浅析轨道交通仿真软件及应用需求

陶雨濛 金立艳 王亮军

摘  要：发展城市轨道交通是缓解城市交通拥堵，提升公共交通服务水平的重要举措。轨道交通仿真技术可为城市轨道交通规划、设计、建设、运营和维护的全生命周期提供有力的决策支撑。该文首先阐述了轨道交通仿真的基本流程，其次针对目前国内外典型的轨道交通仿真软件，在软件的功能和特点上进行了比较分析，最后重点探讨了轨道交通仿真技术在城市轨道交通领域的应用需求。

关键词：轨道交通;仿真技术;软件功能;应用需求

中图分类号：TP391.9            文献标志码：A

0 引言

随着我国经济从高速增长到高质量发展的转型，交通运输行业发展也越来越注重质量和效率，为了进一步推进交通强国的战略部署，高运能、低排放的城市轨道交通，在城市交通高质量发展的过程中占据重要地位。《交通强国建设纲要》[1]明确提出“提高城市群内轨道交通通勤化水平，优先发展城市公共交通，鼓励引导绿色公交出行”。在大力发展轨道交通的背景下，轨道交通仿真技术得到了诸多关注和重视，该技术通过融合计算机技术、仿真技术、信息技术等先进技术，借助计算机搭建仿真环境，模拟城市轨道交通系统及其子系统的运作过程。轨道交通仿真技术可为城市轨道交通规划、设计、建设、运营和维护的全生命周期提供有力的决策支撑。

1 轨道交通仿真基本流程

轨道交通仿真主要分为数据收集、模型构建、模拟仿真、数据分析4个阶段。在模型构建之前，首先要收集轨道交通系统基础设施及其属性数据，包括轨道线网数据、列车数据、列车运行环境数据、列车运行计划数据4个基本数据要素。轨道线网数据包括轨道长度、坡度、限速等。列车数据包括车辆类型、重量等。列车运行环境指的是信号控制方式，包括信号机位置及类型、闭塞方式、停车点等。列车运行计划指的是为了满足运营需求而预先设置的列车时刻表。在模型构建阶段，根据上述基础数据构建轨道交通线网，并进行参数标定。在仿真模拟过程中，列车在信号控制和时刻表的约束条件下进行模拟运行。最后根据仿真结果进行数据分析，例如列车的站间运行速度、延误、能耗以及基础设施的利用情况。

2 国内外典型轨道交通仿真软件

国外轨道交通的仿真软件主要有瑞士的OpenTrack、德国的RailSys、美國的RTC（Rail Traffic Controller）等，这些仿真软件功能相对完善，但是售价高昂，随之国内开始自主研究，如北京交通大学和香港理工大学合作研发的GTMSS、西南交通大学的UMTTCS。下面以典型的轨道交通仿真软件为例，介绍其软件功能与应用场景。

2.1 OpenTrack

OpenTrack[2]仿真软件是瑞士联邦研究院研发的，软件大致可分为数据层、仿真层、应用层3个层级，分别用于实现模型构建、模拟仿真、性能评估3个功能，如图1所示。软件通过输入轨道线网信息、列车信息、时刻表信息，构建仿真场景，模拟列车运行状况，输出可视化图表，从而对列车、车站、线路运行情况进行分析。

在轨道线网构建过程中，软件通过图形化方式创建轨道区段、信号机位置、车站区域，并设置属性参数。列车在数据层定义的约束条件下进行仿真运行，可以在线输出列车运行、轨道占用、信号显示的二维动画，离线输出单列车的速度-距离曲线图，车站的轨道占用情况和线路的列车运行实迹图等。

OpenTrack仿真软件能够以可视化的方式呈现输入、输出过程，但是轨道线网数据输入工作量较大，系统设计较为适合欧洲的铁路系统。

2.2 RTC（Rail Traffic Controller）

RTC[3]由美国伯克利仿真软件公司研发，是一款用于轨道列车调度分析的仿真软件，可以实现大范围、长距离的轨道交通网络仿真。RTC的特色是基于列车冲突逻辑（meet-pass N-train logic）解决多列车调度冲突及优化问题，可分析不同列车编组、轨道、设备等条件下车辆的运行性能，支撑运行调度、通行能力分析等关键应用。目前，RTC的适用场景主要为北美的铁路运输网络。

