SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘要：基于 SQL 服务器和 C#编程技术开发了一套列车运行仿真平台， 主要包括线路数据扫描软件和列车性能仿真软件两部分。线 路扫描软件解决了手动提取线路信息的效率低下问题， 可以扫描列车运营线路纵断面图， 并分类自动提取线路数据， 包括车站、 弯道和坡道以及对应的里程标数据， 并进行结构化的存储， 方便对线路信息的直接导出使用， 实现了线路信息由图像到结构化文 本的转换， 能够大大降低出错率、提高工作效率。列车性能仿真软件主要实现列车最小时分运行策略的仿真模拟， 列车在特定线 路运行时， 利用列车信息、线路信息， 提取列车在不同车站区间、不同限速区间的运行状态， 得到每一个时刻列车仿真模拟的迭 代结果， 包含列车运行的速度、位置、时间、功率、能耗、受力情况等信息， 实现对列车运行性能的模拟仿真查看， 辅助对列车 的模拟测试。
关键词：线路识别； 数据提取； 运行仿真； 能耗仿真
Design and Application of a Train Operation Simulation Platform Based on SQL Server and C # Programming Technology
Abstract: A train operation simulation platform has been developed based on SQL server and C # programming technology, which mainly includes two parts: line data scanning software and train performance simulation software . The route scanning software solves the problem of low efficiency in manually extracting route information. It can scan the longitudinal profile map of train operation routes, classify and automatically extract route data, including station, curve, ramp, and corresponding mileage indicator data, and store them in a structured manner, facilitating the direct export and use of route information. It realizes the conversion of route information from images to structured text, greatly reducing error rates Improve work efficiency. The train performance simulation software mainly realizes the simulation of the minimum time operation strategy of trains. When a train is running on a specific line, it uses train information and line information to extract the operation status of trains in different station intervals and speed limit intervals, and obtains the iterative results of train simulation at each time, including information such as train speed, position, time, power, energy consumption, and force conditions, realize simulation and viewing of train operation performance, and assist in simulation testing of trains.
