基于opentrack的轨道交通运行仿真实验开发与设计

高帆　谢世豪　魏浩然　梅佳佳　刘璐

[摘 要] 为满足城市轨道交通发展和教学需要，本文以Opentrack仿真模拟软件为实验平台进行轨道交通的仿真模拟实验开发。文中以上海地铁1号线轨道信号布置图及相关数据为仿真实验参考依据，对上海地铁1号线实现列车运行仿真，并依此得到各种开行方案及各车次列车开行时刻表，列车运行图等具有参考价值的输出文件。通过本实验，学习者能够初步了解Opentrack仿真模拟软件并可将其应用到实际研究、教学和学习当中。

[关键词] 实验开发；仿真模拟；Opentrack

[作者简介] 高帆，上海工程技术大学城市轨道交通学院，研究方向：城市轨道交通列车运行仿真，上海，201600；谢世豪，上海工程技术大学城市轨道交通学院，研究方向：城市轨道交通列车运行仿真，上海，201600；魏浩然，上海工程技术大学城市轨道交通学院，研究方向：城市轨道交通列车运行仿真，上海，201600；梅佳佳，上海工程技术大学城市轨道交通学院，研究方向：城市轨道交通列车运行仿真，上海，201600；刘璐，上海工程技术大学城市轨道交通学院，研究方向：城市轨道交通列车运行仿真，上海，201600

[中图分类号] U23 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2013）04-0027-0003

轨道交通运行仿真模拟对轨道交通初期设计、运营需求预测、事故预防及防治措施以及轨道交通相关专业教学发挥着重要作用。在轨道交通设计阶段充分考虑轨道交通运营要求是轨道交通建设的一个重要发展趋势，采用成熟、高效的运营方案设计与优化方法及相应的工具是提高轨道交通工程设计质量与效率的基础。由于影响轨道交通运营过程的因素多，且相互之间关系复杂，传统的解析方法难以对运输组织方案及其可靠性进行综合的定量评价，因此，模拟或计算实验技术在轨道交通运营过程分析与论证中起着越来越重要的作用[1]。总之，轨道交通运行仿真系统可以辅助轨道交通设计和运营调度工作，提高轨道交通规划、设计与运营管理工作的效率，促进运输组织各个环节。因此，如果可以掌握一种轨道交通仿真系统，并灵活应用到实际当中，这对于轨道交通专业的学习和轨道交通事业的发展都将有着重要意义。Opentrack仿真模拟软件由于其突出的特点，被选作本次上海1号线仿真实验的平台。

一、实验设计原理

（一）国内研究现状

我国从20世纪80年代开始致力于铁路运输模拟的研究，初期的研究主要应用于铁路编站及列车运行过程的计算。1993年，杨肇夏等人[2]研究开发了用于教学培训的铁路列车接发系统，并于1997年完成了产品化；1998年，何天建与毛保华等人共同致力于基于列车牵引计算的列车运行过程模拟系统研究[3][4]，并于1999年开始应用于轨道交通系统的工程设计工作，此后又不断完善系统使其适应不断发展的新机型、新路线[5][6]；近年来，徐瑞华等人建立基于列车运行图的城市轨道交通列车运行延误的模拟模型，并设计合理的列车运行延误统计指标和模拟分析方案进行模拟，分析列车运行延误及其传播与能力利用率、缓冲时间等因素的关系，并应用于上海地铁系统的模拟[7]。毛保华等人还研究将列车运行过程计算与优化设计理论用于不同闭塞方式下的铁路信号机布局优化方法。

（二）实验开发设计的意义

可以说中国城市轨道交通事业是起步晚而发展快。对城市轨道交通的实验探究也主要集中于近几年，并且多是在铁路系统基础上的修改延伸。目前，我国城市轨道交通发展出现了技术水平跟不上发展步伐，面临很多难以解决的技术问题。同时还出现了不合理的专业技术人才结构及大量运营管理专业技术人才的需求。

Opentrack仿真模拟软件基本具备解决上述问题的能力，利用其仿真结果既可以解决列车运行等多方面问题，还可以用于轨道交通运营人员技术培训。目前，这款软件在我国相关院校和轨道交通公司的普及率和课题研究的应用率并不高。因此，结合实践进行实验开发与设计，对Opentrack软件的推广和初学者使用该软件都会有一定帮助。

（三）实验开发与设计的目的

通过本实验，学生可初步了解Opentrack软件的结构、功能以及工作原理。结合信号设置、列车参数应用、数据处理等理论知识的学习，可进一步强化学生对信号、车辆、运营三方面专业知识的掌握，对学生实际操作能力和上岗能力的提升也有很大帮助。同时，还为老师提供新的教学手段，更有助于提高老师的教学质量和学生学习的效率。

二、Opentrack软件的结构和功能

Opentrack用户需输入三大类型数据分别对应三个模块：即车辆和牵引机车数据、基础线路设施数据和列车时刻表数据。用户输入相关数据信息后进行仿真即可。仿真过程是按照用户输入的基础数据，列车在已经定义的线路结构上按照预定义的时刻表和仿真参数设置实现仿真，仿真能够实现与各种车辆相对应的不同运动学方程所进行的连续数值计算或线路沿线信号设备离散布置计算、信号状态显示这两大类仿真过程。Opentrack仿真过程中能提供多种不同格式的数据输出，并允许用户根据需要以不同格式和形式来保存和处理数据。

