CN100585369C - 铁路模拟实验室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专门用于铁路系统动态模拟仿真的集成计算机应用平台，名为铁路模拟实验室。该铁路模拟实验室考虑了线路轨道、车辆信号和列车运行等铁路系统的详细参数，不但能对整个铁路网络内的所有列车运行进行动态模拟仿真，而且还具有开放式的接口，用于增设多个相对独立的铁路模拟实验台，包括信号系统实验台、列车车辆实验台、供电系统实验台、电磁兼容实验台、运行规划实验台、列车控制实验台、节能优化实验台、动画演示实验台等等。所有的铁路模拟实验台均可通过铁路模拟实验室进行相互连接，相互支持，共享一切参数、模型和信息，其功能是现有仿真工具无法比拟的。

Description

铁路模拟实验室

技术领域

本发明涉及一种专门用于铁路的动态模拟仿真系统，包括兼容多个铁路模拟实验台的铁路模拟实验室。

背景技术

实际应用的铁路系统庞大而又复杂。随着科学技术的发展，各类计算机仿真技术已被广泛地应用于铁路系统的仿真、规划、设计、优化和评估等各领域。尽管现有的非实时仿真工具种类繁多、形式各异，就其功能而言，可以归纳为两大类：第一类是针对某个铁路子系统而设计，专业性很强的仿真工具，专门用于对铁路系统内某个子系统或某些特定功能进行系统而全面的仿真模拟。例如，专门用于对铁路信号、列车控制、铁路供电、铁路车辆、电磁兼容、节能优化或运行规划等子系统的仿真工具，就属于这一类型。属于这一类的仿真工具数目繁多，功能各异，并且已在实际的铁路系统设计及运行中得到广泛应用。第二类是针对整个铁路系统而设计的仿真工具。这类仿真工具，考虑了铁路系统的主要参数，包括铁路信号、列车车辆、轨道线路和运行需要等方面的详细参数，主要用于铁路整体运行的规划、评估和设计。英国VST公司推出的“RailPlan/PowerPlan”，澳大利亚TMG国际有限公司推出的“CAPTURE/PROVING”等都属于这一类仿真工具。这类仿真工具的主要缺点是功能扩展性差，不能对许多子系统进行模拟仿真。即使有的仿真工具能对某个特定的子系统运行仿真，其程度也远没有第一类仿真工具全面和深入。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，而提供一个功能强大的铁路模拟实验室，既能对铁路网络的整体运行进行模拟仿真，又能在考虑整体运行性能的前提下，对各个铁路子系统进行局部的深入分析；

本发明的又一目的，是提供一个具有开放式接口、易于扩展的铁路模拟实验室，能够与多个相对独立的子系统实验台兼容，共享一切参数、模型和信息，从而大大增强整体的铁路系统仿真模拟功能；

本发明的另一目的，是提供多个相对独立、专业性强的铁路子系统实验台，专门对铁路网络内的某一子系统或某一设计要求进行系统全面的仿真模拟，并通过铁路模拟实验室共享资源，互相支持；

本发明的再一目的，是提供一个使用方便的铁路模拟实验室，通过专业的人机对话设计，使模拟所需参数的输入简捷方便，并能用线路图的方式来搭建铁路供电系统仿真模型，进行动态模拟。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：建立一个由一个铁路模拟实验室基础平台和多个铁路模拟实验台组成的铁路模拟实验室。铁路模拟实验室基础平台采用一套“组件式”仿真应用平台，为铁路系统模拟提供了一个开放的应用程序界面，并能通过铁路模拟实验台新组件的使用，不断增加新的特性和功能。铁路模拟实验室基础平台能通过输入铁路系统的实际参数，对按时间表运行的所有列车进行动态模拟，并将所有列车运行情况，展现在一个简单的计算机平台上。铁路模拟实验台能在铁路模拟实验室基础平台之上，通过输入某个子系统的详细参数，专门对这个子系统进行专业性很强的动态模拟。另外，根据用户的需要，铁路模拟实验台的数目可不断增加，对每一个与列车动态性能有关的子系统进行动态模拟。