Key words: line identification; data extraction; run simulation; energy consumption simulation
0 引言
近年来， 轨道交通行业在我国获得了飞速发展， 这也对轨道交通行业的研究提出了更高要求。其中， 列车能耗仿真是非常重要的环节， 仿真结果可以指导优化列车运行图， 以达成节能运营指标[1]； 也可以获取不同列车、不同线路下的能耗， 实现固定时分下的节能操纵的最优选择[2]。但目前能耗仿真需要人工手动提取不同线路的基础数据， 然后输入至能耗仿真工具中， 该过程费时费力、容易错漏， 且效率低下[3]。
由于上述原因， 本文通过研发一套基于 SQL 服务 器和 C#编程技术的软件工具， 来实现列车运营线路数 据的自动提取、有效信息的主动筛选， 最终以所需格式输出数据结果， 达到线路数据文件自动提取的目的， 包含线路的坡道、弯道、车站、隧道、桥梁、坡道限速、弯道限速、过分相、特殊限速区间等数据； 然后 通过系统接口设计， 将线路扫描数据自动导入列车性 能仿真软件， 完成列车性能参数的模拟仿真， 最终输 出结果包括运行时间、运行里程、运行能耗、列车功 率、电机功率等。除线路数据外， 列车基本属性信息、 牵 引 曲 线 、 制 动 曲 线 也 是 牵 引 性 能 仿 真 的 计 算 基 础[4-5]， 主要包括用于计算列车受力、加速度的中间数 据 (比如列车长度、列车质量、列车回转质量等)， 以 及列车在牵引仿真计算的关键数据 (牵引力、功率、 速度等)。
1 线路扫描软件设计
由于列车运营线路图包含信息较多， 但列车能耗仿 真仅需部分数据， 因此为提高识别效率， 在线路扫描软 件中集成了手动选择识别区域的功能 (在软件识别图像 之前， 手动选定有效区域， 只对选取部分进行识别)， 最 后将识别的数据结果提取导出， 并检验数据结果的正确 度 (可以调整算法参数， 使得软件识别率达到最高)。
目前， 线路数据扫描软件具备从列车运营线路图纸 中自动提取线路数据的功能， 主要集成了手动选取图纸 识别区域、自动提取识别区域所有数据、展示和导出采 集数据、管理图纸文件等功能。软件结构和主界面分别 如图 1~2 所示。
下文将从图纸文件管理、基础数据设置、图纸数据 提取、采集数据查询导出 4 个方面进行阐述。
1.1 图纸文件管理
图纸文件管理的主要功能包括线路数据文件的上传、 下载和基础信息管理等， 所有待扫描的线路文件均可保 存到服务器中， 进行统一管理和维护。点击主页“文件 管理”， 界面如图 3 所示。
文件上传功能是通过搭建 FTP 服务器， 提供运营线 路图纸上传的。通过点击“添加”，选择本地文件， 可将图纸文件提交至远程服务器端； 同时在上传时填写文件的标题、说明、备注等信息， 方便文件上传后的统一搜索和查询功能。上传时填写的文件基本信息和数据文件， 都将保存至服务器中， 作为文件的基础信息进行管理。 基础信息管理主要提供文件的查看、搜索等基本功能， 方便对多个线路图纸文件的统一管理。文件下载功能主要提供运营线路图纸的源文件下载， 通过列表方式对已 上传的图纸文件进行统一展示。
1.2 基础数据设置
基础数据设置主要用来格式化定义数据的类别和详细信息， 用于存储提取后的线路数据信息， 主要包括线路纵断面图中的车站、坡道、弯道、限速和公里标等信息。在从运营线路图中提取所需的数据后， 将按照格式化定义的类别和详细信息进行存储， 比如坡道数据将包含起始公里标、结束公里标、坡道长度、坡道坡度等。 在进行线路数据提取前， 务必设置好提取数据的类别， 用于保存不同类型的数据， 数据类别设置主要包含数据代码、名称和简码等信息； 可以使用既有的数据类型， 也通过点击“表格设置-添加”， 可以添加不同的数据类 型， 如图 4 所示。
在基础数据设置完毕后， 将开始运营线路图纸数据的提取工作。首先，点击主界面“打开文件”，将自动调用 CAD插件打开线路纵断面图。然后，点击主界面“数据采集”， 继而点击“表格名称”(即从基础数据中选择 提取的数据类别)， 如图 6 所示。在数据类别设置完成后， 需要定义每种数据类别的详细属性， 主要包括属性名称、类型、长度和小数位数等； 可以根据具体数据类型， 自定义数据格式的详细属性， 如图 5 所示。
