ATP车载设备仿真系统中列车动力学模型的研究与实现
摘 要：在城市轨道交通列车自动控制系统（ATC）中，列车自动防护（ATP）系统担负着保证列车运行安全的重要作用，是列车运行自动控制系统的基础。其中，ATP车载设备是ATP系统中保证行车安全的关键设备，它根据接收的地面信息和车上存储的线路信息生成列车速度控制曲线，并与列车实际速度进行比较，监督列车运行，实现超速防护、零速检测、无意识移动防护和车门防护等功能。本文在介绍系统仿真的基础上，重点阐述了ATP车载设备仿真系统中列车动力学模型的建立，提出了建模时应考虑的问题。目前，整个ATP仿真系统已完成开发，取得了预期的效果。关键词：列车自动防护、列车动力学、车载ATP、建模、仿真
1． 引言
近年来，随着城市现代化的发展，城市规模不断扩大，市区人口逐步向郊区迁移，城市交通压力越来越大。城市轨道交通的发展已成为解决现代城市交通拥挤的有效手段，它的最大特点是运营密度大、列车行车间隔时间短、安全正点。因此，必须采用具有连续速度显示监督和防护的列车自动防护系统，以确保行车安全，提高行车效率。自从我国建设第一条地铁——北京地铁一号线以来，陆续建成了北京地铁环线、上海地铁一号线、上海地铁二号线、三号线、广州地铁一号线等多条线路，正在建设的有北京八通线、北京地铁五号线、深圳地铁等多条线路。城市轨道交通的迅猛发展，带来了一个重要问题，即作为提高列车运行效率保证列车运行安全的主要技术——信号控制系统没有自己的产品，技术处于落后状态，与国外城市轨道交通信号技术的发展有较大差距，因此不得不引进国外的产品，例如英国西屋公司、美国US&S公司、德国西门子等公司的产品，虽然通过引进国外的产品，使我们学习了解了国外信号系统的先进技术，促进了国内信号技术的发展，但是也造成了工程建设投资大、运营费用高的局面，使我们难以提高地铁国产化率，不利于我国城市轨道交通事业的持续发展。
城市轨道交通信号系统ATC主要由三个子系统组成：ATS——列车自动监控系统，ATP——列车自动防护系统，ATO——列车自动驾驶系统。列车自动防护系统（ATP）是三个系统的基础，由于我国地铁目前的列车自动防护系统（ATP）基本上都是从国外引进的，已经不能适应城市轨道高速发展的需求，因此研制和开发具有自主知识产权的ATP系统提上了日程。为了改变城轨建设中信号系统以引进为主的局面，加快国产化的步伐，促进国产化设备的应用，国家计委在99年的国债项目中，为中国铁路通信信号总公司立项，研制开发具有自主知识产权的城市轨道信号ATP系统。同时，在《城市轨道交通列车自动防护（ATP）系统国产化开发及产业化》项目中，为使ATP系统开发研制能够在相应的仿真环境下进行测试试验，加快项目的科研开发速度，保证城市轨道交通ATP系统产品设计合理、安全可靠，建立ATP工程试验中心。
传统的产品开发方法是将样机放在现场进行试验，这不仅要花费大量人力物力，还要花费很长时间，而且有些现场环境是不可能提供的。用模拟环境代替现场环境，即模拟仿真方法就成为系统分析设计测试的强有力工具，因此，有必要建立城市轨道交通ATP的计算机仿真系统，以便在实际开发的各个阶段对ATP系统的各方面功能进行仿真测试。 ATP车载设备仿真系统是ATP工程试验中心的重要组成部分，是一个完整的功能仿真及运行过程演示系统，包括模拟列车驾驶台、列车动力学模型、车载设备功能仿真、列车运行环境等主要部分。其中列车动力学模型的建立是其中的难点之一，本文着重介绍了建模原则及应重点考虑的问题并简单介绍了其实现方法，对大量的公式不一一列出。
2． ATP车载设备仿真系统原理及结构
其中，列车动力学模型从模拟机车驾驶台获得牵引、制动等控制信息，从设备运行环境模型获得线路属性，按照列车动力学原理计算出列车实际的速度、位移以及线路占用信息，并将这些信息传给其他各相关模块。模拟车载设备完成列车速度控制模式曲线的生成和一些开关量的逻辑运算，并将开门信息、ATP模式、制动等相关信息发送到模拟机车驾驶台进行显示。
3． 仿真技术的理论概述
仿真作为一门综合性学科已有几十年的发展历史。其间经历了物理模型仿真、模拟计算机仿真和数字仿真。由于仿真用模型代替实体作试验，因此具有经济、安全、试验周期短等特点，这些特点使得仿真技术作为一种分析、设计系统、培训人员的工具，广泛应用于几乎所有工程与非工程领域。
仿真技术近几一段时间得到了很快的发展，随着计算机技术的进步，应用计算机进行系统仿真更是日益受到人们的重视。计算机仿真技术结合了实验和分析这两种方法，将分析的方法用于模拟实验，其工作过程一般是：首先建立系统的数学模型；然后建立系统的仿真模型，主要是设计算法，并转换为计算机的程序，使系统的数学模型能为计算机接受并能在计算机上运行；最后，是对仿真模型的运行，进行仿真试验，再根据仿真试验的结果，进一步修正系统的数学模型和仿真模型。在仿真技术中，有机理建模、辨识建模、模糊建模、神经网络建模等构建模型的方法，在本系统中，采用机理建模方法。机理建模方法就是根据实际系统工作的物理过程的机理，在某种假定条件下，按照相应的理论（如质量守恒、动力学等），写出代表其物理过程的方法，结合其边界条件与初始条件，再采用适当的数学处理方法，来得到能正确反映对象动静态特性的数学模型。
仿真技术具有以下优点：
解决在危险、昂贵、破坏性、甚至不允许实验的条件下的仿真；
比现场实验花费少、时间短，减少研制开发的经费与周期；
可模拟各种环境条件；
可重复实验利于研究分析；
有助于设计、开发、研究新产品，展示产品的性能，培训操作人员；
