展。下面将结合城市轨道交通自动驾驶（ATO）提出一种新的基于体系结构的软件开发模型（ABSD）。ABSD 模型将整个基于体系结构的软件过程分为 5 个子过程（核心流程），这五个子过程是结构的需求、设计、分析、实施、审查和演进。如图 2-2 所示：图 2-2 基于体系结构的软件开发模型2.22.2 智能仿真平台开发流程智能仿真平台开发流程ABSD 模型把整个架构的软件开发和执行过程分为以下六个步骤： （1）确定 ATO 智能仿真平台的基本目标； 7（2）开发智能仿真平台的模型；

32、（3）设计平台：（4）开发平台；（5）基础并测试平台； （6）运行并分析智能仿真结果。详细内容如表 2-1 所示：表 2-1 基于体系结构的软件开发流程2.32.3 智能仿真平台建模开发目标智能仿真平台建模开发目标在分析城市轨道交通智能仿真平台开发的重要性和可行性之后，我们在开始工作的初始阶段的主要工作就是要确定智能仿真平台建模的开发目标。根据 Rose 的基本特性来对这些角色和用例进行归档，可以建立关系的框图，综合体现系统的特性。在这8个阶段，向主管人员提供一份评估报告，报告通过后，来制定一份重复计划。初始阶段的大部分工作都在需求工作流中完成。如图 2-3 所示，其中有一些工作在分析和设计工

33、作流中进行，在最后的实现和测试工作流中只有少量的工作。在这个阶段中，所关注的是需要证明新的概念，而不是要确保这种探索性的原型在任何细节处都能正确运行。图 2-3 ATO 智能仿真平台的用例图2.42.4 智能仿真平台建模设计智能仿真平台建模设计2.4.12.4.1 用例模型的整体描述用例模型的整体描述（1）图形描述用画图来显示参与一个业务用例的若干用例，或表明一个参与者所执行的若干用例。如图 2-3 所示。（2）用例模型的综合说明建模者首先使用“建立特定模型用例建立列车、线路、ATC 模型，以供智能仿真9时调用。在建立列车模型时，可以利用牵引特性、制动特性和阻力，建立良好的模型，如果没有合适的

34、模型可以重新建立。在 ATC 模型的建立时，除了对 ATO、ATP、ATS的参数设置外，还应特别注意获得数据路径的设置。线路的设置包括轨道区段、坡度、曲率、信号机等的设置。这些模型的建立将保存成相应格式的文档。 根据选取的对象模型，智能仿真者就可以任意建立想要智能仿真的系统模型。这主要 在“模型选择用例中实现。除此之外还要设置运行参数，如发车时间、停站时间、人工驾驶/自动驾驶、控制算法等。这些参数设置好后，就组成了一个可运行演示的系统。这个系统的所有设置参数，均可通过“系统参数显示”用例来显示，而且显示时每设置完一项就可以显示该项。在获得智能仿真体系运转后，智能仿真者就能通过模拟驾驶”用例来进

35、行智能仿真，还可以通过“显示运行状态”用例来体现运转信息。在智能仿真过程中可以进行人机交互操作。最后列车进站停稳后，保存运行信息，然后结束智能仿真。 每采用一种控制算法进行运行智能仿真，得到的运行信息均可通过运行性能分析用例，综合计算出该控制算法的四个性能指标的值。对于自动驾驶来讲，在同等的参数设置条件下，使用一种算法获得的四个性能指标的值可以组成一条记录，使用不同的算法可以形成多条记录，对不同的算法通过性能综合对比用例来进行评估。(3)术语表 术语表可以用来定义分析人员(和其他开发人员)在描述系统时所用的重要术语和公用术语。术语表可以促进开发人员之间的观点以及定义保持一致，减少由于误解而产生

36、的整体风险。举例如下： 运行演示模型：在用户运行智能仿真平台进行模拟运行时，智能仿真者所选定的智能仿真对象。它可以显示运行状态，给出智能仿真驱动界面，并根据智能仿真者所设的命令执行任务。 对象模型是运转演示模型的组成部分。它是一套预先建立好的小型模型，在建立运转演示模型时可以使用。 控制算法：指的是 ATO 内部根据所获得的实际速度与要求速度，计算控制量所采用的控制算法。 (4)区分用例的优先级 在智能仿真平台中，“模拟驾驶用例是最重要的用例，没有它，也就没有智能仿10真过程与智能仿真结果。“智能仿真结果分析”、“建立对象模型”、“智能仿真模型参数设置”、“智能仿真结果分析”是为“模拟驾驶”用

