CN111319657B - 城市轨道交通仿真系统 - Google Patents

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CN111319657B CN201811523259.9A CN201811523259A CN111319657B CN 111319657 B CN111319657 B CN 111319657B CN 201811523259 A CN201811523259 A CN 201811523259A CN 111319657 B CN111319657 B CN 111319657B
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    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/60—Testing or simulation

Abstract

本发明提供了一种城市轨道交通仿真系统，包括：仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令；以及仿真模块，与仿真管理模块电连接。该仿真系统可以根据实际需求选择仿真模式，不仅可以实现单系统级和部件级仿真，而且可以实现多系统级的耦合仿真。因此，本发明的城市轨道交通仿真系统可以满足列车多系统、单系统、部件的多学科协同优化设计和验证，关键部件的可靠性与寿命预测，运营策略的优化，故障模拟及处理等应用需求。

Description

城市轨道交通仿真系统
技术领域
本发明涉及城市轨道交通仿真技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通仿真系统。
背景技术
近年来，随着中国城市轨道交通的迅猛发展，在交通运输便捷性发生质的飞跃的同时，也带来了许多新的值得研究的课题，例如，运营节能环保问题、运输效率提升问题、供电系统与列车系统之间的负荷匹配问题、以及日益被关注的乘客体验问题等，这些问题无一不需要研发人员从大系统协同的角度进行思考、优化并提出解决方案。
由于城市轨道交通系统具有结构复杂、设备昂贵、运行影响因素多变等特点，同时又涉及到安全、可靠性等诸多问题，研发人员很难通过现场试验逐一对上述问题进行细致分析和直观展示，因此，构造城市轨道交通仿真系统成为研究上述问题的首选方法。然而，现有的城市轨道交通仿真系统和方法只是从列车牵引/制动、供电、或信号等单方面对城市轨道交通系统进行仿真，其只能呈现信号系统、供电系统、或列车系统等单一系统的运行规律，却不能呈现路(信号系统)-网(供电系统)-车(列车系统)之间的运行耦合规律、路(信号系统)-网(供电系统)之间的运行耦合规律、以及车(列车系统)-路(信号系统)之间的运行耦合规律。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种城市轨道交通仿真系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的城市轨道交通仿真系统和方法只是从列车牵引/制动、供电、或信号等单方面对城市轨道交通系统进行仿真，其只能呈现信号系统、供电系统、或列车系统等单一系统的运行规律，却不能呈现路(信号系统)-网(供电系统)-车(列车系统)之间的运行耦合规律、路(信号系统)-网(供电系统)之间的运行耦合规律、或者车(列车系统)-路(信号系统)之间的运行耦合规律。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种城市轨道交通仿真系统，包括：
仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令；
仿真模块，与所述仿真管理模块电连接，所述仿真模块包括信号仿真子模块、列车仿真子模块和供电仿真子模块，所述列车仿真子模块分别与所述信号仿真子模块和所述供电仿真子模块电连接；
其中，所述信号仿真子模块用于根据所述仿真管理模块输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令；
所述列车仿真子模块用于根据所述列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向所述信号仿真子模块和所述供电仿真子模块输出列车当前的运行速度和列车当前的位置，以及向所述供电仿真子模块输出列车的负载电流；
所述供电仿真子模块用于根据所述列车当前的位置和所述列车的负载电流，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给所述列车仿真子模块。
在本发明一优选实施例中，所述信号仿真子模块包括：
列车自动监控模拟单元，用于根据所述仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令；
联锁模拟单元，与所述列车自动监控模拟单元的输出端电连接，用于根据所述列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路；
区域控制器模拟单元，与所述联锁模拟单元的输出端电连接，用于在所述联锁模拟单元确定开放列车进路的情况下，根据所述线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令；以及
列车自动控制模拟单元，与所述区域控制器模拟单元的输出端和所述列车仿真子模块的输出端电连接，用于根据所述列车移动授权指令、所述列车当前的运行速度、所述列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令。
在本发明一优选实施例中，所述列车仿真子模块包括：
网络仿真单元，与所述列车自动控制模拟单元的输出端电连接，用于将所述列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元和牵引仿真单元；
所述制动仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给所述牵引仿真单元，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元，其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令；
所述牵引仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令产生牵引力，根据所述第一指令产生电制动力，并将所述牵引力和所述电制动力传输给列车运行仿真单元，以及根据所述牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给所述供电仿真子模块；
所述列车运行仿真单元，与所述牵引仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述牵引力、所述电制动力和所述空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给所述列车自动控制模拟单元和所述供电仿真子模块；以及
辅助电源仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述网络仿真单元发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向所述供电仿真子模块输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
在本发明一优选实施例中，该城市轨道交通仿真系统还包括：仿真展示模块，分别与所述仿真管理模块和所述仿真模块电连接，用于显示所述仿真模块的仿真过程数据以及所述仿真管理模块中存储的仿真结果数据。
在本发明一优选实施例中，所述仿真管理模块、所述仿真模块和所述仿真展示模块两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接，所述列车仿真子模块与所述信号仿真子模块之间、以及所述列车仿真子模块与所述供电仿真子模块之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种城市轨道交通仿真系统，包括：
仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令；
仿真模块，与所述仿真管理模块电连接，所述仿真模块包括彼此电连接的信号仿真子模块和列车仿真子模块；
其中，所述信号仿真子模块用于根据所述仿真管理模块输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令；