铁路模拟实验室基础平台主要由参数输入、仿真模型、数据输出、实验台接口和跟踪调试等五大部份组成。用户可输入的参数包括了线路轨道、车辆信号、列车运行和仿真设置等所有模拟仿真所需铁路系统参数。在模拟仿真之前，铁路模拟实验室能够用图表输出已被输入的数据，来确认输入参数的正确性。

铁路模拟实验室设计了跟踪调试平台，不但能够实时监控模拟仿真的过程状态，而且还能监控模拟仿真过程中产生的错误，了解错误产生的原因，以保证正确的模拟结果。铁路模拟实验室还能够通过可视化的图表来输出模拟结果，形象直观。

与铁路模拟实验室类似，铁路模拟实验台也主要由参数输入、仿真模型、数据输出、实验台接口和跟踪调试等五大部份组成。这五部份功能与前述铁路模拟实验室类似，在此不做赘述。

供电系统模拟实验台设计了一套包括电气系统所有元器件的器件库，用户能够根据供电系统的线路图进行连接，并输入供电传输线位置、传输阻抗以及其它供电系统参数，便可根据线路图对供电系统进行模拟仿真，并在仿真的过程中用图形观察结果。

其它的铁路模拟实验台，包括信号系统实验台、列车车辆实验台、电磁兼容实验台、运行规划实验台、列车控制实验台、节能优化实验台和动画演示实验台等，都采用已成熟的仿真技术，从现有的子系统仿真工具中归纳出仿真模型和输入、输出需求，并用与铁路模拟实验室兼容的方式设计构建，在此不做赘述。

本发明的有益效果在于，采用了本发明技术方案，便能设计出铁路模拟实验室这一新颖的仿真工具，专门对铁路系统进行动态模拟。此仿真工具既能兼顾整体铁路网络的庞大与复杂，又能适用于局部子系统的细致与深入，有机地结合了整体与局部的仿真需要，将铁路系统的仿真模拟技术推高到一个新的水平。集合了现有两类铁路系统仿真工具的优点于一身，铁路模拟实验室基础平台，能在考虑所有铁路系统主要参数的基础上，对按时间表运行的所有列车进行动态模拟。在铁路模拟实验室基础平台上才能运行的铁路模拟实验台，则开创性地吸收了铁路子系统仿真工具精华，能借助铁路模拟实验室的模型、参数或者仿真结果，对各子系统进行深入而全面的研究分析。铁路模拟实验台之间既能相互独立，又互相支持，从而大大增强了铁路模拟实验室的整体仿真模拟能力。

附图说明

图1是本发明的铁路模拟实验室结构图：

图2是本发明实施例中的铁路模拟实验室系统结构图；

图3是本发明实施例中的参数输入平台结构图；

图4是本发明实施例中的铁路模拟实验室监控平台结构图。

具体实施方式

以下结合本发明实施例及附图对本发明作进一步详细地说明。

铁路模拟实验室的系统结构如图2所示，它是基于微软公司新一代开发平台.Net框架开发，充分利用了.Net的一些先进特性，如数据库访问技术(ADO.Net)、视窗编程技术(WinF orms)，.Net面向对象的构架优势及其强大的类库支持，使得本系统在基础框架上具有跨语言，跨平台，较高安全，较强的稳定性、一致性和可扩展性。在开发语言选择上，铁路模拟实验室采用C#开发。这是一种面向对象的语言，使开发人员在保证了强大的功能灵活性的同时，可以快速地构建从底层数据库操作到算法组件等系统的各个层次。

铁路模拟实验室的核心设计目标和主要的体系结构特性是：1)构建一个模拟列车运行的铁路模拟实验室基础平台；2)使用XML文档，提供开放式的实验台接口，使得功能模块的扩充灵活、简单；3)构建模拟子系统的铁路模拟实验台；4)仪表板式的界面布局，使用户输入参数方便；5)提供强大的图形化数据表达功能，使模拟过程和模拟结果形象直观；6)提供跟踪调试平台，实时监控模拟的过程和仿真过程中产生的错误。

