基于通信的列车控制系统中列车追踪间隔的优化与仿真word版

1、基于通信的列车控制系统中列车追踪间隔的优化与仿真*游中正原萍李晓峰(上海工程稈技术人学城市轨道交通学院,201620,上海ii第-作者,硕士研究生)摘耍基于移动闭塞的cbtc(某于通信的列车控制)系 统相对于传统的atc(列车门动控制)系统可实现列车间的 实时追踪运行列车的运行间隔大大缩短。然而列车之间的 追踪间隔时间的优化仍然足一大难题。在考虑列车速度、加 速度、制动距离和安全距离等因素下研究了区间追踪和站台 追踪的追踪间隔时间的模型。仿真分析表明，模型是正确和 有效的并在一定程度上优化了追踪间隔" 关键词 基于通信的列车控制系统；移动闭塞；追踪间隔； 安全距离 中图分类号 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基于通信的列车控制(cbtc )是新型的列车自 动控制(atc )系统，采用的是移动闭塞技术，控 制中心可以获取列车的实时速度、位置等信息，动态 地控制列车的运行。包括采用感应环线和无线通信 的cbtc系统，特别是基于无线通信的cbtc系 统将在我国城市轨道交通屮得到广泛的应用。文献b -4从牵引力和制动力角度研究了准 移动闭塞和移动闭塞列车的安全防护距离。由于是 以牵引力为基础，从而使计算结果不具有实时性。 文献e-6研究了安全距离对追踪间隔的影响，并 进行了了仿真。但由于影响安全距离的因素比较 多，仍然存在一些不确定性。文献7研究了 cbtc 系统列车追踪间隔的算法，但是所建立的

6、模型没有 考虑到前行列车的速度对追踪间隔的影响，模型仍 然有改进的空间。本文首先介绍了列车区间追踪间隔时间、车站 追踪间隔时间的基木概念及影响因索，并在此基础 上建立了城市轨道交通在cbtc系统下的列车区 间追踪间隔和列车车站追踪间隔模型。最后给出了 相应的列车追踪间隔的计算方法，应用matlab 软件对列车追踪间隔时间进行了验算，并对仿真结 果进行了分析。1 cbtc系统列车追踪原理在cbtc系统中，前行列车的车载控制器 (vehicle onboard controller)主动地进行列车的测速 和定位，将位置、速度等信息通过无线通信等方式发 送到轨旁区域控制器(zone controll

7、er) o轨旁区域 控制器负责追踪线路上所有的列车并为后续列车计 算移动授权(movement authority)，从而形成后续列 车的移动闭塞区间(moving block) o后续列车的车 载控制器通过接收到的区域控制器的移动授权命令 来控制后续列车的当前状态，并确保在任何最不利 情况下，后续列车不会与前行列车发生碰撞，这种列*上海市研究生教育创新计划学位点引导布局与建设培育项目(13sc002)车追踪原理如图1所示。1(0)="丄 dx0 v2(1)其屮，追踪距离图1 cbtc系统列车追踪的原理根据列车所在的位置，列车之间的追踪类型又 可分区间追踪和站台追踪。2 cbtc系统

8、列车区间追踪模型移动闭塞的区间追踪根据是否考虑前行列车的 制动距离可分为两种：一种是不考虑前行列车的制 动距离，称之为绝对迫踪模式；另一种是要考虑前行 列车的制动距离，称之为相对追踪模式。为了对模型进行分析，首先对后续模型中将要 出现的符号进行说明，如表1所示。表1符号说明参数 参数含义vi 前行列车的速度v2 追踪列车的速度t立列车在安全距离内走行的时间l列列车长度l安后续列车的冃标停车点距前行列车尾部的安全距离l防站台区域的安全防护距成l反司机确认信号及制动反应时间内列车走行距离l加列车出站加速行走距离to追踪列车间隔时间t反司机确认信号及制动反应时间t制列车的制动停车时间t列一个列车长距

9、离内走行的时间t前行列车开出停车站行驶完安全防护距离加列车长出 度这段所需的时间表1中列车的速度单位为m/s,计算中v2以列 车最大允许运行速度vmax来计算，即v2 = vmax；加速 度a单位为m / «；时间的单位为s；距离以及长度单 位为m；l安在模型中取值为55 m；l防一般为60 m； 取t反二1 so2 1区间绝对追踪模式 在这种模式下，不考虑前行列车的制动距离，只考虑前车所在的位置，如图2所示。列车在位置0处的追踪时间间隔为：lt = l反+ l制+ l安+ l列2i =2.制2a图2绝对追踪模式示总图2 2区间相对追踪模式 在这种模式下，不仅考虑前 车所在的位置，也

10、考虑前行列车的制动距离，如图3所示。t(0) =' -klx0 v2=1反+ l制2 + l安+ l列.l制|3 cbtc系统列车站台追踪模型列车在站台追踪示意如图4所示。由于列车需要在车站停车，于是列车在位置0 的追踪时间间隔为：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但是根据前行列车速度v,的大小不同，求解t出 的方式也就不同（此时两列列车的速度都满足v.< vnax,v?<vmax），也可分为两种模式。于是车站的追踪间隔

