CN105913713A - 地铁调度仿真培训系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁调度仿真培训系统及方法，所述系统包括：教员模块，检测各模块的在线状态以及数据故障信息的初始化；服务器模块，计算相关电力元件潮流值、环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息；电调模块，接收行调模块发送的列车运行状态、位置及线路工况信息以及环调模块发送的各电力元件的电功消耗，计算各电力元件的网压及其显示状态；行调模块，向电调模块和环调模块发送列车运行状态、位置及线路工况信息；环调模块，监测全线列车运行状态及其位置信息，根据所述电调模块发送的动力照明供电网压检测各电力元件能否进行相关操作。本发明提供的仿真培训系统及方法功能完善，能快速且高效地培训地铁调度工作人员。

Description

地铁调度仿真培训系统及方法

技术领域

本发明涉及模拟仿真技术领域，具体涉及一种地铁调度仿真培训系统及方法。

背景技术

随着城市轨道交通行业与社会经济的快速发展，人们对于舒适、快捷、安全的交通工具有着较高的要求，相关轨道交通行业内的各种运营人员需求量大增，列车安全、准点运行受到高度关注且对其要求日趋严格。在城市轨道交通系统中，地铁运行控制中心(OCC，OperatingControl Center)是列车正常运行的神经中枢，电力调度系统与环控调度系统所涉专业知识范围较广、专业性强、业务知识较复杂。因此，培养合格且业务水平熟练的电力调度人员与环控调度人员显得尤为重要且具有重要的实际意义。

传统师傅带徒弟的“导师制”培训模式，需为每一位培训学员指定专职老师对其进行培训和指导，所有学员都需要经过严格的基础理论学习、理论考核、安全培训、跟岗实习、实际操作考核等，较好地提高了学员的技术水平与管理能力。然而，此种培训模式因培训周期较长、手段较单一且费时费力，而且还不能有效逼真模拟铁路现场实际中的相关故障，难以培养大批优秀的地铁专业人才，很难实现地铁运营单位对学员预期的培训目标，无法有效缓解地铁运营人员日益激增的培训需求。

鉴于传统培训方式的诸多不足，国内外相关学者利用先进的计算机仿真技术并结合轨道交通各专业知识搭建了适宜培训地铁营运工作人员的地铁调度仿真培训系统。现有的地铁调度仿真培训系统，部分模块的相关功能并不完善，不利于岗前工作人员系统的培训。

发明内容

本发明所要解决的是现有的地铁调度仿真培训系统部分模块的相关功能不完善的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种地铁调度仿真培训系统，包括教员模块、服务器模块、行调模块、电调模块以及环调模块；所述教员模块适于检测所述服务器模块、行调模块、电调模块以及环调模块的在线状态以及数据故障信息的初始化，仿真培训时供教员制作课程计划、下达开课命令以及培训学员过程中的实时干预；所述服务器模块适于根据所述行调模块、电调模块以及环调模块的基础数据信息计算相关电力元件潮流值、环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息，并向所述教员模块、行调模块、电调模块以及环调模块发送模块之间的数据交互信息、命令信息以及控制指令；所述电调模块适于读取相关电力元件属性参数和线路基础数据，并接收所述行调模块发送的列车运行状态、位置及线路工况信息以及所述环调模块发送的各电力元件的电功消耗，以计算各电力元件的网压及其显示状态；所述行调模块适于向所述电调模块和环调模块发送列车运行状态、位置及线路工况信息以供所述电调模块计算、供所述环调模块检测与监视；所述环调模块适于监测全线列车运行状态及其位置信息，并根据所述电调模块发送的动力照明供电网压检测各电力元件能否进行相关操作。

本发明提供的地铁调度仿真培训系统使用C/S架构，基于电力调度、环控调度各电力元件属性参数与功能特性对其进行精准等效构建电力与环控模型，计算供电系统电力潮流、环境温度与水位、火灾预警状态信息，校验检测与更新各电力元件的状态，实时动态在各模拟页面视图中显示，并传递相互间的数据与命令信息，适于根据地铁现场实际需求编制教学培训计划对地铁电力调度与环控调度工作人员业务技能进行培训。本仿真培训系统电力元件模型等效精准、数值计算精确、运算速度快，能快速且高效地培训地铁电力调度与环控调度工作人员，并能较好地满足地铁现场实际的培训需求。