1.3 图纸数据提取
图纸数据提取基于矢量文件格式的线路图纸， 自动读取线路图中的各种数据， 并导出结构化数据。由于线路图包含信息较多， 但能耗仿真仅需要部分数据， 因此在软件识别之前， 将采用人工选定区域的方式， 只对选取的图像区域进行识别， 最后将数据结果提取导出。
在基础数据设置完毕后， 将开始运营线路图纸数据 的提取工作。首先， 点击主界面“打开文件”，将自动调 用 CAD插件打开线路纵断面图。然后， 点击主界面“数 据采集”， 继而点击“表格名称”(即从基础数据中选择 提取的数据类别)， 如图 6 所示。
通过点击“选择坐标”或者“左上角、右下角”， 软 件将自动跳转到打开的线路纵断面图， 通过点选捕捉提 取区域， 该区域坐标将提取至后台程序中， 如图 7 所示。
点击“采集数据”后， 软件将根据选定区域自动提 取数据， 并显示在软件界面中， 如图 8 所示， 同时具备 “行列删除、增加以及单元格编辑”的功能 (采集数据有 误时修改使用)。
对于经过自动提取获得的数据， 将结合基础设置的数据属性信息， 自动进行结构化映射和存储， 然后保存至数据库中。当点击“保存数据”时， 软件将进行查询， 并提示数据是否覆盖； 选择覆盖时， 软件将覆盖重复数 据， 保证了前后多次提取数据的连续性， 如图 9 所示。
此外， 软件还可以保存已提取数据的区域坐标信息； 异常退出再次进入数据采集界面时， 可以根据历史区域 自动提取数据， 方便了图纸的提取工作。
1.4 数据查询导出
数据查询导出功能可以提供数据的搜索查询和明细 导出功能， 主要针对已经提取的历史数据， 同时可以将 数据导出为自定义设置的数据类别， 方便对数据的进一 步处理。在查看数据时， 由于线路数据信息较多， 可以按照提取时间段进行筛选； 也可以对显示的数据列进行 设置， 自定义隐藏不需要查看的列信息； 同时提供历史 数据的累计查询； 还可以提供数据的导出功能， 如图 10 所示。
导出时， 可以按照自定义的数据类别导出原始数据， 也可以根据自定义的 Excel 模板， 导出所需格式的线路数 据文件， 方便二次处理， 如图 11~12 所示。
2 列车性能仿真软件设计
牵引性能运行仿真主要实现对列车的速度、位移、 能耗等信息的仿真计算， 为列车运行性能提供模拟仿真 指标， 主要包含基础信息管理、最小时分仿真计算、仿 真结果导出等功能。其中基础信息设置主要实现对列车 信息、线路信息、电机信息等基础数据的导出与设置；最小时分仿真计算为软件的核心功能， 实现对列车在线 路信息中的仿真运行过程， 仿真结果导出和曲线查看实 现对数据结果的导出。
2.1 基础信息管理
在进行列车运行模拟仿真之前， 需要先对线路信息、 车辆信息和电路信息进行参数设置， 主要包括列车信息 管理、线路信息管理和电机信息管理等。列车信息的设 置主要涉及到列车属性参数的导入， 如图 13所示， 点击 界面内的“导入参数”按钮， 即可选择列车参数文件进 行导入。
图 14 所示为列车信息文件的导入模板， 其中包含项 目输入、正常牵引计算数据、正常再生制动计算数据、 故障计算数据、故障救援计算数据等信息。列车导入的 数据中， 正常牵引制动数据用于计算列车牵引仿真计算， 故障计算数据用于计算列车故障工况下的牵引制动参数。
线路信息的设置主要涉及到线路数据的导入、导出、 编辑、增加、删除、保存等， 包含线路的坡道、弯道、 车站、隧道、桥梁、坡道限速、弯道限速、过分相、特 殊限速区间等数据， 是线路的所有基本信息， 用于计算 列车仿真过程中的附加速度、区间限速等信息， 是列车牵引仿真的基础， 可通过线路扫描软件自动导入， 也可以手动导入。
列车的线路信息分为上行、下行两部分数据， 用户 在创建线路信息， 可以只导入上行的线路信息， 下行线 路信息可以根据上行的线路信息自动生成， 形成对称的 线路上下行数据。新增线路后， 使用界面中的“导入线路”， 导入线路信息， 如图 15 所示。新增线路之后可以 对线路信息的单条数据进行编辑、增加、删除、保存等 操作。
线路信息文件的导入模板， 包含线路特征、车站、 坡道、弯道、桥梁、隧道、坡道限速、弯道限速、特殊 限速点、过分相等信息， 如图 16 所示。