所述列车仿真子模块用于根据所述列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向所述信号仿真子模块输出列车当前的运行速度和列车当前的位置。
在本发明一优选实施例中，所述信号仿真子模块包括：
列车自动监控模拟单元，用于根据所述仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令；
联锁模拟单元，与所述列车自动监控模拟单元的输出端电连接，用于根据所述列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路；
区域控制器模拟单元，与所述联锁模拟单元的输出端电连接，用于在所述联锁模拟单元确定开放列车进路的情况下，根据所述线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令；以及
列车自动控制模拟单元，与所述区域控制器模拟单元的输出端和所述列车仿真子模块的输出端电连接，用于根据所述列车移动授权指令、所述列车当前的运行速度、所述列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令。
在本发明一优选实施例中，所述列车仿真子模块包括：
网络仿真单元，与所述列车自动控制模拟单元的输出端电连接，用于将所述列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元和牵引仿真单元；
所述制动仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给所述牵引仿真单元，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元，其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令；
所述牵引仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令产生牵引力，根据所述第一指令产生电制动力，并将所述牵引力和所述电制动力传输给列车运行仿真单元；以及所述列车运行仿真单元，与所述牵引仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述牵引力、所述电制动力和所述空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给所述列车自动控制模拟单元。
在本发明一优选实施例中，该城市轨道交通仿真系统还包括：仿真展示模块，分别与所述仿真管理模块和所述仿真模块电连接，用于显示所述仿真模块的仿真过程数据以及所述仿真管理模块中存储的仿真结果数据。
在本发明一优选实施例中，所述仿真管理模块、所述仿真模块和所述仿真展示模块两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接，所述信号仿真子模块与所述列车仿真子模块之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
根据本发明的再一方面，提供了一种城市轨道交通仿真系统，包括：
仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令以及预设列车牵引和制动指令；
仿真模块，与所述仿真管理模块电连接，所述仿真模块包括彼此电连接的列车仿真子模块和供电仿真子模块；
其中，所述列车仿真子模块用于根据所述预设列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向所述供电仿真子模块输出列车当前的运行速度、列车当前的位置、以及列车的负载电流；
所述供电仿真子模块用于根据所述列车当前的位置和所述列车的负载电流，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给所述列车仿真子模块。
在本发明一优选实施例中，所述列车仿真子模块包括：
网络仿真单元，用于将所述预设列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元和牵引仿真单元；
所述制动仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述预设列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给所述牵引仿真单元，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元，其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令；
所述牵引仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述预设列车牵引和制动指令产生牵引力，根据所述第一指令产生电制动力，并将所述牵引力和所述电制动力传输给列车运行仿真单元，以及根据所述牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给所述供电仿真子模块；
所述列车运行仿真单元，与所述牵引仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述牵引力、所述电制动力和所述空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给所述供电仿真子模块；以及
辅助电源仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述网络仿真单元发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向所述供电仿真子模块输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
在本发明一优选实施例中，该城市轨道交通仿真系统还包括：仿真展示模块，分别与所述仿真管理模块和所述仿真模块电连接，用于显示所述仿真模块的仿真过程数据以及所述仿真管理模块中存储的仿真结果数据。
在本发明一优选实施例中，所述仿真管理模块、所述仿真模块和所述仿真展示模块两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接，所述列车仿真子模块与所述供电仿真子模块之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明提供的城市轨道交通仿真系统，可以根据实际需求选择仿真模式，不仅可以实现单系统级和部件级仿真，而且可以实现多系统级的耦合仿真。因此，本发明的城市轨道交通仿真系统可以满足列车多系统、单系统、部件的多学科协同优化设计和验证，关键部件的可靠性与寿命预测，运营策略的优化，故障模拟及处理等应用需求。此外，本发明的城市轨道交通仿真系统通过扩展也可以应用于机车、动车等不同场合。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例一的城市轨道交通仿真系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一的仿真模块的具体结构示意图；
图3为本发明实施例一的城市轨道交通仿真系统的示例性总线架构图；
图4为本发明实施例二的城市轨道交通仿真系统的整体结构示意图；
图5为本发明实施例二的仿真模块的具体结构示意图；
图6为本发明实施例三的城市轨道交通仿真系统的整体结构示意图；
图7为本发明实施例三的仿真模块的具体结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
为解决现有的城市轨道交通仿真系统和方法只是从列车牵引/制动、供电、或信号等单方面对城市轨道交通系统进行仿真，其只能呈现信号系统、供电系统、或列车系统等单一系统的运行规律，却不能呈现路(信号系统)-网(供电系统)-车(列车系统)之间的运行耦合规律、路(信号系统)-网(供电系统)之间的运行耦合规律、或者车(列车系统)-路(信号系统)之间的运行耦合规律的技术问题，本发明提供了一种城市轨道交通仿真系统。
本发明提出的城市轨道交通仿真系统通过仿真管理模块实现多种仿真模式的任意组合与切换，该仿真模式包括：供电-列车-线路联合仿真模式、列车-线路联合仿真模式、供电-列车联合仿真模式、以及上述各系统与其他辅助系统的任意组合仿真模式等，以满足不同的仿真应用需求。
下面通过三个实施例来描述本发明的城市轨道交通仿真系统。
实施例一
本实施例主要描述一种用于供电-列车-线路联合仿真模式的城市轨道交通仿真系统。该系统主要用于描述信号系统、列车系统、以及供电系统三者之间的耦合关系。
图1为本实施例的城市轨道交通仿真系统的整体结构示意图。