37、例服务的。 由于细化阶段细化了智能仿真平台系统的需求，因此可能需要对用例模型进行更新。Rose 可以创建一个进程视图，例如演示事件流程的活动图。可以利用时序图和协作图来进行细化处理流程，根据这些进程视图，有助于系统逻辑图的设计。对系统细化设计的准备，使开发人员对组件进行开发，它可以由 Rose 创建类图与状态图来创建。最后，细化阶段要确定许多系统组件。Rose 可以创建一个方框图，显示组成和它们之间的关系，Rose 还可以创建实施图，描述在部署中如何实现组件。2.4.22.4.2 用例图描述用例图描述系统建模视图包括静态视图和动态视图，用例图属于静态视图，用例图显示了系统的静态结构，描述了对象

38、的结构、将行为实体描述成离散的模型元素，但是不包含动态行为中的细节。在系统静态视图的基础上，对系统的动态视图进行了分析和设计，并建立了相应的动态模型。动态视图是根据系统时间变化的行为。在执行 UML 上，动态模型主要是建立系统的交互图和行为图。交互图包含时序图和协作图两种；行为图则包括状态图和活动图。 时序图是用来显示并强调对象之间的时间顺序，还可以显示对象之间的交互。协作图是用来描述对象之间的相互作用。状态图是通过对类对象的生命周期进行建模来描述对象之间的动态行为。活动图是用于对工作流程建模的一种特殊的状态机。2.4.32.4.3 分析类和包分析类和包通过对用例进行详细的说明后，我们可以确定

39、关键的类。通过转移分析类和包以及类，便可以得到逻辑视图。 软件早期可能只可以得到几个主要对象，随着工作的重复测试和深入分析，通过反复的实验和分析，不断地提高了对象图。UML 描述了在设计初期的对象总体框架包。包 (package)实际就是一组对象组，几个对象组的相结合就构成了包图，借助于包图，可以描述出系统之间的对象组之间的联系，以确定系统对象之间的联系。包图是根据例图进行归纳分类的结果，它可以直接从例图中导出。ATO 智能仿真平台的包图如图112-4 所示。图 2-4 ATO 智能仿真平台的包图根据 ATO 智能仿真平台的包图，我们可以进一步分析得出对象图。为了获得对象图，可根据协作图来充分

40、了解各个对象图之间的协同关系。根据协作图可以看出，ATC 模型应该包含 ATO、ATP、ATS、人机界面(MMI)等其它的类，它们之间的关系如图 2-5 所示：图 2-5 列车自动控制系统的对象图ATO 类的主要包括等待、发车、接车、区间追踪灯等的运行状态和停车、超速、限速、正常速度等速度状态。列车在正常运行情况下必须保证受 ATO 系统控制，各类12状态能相互转换，以确保行车安全。当他们接收到一个消息时，他们的状态决定了他们的行为。在这种情况下，用状态图来描述一个设计类的不同状态转移就很有意义。ATO 的状态图如图 2-6 所示：图 2-6 ATO 的状态图2.4.42.4.4 创建实现图创

41、建实现图智能仿真平台在细化阶段时，创建实现图是非常有必要的。实现图主要是对系统构件的类图。在开发软件的过程中，通过使用例图，可以推测出系统所需的行为；根据类图，可以对问题域的词汇进行描述。通过创建一个序列图、交互图、状态图和活动图，可以显示所有问题域的词汇在定义中是如何共同来完成这一行为的。最后，我们需要把这些逻辑蓝图转化为在世界中的一些事物，实现图可以用可执行体、库、表、文件和文档来进行描述。ATO 智能仿真平台的实现图如图 2-7 所示：13图 2-7 AT0 智能仿真平台实现图2.52.5 智能仿真平台算法设计智能仿真平台算法设计2.5.12.5.1 节能设计节能设计（1）节能构成 列车

42、在固定线路上运行时，消耗的能量可以采用下列式子进行计算： （式 2-3211EEEE1）E1 的意思是增加列车行驶时产生的动能能耗；E2 的意思是克服列车对基本和坡道阻力做的总功；E3 的意思是列车自己行驶时的代损耗； 按照不同的线路断面，E1、E2、E3 所占的比重也是不一样的，如果两站之间主要是长下坡道，即使有一些上坡道也不需要进行牵引，列车使用惰行工况也是可以通过的，对于特殊的线路段面来讲，机车运行主要为动力制动、空气制动，机车控制，所以 E3 在能耗中占据了主要地位，E1、E2 几乎不消耗能源，其实对于这样的线路段面来讲，没有必要对列车运行的节能优化，列车的运行应主要是保证安全。如果两