电机信息管理主要实现对电机信息的基本管理， 包 含牵引特性和制动特性两部分数据， 每一部分包含列车 的转速、频率、转矩、电压、电流等主要信息。在列车 仿真过程中通过列车的转速， 得到列车当前状态的电压、 电流信息。列车电机信息的导入模板如图 17 所示。
2.2 列车运行最小时分仿真原则
列车基于最小时分运行策略的运动过程， 需先建立 列车模型， 并对列车进行受力分析， 然后研究列车的运 动规律， 为此本文建立了列车的单质点刚性模型[6-7]， 如 图 18 所示。
分析可知列车所受到的力包括列车牵引力 T 和列车制动力 B。城市轨道交通动车组的牵引力来自动车， 动 车通过牵引电机， 将电能转换为机械能； 制动力是由制 动装置产生且与动车组运动方向相反的外力， 它是人为 的阻力， 实际中常采用列车再生制动方式， 将电能转换 为机械能。
对于单列车模拟来说， 本文研究的仿真软件设定 的列车最小时分运行策略[8] 基本原理如下： (1) 从列 车起动到第一个限速点， 采用最大牵引力达到限速； ( 2) 在任意限速路线段， 最大可能地采用限制曲线的 均速运行策略从而缩小运行时分； ( 3) 在任一限速提 高过渡段， 在出最低限速段后用最大牵引过渡到高限 速段； ( 4) 在任一减速过渡路段， 在最迟的时间采用最 大制动实现速度的过渡； ( 5 ) 在停车点前， 采用最大制 动力进行反推得到列车运行过程中的制动起始点。基于 以上基本原则， 可以得到列车运行的基本运行模式， 如 图 19 所示。
列车在第一限速区， 以全力牵引启动， 采用最大能 力加速至限速； 中间过程贴近线路限速匀速运行； 当限 速升高时， 采用全力牵引将列车速度提高至限速后保持 恒速； 当限速降低时， 最大能力制动减速； 进站时， 列 车采用全力制动进站停车[9]。
列车最小时分牵引运行的目的是为了让列车以最短 的时间到达终点[10]。图 20 所示为列车运行仿真采用最小 时分的牵引策略单个区间的运行仿真示意图[11]， 以最大 的牵引力牵引至最大速度， 然后以最大速度匀速， 最大 的制动力制停， 最终达到在列车牵引仿真计算以最大平 均速度到达终点， 进而使用最小的运行时间。
列车牵引仿真运行在仿真运行计算结束后， 对得到 的数据在界面中绘制仿真结果曲线。列车牵引计算仿真 包含线路上行、线路下行两部分， 如图 21 所示。用户可 以设置仿真的线路名称、负载、限速误差、回馈率、折 返时间等基本仿真参数， 进行上行和下行的仿真计算， 结果以曲线的形式进行展示。
2.3 仿真结果导出
仿真结束后， 可以进行仿真数据的导出， 可以导出 Excel 文件、 Word 文件以及曲线图片。仿真结果 Excel 导 出主要将列车仿真计算每一个时刻的明细数据汇总导出。 图 22 所示为导出表格的模板样式， 包含上行汇总、下行 汇总、上下行汇总、上行详细、下行详细等数据。其中 上行详细、下行详细为列车运行过程中的明细仿真数据， 汇总数据主要根据明细数据中的车站区间， 按照区间对 运行的时间、速度、能耗等进行数据的汇总。
2.4 仿真结果曲线查看
仿真结果曲线查看主要包含仿真曲线查看、曲线导 出图片两部分功能。仿真曲线查看包含列车运行的所有 仿真曲线结果， 如图 23 所示为查看仿真运行曲线的功 能， 可以在此页面内切换选项卡分别查看上行速度-位 移曲线、上行时间-位移曲线、上行速度-时间曲线、上 行网流-位移曲线、上行电流-位移曲线、上行功率-位 移曲线、下行速度-位移曲线、下行时间-位移曲线、下 行速度- 时间曲线、下行网流-位移曲线、下行电流-位 移曲线、下行功率-位移曲线。
3 结束语
本文通过建立列车运行数学模型， 分析列车站间运 行的最小时分策略， 基于 SQL 服务器和 C#编程技术开发了一套轨道交通用列车运行仿真平台， 兼具线路数据扫 描和列车性能仿真的功能。其中， 线路数据扫描软件可 以扫描列车运营线路图， 能够快速提取列车能耗仿真用 线路数据， 不但可以解决手动提取效率低下的问题， 还 可以提取线路信息的车站、弯道和坡道等数据分类， 自 动实现线路信息由图像到结构化文本的转换。列车性能 仿真软件可以实时分析出列车运行时的运行距离、运行 时间、运行速度、运行能耗的变化结果， 实现对列车运 行情况的模拟监控分析， 同步完成数据报告输出。
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