经过多年的应用实践，OpenTrack软件现广泛应用于以下轨道交通工程领域：

（1）城市轨道交通网络系统基础设施的需求分析与规划；

（2）线路和车站的运营能力分析、列车牵引分析；

（3）构建列车时刻表并分析其适应性和鲁棒性；

（4）多种信号系统分析，如离散阻塞系统和移动闭塞系统等；

（5）系统故障和延迟模拟分析（包括基础设施故障和车辆故障等）。

三、仿真实验的开发设计

（一）数据输入

在线路数据和运行图数据方面，opentrack采用了对象的层次型结构，按照生成的先后顺序从下向上排列，可分为4层，见表1。

该组织方式的优点是逐层递进、结构清晰，易于满足各种不同功能对数据的需求。但是需要说明的是，以上采用针对的是固定闭塞方式时的情况，如果是移动闭塞，那么因为区间无通过信号机，即无进路（Route），此时组成径路的最小单位在区间是进路段（Path）。

（二）列车仿真

在Opentrack软件中列车分为快速列车（城际列车）、区域列车、货运列车。列车的类型决定了软件中阻力计算公式不同。Opentrack具有可在仿真计算中应用的列车数据库，也支持用户自定义列车类型，即输入列车的相关参数。列车参数包括列车所选机车类型、机车和拖车的总重量、列车的长度，包括机车长度和拖车长度、列车类型、最大加速度、平均制动减速度、空气阻力公式等。

对于机车，Opentrack软件进行单独管理，通过Depot数据库管理机车数据。每个Depot数据库可以管理任意数量的机车。不同Depot数据库中机车数据可以相互复制。机车数据包括牵引力-速度曲线、制动力-速度曲线、机车重量、长度、阻力因数等。Opentrack程序还支持用户通过编辑工具对曲线图和图形界面数据进行修改。

（三）仿真计算

Opentrack仿真为混合仿真，涉及连续仿真和离散仿真。列车运动基于运动微分方程，采用连续仿真方法，涉及安全的信号系统和延迟采用离散仿真方法。数值仿真算法（如Euler法）用来计算列车运动。Euler法是利用前一时刻列车的速度，计算当前时刻列车的方法，可以提供足够的计算精度。

为了使列车加速，机车必须提供大于牵引阻力的驱动力。牵引力与牵引阻力的差值称为功率余量。牵引力通过牵引力-速度曲线计算，该值和当前速度以及粘着情况相关。牵引阻力与速度以及轨道参数（里程）相关。

（四）数据管理

OpenTrack通过三种不同类型文件管理输入、输出数据：文件（Documents）、数据库（Databases）和计算结果（Evaluations）。

Documents-OpenTrack程序用此类型文件存储线路结构信息和列车运行图。这些文件的特点是，能够通过图表编辑工具或属性编辑工具"Inspector"进行编辑，且在OpenTrack程序中调用是无限制的，它取决于仿真模拟的类型、线路布局模块和仿真生成时刻表数量大小。

Databases-OpenTrack使用六大类型数据库存储列车数据、车站数据和列车时刻表相关内容。其主要由以下内容组成：机车数据、车辆数据、运行线数据、时刻表数据、车站数据和列车运行路线数据。上述各种文件中，当有多个不同数据文件时，仅能有一个数据文件在OpenTrack仿真过程中被调用。

Evaluations-Openteack程序保存仿真过程中生成的各种输出文件。这些文件以ASCII文本文件形式保存，可以在文本编辑器或EXCEL数据表格中进行编辑。

四、结 语

随着城市轨道交通事业的发展，轨道运行仿真系统会更多地运用到实际当中，以解决各种各样的技术问题。同时，轨道运行仿真实验对于学生的专业知识学习也起着不可小视的作用。仿真实验作为一种全新的教学手段，有助于激发学生学习的兴趣和培养创新意识，尤其是在实验经费和设备受到限制的条件下，开展实验仿真教学是一条切实可行之路，也是高等教育大众化发展的一种必然趋势[8]。

[参考文献]

[1]苏梅.铁路运营模拟系统的发展与应用研究[J].交通运输系统工程与信息，2009，（2）.

[2]杨肇夏，李菊，孙晚华，等.铁路编组站技术作业模拟系统的研究[J].铁道学报，1996，18（增刊）.

[3]He TJ， Mao BH， Yuan ZZ， Yang ZZ， et al. A general-purpose simulation for train operations[C].Proceeding of ICTTS'98，ASCE，1998.

[4]He TJ， Mao BH， Yang Z.A multi-train movement simulator with moving block signaling[C].Proceedings of 6th International Conference on Computer Aided Design， Manufacture and Operation in the Railway and Other Advanced Mass Transit System， WIT Press，1998.

[5]毛保华，何天建，袁振洲，等.通用列车运行模拟系统研究[J].铁道学报，2000，22（1）.

[6]刘剑锋，丁勇，刘海冬，等.城市轨道交通多列车运行模拟系统研究[J].交通运输系统工程与信息，2005，5（1）.

[7]徐瑞华，江志彬，等.城市轨道交通列车运行延误及其传播特点的模拟研究[J].铁道学报，2006，28（2）.

[8]赖震环，吴启星.土力学实验仿真系统的开发[J].实验室研究与探索，2012，（6）.