进一步地，所述服务器模块包括电调运算服务器、环调运算服务器、电力元件操作检测模块以及电力元件操作校验模块；所述电调运算服务器适于根据所述行调模块、电调模块以及环调模块的基础数据信息计算相关电力元件潮流值；所述环调运算服务器适于根据所述行调模块、电调模块以及环调模块的基础数据信息计算环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息；所述电力元件操作检测模块适于分析定位客户端相关电力元件是否可进行远端操作，检测当前状态与客户端将要改变的状态是否相同并给客户端相应电力元件以正确提示；所述电力元件操作校验模块适于校核客户端点击的电力元件以及与其关联和联动的电力元件状态值的更新状态是否正确，并检测与其关联的其他子系统页面视图是否已全部联动。

进一步地，所述电调运算服务器包括直流侧计算模块和交流侧计算模块；所述直流侧计算模块适于计算各节点电压、支路电流、消耗的有功电度以及消耗的无功电度；所述交流侧计算模块适于计算支路负荷电流与平衡节点的注入功率。

进一步地，所述计算各节点电压、支路电流、消耗的有功电度以及消耗的无功电度包括：将电力线、接触轨、钢轨等效为纯电阻与无电阻导线串联，将牵引变电所等效为一个含内阻的直流电压源，将列车等效为一个电流源以构建直流侧物理计算模型；将直流侧物理计算模型中的两根钢轨等效为一段含有内阻的电力线，对列车与列车位置进行编号，编号顺序从左到右依次为变电所馈电节点、变电所回流节点、列车取流节点、列车回流节点；结合列车位置和牵引网导线基本参数计算出牵引网中每段线路的导纳，并采用支路添加法生成网络的节点导纳矩阵和节点注入电流：变电所馈电节点电流为变电所回流节点电流为列车取流节点功率为列车回流节点功率为其中，I为列车等效为电流源的值，U为节点电压，I_j为第j个变电所馈电节点电流，Y_j,i为节点i与节点j的互导纳，U_iu为第i个牵引变电所出口电压，i为导纳矩阵的行号，j为导纳矩阵的列号，n为节点总数，P_uj为列车吸收的功率，U_uj为列车取流处网压；逐一计算各节点电压和支路电流，直至列车电压收敛为止；根据取流节点电力值计算直流侧消耗的有功电度和无功电度。

进一步地，所述计算支路负荷电流与平衡节点的注入功率包括：根据地铁供电系统拓扑结构构建交流侧物理计算模型，并从电源开闭所、车站各段母线依次对其节点进行编号；根据供配电线路模型计算各段电力线等值阻抗与对地等值导纳，运用直流侧计算所得各节点有功功率、无功功率并结合牛顿拉夫逊算法求解相关电力潮流值。

进一步地，所述环调运算服务器包括环控温度计算模块、环控水位计算模块以及火灾探测分析模块；所述环控温度计算模块适于将全线区间各发热体等效为可放热和可吸热的负荷，并根据各发热体放热和吸热模型及地铁现场实际客流信息与季节气温等效值动态计算全线区间的温度；所述环控水位计算模块适于根据地铁现场实际的车站用水标准及各电力元件消耗与排水的水量并结合各电力元件的属性参数信息动态计算环控系统的水位标准；所述火灾探测分析模块适于根据火灾的烟气浓度、出烟速度、各发热体的热焓量对全线区间的排烟量进行建模，并运用火灾热释放率方程和烟气模型动态计算火灾温度与烟气浓度。