如图1所示，本发明实施例的城市轨道交通仿真系统，主要包括：仿真管理模块101和仿真模块102。
仿真管理模块101用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令。具体地，仿真管理模块101根据仿真需求，从城市轨道交通仿真系统的多个仿真模式中选择供电-列车-线路联合仿真模式，并配置仿真模块102所包括的各仿真子模块之间的接口信息(例如，信号仿真子模块与列车仿真子模块之间传输的数据的名称、数目、通信协议等，列车仿真子模块与供电仿真子模块之间传输的数据的名称、数目、通信协议等)、各仿真子模块中存储的各仿真模型的参数信息(例如，列车运行线路的坡度、曲率、站场设备数据等线路数据，列车载荷、长度、运动特性曲线、主电路参数等列车系统参数，供电网电气参数等)、以及本次仿真的仿真参数信息(例如，仿真步长、仿真运行场景等)，并将配置结果部署到仿真模块102的各仿真子模块中。此外，仿真管理模块101还用于输出仿真控制指令，该仿真控制指令包括仿真开始指令和仿真结束指令。
仿真模块102与仿真管理模块101电连接，该仿真模块102包括信号仿真子模块1021、列车仿真子模块1022和供电仿真子模块1023，列车仿真子模块1022分别与信号仿真子模块1021和供电仿真子模块1023电连接。
信号仿真子模块1021用于根据仿真管理模块101输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令。其具体结构如图2所示。
如图2所示，信号仿真子模块1021主要包括：列车自动监控(Automatic TrainSupervision,ATS)模拟单元10211、联锁模拟单元10212、区域控制器模拟单元10213、以及列车自动控制(Automatic Train Control,ATC)模拟单元10214。
列车自动监控模拟单元10211用于根据仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令。此外，该列车自动监控模拟单元10211还用于实时监控列车的仿真运行状态。
联锁模拟单元10212与列车自动监控模拟单元10211的输出端电连接，用于根据列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路。其中，列车进路申请指令包含的线路的当前占用状况信息包括：前方列车进路终点的位置，前方列车车尾的位置，道岔、信号灯等障碍物与列车之间的最小距离等信息。
区域控制器模拟单元10213与联锁模拟单元10212的输出端电连接，用于在联锁模拟单元10212确定开放列车进路的情况下，根据该线路的当前占用状况信息计算列车移动授权(即从列车车尾起到列车前方停车点的轨道线路范围)，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令。由于列车移动授权的计算方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
需要说明的是，列车移动授权是根据实际需求每隔预设时间来计算一次，而不是实时计算更新的。
列车自动控制模拟单元10214与区域控制器模拟单元10213的输出端和列车仿真子模块1022的输出端电连接，用于根据列车移动授权指令、列车仿真子模块1022反馈的列车当前的运行速度和列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令。具体地，列车自动控制模拟单元10214首先根据列车移动授权指令、列车仿真子模块1022反馈的列车当前的运行速度和列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，根据列车自动防护(Automatic Train Protection,ATP)算法和列车自动运行(AutomaticTrain Operation,ATO)算法实时生成ATP曲线和ATO曲线。随后，列车自动控制模拟单元10214根据ATP曲线、ATO曲线、以及列车当前的运行速度，来生成列车牵引和制动指令。由于该方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
列车仿真子模块1022用于根据列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向信号仿真子模块1021和供电仿真子模块1023输出列车当前的运行速度和列车当前的位置，以及向供电仿真子模块1023输出列车的负载电流。其具体结构如图2所示。
如图2所示，列车仿真子模块1022主要包括：网络仿真单元10221、制动仿真单元10222、牵引仿真单元10223、列车运行仿真单元10224、以及辅助电源仿真单元10225。
网络仿真单元10221与列车自动控制模拟单元10214的输出端电连接，用于将列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元10222和牵引仿真单元10223。
制动仿真单元10222与网络仿真单元10221的输出端电连接，用于根据列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给牵引仿真单元10223，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元10224。其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令。
牵引仿真单元10223与网络仿真单元10221的输出端和制动仿真单元10222的输出端电连接，用于根据列车牵引和制动指令，对其内部存储的传动变流器模型和牵引电机模型进行仿真以产生牵引力，根据第一指令产生电制动力，并将该牵引力和该电制动力传输给列车运行仿真单元10224。此外，牵引仿真单元10223还根据牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给供电仿真子模块1023。由于牵引仿真单元的电流的计算方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
列车运行仿真单元10224与制动仿真单元10222的输出端和牵引仿真单元10223的输出端电连接，用于根据牵引力、电制动力和空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给列车自动控制模拟单元10214和供电仿真子模块1023。
优选地，根据以下表达式计算列车当前的位置：
Figure BDA0001903755070000101
其中，x表示列车当前的位置，
Figure BDA0001903755070000102
为x的二阶导数，m表示列车的质量，F牵表示列车的牵引力，F阻表示列车的阻力，B表示列车的制动力(包括电制动力和空气制动力)。
根据以下表达式计算列车当前的运行速度：
Figure BDA0001903755070000103
其中，x表示列车当前的位置，
Figure BDA0001903755070000104
为x的一阶导数，v表示列车当前的运行速度。
辅助电源仿真单元10225与网络仿真单元10221的输出端电连接，用于根据网络仿真单元10221发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向供电仿真子模块1023输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。需要说明的是，本发明的城市轨道交通仿真系统可以根据不同的模拟对象或应用需求，进一步对各仿真子模块做不同层次的分解。分解后的各个仿真单元的仿真步长均可根据实际需求来设置，以使本发明能够适应电磁暂态、机电暂态、机械运动过程仿真等不同时间尺度的仿真需求。在本实施例中，对信号仿真子模块和列车仿真子模块做出如上分解，但本发明并不局限于此。
供电仿真子模块1023用于根据列车当前的位置和列车的负载电流(包括牵引仿真单元的电流和辅助电源电流)，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给列车仿真子模块1022的牵引仿真单元10223和辅助电源仿真单元10225。具体地，供电仿真子模块1023对列车与列车位置进行编号并构建节点导纳矩阵，根据节点初始化参数创建节点导纳方程U＝Y-1I，其中，I为节点注入电流，U为节点电压，Y为节点导纳矩阵。在节点导纳方程创建完成后，采用迭代算法计算供电网各个节点的电压及潮流。由于上述方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