43、站之间主要是持续的上坡道， 则 E2 在能源消耗中占据着主要地位，列车使用的牵引工况，无需节能。对一般的线路断面来讲，则 E1 和 E2 占在能源消耗中占据着主要的位置。14而 E1 基本上对列车不同操作变化不大，所以，列车节能减少能源不必要的损耗，充分利用势能来维持或增加列车动能，以及减少基本阻力所做的功。（2）节能运行规则本文提出的节能算法是基于以上算法，列车围绕目标速度牵引一惰性运行，以达到节能的目的。同时，根据国内外的研究成果设计如下的节能算法： 当列车启动时，应尽可能使用最大牵引力进行牵引，对于各个城市之间列车的牵引来讲，应该尽可能在短时间内提升手柄的最大值。 当列车在区间运行时，应

44、尽可能的降低运转速度的不平均性，列车速度依据牵引惰行模式的进行运转，尽可能的采取惰行工况。列车惰行的能量消耗等于自身的消耗，是最小的运行能耗。所有有效利用惰行可大大的减少列车总的运转能耗。1)停车或者前方限速值为零时，列车以最大值动力制动停车。 假定列车正常运行时，以相同的始末速度在相同的实际内通过相同的距离，不同的操纵方式的能耗不尽相同，由公式(式 2-1)可以看出，E1 和 E3 动能的提高和列车自我能量消耗是一样的，所以能耗区别主要是由于克服基本阻力及加算坡道阻力做的功不同，由于相同的坡道，克服坡道阻力做的功是一样的，我们只要比较两种运转模式基本阻力功率的大小即可。假定坡度为 i，坡长为

45、 L，进坡速度和出坡的速度均为 V0。列车运行单位基本阻力为： (式 2-2)2*)(fVCVBAv令 W1为变速运动单位基本阻力功，则可知： (式 2-3)dxVCVBLAWL201dc* 令 W2为理想均匀运动单位基本阻力功，则可知： (式 2-4)LCVBVLAW*2002 对比上述两种条件下克服基本功的大小可得 W1-W2为： (式 2-5)/(*)/dx(*2020021VLdxVLCVLVLBWWL 令 ，LLVdxV0 x/则 （式 2-6）2200220 x/*1/*LdtVdtLVdxTVVLT15 因为有 ，则根据积分不等式： TdtTvdtx01,d （式 2-7）220

46、22)(*dt1LVdtdtVT即 所以有 ，同理可证 。1/0 xVV0/dx00LVLV0/dx0202LVLV因此有 。021WW根据以上推理可以得出结论，在列车牵引操作时，在其他条件同等的情况下，通过匀速运动克服的基本阻力的是最小的。因此，为了实现列车的能源效率，应可能降低列车运行速度的不均匀。在实际运行中，不肯实现完全匀速运行的，列车将围绕列车运行的目标采用牵引惰行模式运行。以减小列车运行速度的不均匀件。（2）正点运行算法根据列车区间运行的时间规定，自动驾驶系统必须要确保列车的准点运行。根据节约时间模式进行列车运转模拟，从而得到列车运转时间 Tm 与列车规定的运转时间Tn 之间的差成

47、为富裕时间 Ti。 （式 2-TmTnTi8）当 Ti0 时，表示列车按最大运转速度提前到达目的地，为了实现准时到达， 应降低目标的平均速度，合理分配业余时间来实现节能。减少平均运行速度是为了减少牵引时间，减少能源消耗，使得列车运行更准时。(3) 停车精度因为站台的长度是固定的，不准确的停车位置将会影响乘客的上下车，特别是安装了屏蔽门的站台。这就要求列车在停车前，ATO 和 ATP 等密切配合，精确计算、及时自动调整 列车运行速度，达到自动精确停车。ATO 设计了如下停车检测算法：在列车距车站停车点 350m、150m、25m、8m 处，分别设置不同固有频率的定位停车传感器(标志器)，当列车惰

48、行节能运行至距停车点 350m 处，16当列车天线位于车站地面传感器的范围内时，通过电磁感应和产生谐振以及接收停车标志的频率信息，会在列车上产生第一制动模式的减速运行。 同样，当列车分别到达停车点 150m，25m，8m 时，分别为：第二，第三，第四模式运行曲线，以保证列车自动停车。目前，精度控制在25cm 范围内。该定位停车算法图如图 2-8 所示。图 2-8 定位停车算法示意图(4) ATO 智能仿真系统算法流程如图 2-9 所示，列车运行算法流程，其过程为：列车首先获得线路、列车的数据，以确定列车运行过程中的受力情况，然后利用节能算法和定时运行算法，计算列车在无干扰的情况下，优化运行曲线