基于上述地铁调度仿真培训系统，本发明还提供一种地铁调度仿真培训方法，包括：分别启动所述教员模块、服务器模块、行调模块、电调模块以及环调模块，并查看各个模块是否正确启动；在各模块正确启动后，根据电力元件属性参数与物理模型的等效参数计算环境温度、环境水位以及火灾预警信息，根据线路基础数据与电力元件物理等效模型分别构建供电系统交直流侧模型计算电力潮流值，根据各电力元件属性参数与功能特性校核检测与更新各元件状态；教员根据培训需求在教员模块编制教学计划并下达开课命令，学员根据课程计划选择相应车站与视图按钮并操作相关电力元件，查看电力元件状态、潮流值及其相应的提示信息；服务器模块根据学员操作电力元件属性参数校核与检测相应电力元件状态值并更新其状态。

进一步地，所述地铁调度仿真培训方法还包括：在培训过程中，教员根据培训需求在相应控制区域的电力元件上设置故障对学员进行干预。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的地铁调度仿真培训系统及方法，运用计算机仿真建模技术搭建地铁调度仿真培训平台，等效拟化电力元件属性参数与线路基础数据，构建电力调度、环控调度与行车调度计算模型，动态模拟仿真电调、环调相关计算与电力元件操作。进一步，本发明根据电力元件本质属性参数、功能特性等效成有源与无源元件，依据供配电原理构建供电系统交直流侧计算模型，计算结果精确、运算速度快、收敛性与鲁棒性好；本发明根据地铁运行中心现场实际环境温度、水位及火灾实情拟化电力元件，能较好地提高地铁工作人员的培训效率与业务水平；本发明运用服务器模块分别计算电力潮流、环境温度与水位、火灾预警信息，检测与校核电力元件状态并更新与其联动和关联的模拟页面视图，使数据计算与界面显示分离，从而便于系统维护升级。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的地铁调度仿真培训系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的供电系统直流侧计算模型的等效电路图；

图3是本发明实施例的地铁牵引网络的拓扑结构示意图；

图4是本发明实施例的牵引供电系统模型的计算流程示意图；

图5是本发明实施例的供电系统交流侧计算模型的等效电路图；

图6是本发明实施例的环境温度、火灾预警的模式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

图1是本发明实施例的地铁调度仿真培训系统的结构示意图，所述地铁调度仿真培训系统包括教员模块11、服务器模块12、行调模块13、电调模块14以及环调模块15。

具体地，所述教员模块11适于检测所述服务器模块12、行调模块13、电调模块14以及环调模块15的在线状态以及数据故障信息的初始化，仿真培训时供教员制作课程计划、下达开课命令以及培训学员过程中的实时干预。所述教员模块11的结构和功能与现有技术类似，在此不进行过多描述。

所述服务器模块12适于根据所述行调模块13、电调模块14以及环调模块15的基础数据信息计算相关电力元件潮流值、环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息，并向所述教员模块、行调模块、电调模块以及环调模块发送模块之间的数据交互信息、命令信息以及控制指令。在本实施例中，所述服务器模块12包括电调运算服务器、环调运算服务器、电力元件操作检测模块以及电力元件操作校验模块。

所述电调运算服务器适于根据所述行调模块13、电调模块14以及环调模块15的基础数据信息计算相关电力元件潮流值。相关电力元件潮流值的计算包括直流侧的计算和交流侧的计算，因而所述电调运算服务器包括直流侧计算模块和交流侧计算模块。所述直流侧计算模块适于计算各节点电压、支路电流、消耗的有功电度以及消耗的无功电度，具体计算方法包括步骤S11至步骤S15。

步骤S11，将电力线、接触轨、钢轨等效为纯电阻与无电阻导线串联，将牵引变电所等效为一个含内阻的直流电压源，将列车等效为一个电流源以构建直流侧物理计算模型。图2是按照本步骤构建的供电系统直流侧计算模型的等效电路图，其中，P_uj为机车吸收/反馈的功率，U_uj为机车取流处网压，I_uj为机车取流，r_iuc为第i段等效牵引网电阻，U_iu为第i个牵引所出口电压，直流牵引变电所内部可等效为电压源V_si串联电阻R_eqi，按照均匀传输线理论，可将钢轨等效为π模型，r_ri为第i段等效钢轨电阻，g_i为第i段钢轨泄漏电阻。