在本发明一优选实施例中，该城市轨道交通仿真系统还包括：仿真展示模块103，分别与仿真管理模块101和仿真模块102电连接，用于显示仿真模块102的仿真过程数据以及仿真管理模块101中存储的仿真结果数据。
在本发明一优选实施例中，仿真管理模块101、仿真模块102和仿真展示模块103两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。列车仿真子模块1022与信号仿真子模块1021之间、以及列车仿真子模块1022与供电仿真子模块1023之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
其中，仿真管理总线用于实现仿真控制指令的下达及各仿真子模块的状态监控、仿真模型及仿真参数的下发、仿真结果数据的上传、以及人机交互数据的传输。仿真实时数据总线用于实现各模块之间、各仿真子模块之间的时钟同步、以及传输各仿真子模块的模型之间实时交互的数据。为使本发明能够适应多种时间尺度的实时仿真应用，将仿真实时数据总线设置为至少具有两种以上(如秒级、毫秒级等)的通讯周期。通信总线用于实现各模块之间、各仿真子模块之间的各控制设备(可为实物或仿真模型)之间的仿真数据的交互，其可为实物通信总线(例如，多功能列车总线(Multiple Vehicle Bus,MVB))，也可为模拟实物通信总线协议运行的其他媒介体。音视频总线用于将各仿真子模块产生的声音、图像信息传输给仿真展示模块，以实时显示仿真过程。本发明的城市轨道交通仿真系统的示例性总线架构图如图3所示，但本发明并不局限于此。
本发明通过构建仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线、以及音视频总线这4类通信总线来实现各模块以及各仿真子模块之间的连接，不仅可以满足系统整体以及系统的各模块之间、各仿真子模块之间的不同时间尺度的接口和通讯需求，而且可以便于扩展新的仿真子模块，大大提高了本发明的城市轨道交通仿真系统的适用性。
此外，本发明的城市轨道交通仿真系统还可以通过仿真管理模块101实现系统的集成和扩展。具体地，各个仿真子模块和仿真展示模块可以通过在仿真管理模块101注册的方式接入该仿真系统，也可以通过在仿真管理模块101注销的方式退出该仿真系统。并且，仿真管理模块101通过配置各模块之间、各仿真子模块之间的接口和仿真参数，输出仿真控制指令并监控各仿真子模块的运行状态来实现仿真系统的集成。同时，新扩展的仿真子模块也可以通过在仿真管理模块101注册的方式接入该仿真系统，已有的仿真子模块也可以通过在仿真管理模块101注销的方式退出该仿真系统，从而实现城市轨道交通仿真系统的扩展和更新，以使本发明能够适用于多种不同的应用场景。
如果需要模拟故障，则由仿真管理模块101向仿真模块102的各仿真子模块下发故障模拟指令。各仿真子模块在接收到故障模拟指令后，便开始对其内部存储的各仿真模型进行仿真，并将仿真过程数据(例如，仿真部署进展、仿真准备就绪状态、各仿真子模块的生命状态信号等)反馈给仿真管理模块101，以使仿真管理模块101监控各仿真子模块的运行是否正常。
为了便于更好地理解本发明，下面通过示例方式对本发明的技术方案进行详细描述。
假设本次仿真时间为1000s。仿真管理模块101在配置完列车的仿真参数后，向仿真模块102输出仿真开始指令。随后，仿真模块102所包括的信号仿真子模块1021、列车仿真子模块1022和供电仿真子模块1023便开始按照预设时序逻辑开始仿真并交换数据。
在当前仿真步长内，信号仿真子模块1021的列车自动监控模拟单元10211根据仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令。联锁模拟单元10212根据列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路。区域控制器模拟单元10213在联锁模拟单元10212确定开放列车进路的情况下，根据该线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令。列车自动控制模拟单元10214根据列车移动授权指令、列车仿真子模块1022反馈的列车当前的运行速度和列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成列车牵引和制动指令，并将列车牵引和制动指令传输给列车仿真子模块1022的网络仿真单元10221。随后，网络仿真单元10221将列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元10222和牵引仿真单元10223。
制动仿真单元10222根据列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给牵引仿真单元10223，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元10224。牵引仿真单元10223根据列车牵引和制动指令，对其内部存储的传动变流器模型和牵引电机模型进行仿真以产生牵引力，根据第一指令产生电制动力，并将该牵引力和该电制动力传输给列车运行仿真单元10224。此外，牵引仿真单元10223还根据牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给供电仿真子模块1023。列车运行仿真单元10224根据牵引力、电制动力和空气制动力，利用表达式(1)和(2)计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给列车自动控制模拟单元10214和供电仿真子模块1023。辅助电源仿真单元10225根据网络仿真单元10221发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向供电仿真子模块1023输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
供电仿真子模块1023根据列车当前的位置和列车的负载电流(包括牵引仿真单元的电流和辅助电源电流)，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给列车仿真子模块1022的牵引仿真单元10223和辅助电源仿真单元10225，以作为牵引仿真单元10223和辅助电源仿真单元10225进行仿真时的电源。
列车自动控制模拟单元10214根据列车运行仿真单元10224反馈的对应当前仿真步长的列车当前的运行速度、列车当前的位置、以及列车移动授权指令，生成对应下一仿真步长的列车牵引和制动指令。如此反复执行上述仿真操作，直至到达预设仿真时间(1000s)为止。当到达预设仿真时间(1000s)时，仿真管理模块101发出仿真停止指令，此时，仿真模块102的信号仿真子模块1021、列车仿真子模块1022和供电仿真子模块1023便停止仿真，并将仿真结果数据上传到仿真管理模块101的数据库中，以供工作人员使用。根据实际需求，由仿真展示模块103向工作人员显示仿真模块102的各仿真子模块的仿真过程数据以及仿真管理模块101的仿真结果数据。
实施例二
本实施例主要描述一种用于列车-线路联合仿真模式的城市轨道交通仿真系统。该系统主要用于描述列车系统与信号系统二者之间的耦合关系。
图4为本实施例的城市轨道交通仿真系统的整体结构示意图。
如图4所示，本发明实施例的城市轨道交通仿真系统，主要包括：仿真管理模块201和仿真模块202。
仿真管理模块201用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令。具体地，仿真管理模块201根据仿真需求，从城市轨道交通仿真系统的多个仿真模式中选择列车-线路联合仿真模式，并配置仿真模块202所包括的各仿真子模块之间的接口信息(例如，信号仿真子模块与列车仿真子模块之间传输的数据的名称、数目、通信协议等)、各仿真子模块中存储的各仿真模型的参数信息(例如，列车运行线路的坡度、曲率、站场设备数据等线路数据，列车载荷、长度、运动特性曲线、主电路参数等列车系统参数，供电网电气参数等)、以及本次仿真的仿真参数信息(例如，仿真步长、仿真运行场景等)，并将配置结果部署到仿真模块202的各仿真子模块中。此外，仿真管理模块201还用于输出仿真控制指令，该仿真控制指令包括仿真开始指令和仿真结束指令。
仿真模块202与仿真管理模块201电连接，该仿真模块202包括彼此电连接的信号仿真子模块2021和列车仿真子模块2022。
信号仿真子模块2021用于根据仿真管理模块201输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令。其具体结构如图5所示。