49、，在期间内，为了满足一定的舒适度，设置所允许的加速和减速及变化率的大小。最后，根据目标停车点的位置，可以使用停车算法来实现定点停车。 此外，实际运行往往受到诸多因素的影响，导致列车早点和晚点情况发生，在这种情况下，系统将根据列车运行速度的实际情况来进行列车运行速度的时分曲线。图 2-9 ATO 智能仿真算法流程图173 3 列车运行智能仿真列车运行智能仿真3.13.1 建立模型建立模型列车运行智能仿真需要建立下面三种模型：动力学特性的曲线模型，列车、线路、ATC 模型。3.1.13.1.1 建立动力学特性曲线模型建立动力学特性曲线模型建立动力学特性曲线模型主界面如图 3-1 所示。该图显示了库

50、中所有的牵引特性曲线和所有选定特征点的曲线，当我们指定一个特征点时就可以直观地显示在曲线上。根据这个功能，我们可以很方便的模拟各项参数。从而，能够更好的研究 不同列车的动力学特性，更好的改进列车。图 3-1 建立动力学特性曲线模型主界面3.1.23.1.2 建立列车模型建立列车模型建立列车模型主界面如图 3-2 所示。图中显示的是南京地铁一号线的列车信息， 包括车长、车重等信息以及牵引力、制动力、阻力特性曲线。通过这个功能，可以方便的添加、修改和删除列车模型。18图 3-2 建立列车模型主界面3.1.33.1.3 建立建立 ATCATC 模型模型建立 ATC 模型主界面如图 3-3 所示。通过

51、它我们可选择 ATC 系统的子系统ATO、ATP、ATS 各设备中所产生的数据和设备间传输的数据，这样便可以配置特有的 ATC 系统。从主界面可以了解智能仿真系统设备计算信息：门控信息、车次、运行方向、目标站、车站通过、发车站、停车点位置、运行模式、运行时间、惰行命令、发车时分、情行时间等。在此基础上，可以设置 ATC 模型的配置界面，如图 3-4 所示。图 3-3 ATC 模型的主界面19图 3-4 ATC 模型的设备配置界面3.23.2 人工驾驶功能智能仿真人工驾驶功能智能仿真以往司机培训是一种师傅带徒弟，培训工作受到机车、线路、时间、区间的限制，培训期很长。采用 ATO 智能仿真平台，能

52、模拟驾驶室显示，模拟列车与线路的状态，到此能实现安全培训，并可以大大缩短司机培训周期。智能仿真平台能给司机提供启动、牵引、制动或切换成自动驾驶模式等功能。图 3-5 选择的线路足南京地铁一号线南京 站至中华门路段，图中给出了一条人工驾驶的速度距离曲线。外围曲线是最大允许速度曲线，内部曲线是实际速度曲线。图 3-5 人工驾驶速度-距离曲线3.33.3 自动驾驶功能智能仿真自动驾驶功能智能仿真ATO 控制算法主要是牵引力和制动力计算的问题。使用不同的控制算法会得出不同的控制力，其性能指标也是不一样的。各种控制算法的性能如何，本智能仿真平台20提供了分析和比较的空间。由于智能仿真平台提供了算法的接口

53、，因此各种算法能方便地添加。目前，在智能仿真平台中已经加入了三种控制算法，这三种算法不一定是最优的，但是它说明在智能仿真平台中可方便地添加修改算法。图 3-6 给出了两种不同算法在相同运行环 境下的不同控制效果。研究 ATO 算法的用户，可以自己编写算法模块嵌入应用程序。图 3-6 自动驾驶速度-距离曲线4 4 城市轨道交通的列车车辆节能策略城市轨道交通的列车车辆节能策略4.14.1 车辆设备节能车辆设备节能4.1.14.1.1 列车客室照明荧光灯改为列车客室照明荧光灯改为 LEDLED 灯管灯管荧光灯含有重污染的金属物质，使得报废的荧光灯管对环境的污染十分严重，同时也存在功率高、消耗量大、寿

54、命短、维护量大等诸多缺点，而 LED 灯管采用发光二极管作为光源，功率低、功效高、寿命长、更节能。214.1.24.1.2 列车客室空调定频改为变频列车客室空调定频改为变频由于供电频率不能改变，定频空调压缩机转速基本不变，依靠不断的开、停压缩机来调节列车客室的温度，很容易造成列车客室的温度忽冷忽热，并消耗较多的电能。相比较而言，变频空调的变频器改变压缩机的供电频率，调节压缩机的转速，依靠压缩机的转速快慢达到控制列车客室温度的目的，其优点是室温波动小、电能消耗少。4.1.34.1.3 传统继电器控制改成传统继电器控制改成 PLCPLC 集中控制集中控制传统线圈式的继电器，存在能耗大、损坏率高、体