步骤S12，将直流侧物理计算模型中的两根钢轨等效为一段含有内阻的电力线，对列车与列车位置进行编号，编号顺序从左到右依次为变电所馈电节点、变电所回流节点、列车取流节点、列车回流节点，图3是按照本步骤构建的地铁牵引网络的直流侧拓扑结构示意图。

步骤S13，结合列车位置和牵引网导线基本参数计算出牵引网中每段线路的导纳，并采用支路添加法生成网络的节点导纳矩阵和节点注入电流：变电所馈电节点电流为变电所回流节点电流为列车取流节点功率为列车回流节点功率为其中，I为列车等效为电流源的值，U为节点电压，I_j为第j个变电所馈电节点电流，Y_j,i为节点i与节点j的互导纳，U_iu为第i个牵引变电所出口电压，i为导纳矩阵的行号，j为导纳矩阵的列号，n为节点总数，P_uj为列车吸收的功率，U_uj为列车取流处网压。

根据步骤S13中的计算方法结合图4的计算流程，执行步骤S14，逐一计算各节点电压和支路电流，直至列车电压收敛为止。图4是本实施例的牵引供电系统模型的计算流程示意图，本领域技术人员知晓该计算流程，在此不进行过多描述。

步骤S15，根据取流节点电力值计算直流侧消耗的有功电度和无功电度。计算直流侧消耗的有功电度和无功电度的方法与现有技术中相同，在此不再赘述。

所述交流侧计算模块适于计算支路负荷电流与平衡节点的注入功率，具体计算方法包括步骤S21至步骤S22。

步骤S21，根据地铁供电系统拓扑结构构建交流侧物理计算模型，并从电源开闭所、车站各段母线依次对其节点进行编号。图5是按照本步骤构建的供电系统交流侧计算模型的等效电路图，其中，1200000为电源开闭所即平衡节点编号，车站AI段(编号：1200003)与车站AII段(编号：1200004)分别为车站A所对应的I、II段母线，即P、Q节点，序号35、36、37.....分别为母线段编号，200000、200001、200002.....分别为此段母线与电源开闭所连线的编号。

步骤S22，根据供配电线路模型计算各段电力线等值阻抗与对地等值导纳，运用直流侧计算所得各节点有功功率、无功功率并结合牛顿拉夫逊算法求解相关电力潮流值。本领域技术人员知晓如何结合牛顿拉夫逊算法求解相关电力潮流值，在此不进行过多解释。

所述环调运算服务器适于根据所述行调模块13、电调模块14以及环调模块15的基础数据信息计算环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息。图6是模拟各电力元件及人物等效计算环境温度与水位以及火灾预警状态信息的模式示意图，进一步，所述环调运算服务器包括环控温度计算模块、环控水位计算模块以及火灾探测分析模块。其中，所述环控温度计算模块适于将全线区间各发热体(行人、机电设备、壁部、灯光照明、隧道热焓、列车、风机等)等效为可放热和可吸热的负荷，并根据各发热体放热和吸热模型及地铁现场实际客流信息与季节气温等效值动态计算全线区间的温度；所述环控水位计算模块适于根据地铁现场实际的车站用水标准及各电力元件消耗与排水的水量并结合各电力元件的属性参数信息动态计算环控系统的水位标准；所述火灾探测分析模块适于根据火灾的烟气浓度、出烟速度、各发热体的热焓量对全线区间的排烟量进行建模，并运用火灾热释放率方程和烟气模型动态计算火灾温度与烟气浓度。

所述电力元件操作检测模块适于分析定位客户端相关电力元件是否可进行远端操作，检测当前状态与客户端将要改变的状态是否相同并给客户端相应电力元件以正确提示。所述电力元件操作校验模块适于校核客户端点击的电力元件以及与其关联和联动的电力元件状态值的更新状态是否正确，并检测与其关联的其他子系统页面视图是否已全部联动。