如图5所示，信号仿真子模块2021主要包括：列车自动监控(Automatic TrainSupervision,ATS)模拟单元20211、联锁模拟单元20212、区域控制器模拟单元20213、以及列车自动控制(Automatic Train Control,ATC)模拟单元20214。
列车自动监控模拟单元20211用于根据仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令。此外，该列车自动监控模拟单元20211还用于实时监控列车的仿真运行状态。
联锁模拟单元20212与列车自动监控模拟单元20211的输出端电连接，用于根据列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路。其中，列车进路申请指令包含的线路的当前占用状况信息包括：前方列车进路终点的位置，前方列车车尾的位置，道岔、信号灯等障碍物与列车之间的最小距离等信息。
区域控制器模拟单元20213与联锁模拟单元20212的输出端电连接，用于在联锁模拟单元20212确定开放列车进路的情况下，根据该线路的当前占用状况信息计算列车移动授权(即从列车车尾起到列车前方停车点的轨道线路范围)，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令。由于列车移动授权的计算方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
需要说明的是，列车移动授权是根据实际需求每隔预设时间来计算一次，而不是实时计算更新的。
列车自动控制模拟单元20214与区域控制器模拟单元20213的输出端和列车仿真子模块2022的输出端电连接，用于根据列车移动授权指令、列车仿真子模块2022反馈的列车当前的运行速度和列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令。具体地，列车自动控制模拟单元20214首先根据列车移动授权指令、列车仿真子模块2022反馈的列车当前的运行速度和列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，根据列车自动防护(Automatic Train Protection,ATP)算法和列车自动运行(AutomaticTrain Operation,ATO)算法实时生成ATP曲线和ATO曲线。随后，列车自动控制模拟单元20214根据ATP曲线、ATO曲线、以及列车当前的运行速度，来生成列车牵引和制动指令。由于该方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
列车仿真子模块2022用于根据列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向信号仿真子模块2021输出列车当前的运行速度和列车当前的位置。其具体结构如图5所示。
如图5所示，列车仿真子模块2022主要包括：网络仿真单元20221、制动仿真单元20222、牵引仿真单元20223以及列车运行仿真单元20224。
网络仿真单元20221与列车自动控制模拟单元20214的输出端电连接，用于将列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元20222和牵引仿真单元20223。
制动仿真单元20222与网络仿真单元20221的输出端电连接，用于根据列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给牵引仿真单元20223，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元20224。其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令。
牵引仿真单元20223与网络仿真单元20221的输出端和制动仿真单元20222的输出端电连接，用于根据列车牵引和制动指令，对其内部存储的传动变流器模型和牵引电机模型进行仿真以产生牵引力，根据第一指令产生电制动力，并将该牵引力和该电制动力传输给列车运行仿真单元20224。
列车运行仿真单元20224与制动仿真单元20222的输出端和牵引仿真单元20223的输出端电连接，用于根据牵引力、电制动力和空气制动力，利用上述表达式(1)和(2)计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给列车自动控制模拟单元20214。
需要说明的是，本发明的城市轨道交通仿真系统可以根据不同的模拟对象或应用需求，进一步对各仿真子模块做不同层次的分解。分解后的各个仿真单元的仿真步长均可根据实际需求来设置，以使本发明能够适应电磁暂态、机电暂态、机械运动过程仿真等不同时间尺度的仿真需求。在本实施例中，对信号仿真子模块和列车仿真子模块做出如上分解，但本发明并不局限于此。
在本发明一优选实施例中，该城市轨道交通仿真系统还包括：仿真展示模块203，分别与仿真管理模块201和仿真模块202电连接，用于显示仿真模块202的仿真过程数据以及仿真管理模块201中存储的仿真结果数据。
在本发明一优选实施例中，仿真管理模块201、仿真模块202和仿真展示模块203两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。信号仿真子模块2021与列车仿真子模块2022之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
其中，仿真管理总线用于实现仿真控制指令的下达及各仿真子模块的状态监控、仿真模型及仿真参数的下发、仿真结果数据的上传、以及人机交互数据的传输。仿真实时数据总线用于实现各模块之间、各仿真子模块之间的时钟同步、以及传输各仿真子模块的模型之间实时交互的数据。为使本发明能够适应多种时间尺度的实时仿真应用，将仿真实时数据总线设置为至少具有两种以上(如秒级、毫秒级等)的通讯周期。通信总线用于实现各模块之间、各仿真子模块之间的各控制设备(可为实物或仿真模型)之间的仿真数据的交互，其可为实物通信总线(例如，多功能列车总线(Multiple Vehicle Bus,MVB))，也可为模拟实物通信总线协议运行的其他媒介体。音视频总线用于将各仿真子模块产生的声音、图像信息传输给仿真展示模块，以实时显示仿真过程。
需要说明的是，由于本实施例的城市轨道交通仿真系统的示例性总线架构图与实施例一的类似，在此不再赘述。
本发明通过构建仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线、以及音视频总线这4类通信总线来实现各模块以及各仿真子模块之间的连接，不仅可以满足系统整体以及系统的各模块之间、各仿真子模块之间的不同时间尺度的接口和通讯需求，而且可以便于扩展新的仿真子模块，大大提高了本发明的城市轨道交通仿真系统的适用性。
此外，本发明的城市轨道交通仿真系统还可以通过仿真管理模块201实现系统的集成和扩展。具体地，各个仿真子模块和仿真展示模块可以通过在仿真管理模块201注册的方式接入该仿真系统，也可以通过在仿真管理模块201注销的方式退出该仿真系统。并且，仿真管理模块201通过配置各模块之间、各仿真子模块之间的接口和仿真参数，输出仿真控制指令并监控各仿真子模块的运行状态来实现仿真系统的集成。同时，新扩展的仿真子模块也可以通过在仿真管理模块201注册的方式接入该仿真系统，已有的仿真子模块也可以通过在仿真管理模块201注销的方式退出该仿真系统，从而实现城市轨道交通仿真系统的扩展和更新，以使本发明能够适用于多种不同的应用场景。
如果需要模拟故障，则由仿真管理模块201向仿真模块202的各仿真子模块下发故障模拟指令。各仿真子模块在接收到故障模拟指令后，便开始对其内部存储的各仿真模型进行仿真，并将仿真过程数据(例如，仿真部署进展、仿真准备就绪状态、各仿真子模块的生命状态信号等)反馈给仿真管理模块201，以使仿真管理模块201监控各仿真子模块的运行是否正常。
为了便于更好地理解本发明，下面通过示例方式对本发明的技术方案进行详细描述。
假设本次仿真时间为1000s。仿真管理模块201在配置完列车的仿真参数后，向仿真模块202输出仿真开始指令。随后，仿真模块202所包括的信号仿真子模块2021和列车仿真子模块2022便开始按照预设时序逻辑开始仿真并交换数据。