2.3 GTMSS

GTMSS[4]包括基础数据模块、模拟参数定义模块、系统运行模块和系统输出模块。以线路、列车、信号数据为模型基础，通过模拟参数定义模块选择列车运行环境，在参数定义完成后进行初始化检查，最后在列车模拟运行时同步显示运算结果。

GTMSS的列车运行控制方式适应多种需求，提供自动控制和手动控制2种方式，见表1。自动方式下，设计节时、节能、定时、巡航4种模拟策略，适用于不同运行对象，单列车可采用定时策略，多列车可采用节时、节能和 巡航策略。其中巡航策略针对地铁列车的运行测试，使列车在站间区间以固定速度运行。根据不同的运行目标选取指定策略，列车完成自动运行。手动方式针对单列车运行，可通过键盘上的方向键或鼠标进行手动操纵。

3 轨道交通仿真软件特性对比

3.1 基础设施数据输入差异

从软件输入的基础数据对比中可以发现，上述几种轨道交通仿真软件在模型构建时，都包括线网数据、列车数据、信号数据，区别在于是否输入列车时刻表，这与不同国家的铁路运输对象有关。欧洲国家和美国均采用客货共线的铁路运输组织形式，欧洲国家的铁路运输以客运为主，具有一定的规律性，不同类型的列车需要按照计划时刻表运行，以此来提高线路的利用率。而美国以货运为主，具有较强的随机性，常规的列车时刻表难以适应该运营模式，需要根据实际需求确定列车计划。因此考虑不同国情，在数据输入方面有差异化的体现。当然RTC只是不以时刻表为输入数据的软件代表，并不意味着所有美国的轨道交通仿真软件都有该类特点，如Railsim[5]等就考虑到时刻表的影响。

3.2 列车运行参数设置差异

从列车运行参数设置角度出发，OpenTrack、RailSys仿真模块可以调用数据模块中的列车、时刻表等数据，根据预设目标，自由调整参数。GTMSS软件在列车仿真运行模块内制定了模拟策略，一定程度上为特定目标下模拟参数的设定提供了便利，但在灵活性上略有欠缺。

4 仿真软件在城市轨道交通领域的应用需求探讨

目前，轨道交通仿真软件的分析对象和适用场景主要为铁路系统，列车在模拟运行过程中的重点是避免列车之间发生冲突。仿真软件面向城市轨道交通系统及其应用场景的专用化软件较为少见。从系统的基本组成上来看，城市轨道交通系统与铁路轨道交通系统存在很多共性特点，如轨道、信号基础设备等设施单元，以及停车点的设置、超速防护等运行规则，但是城市轨道交通的运行组织形式（如发车间隔）、信号控制方式（如联锁方式、闭塞制式）与铁路轨道交通系统存在一定的差异，因此需要在仿真建模中考虑这些差异，可以通过调整模型参数，或者开发新的模型进行优化。

现有的轨道交通仿真软件，主要围绕列车进行仿真建模和分析，这可以满足分析大范围、长距离、低频次的铁路系统需求，但是针对城市轨道交通系统，在发挥列车运行效率的同时，更要考虑其出行服务效率，因此，需要进一步结合城市轨道交通客流进行建模，包括客流的产生、分配等环节。与此同时，随着综合交通运输系统越来越受到重视，轨道交通仿真需要融入综合交通运输系统仿真中进行考虑，考虑枢纽站的联运协同，地面公交与轨道交通协同等新的分析应用。

5 结语

该文阐述了轨道交通仿真技术实现的基本流程，重点介绍并对比分析了国内外典型的轨道交通仿真软件，探讨了轨道交通仿真技术在城市轨道交通领域的应用需求。

参考文献

[1]中共中央国务院.交通强国建设纲要[EB/OL].（2019-09-19）[2020-7-20].http：//www.gov.cn/zhengce/2019-09/19/content_5431432.htm.

[2]Haramina H，Schobel A，Aksentijevic J，et al.OpenTrack-A Tool for Simulation of Railway Networks[C]//4th International Conference on Road and Rail Infrastructure-CETRA 2016.Sibenik：University of Zagreb：39-44.

[3]White T.Alternatives for Railroad Traffic Simulation Analysis[J].Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board，2005，1916（1）：34-41.

[4]毛保華，姜帆，刘迁，等.城市轨道交通[M].北京：科学出版社，2001.

[5]方惠惠，王春.轨道交通运行仿真的应用与发展[J].价值工程， 2018，37（31）：239-242.