铁路模拟实验室用统一的风格设计了参数输入界面，其组成如图3所示。此人机交互界面采用WIMP界面模式，窗口(Windows)、图标(I cons)、菜单(Menus)、指示器(P ointing  D evice)四位一体，使得用户能准确、高效的将各类模拟参数录入系统数据库。同时铁路模拟实验室提供数据导入、导出功能，可以直接从E xcel表批量导入、导出数据，大大提高用户数据录入效率，节省建立仿真模型的时间。在数据录入的同时，系统自动进行有效性和完整性检查，并能以图形显示所录入的数据，以检验数据的正确性。用户可录入的参数包括线路结构、轨道、车站、车辆、信号和运行等方面的详细铁路网络参数，长度单位精确到1米。

铁路模拟实验室的内核功能采用了成熟的仿真数学模型。为在仿真过程中考虑轨道的坡度、弯度、斜度和最高速限变化，铁路模拟实验室的仿真模型以里程步长进行迭代计算，步长大小可由用户输入。

铁路模拟实验室将仿真模拟过程中产生的所有数据保存在此模拟项目对应的临时数据表中，通过图表的方式，清晰直观的将数据展现在用户面前。铁路模拟实验室采用成熟的技术，提供了强大的图形化数据表达功能，能够根据数据库中的数据以散点图、折线图、雷达图、柱形图等方式即时表现数据。

铁路模拟实验室与实验台之间的接口设计，是以插件的形式，通过扩展点来相互接入。铁路模拟实验室的接口模块中定义了所有已知的扩展点，扩展点由插件清单文件(plugin.xml)来定义，清单文件中包含了将铁路模拟实验台集成到框架所使用的描述信息，如：名称、版本号、实现它的类名称、类库名称、响应事件、操作集合等。铁路模拟实验室在启动时，首先会查看其铁路模拟实验台目录来确定要装入哪些实验台。铁路模拟实验台装入后，就能根据清单文件中的定义，响应某个事件，或在系统模拟运行满足预设的条件时即活，或者响应用户事件与铁路模拟实验室基础平台交互数据。

铁路模拟实验室和铁路模拟实验台都在仿真模拟模型中定义有许多扩展点，并共享铁路模拟实验室的扩展点信息，当仿真模拟到达符合条件的扩展点时，程序将根据此扩展点的XML格式的定义文件，通过数据库或XML数据文件实现铁路模拟实验室与铁路模拟实验台之间的数据交互。铁路模拟实验台不但能从铁路模拟实验室获取所需数据，而且能通过铁路模拟实验室，从其它相应的铁路模拟实验台中去获取所需数据，实现铁路模拟实验台与铁路模拟实验台之间的数据文件交互。

铁路模拟实验室的监控平台，是采用了事件驱动模型开发来实现的。如图4所示，监控平台包括事件定义库、事件检测模块、事件执行模块和事件信道几个部份。事件定义库定义了铁路模拟实验室仿真模拟的过程中所有已认知的事件描述和基本信息，包括事件标识、事件特征、事件处理例程、事件处理软件包等。事件检测模块负责处理事件的收集和分发，当接收事件后，分析事件的类型、特征，然后作出相应的处理。事件执行模块负责获知事件入口，解码事件携带数据，正确执行相应事件。一旦某个事件发生，监控模块即可通过图表等方式立即显示当前状态，并通过预定义的数据插口输入数据。事件信道可分为：1、永久可靠信道，应用之间具有频繁的事件往来或固定的周期性的关键事件要采用这类信道；2、一次性可靠信道，事件的收发具有偶然性，不经常性，但是事件不可丢失；3、广播数据报不可靠信道，信道上的事件是一对多的关系，可以容忍偶然的数据报丢失或失序；4、单播数据报信道；5、数据报可靠信道。采用上述的技术方案，使得用户能够通过监控平台，实时监控仿真模拟的全过程。

铁路模拟实验台也采用了与铁路模拟实验室相同的设计风格和系统结构，其系统设计和实施方案都与上述的铁路模拟实验室类似。实验台的内核功能和仿真模型，也都采用了成熟的仿真技术，在此不多赘述。只有供电系统模拟实验台采用了一种使用方便的新技术方案，现介绍如下：