在当前仿真步长内，信号仿真子模块2021的列车自动监控模拟单元20211根据仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令。联锁模拟单元20212根据列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路。区域控制器模拟单元20213在联锁模拟单元20212确定开放列车进路的情况下，根据该线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令。列车自动控制模拟单元20214根据列车移动授权指令、列车仿真子模块2022反馈的列车当前的运行速度和列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成列车牵引和制动指令，并将列车牵引和制动指令传输给列车仿真子模块2022的网络仿真单元20221。随后，网络仿真单元20221将列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元20222和牵引仿真单元20223。
制动仿真单元20222根据列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给牵引仿真单元20223，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元20224。牵引仿真单元20223根据列车牵引和制动指令，对其内部存储的传动变流器模型和牵引电机模型进行仿真以产生牵引力，根据第一指令产生电制动力，并将该牵引力和该电制动力传输给列车运行仿真单元20224。列车运行仿真单元20224根据牵引力、电制动力和空气制动力，利用上述表达式(1)和(2)计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给列车自动控制模拟单元20214。
列车自动控制模拟单元20214根据列车运行仿真单元20224反馈的对应当前仿真步长的列车当前的运行速度、列车当前的位置、以及列车移动授权指令，生成对应下一仿真步长的列车牵引和制动指令。如此反复执行上述仿真操作，直至到达预设仿真时间(1000s)为止。当到达预设仿真时间(1000s)时，仿真管理模块201发出仿真停止指令，此时，仿真模块202的信号仿真子模块2021和列车仿真子模块2022便停止仿真，并将仿真结果数据上传到仿真管理模块201的数据库中，以供工作人员使用。根据实际需求，由仿真展示模块203向工作人员显示仿真模块202的各仿真子模块的仿真过程数据以及仿真管理模块201的仿真结果数据。
实施例三
本实施例主要描述一种用于供电-列车联合仿真模式的城市轨道交通仿真系统。该系统主要用于描述供电系统与列车系统二者之间的耦合关系。
图6为本实施例的城市轨道交通仿真系统的整体结构示意图。
如图6所示，本发明实施例的城市轨道交通仿真系统，主要包括：仿真管理模块301和仿真模块302。
仿真管理模块301用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令以及预设列车牵引和制动指令。具体地，仿真管理模块301根据仿真需求，从城市轨道交通仿真系统的多个仿真模式中选择供电-列车联合仿真模式，并配置仿真模块302所包括的各仿真子模块之间的接口信息(例如，列车仿真子模块与供电仿真子模块之间传输的数据的名称、数目、通信协议等)、各仿真子模块中存储的各仿真模型的参数信息(例如，列车运行线路的坡度、曲率、站场设备数据等线路数据，列车载荷、长度、运动特性曲线、主电路参数等列车系统参数，供电网电气参数等)、以及本次仿真的仿真参数信息(例如，仿真步长、仿真运行场景等)，并将配置结果部署到仿真模块302的各仿真子模块中。此外，仿真管理模块301还用于输出仿真控制指令，该仿真控制指令包括仿真开始指令和仿真结束指令。
仿真模块302与仿真管理模块301电连接，该仿真模块302包括彼此电连接的列车仿真子模块3021和供电仿真子模块3022。
列车仿真子模块3021用于根据预设列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向供电仿真子模块3022输出列车当前的运行速度、列车当前的位置、以及列车的负载电流。其具体结构如图7所示。
如图7所示，列车仿真子模块3021主要包括：网络仿真单元30211、制动仿真单元30212、牵引仿真单元30213、列车运行仿真单元30214、以及辅助电源仿真单元30215。
网络仿真单元30211将预设列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元30212和牵引仿真单元30213。
制动仿真单元30212与网络仿真单元30211的输出端电连接，用于根据预设列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给牵引仿真单元30213，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元30214。其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令。
牵引仿真单元30213与网络仿真单元30211的输出端和制动仿真单元30212的输出端电连接，用于根据预设列车牵引和制动指令，对其内部存储的传动变流器模型和牵引电机模型进行仿真以产生牵引力，根据第一指令产生电制动力，并将该牵引力和该电制动力传输给列车运行仿真单元30214。此外，牵引仿真单元30213还根据牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给供电仿真子模块3022。由于牵引仿真单元的电流的计算方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
列车运行仿真单元30214与制动仿真单元30212的输出端和牵引仿真单元30213的输出端电连接，用于根据牵引力、电制动力和空气制动力，利用上述表达式(1)和(2)计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给供电仿真子模块3022。
辅助电源仿真单元30215与网络仿真单元30211的输出端电连接，用于根据网络仿真单元30211发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向供电仿真子模块3022输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
需要说明的是，本发明的城市轨道交通仿真系统可以根据不同的模拟对象或应用需求，进一步对各仿真子模块做不同层次的分解。分解后的各个仿真单元的仿真步长均可根据实际需求来设置，以使本发明能够适应电磁暂态、机电暂态、机械运动过程仿真等不同时间尺度的仿真需求。在本实施例中，对列车仿真子模块做出如上分解，但本发明并不局限于此。
供电仿真子模块3022用于根据列车当前的位置和列车的负载电流(包括牵引仿真单元的电流和辅助电源电流)，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给列车仿真子模块3021的牵引仿真单元30213和辅助电源仿真单元30215。具体地，供电仿真子模块3022对列车与列车位置进行编号并构建节点导纳矩阵，根据节点初始化参数创建节点导纳方程U＝Y-1I，其中，I为节点注入电流，U为节点电压，Y为节点导纳矩阵。在节点导纳方程创建完成后，采用迭代算法计算供电网各个节点的电压及潮流。由于上述方法已为本领域所公知，在此不再赘述。
在本发明一优选实施例中，该城市轨道交通仿真系统还包括：仿真展示模块303，分别与仿真管理模块301和仿真模块302电连接，用于显示仿真模块302的仿真过程数据以及仿真管理模块301中存储的仿真结果数据。
在本发明一优选实施例中，仿真管理模块301、仿真模块302和仿真展示模块303两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。列车仿真子模块3021与供电仿真子模块3022之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
其中，仿真管理总线用于实现仿真控制指令的下达及各仿真子模块的状态监控、仿真模型及仿真参数的下发、仿真结果数据的上传、以及人机交互数据的传输。仿真实时数据总线用于实现各模块之间、各仿真子模块之间的时钟同步、以及传输各仿真子模块的模型之间实时交互的数据。为使本发明能够适应多种时间尺度的实时仿真应用，将仿真实时数据总线设置为至少具有两种以上(如秒级、毫秒级等)的通讯周期。通信总线用于实现各模块之间、各仿真子模块之间的各控制设备(可为实物或仿真模型)之间的仿真数据的交互，其可为实物通信总线(例如，多功能列车总线(Multiple Vehicle Bus,MVB))，也可为模拟实物通信总线协议运行的其他媒介体。音视频总线用于将各仿真子模块产生的声音、图像信息传输给仿真展示模块，以实时显示仿真过程。
需要说明的是，由于本实施例的城市轨道交通仿真系统的示例性总线架构图与实施例一的类似，在此不再赘述。
