建立在信号系统上的地铁多车牵引供电实时模拟系统
【摘要】随着信号系统的完善和发展，信号系统在铁路运营中越来越起到主导的作用，特别是目前广泛采用于地铁中的移动信号系统。本篇主要描述一个建立在信号系统之上的多车运行实时模拟系统。该模拟系统可以优化和确定列车最小运行间隔，在预定的时刻表、发车间隔、线路条件、列车性质下，对全线的列车运行情况进行虚拟仿真模拟；同时在该系统中嵌入供电模块，可以实时再现列车、牵引网、供电臂、变电所的电压及电流情况，并对网压变化对列车运行的影响进行模拟分析。因此，此系统将成为铁路运营及牵引供电系统设计的有利计算机。
【关键词】信号 牵引计算 供电 模拟
1 系统概述
模拟研究是较为先进的研究方法之一，许多重大项目都要经过各种仿真模拟研究后才能够进入实施阶段；在设计阶段这一点尤显得重要，每一个参数的选择和确定将有可能影响到整个工程的质量或运行效果以及工程投资和系统的经济合理性。因此，在项目的设计阶段进行大量的、准确科学的仿真模拟是非常必要的。
目前列车的运行都是以信号系统为基础的，一个合理、科学的信号系统配置将对整个线路的输送能力、运行速度、列车密度产生根本的影响，而列车密度又在供电系统的变电所的个数、分布、容量确定及接触网导线截面的选择等方面具有决定性的作用。
在过去的牵引供电模拟计算中，对列车运行的模拟是在理想的恒定网压状态下进行的。而在实际上，列车在其运行过程中，由于接触网导线的阻抗的作用，其受电电压并非恒定不变的；由于列车受电电压的变化，列车的电机功率发挥将受到不同程度的影响，进而影响列车的整体牵引特性。因此，用这种方法初步模拟计算确定出来的列车间隔、变电所容量和分布并不一定是最优的。这样，一种新的、能够实时反映网压变化对列车运行影响的模拟系统成为行车与牵引供电设计所必须。本文主要对这种模拟系统的方法与实现进行简要讨论。
2 系统功能
(1)根据不同的线路特性、速度限制，确定最小列车追踪间隔
(2)对不同特，陛的列车和线路进行模拟分析比较；
(3)对既有的运行图进行校核与调整；
(4)对每日、月、年的电力消耗进行统计分析；
(5)模拟分析压降对列车运行的影响；
(6)模拟供电系统事故状态下的列车运行状况，为供电系统的设计提供可靠、准确的数据依据。
3 方法与模型
3.1信号模型
由于铁路系统的负荷越来越大、列车密度越来越高，移动信号系统Moving-Block-System)一这种能够有效减小列车发车间隔的信号系统被认为是取代过去广泛应用的固定信号系统(Fixed-Block-system)的较好方式。
目前，MBS已经被成功的广泛应用于高密、繁忙的地铁、轻轨铁路中。实践证明，在地铁轻轨系统中，MBS可将列车最小发车间隔降至1～1．5min。这样，线路输送能力将被大大提高。
纯理论上的移动信号系统(Pure-Moving-Block-System)是依赖于列车与控制中b间的不间断的双向通讯来实现的。在这种系统中，所有的列车都要不断地向控制中心报告它们的位置、速度、操作状态，同时也要不断的从控制中心那里获得操作指令(如速度限制、操作状态等)。这种双向传输的信息保证列车在安全制动距离的前提下，最大可能的提高列车运行速度。但在实际应用中，由于此种系统的复杂性和造价高等原因，很少被用于现实的铁路系统中。
在实际应用中，轨道传感线圈可以比较简易的实现列车间的双向通讯。传感线圈按一定间隔沿轨道铺设(如25m)，它记录了速度限制、列车位置、列车速度、发车间隔等信息，并通过一定的逻辑关系连动相关的传感器。这种方式已在世界许多地区的地铁、轻轨系统中得到广泛应用。
3．2 牵引计算模型
列车在运行中的操作状态以信号指示为基础。每种操作状态的运行轨迹由相应的列车特性计算确定；同时还受线路纵断面、曲线、隧道、气候环境等因素的影响，通过有关计算方法进行计算，其结果作为单步列车运行计算的输人数据。
3．3 列车特性分析模型
此模块对各种列车的各种特性曲线或数据进行分析并进行数据抽象，为每个列车在不同的位置、状态下提供准确的相关特性数据，采用的主要方法是“拉格朗日插值法”。
3．4 网压分析模型
当多组列车在线路上运行，由于接触网导线的阻抗作用，列车在不同的位置接受的电压应该有所不同。这种网压变化达到一定程度时，将对列车功率的正常发挥造成影响。此模块就是将这种影响进行分析处理并结合牵引计算模型获得新的列车特性来指导列车运行。主要利用拟合的方法对多个网压系列下的特性数据构成特性曲面进行拟和分析，获取对应网压、速度下的各种特性数据，作为每一步模拟计算的输入特性数据。
3．5 供电系统分析模型
首先在模拟启动前建立供电节点网络，对全线的供电网络特性进行分段切割，形成每个切割断面的特性矩阵；系统启动后，在系统模拟的每个时间步长，供电模型将获取当前时刻每一列车地的位置与电流、电压信息，从而形成大型方程组，经过解变带宽方程的方法，模拟计算出每一列车位置的新的网压值、网络每个断面上的电流值，进而得到每个时刻每个供电臂的电流、每个供电区间的最低电压。最后将生成的电压值作为下一步牵引模拟的输人数据；使系统进人下一步长的模拟。
3．6 能耗统计分析模型
此模块对全线所有列车在任何时刻的电流、电压进行记录与统计；其结果将成为供电系统分析模拟、计算得重要依据；同时对整个系统的耗电情况进行统计分析。
4 效果分析
由于整个模拟是建立在信号系统的基础上，列车运行模拟基本真实反映了运营过程，从而在模拟基础上更准确、更科学。由于系统模拟是以时间为步长，每个时刻都对全线所有列车进行近似同步的分析，所以在运行中出现的列车间由于网压变化或延迟造成的相互影响及影响程度，可以在模拟中反映出来，这样就在没计阶段将整个系统的基础误差控制在尽可能小的范围之内，并且对运营运营、信号提出有益的建议。
供电系统是列车运行的动力来源，也是决定列车运行效果的最重要因素之一。而供电系统的各个部分的容量确定既要满足运营的要求，又要考虑其配置的经济合理性，这样，—个精确、科学的模拟仿真方法就尤为显得重要，而本文所描述的系统功能正是提出了一种很好的方法。通过本系统的模拟分析，可以更为精确的模拟出供电系统设计阶段所需的各种参数，为供电系统的各种设备布置、容量选择提供科学、可靠的依据。
5 软体设计
由于此系统涉及的相关信息比较多(包括线路、车辆、机车、信号、运营、供电系统等等)，因此对每个处理模块的设计应尽量独立结构化，应具有清晰的数据接口；同时认为：应该改变以往以列车运行为主导的设计思路，而应代以以信号系统为平台的控制方法。这样可以大大简化模拟列车运行的复杂度，而且使信号系统可以被完全独立设汁，提高整个系统的适用性与可调性。软体结构见附图。
