system: [SYSTEM]

user: 3. 系统功能实现 系统的主要功能为通过输入待仿真的线路和列车数据，设置起终点站、停站模式和检算功能参数，得到列车运行仿真曲线图及相关技术经济指标和通过能力检算结果。系统功能可划分为基础数据管理，列车运行仿真和通过能力检算。 3.1. 基础数据管理 基础数据管理模块包括线路数据和列车数据，主要实现对数据的导入、增加、删除、查找、修改功能，为后续的系统仿真提供基础数据。此外，基于既有仿真软件中将最高运营速度固定至350 km/h，不利于进行更高速度等级制式铁路研究，系统中将最高运营速度开放，供用户自行修改。 线路数据包括坡道数据、里程数据、曲线数据、桥梁数据、隧道数据、车站数据、电分相数据、限速数据、信号机/分界标数据和接触网支柱数据。系统对线路数据的编辑方式有图形化和表格式两种。图形化编辑是在线路数据管理的界面直接点击图形更改数据编辑，可以快速准确地进行小规模编辑；表格式编辑是从线路数据表格输入界面进行编辑，可以进行快速地大规模编辑。图形化的线路数据与表格中的线路数据的修改是同步进行的，只要修改一种类型，另外一种类型的数据会自动修改。 列车数据包括列车定义、动车组数据以及车辆数据。其中，列车定义包括列车名称及类型、牵引质量、列车长度、紧急制动距离、回转质量、列车定员、制动力使用系数等基本数据。此外，还需要定义列车的编组信息，包括动车组数据、牵引力使用系数以及车辆数据。动车组数据包括最高运营速度、起动牵引力及阻力、闸瓦类型、动车组制动曲线类型、阻力公式和特性曲线及电流曲线等。车辆数据包括车辆的自重、载重、长度、闸瓦类型、最高运营速度和阻力公式等。列车数据管理功能可实现列车数据的导入、移除、添加、保存及绘图功能，列车数据管理功能可编辑的基本信息数据包含列车长度、定员、质量、编组、基本阻力方程参数、最高运营速度等。对于列车特性曲线，系统存在单点式和表格式两种针对不同编辑规模的编辑方式。每种列车保存为一个独立的文件，使用时调用，编辑后保存，便于多用户共同管理。 3.2. 列车运行仿真功能 列车运行仿真功能根据对列车运行受力分析，建立运动方程，输出结果包括列车运行速度–位移、时间–位移以及手柄位–位移等曲线、牵引能耗与区间运行时分等技术经济指标。 3.2.1. 受力分析 高速铁路列车在运动过程中主要受到牵引力、阻力和制动力。其中牵引力和制动力分别在牵引工况和制动工况才会存在。 1) 牵引力 列车在各时刻的牵引力可根据列车牵引特性曲线计算得到，牵引特性曲线是一条牵引力与速度关系的变化曲线，可根据厂家提供的数据录入仿真系统。根据动车组类型，牵引力的计算分有级和无级两种情况。对于有级牵引，中间手柄位的数据需要采用线性插值法计算。根据列车牵引特性曲线图查出距离当前手柄位k最近的两个手柄i和j在距离当前速度v最近的2个速度v 0 和v 1 下的牵引力(f i 0 ， v 0 )、(f j 0 ， v 0 )、(f i 1 ， v 1 )、(f j 1 ， v 1 )，然后根据线性插值法计算相应的牵引力f k ，计算公式如下： { f i = f i 1 + ( f i 0 − f i 1 ) ⋅ ( v 1 − v ) v 1 − v 0 f j = f j 1 + ( f j 0 − f j 1 ) ⋅ ( v 1 − v ) v 1 − v 0 f k = f j + ( f j 0 − f j 1 ) ⋅ ( n k − n j ) n i − n j (1) 对于无级牵引，动车组操作没有手柄位之分，牵引力按列车牵引特性曲线外包线乘以牵引力使用系数取值。 2) 阻力 为提高仿真精度，将列车刻画为质量带，考虑列车长度对附加阻力的影响。在列车经过变曲率点和变坡点时列车的受力为渐变过程，这更能反映出列车的运行和受力真实情况。高速列车的运行阻力主要是包括基本阻力和附加阻力。单位基本阻力 W 0 、单位附加阻力 W j 以及总阻力 ω ( v t ， X ) 的计算公式如下： W 0 ( v t ) = a + b × v t + c × v t 2 (2) W j ( X ) =   w i ( X )   + w r ( X ) + w s ( X ) (3) ω ( v t ， X ) =   ( W 0 ( v t ) + W j ( X ) ) ⋅ M ⋅ g 1000 (4) 式中： v t 为列车速度，a、b、c为与列车有关的常数； w i ( X ) 为单位坡道附加阻力， w r ( X ) 为单位曲线附加阻力， w s ( X ) 为单位隧道附加阻力；M为列车质量，g为重力加速度。 