本发明通过构建仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线、以及音视频总线这4类通信总线来实现各模块以及各仿真子模块之间的连接，不仅可以满足系统整体以及系统的各模块之间、各仿真子模块之间的不同时间尺度的接口和通讯需求，而且可以便于扩展新的仿真子模块，大大提高了本发明的城市轨道交通仿真系统的适用性。
此外，本发明的城市轨道交通仿真系统还可以通过仿真管理模块301实现系统的集成和扩展。具体地，各个仿真子模块和仿真展示模块可以通过在仿真管理模块301注册的方式接入该仿真系统，也可以通过在仿真管理模块301注销的方式退出该仿真系统。并且，仿真管理模块301通过配置各模块之间、各仿真子模块之间的接口和仿真参数，输出仿真控制指令并监控各仿真子模块的运行状态来实现仿真系统的集成。同时，新扩展的仿真子模块也可以通过在仿真管理模块301注册的方式接入该仿真系统，已有的仿真子模块也可以通过在仿真管理模块301注销的方式退出该仿真系统，从而实现城市轨道交通仿真系统的扩展和更新，以使本发明能够适用于多种不同的应用场景。
如果需要模拟故障，则由仿真管理模块301向仿真模块302的各仿真子模块下发故障模拟指令。各仿真子模块在接收到故障模拟指令后，便开始对其内部存储的各仿真模型进行仿真，并将仿真过程数据(例如，仿真部署进展、仿真准备就绪状态、各仿真子模块的生命状态信号等)反馈给仿真管理模块301，以使仿真管理模块301监控各仿真子模块的运行是否正常。
为了便于更好地理解本发明，下面通过示例方式对本发明的技术方案进行详细描述。
假设本次仿真时间为1000s。仿真管理模块301在配置完列车的仿真参数后，向仿真模块302输出仿真开始指令以及预设列车牵引和制动指令。随后，仿真模块302所包括的列车仿真子模块3021和供电仿真子模块3022便开始按照预设时序逻辑开始仿真并交换数据。
在当前仿真步长内，列车仿真子模块3021的网络仿真单元30211将预设列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元30212和牵引仿真单元30213。
制动仿真单元30212根据预设列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给牵引仿真单元30213，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元30214。牵引仿真单元30213根据预设列车牵引和制动指令，对其内部存储的传动变流器模型和牵引电机模型进行仿真以产生牵引力，根据第一指令产生电制动力，并将该牵引力和该电制动力传输给列车运行仿真单元30214。此外，牵引仿真单元30213还根据牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给供电仿真子模块3022。列车运行仿真单元30214根据牵引力、电制动力和空气制动力，利用上述表达式(1)和(2)计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给供电仿真子模块3022。辅助电源仿真单元30215根据网络仿真单元30211发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向供电仿真子模块3022输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
供电仿真子模块3022根据列车当前的位置和列车的负载电流(包括牵引仿真单元的电流和辅助电源电流)，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给列车仿真子模块3021的牵引仿真单元30213和辅助电源仿真单元30215，以作为牵引仿真单元30213和辅助电源仿真单元30215进行仿真时的电源。
在当前仿真步长结束后，再按照上述步骤执行下一仿真步长的仿真操作，直至到达预设仿真时间(1000s)为止。当到达预设仿真时间(1000s)时，仿真管理模块301发出仿真停止指令，此时，仿真模块302的列车仿真子模块3021和供电仿真子模块3022便停止仿真，并将仿真结果数据上传到仿真管理模块301的数据库中，以供工作人员使用。根据实际需求，由仿真展示模块303向工作人员显示仿真模块302的各仿真子模块的仿真过程数据以及仿真管理模块301的仿真结果数据。
综上所述，应用本发明提供的城市轨道交通仿真系统，可以根据实际需求选择仿真模式，不仅可以实现单系统级和部件级仿真，而且可以实现多系统级的耦合仿真。因此，本发明的城市轨道交通仿真系统可以满足列车多系统、单系统、部件的多学科协同优化设计和验证，关键部件的可靠性与寿命预测，运营策略的优化，故障模拟及处理等应用需求。此外，本发明的城市轨道交通仿真系统通过扩展也可以应用于机车、动车等不同场合。
本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种城市轨道交通仿真系统，其特征在于，包括：
仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令；
仿真模块，与所述仿真管理模块电连接，所述仿真模块包括信号仿真子模块、列车仿真子模块和供电仿真子模块，所述列车仿真子模块分别与所述信号仿真子模块和所述供电仿真子模块电连接；
其中，所述信号仿真子模块用于根据所述仿真管理模块输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令；所述信号仿真子模块包括：
列车自动监控模拟单元，用于根据所述仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令；
联锁模拟单元，与所述列车自动监控模拟单元的输出端电连接，用于根据所述列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路；
区域控制器模拟单元，与所述联锁模拟单元的输出端电连接，用于在所述联锁模拟单元确定开放列车进路的情况下，根据所述线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令；以及
列车自动控制模拟单元，与所述区域控制器模拟单元的输出端和所述列车仿真子模块的输出端电连接，用于根据所述列车移动授权指令、所述列车当前的运行速度、所述列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令；
所述列车仿真子模块用于根据所述列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向所述信号仿真子模块和所述供电仿真子模块输出列车当前的运行速度和列车当前的位置，以及向所述供电仿真子模块输出列车的负载电流；
所述供电仿真子模块用于根据所述列车当前的位置和所述列车的负载电流，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给所述列车仿真子模块。
2.根据权利要求1所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，所述列车仿真子模块包括：
网络仿真单元，与所述列车自动控制模拟单元的输出端电连接，用于将所述列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元和牵引仿真单元；
所述制动仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给所述牵引仿真单元，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元，其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令；
所述牵引仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令产生牵引力，根据所述第一指令产生电制动力，并将所述牵引力和所述电制动力传输给列车运行仿真单元，以及根据所述牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给所述供电仿真子模块；
所述列车运行仿真单元，与所述牵引仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述牵引力、所述电制动力和所述空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给所述列车自动控制模拟单元和所述供电仿真子模块；以及