继续参考图1，所述电调模块14适于读取相关电力元件属性参数和线路基础数据，并接收所述行调模块13发送的列车运行状态、位置及线路工况信息以及所述环调模块15发送的各电力元件的电功消耗，以计算各电力元件的网压及其显示状态。所述行调模块13适于向所述电调模块14和环调模块15发送列车运行状态、位置及线路工况信息以供所述电调模块14计算、供所述环调模块15检测与监视。所述环调模块15适于监测全线列车运行状态及其位置信息，并根据所述电调模块14发送的动力照明供电网压检测各电力元件能否进行相关操作。

在进行仿真培训时，只需在相应模块的PC机上配置相关的属性参数即可正确启动所有模块，教员模块11自动检测各模块是否正确启动并给出相应的提示信息，教员可根据学员的培训需求在教员端编制相应的教学计划并下达相关控制命令，使各模块呈现出培训的初始界面并开始培训。学员可根据预编制的课程计划逐一实作培训，也可在教员的指导下进行分步单项训练，在训练过程中教员可根据培训需要对学员的操作进行实时干预即设置故障，让学员对相应的非正常情况进行处理并给出主客观评价。基于图1所示的地铁调度仿真培训系统，本实施例提供的地铁调度仿真培训方法包括：

步骤S31，分别启动所述教员模块11、服务器模块12、行调模块13、电调模块14以及环调模块15，并查看各个模块是否正确启动；

步骤S32，在各模块正确启动后，根据电力元件属性参数与物理模型的等效参数计算环境温度、环境水位以及火灾预警信息，根据线路基础数据与电力元件物理等效模型分别构建供电系统交直流侧模型计算电力潮流值，根据各电力元件属性参数与功能特性校核检测与更新各元件状态；

步骤S33，教员根据培训需求在教员模块11编制教学计划并下达开课命令，学员根据课程计划选择相应车站与视图按钮并操作相关电力元件，查看电力元件状态、潮流值及其相应的提示信息；

步骤S34，服务器模块12根据学员操作电力元件属性参数校核与检测相应电力元件状态值并更新其状态。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地铁调度仿真培训系统，其特征在于，包括教员模块、服务器模块、行调模块、电调模块以及环调模块；

所述教员模块适于检测所述服务器模块、行调模块、电调模块以及环调模块的在线状态以及数据故障信息的初始化，仿真培训时供教员制作课程计划、下达开课命令以及培训学员过程中的实时干预；

所述服务器模块适于根据所述行调模块、电调模块以及环调模块的基础数据信息计算相关电力元件潮流值、环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息，并向所述教员模块、行调模块、电调模块以及环调模块发送模块之间的数据交互信息、命令信息以及控制指令；

所述电调模块适于读取相关电力元件属性参数和线路基础数据，并接收所述行调模块发送的列车运行状态、位置及线路工况信息以及所述环调模块发送的各电力元件的电功消耗，以计算各电力元件的网压及其显示状态；