3) 制动力 高速列车制动时采用基于减速度的电–空联合制动方式，优先采用电制动，当电制动不足时由空气制动补偿，低速时直接转入空气制动。在高速列车运行仿真过程中，根据制动手柄位和列车当前运行速度确定制动减速度，并以此计算列车总制动力，而后计算动车组在当前速度下的电制动力，总制动力与电制动力之差为空气制动力。 3.2.2. 运动方程 列车实时加速度 的计算公式如式(5)所示： α = F ( v t ) − B ( v t ) − ω ( v t ， X ) ( 1 + γ ) M (5) 式中： γ 为旋转质量系数；M为动车组计算质量包括自重和载重。 计算出列车加速度后，列车第t时间步长下的运行速度与位移计算如下： v t + 1 = v t + α ⋅ Δ t (6) S t + 1 = S t + ( v t ⋅ Δ t + 1 2 α ⋅ Δ t 2 ) / 3.6 (7) 式中： v t 和 v t + 1 分别为第t个时间步长和第t+1个时间步长的初速度； Δ t 为时间步长； S t 和 S t + 1 分别为列车在第t个时间和第t+1个时间步长下的列车位置。为提高仿真精度，本系统的列车操纵策略采用ATO最为常见的“牵引–巡航–惰行–制动”的操纵策略。当列车起车或在低限速到高限速的过渡地段，采用牵引工况；当限速较为稳定时，采用巡航工况；列车在即将进站前且区间运行时分有裕量时则采用惰行工况；当列车进站时或在高限速到低限速的过渡地段，则采用制动工况。 3.3. 通过能力检算 通过能力检算包括区间通过能力检算和车站通过能力检算。其中区间通过能力用列车区间追踪间隔时间表示，车站通过能力用列车到达间隔时间、列车出发间隔时间和车站通过间隔时间中的最大者表示。由于我国高铁均采用准移动闭塞信号系统，系统中通过能力计算公式均以准移动闭塞方式为基础得到。此外，基于既有仿真软件通过能力反向检算功能存在不足，系统对反向检算功能进行优化，并完善了电分相反相检算功能。 3.3.1. 区间通过能力检算 区间追踪间隔是用列车区间追踪最小距离，除以追踪运行的平均速度，附加人和设备的反应时间求得。最小间隔距离由后方追踪列车制动距离、车载ATP防护曲线长度、列车长度、闭塞分区长度组成。区间追踪列车间隔的计算公式为： I 区 = 3.6 L 区 v 运 = 3.6 l 列 + l 分 区 + l 防 + l 制 v 运 + t 附 (8) 式中： L 区 为区间追踪运行距离， t 附 为人和设备的反应时间； l 制 为车载ATP防护曲线长度； l 防 为安全防护距离； l 列 为列车长度； l 分 区 为闭塞分区长度； v 运 为前后列车间隔距离内列车平均运行速度。 3.3.2. 车站通过能力检算 1) 车站出发间隔时间 车站出发间隔是指前行列车从起始站发车时起，至由该站向同方向再发出另一列车时的最小间隔时间。一般是由列车从发车到出清第一离去区段的时间与办理后方列车出发作业的时间组成。车站出发间隔的计算公式为： I 发 = 3.6 L 发 v 运 = 3.6 l 防 + l 岔 区 + l 离 去 + l 列 v 运 + t 发 作 (9) 式中： l 岔 区 为出站信号机到出站岔区的距离， l 离 去 为出站岔区到出站第一离去信号的距离， t 发 作 为车站办理列车发车作业时间。 2) 车站到达间隔时间 车站到达间隔是指从前行列车到达车站时起，至同方向后行列车到达该站时的最小间隔时间。在列车尾部进入停车股道后，列控系统即可开始对咽喉区内的道岔发出解锁指令，并安排后续列车进路。车站到达间隔的计算公式为： I 到 = 3.6 L 到 v 运 = 3.6 l 列 + l 岔 区 + l 防 + l 制 v 运 + t 到 作 + t 附 (10) 式中： t 到 作 为车站办理列车到达作业时间。 3) 车站通过间隔时间 车站通过间隔是指从前行列车通过车站时起，至同方向后行列车通过该站时的最小间隔时间。根据CTC设备特点，需在前方列车通过车站并且出清第一离去区段后才可以办理后方列车的通过作业，在这之前后车以车站入口附加一定防护距离为追踪目标点。车站追踪列车间隔的计算公式为： I 通 = 3.6 l 列 + l 站 区 + l 防 + l 制 v 运 + t 附 (11)