55、积大、接线复杂、附件多、改造复杂等诸多缺点，而 PLC 集中控制改造起来就会相对简单，只需要改编程逻辑图就可以改变它的控制方式，不仅可以将风险降到最低，还能降低人工改造量和投入的成本，从而达到节能的目的。4.24.2 列车编组优化列车编组优化在列车的日常运输组织过程中，具有多种不确定因素，综合这些因素针对车辆进行组织管理工作至关重要。列车的编组主要考虑的编组指标有：车流量、集结时间、车辆改编作业时间，同时指标是不断波动的。而目前车流组合计算采用静态参数，实际上在不同组合方案之间，参数是完全不同的。传统的优化计算结果，可能在实际执行中与理论计算存在着较大偏差。因此，采用动态参数构建新的优化模型是

56、编组计划优化的重要方向。以编组计划与车流径路为研究对象，将车流量的波动性考虑到编组计划优化问题中，并利用随机模拟和模糊模拟方法，根据编组计划与车流径路综合优化的目标和原则，建立基于车流量波动的列车编组计划与车流径路综合优化模型，采用基于随机模拟的改进分枝定界法对模型进行求解，为车流组织优化提供一种新的思路。224.34.3 列车重量控制列车重量控制列车自重直接影响列车牵引系统的所需电量，越重的列车在同样的牵引系统情况下所消耗的电量越多。故在列车重量方面的节能策略是：在新车采购中实现车辆轻量化，车辆轻量化中最为关键的是车体的轻量化，因为车体在车辆重量中所占的比重最大，大约占到四分之一，采用轻量化

57、材料是降低车体重量的关键。除此之外，车体型材间的连接方式、内装材料的选择对车体重量产生很大的影响。因此，城市轨道交通运营企业在新车采购时，应逐步研究在保证列车安全及各项主要性能的前提下，如何降低并控制列车自重从而达到减少列车牵引用电的目的。4.44.4 牵引传动系统节能牵引传动系统节能4.4.14.4.1 最大转矩电流比控制技术最大转矩电流比控制技术在传统的矢量控制方法中，励磁电流通常是给定的恒定额定值，而不考虑随负载变化对励磁进行调整。这样，特别是在轻载情况下，电机效率就会有大幅度的下降。在一定的转矩下，通过适当的控制方法使输出电流达到最小，则不仅可提高电机效率，而且可减小与电机相连逆变器或

58、者变频器的电流应力。列车在运行的时候接收的是转矩指令（不管是牵引还是制动情况下），按照矢量控制的控制思路，电机转矩大小正比于励磁电流分量和转矩电流分量的乘积，可以采用基于“最大转矩电流比”的电机节能控制方法，通过调节电机励磁电流分量与转矩电流分量的大小关系，考虑变流器状态的动态波动、列车载荷变化及列车黏着系数的变化等条件，实现既定转矩下的最小电流输出，提高牵引能量利用效率。4.4.24.4.2 特定谐波脉宽调制技术特定谐波脉宽调制技术特定谐波消除脉宽调制技术，它是通过傅里叶分析，在特定时刻进行开关动作，以消除某些指定次数的谐波的一种方法。由于现在绝大多数 SHEPWM 都是提前计算好开关角度并

59、存储成表格再使用，故也被称为开关预算脉宽调制。23在大功率牵引变流器中，电压波形往往不是标准的正弦波，富含有 5 次、7 次和11 次等低次谐波，这些谐波会对电机的运行造成一定的影响，主要表现在谐波发热、转矩脉动和噪声上，特定谐波消除脉宽调制技术因为消除了低次谐波，消除了这些低次谐波的影响，从而使牵引传动系统更加稳定可靠，并且会减小谐波发热等影响，可以实现节能。4.54.5 多列车能耗节能解决方案多列车能耗节能解决方案4.5.14.5.1 对发车间隔进行合理安排对发车间隔进行合理安排尽量重合相邻列车的加速时间以及制动时间，可以有效提高再生制动的利用效率。时刻表在编制过程中需要保证列车的运营需求的同时，尽可能确保同一供电分区内前一列车车辆制动形成多的再生制动能可以有效利用到后车中。4.5.24.5.2 将停站时间减少将停站时间减少满足了乘客上下车时间的前提下，可以尽可能的缩短列车的停靠时间，可以适当延长列车区间运行中所需的时间，以降低列车的运行速度，从而将列车基本阻力与附加阻力的能耗进行有效降低。4