辅助电源仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述网络仿真单元发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向所述供电仿真子模块输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
3.根据权利要求1所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，还包括：仿真展示模块，分别与所述仿真管理模块和所述仿真模块电连接，用于显示所述仿真模块的仿真过程数据以及所述仿真管理模块中存储的仿真结果数据。
4.根据权利要求3所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，所述仿真管理模块、所述仿真模块和所述仿真展示模块两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接，所述列车仿真子模块与所述信号仿真子模块之间、以及所述列车仿真子模块与所述供电仿真子模块之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
5.一种城市轨道交通仿真系统，其特征在于，包括：
仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令；
仿真模块，与所述仿真管理模块电连接，所述仿真模块包括彼此电连接的信号仿真子模块和列车仿真子模块；
其中，所述信号仿真子模块用于根据所述仿真管理模块输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令；所述信号仿真子模块包括：
列车自动监控模拟单元，用于根据所述仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令；
联锁模拟单元，与所述列车自动监控模拟单元的输出端电连接，用于根据所述列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路；
区域控制器模拟单元，与所述联锁模拟单元的输出端电连接，用于在所述联锁模拟单元确定开放列车进路的情况下，根据所述线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令；以及
列车自动控制模拟单元，与所述区域控制器模拟单元的输出端和所述列车仿真子模块的输出端电连接，用于根据所述列车移动授权指令、所述列车当前的运行速度、所述列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令；
所述列车仿真子模块用于根据所述列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向所述信号仿真子模块输出列车当前的运行速度和列车当前的位置。
6.根据权利要求5所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，所述列车仿真子模块包括：
网络仿真单元，与所述列车自动控制模拟单元的输出端电连接，用于将所述列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元和牵引仿真单元；
所述制动仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给所述牵引仿真单元，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元，其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令；
所述牵引仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述列车牵引和制动指令产生牵引力，根据所述第一指令产生电制动力，并将所述牵引力和所述电制动力传输给列车运行仿真单元；以及
所述列车运行仿真单元，与所述牵引仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述牵引力、所述电制动力和所述空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给所述列车自动控制模拟单元。
7.根据权利要求5所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，还包括：仿真展示模块，分别与所述仿真管理模块和所述仿真模块电连接，用于显示所述仿真模块的仿真过程数据以及所述仿真管理模块中存储的仿真结果数据。
8.根据权利要求7所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，所述仿真管理模块、所述仿真模块和所述仿真展示模块两两之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接，所述信号仿真子模块与所述列车仿真子模块之间通过仿真管理总线、仿真实时数据总线、通信总线和音视频总线中的至少其中之一电连接。
9.一种城市轨道交通仿真系统，其特征在于，包括：
仿真管理模块，用于配置列车的仿真参数，并输出仿真控制指令以及预设列车牵引和制动指令；
仿真模块，与所述仿真管理模块电连接，所述仿真模块包括信号仿真子模块、列车仿真子模块和供电仿真子模块，所述列车仿真子模块和所述供电仿真子模块彼此电连接；
其中，所述信号仿真子模块用于根据所述仿真管理模块输出的仿真开始指令，对其内部存储的各仿真模型进行仿真，输出列车牵引和制动指令；所述信号仿真子模块包括：
列车自动监控模拟单元，用于根据所述仿真开始指令、于其内部存储的预设列车运行时刻表、以及监控到的列车当前的运行状态，发出列车进路申请指令；
联锁模拟单元，与所述列车自动监控模拟单元的输出端电连接，用于根据所述列车进路申请指令及其包含的线路的当前占用状况信息，确定是否开放列车进路；
区域控制器模拟单元，与所述联锁模拟单元的输出端电连接，用于在所述联锁模拟单元确定开放列车进路的情况下，根据所述线路的当前占用状况信息计算列车移动授权，并输出用于表示列车移动授权的列车移动授权指令；以及
列车自动控制模拟单元，与所述区域控制器模拟单元的输出端和所述列车仿真子模块的输出端电连接，用于根据所述列车移动授权指令、所述列车当前的运行速度、所述列车当前的位置、以及预设列车制动能力参数，生成并输出列车牵引和制动指令；
其中，所述列车仿真子模块用于根据所述预设列车牵引和制动指令，模拟列车的运行状态，并向所述供电仿真子模块输出列车当前的运行速度、列车当前的位置、以及列车的负载电流；
所述供电仿真子模块用于根据所述列车当前的位置和所述列车的负载电流，计算供电网各个节点的电压及潮流，并将计算结果反馈给所述列车仿真子模块。
10.根据权利要求9所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，所述列车仿真子模块包括：
网络仿真单元，用于将所述预设列车牵引和制动指令分别传输给制动仿真单元和牵引仿真单元；
所述制动仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述预设列车牵引和制动指令、以及列车的电制动特性分配电制动力和空气制动力的产生比例，将第一指令传输给所述牵引仿真单元，并根据第二指令产生空气制动力，将该空气制动力传输给列车运行仿真单元，其中，该第一指令为用于表示电制动力的产生比例的指令，该第二指令为用于表示空气制动力的产生比例的指令；
所述牵引仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述预设列车牵引和制动指令产生牵引力，根据所述第一指令产生电制动力，并将所述牵引力和所述电制动力传输给列车运行仿真单元，以及根据所述牵引力计算牵引仿真单元的电流，并将该电流作为列车的第一负载电流传输给所述供电仿真子模块；
所述列车运行仿真单元，与所述牵引仿真单元的输出端和所述制动仿真单元的输出端电连接，用于根据所述牵引力、所述电制动力和所述空气制动力，计算列车当前的运行速度和列车当前的位置，并将计算结果反馈给所述供电仿真子模块；以及
辅助电源仿真单元，与所述网络仿真单元的输出端电连接，用于根据所述网络仿真单元发出的仿真开始指令，对其内部存储的辅助变流器模型和负载模型进行仿真，并向所述供电仿真子模块输出作为列车的第二负载电流的辅助电源电流。
11.根据权利要求9所述的城市轨道交通仿真系统，其特征在于，还包括：仿真展示模块，分别与所述仿真管理模块和所述仿真模块电连接，用于显示所述仿真模块的仿真过程数据以及所述仿真管理模块中存储的仿真结果数据。
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