所述行调模块适于向所述电调模块和环调模块发送列车运行状态、位置及线路工况信息以供所述电调模块计算、供所述环调模块检测与监视；

所述环调模块适于监测全线列车运行状态及其位置信息，并根据所述电调模块发送的动力照明供电网压检测各电力元件能否进行相关操作。

2.根据权利要求1所述的地铁调度仿真培训系统，其特征在于，所述服务器模块包括电调运算服务器、环调运算服务器、电力元件操作检测模块以及电力元件操作校验模块；

所述电调运算服务器适于根据所述行调模块、电调模块以及环调模块的基础数据信息计算相关电力元件潮流值；

所述环调运算服务器适于根据所述行调模块、电调模块以及环调模块的基础数据信息计算环境温度、环境水位、火灾预警以及环控的相关模式信息；

所述电力元件操作检测模块适于分析定位客户端相关电力元件是否可进行远端操作，检测当前状态与客户端将要改变的状态是否相同并给客户端相应电力元件以正确提示；

所述电力元件操作校验模块适于校核客户端点击的电力元件以及与其关联和联动的电力元件状态值的更新状态是否正确，并检测与其关联的其他子系统页面视图是否已全部联动。

3.根据权利要求2所述的地铁调度仿真培训系统，其特征在于，所述电调运算服务器包括直流侧计算模块和交流侧计算模块；

所述直流侧计算模块适于计算各节点电压、支路电流、消耗的有功电度以及消耗的无功电度；

所述交流侧计算模块适于计算支路负荷电流与平衡节点的注入功率。

4.根据权利要求3所述的地铁调度仿真培训系统，其特征在于，所述计算各节点电压、支路电流、消耗的有功电度以及消耗的无功电度包括：

将电力线、接触轨、钢轨等效为纯电阻与无电阻导线串联，将牵引变电所等效为一个含内阻的直流电压源，将列车等效为一个电流源以构建直流侧物理计算模型；

将直流侧物理计算模型中的两根钢轨等效为一段含有内阻的电力线，对列车与列车位置进行编号，编号顺序从左到右依次为变电所馈电节点、变电所回流节点、列车取流节点、列车回流节点；

结合列车位置和牵引网导线基本参数计算出牵引网中每段线路的导纳，并采用支路添加法生成网络的节点导纳矩阵和节点注入电流：变电所馈电节点电流为变电所回流节点电流为列车取流节点功率为列车回流节点功率为其中，I为列车等效为电流源的值，U为节点电压，I_j为第j个变电所馈电节点电流，Y_j,i为节点i与节点j的互导纳，U_iu为第i个牵引变电所出口电压，i为导纳矩阵的行号，j为导纳矩阵的列号，n为节点总数，P_uj为列车吸收的功率，U_uj为列车取流处网压；

逐一计算各节点电压和支路电流，直至列车电压收敛为止；

根据取流节点电力值计算直流侧消耗的有功电度和无功电度。

5.根据权利要求3所述的地铁调度仿真培训系统，其特征在于，所述计算支路负荷电流与平衡节点的注入功率包括：

根据地铁供电系统拓扑结构构建交流侧物理计算模型，并从电源开闭所、车站各段母线依次对其节点进行编号；

根据供配电线路模型计算各段电力线等值阻抗与对地等值导纳，运用直流侧计算所得各节点有功功率、无功功率并结合牛顿拉夫逊算法求解相关电力潮流值。

6.根据权利要求2所述的地铁调度仿真培训系统，其特征在于，所述环调运算服务器包括环控温度计算模块、环控水位计算模块以及火灾探测分析模块；

所述环控温度计算模块适于将全线区间各发热体等效为可放热和可吸热的负荷，并根据各发热体放热和吸热模型及地铁现场实际客流信息与季节气温等效值动态计算全线区间的温度；

所述环控水位计算模块适于根据地铁现场实际的车站用水标准及各电力元件消耗与排水的水量并结合各电力元件的属性参数信息动态计算环控系统的水位标准；

所述火灾探测分析模块适于根据火灾的烟气浓度、出烟速度、各发热体的热焓量对全线区间的排烟量进行建模，并运用火灾热释放率方程和烟气模型动态计算火灾温度与烟气浓度。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的地铁调度仿真培训系统的仿真培训方法，其特征在于，包括：

分别启动所述教员模块、服务器模块、行调模块、电调模块以及环调模块，并查看各个模块是否正确启动；

在各模块正确启动后，根据电力元件属性参数与物理模型的等效参数计算环境温度、环境水位以及火灾预警信息，根据线路基础数据与电力元件物理等效模型分别构建供电系统交直流侧模型计算电力潮流值，根据各电力元件属性参数与功能特性校核检测与更新各元件状态；

教员根据培训需求在教员模块编制教学计划并下达开课命令，学员根据课程计划选择相应车站与视图按钮并操作相关电力元件，查看电力元件状态、潮流值及其相应的提示信息；

服务器模块根据学员操作电力元件属性参数校核与检测相应电力元件状态值并更新其状态。

8.根据权利要求7所述的地铁调度仿真培训方法，其特征在于，还包括：在培训过程中，教员根据培训需求在相应控制区域的电力元件上设置故障对学员进行干预。