11、时间可表示为:2当打时，'l防十l列lt2 1dx + t° v2maxpl 防 + lt（0）= i dx + t0 v2t(0)=时,列其中:2 (l防 + l列)(14)(l+ l ) + v22a%(15)v2 = vmalt2 = 1反 + l制。图4列车站台追踪示意图4仿真结果及分析3. 1站台区域追踪模式1这种模式下，前行列车在安全防护距离内一直 处在加速状态，并没有超过列车最大允许运行速度vmw 一直加速行走完l加+ l列此时务满足：t出的求解方式为：2l2max仿真采用matlab软件。仿真参数：列车长度 l列=120 m,安全距离l安=55 m,加速距离l

12、加二 60 m,启动加速度a = 1 m/s2,制动加速度a = 0. 9 m/s2,反应时间t二1 s,停站时间t =30 so分别模 拟了区间追踪和站台追踪。图5和图6是列车区间追踪仿真结果，图7是 列车在站台区域追踪仿真结果。t _2 （l 加 + l列）'_a,则to可表示为：t（0）="丄 dx + t +o v2(12)2（l防+ l列）a3 2站台区域追踪模式2前行列车在安全防护距离内先加速运行，一段 时间后该列车速度达到列车最大允许运行速度 ，并以这个速度行走完l防+ l列。此时a,满足：£vmax2l防+ l列t出的求解方式为:t 出=（l防 +

13、l列）+ v：2$ vmaxto可表示为：图5区间绝对追踪模式曲线从图5中可以看出，在仿真所设置的条件k，列 车z间的追踪时间间隔和列车的v询冇关，当列车 以vmax =63 km/h的速度运行时，列车之间的追踪间 隔时间可达到最优。在vmax达到63 km/h之前，随 着v喻的增加，列车之间的追踪间隔时间会不断减 小；当x超过63 km/h z后，随着v询的增加，列车之间的追踪间隔时间会不断增大。因此，选择合适 的列车最大允许运行速度，将在一定程度上减小列 车之间的追踪间隔时间，提高线路运营效率。在同等条件下，相对追踪模式还考虑前行列车 的制动距离，仿真前行列车在片v.v/2和 2v甸/3三

14、种不同情况，其追踪结果如图6所示。图6区间撞软墙模式曲线从图6中可以看出，当前行列车以满负荷运 行时，列车z间的追踪间隔时间达到最优值。因此， 保证每列列车无故障、满状态运行也是减少列车之间 的追踪间隔时间,提高运行效率的一种手段。从w二 vmax/2,v, =2vmax /3的追踪曲线又可以看出，不是前行 列车速度越接近vmax,追踪时间间隔就越短，列车追踪 时间间隔和之间不满足线性关系。因此,在某些 特殊情况下，当列车无法达到最大允许运行速度满负 荷运行时,对列车运行速度的选择不是让其尽量以较 大的速度运行，而是应该选择合适的速度来减少追踪 间隔时间,提高线路运行效率。在仿真列车站台区域追

15、踪时，在上述条件下还 增加了列车的启动加速度a, = 1 m/s2和列车出车 站加速行走的距离l加二60m。从图7中可以看出，在移动闭塞条件下的站台 追踪间隔时间与vm体有关，在所给出的条件下， vmax = 46 km/h时追踪间隔时间可取得最优值 58 5 so从图7中还可以看出，在站台区域不是列 车的运行速度越大就能得到越小的追踪间隔时间； 在站台区域，由于存在站台限速，列车的最优速度可 能大于站台限速也可能小于站台限速。当列车最优 速度小于站台限速时，列车以最优速度运行将减少 列车之间的追踪间隔时间；当列车最优速度大于站 台限速时，列车应尽量以靠近站台限速的速度运行 来减小追踪间隔时间

16、，提高运行效率。图7站台追踪模式曲线5结语列车之间的追踪间隔时间是cbtc系统中非常 重要的性能指标，虽然移动闭寒方式一定程度上缩 短了列车之间的追踪间隔时间，但是仍然还有很大 的优化空间。其相关的优化方法在实际的工程中也 会有很大的应用价值。本文研究了 cbtc系统列车 追踪间隔时间的优化，并用仿真的方法展现了列车 最大允许运行速度和实时速度、加速度等因素对列 车追踪间隔时间的影响。可以通过调节列车最大允 许运行速度、列车的加速度、列车的制动减速度和安 全防护距离等因素来获得最优的追踪间隔时间，这 具有一定的实际意义。至于这些因素共同作用下， 在何时可使线路的迫踪间隔时间达到最优将在后续 研究屮加以讨论。参考文献1林海香，董昱基于通信的列车控制在轨道交通中应用的关 键技术j城市轨道交通研究2010(9) ：812赵晓峰无线cbtc信号系统工作模式分析j城市轨道交 通研处,2012(5) :1033林颖，王长林车载列车自动保护系统安全防护距离计算模 型城市轨道交通研究,2011(10) ：244薛