供电系统模拟实验台设计了一套铁路供电系统的器件库，包括电阻、电感、电容、传输线、轨道回线、联接线、接地点、二极管、可控硅、晶体管、变压器、电流源、电压源、电流表、电压表、功率表、示波器、断路器和供电器等。用户能够根据供电系统的线路图，把需要的器件从器件库内拖出并连接起来，输入供电传输线位置、元器件参数以及其它仿真系统参数，便可根据线路图对供电系统进行模拟计算，并在计算的过程中用电流表、电压表、功率表和示波器等观察结果，实时监控仿真模拟的过程状态。实施上述技术的方案，与SPICE和SIMULINK等成熟的仿真模拟工具类似。与SPICE和SIMULINK等成熟技术不同的是，供电系统模拟实验台能够借助铁路模拟实验室的动态模拟，决定所有列车运行的状态，并将每列列车的功率需求，转换成与列车节点电压有关的等效电流源。实施上述技术方案的办法，是为传输线增建了所需轨道线路、轨道位置等与铁路模拟实验室相关的参数，将列车在铁路网络内的位置与其等效电流源在传输线上的位置对应起来。

本发明所涉及的铁路模拟实验室，不但功能齐全，而且使用方便，供电模拟系统还可采用线路图的方式来搭建模型。所有参数都有EXCEL导入和导出功能，输入和输出参数可用图表检验。更为便于使用的是，铁路模拟实验室的模型与参数，是所有铁路模拟实验台都能分享共用的。而各铁路模拟实验台是相互独立的，当用户需要对某一子系统深入研究时，只需针对自己的研究项目，输入这个实验台内的参数，便可开始仿真模拟。因此，本发明涉及的铁路模拟实验室在对铁路系统进行模拟、设计、优化、评估和规划等各领域，有着广泛的应用前景。

Claims (4)

1、一种铁路模拟实验室，其特征在于：

包括有一个铁路模拟实验室基础平台，用于对整个铁路网络内的所有列车运行进行动态模拟仿真，并兼容和连接以下所有的铁路模拟实验台：

a、一个信号系统实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对铁路信号系统进行仿真模拟；

b、一个列车控制实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对列车运行控制系统进行仿真模拟；

c、一个列车车辆实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对列车车辆性能进行仿真模拟；

d、一个供电系统实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对铁路供电系统进行仿真模拟；

e、一个电磁兼容实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对铁路系统的电磁兼容性能进行仿真模拟；

f、一个运行规划实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对铁路的运行规划进行仿真模拟；

g、一个节能优化实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对铁路的节能运行进行仿真模拟；

h、一个动画演示实验台，用于在铁路模拟实验室基础平台上对列车的动态运行进行动画演示；

以及多个备用铁路模拟实验台接口，用于根据实际需要而不断增加铁路模拟实验台的数目，还包括一个铁路模拟实验室数据库，用于所有铁路模拟实验台与铁路模拟实验室基础平台共享参数、模型和信息。

2、根据权利要求1所述的铁路模拟实验室，其特征在于：铁路模拟实验室基础平台包括：

参数输入平台，用于输入所有模拟仿真所需参数，包括线路轨道、车辆信号、列车运行和仿真设置；

输入校验平台，用于确认输入参数的正确性，通过图表输出已被输入的数据；

仿真模型平台，用于系统的仿真模拟；

数据输出平台，用于通过可视化的图形或者表格来输出仿真模拟结果；

跟踪调试平台，用于实时监控模拟过程的状态，识别模拟仿真过程中产生的错误。

3、根据权利要求1所述的铁路模拟实验室，其特征在于：所有的铁路模拟实验

台还包括：参数输入平台，用于输入铁路模拟实验台模拟仿真所需参数；

输入校验平台，用于通过图表输出已被输入的数据，确认输入参数的正确性；

仿真模型平台，用于系统的仿真模拟；

数据输出平台，用于通过可视化的图形或者表格来输出仿真模拟结果；

跟踪调试平台，用于实时监控模拟过程的状态，识别模拟仿真过程中产生的错误；

铁路模拟实验室接口，用于与铁路模拟实验室基础平台连接。

4、根据权利要求1所述的铁路模拟实验室，其特征在于：供电系统实验台还包括：

电气元件器件库，用于定义铁路供电系统采用的所有元器件；

供电线路图平台，用于连接线路元器件，构建供电系统线路图。

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