ATP車載設備仿真系統中列車動力學模型的研究與實現

摘 要：在城市軌道交通列車自動控制系統（ATC）中，列車自動防護（ATP）系統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的基礎。其中，ATP車載設備是ATP系統中保證行車安全的關鍵設備，它根據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，監督列車運行，實現超速防護、零速檢測、無意識移動防護和車門防護等功能。本文在介紹系統仿真的基礎上，重點闡述了ATP車載設備仿真系統中列車動力學模型的建立，提出了建模時應考慮的問題。目前，整個ATP仿真系統已完成開發，取得了預期的效果。
關鍵詞：列車自動防護、列車動力學、車載ATP、建模、仿真
1． 引言
近年來，隨著城市現代化的發展，城市規模不斷擴大，市區人口逐步向郊區遷移，城市交通壓力越來越大。城市軌道交通的發展已成為解決現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，必須采用具有連續速度顯示監督和防護的列車自動防護系統，以確保行車安全，提高行車效率。自從我國建設第一條地鐵——北京地鐵一號線以來，陸續建成了北京地鐵環線、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——信號控制系統沒有自己的產品，技術處于落后狀態，與國外城市軌道交通信號技術的發展有較大差距，因此不得不引進國外的產品，例如英國西屋公司、美國US&S公司、德國西門子等公司的產品，雖然通過引進國外的產品，使我們學習了解了國外信號系統的先進技術，促進了國內信號技術的發展，但是也造成了工程建設投資大、運營費用高的局面，使我們難以提高地鐵國產化率，不利于我國城市軌道交通事業的持續發展。
城市軌道交通信號系統ATC主要由三個子系統組成：ATS——列車自動監控系統，ATP——列車自動防護系統，ATO——列車自動駕駛系統。列車自動防護系統（ATP）是三個系統的基礎，由于我國地鐵目前的列車自動防護系統（ATP）基本上都是從國外引進的，已經不能適應城市軌道高速發展的需求，因此研制和開發具有自主知識產權的ATP系統提上了日程。為了改變城軌建設中信號系統以引進為主的局面，加快國產化的步伐，促進國產化設備的應用，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，研制開發具有自主知識產權的城市軌道信號ATP系統。同時，在《城市軌道交通列車自動防護（ATP）系統國產化開發及產業化》項目中，為使ATP系統開發研制能夠在相應的仿真環境下進行測試試驗，加快項目的科研開發速度，保證城市軌道交通ATP系統產品設計合理、安全可靠，建立ATP工程試驗中心。
傳統的產品開發方法是將樣機放在現場進行試驗，這不僅要花費大量人力物力，還要花費很長時間，而且有些現場環境是不可能提供的。用模擬環境代替現場環境，即模擬仿真方法就成為系統分析設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，以便在實際開發的各個階段對ATP系統的各方面功能進行仿真測試。 ATP車載設備仿真系統是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，包括模擬列車駕駛臺、列車動力學模型、車載設備功能仿真、列車運行環境等主要部分。其中列車動力學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重點考慮的問題并簡單介紹了其實現方法，對大量的公式不一一列出。
2． ATP車載設備仿真系統原理及結構
其中，列車動力學模型從模擬機車駕駛臺獲得牽引、制動等控制信息，從設備運行環境模型獲得線路屬性，按照列車動力學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模塊。模擬車載設備完成列車速度控制模式曲線的生成和一些開關量的邏輯運算，并將開門信息、ATP模式、制動等相關信息發送到模擬機車駕駛臺進行顯示。
3． 仿真技術的理論概述
仿真作為一門綜合性學科已有幾十年的發展歷史。其間經歷了物理模型仿真、模擬計算機仿真和數字仿真。由于仿真用模型代替實體作試驗，因此具有經濟、安全、試驗周期短等特點，這些特點使得仿真技術作為一種分析、設計系統、培訓人員的工具，廣泛應用于幾乎所有工程與非工程領域。
仿真技術近幾一段時間得到了很快的發展，隨著計算機技術的進步，應用計算機進行系統仿真更是日益受到人們的重視。計算機仿真技術結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：首先建立系統的數學模型；然后建立系統的仿真模型，主要是設計算法，并轉換為計算機的程序，使系統的數學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，再根據仿真試驗的結果，進一步修正系統的數學模型和仿真模型。在仿真技術中，有機理建模、辨識建模、模糊建模、神經網絡建模等構建模型的方法，在本系統中，采用機理建模方法。機理建模方法就是根據實際系統工作的物理過程的機理，在某種假定條件下，按照相應的理論（如質量守恒、動力學等），寫出代表其物理過程的方法，結合其邊界條件與初始條件，再采用適當的數學處理方法，來得到能正確反映對象動靜態特性的數學模型。
仿真技術具有以下優點：
解決在危險、昂貴、破壞性、甚至不允許實驗的條件下的仿真；
比現場實驗花費少、時間短，減少研制開發的經費與周期；
可模擬各種環境條件；
可重復實驗利于研究分析；
有助于設計、開發、研究新產品，展示產品的性能，培訓操作人員；