一种TACS系统性能仿真方法、装置、电子设备及介质与流程

一种tacs系统性能仿真方法、装置、电子设备及介质
技术领域
1.本发明涉及列车信号控制系统的仿真技术，尤其是涉及一种tacs系统性能仿真方法、装置、电子设备及介质。


背景技术：

2.目前城市轨道交通中主流的信号系统为基于通信的列车控制系统(cbtc系统)，为移动闭塞制式，列车的移动授权依赖于联锁系统进路的建立与解锁，虽然相比较更早一代的准移动闭塞追踪性能有所提升，但由于移动授权受制于联锁的进路，使得cbtc系统的运行性能尤其是折返性能与出入库性能受到制约，从而影响整条线路的运营能力。
3.既有的性能仿真方法是基于通信的列车控制系统(cbtc系统)的性能仿真方法，与cbtc系统相匹配，能够满足cbtc系统及cbtc降级系统的性能仿真计算。
4.但随着都市圈与城市群的不断扩展，对交通出行的要求也越来越高，因此基于车车通信的列车自主运行系统(tacs系统)也将逐渐应用至轨道交通线路中，所以与tacs系统相匹配的信号系统性能仿真技术需要进行研发，从而为相应的线路提供最优的运营能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种tacs系统性能仿真方法、装置、电子设备及介质。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明第一方面，提供了一种tacs系统性能仿真方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤101，仿真数据输入与处理过程，包括读取用于仿真计算的各种初始数据，并对输入数据的合法性、逻辑性进行检查及处理，用处理好的数据自动建立相应的仿真计算模型及初始化；
9.步骤102，仿真计算过程，包括根据建立好并初始化的仿真计算模型进行各种仿真计算；
10.步骤103，仿真计算结果输出过程，包括对仿真计算的结果进行处理、存储、数据化、图形化输出。
11.作为优选的技术方案，所述的步骤101中的各种初始数据包括含线路的限速、坡度，道岔动作区域的位置、限速，道岔侧冲区域的位置、限速，站台的位置，车辆的相关参数，信号系统的相关参数，相关交路信息，停站时间信息。
12.作为优选的技术方案，所述的步骤102中的各种仿真计算包括ato曲线计算、干扰曲线计算、正线间隔计算、岔区间隔计算和列车动态模拟运行。
13.作为优选的技术方案，所述的步骤103中的输出包括ato曲线的存储和显示、干扰曲线的存储和显示、正线间隔曲线的存储和显示、岔区间隔的存储和显示、时间
‑
距离曲线的存储和显示、列车时刻表的存储和加载。
14.作为优选的技术方案，所述的步骤101中的仿真数据输入具体包括：根据用户选择
的仿真功能加载相应的初始输入数据，并进行处理建立相应的模型；同时在进行数据加载和模型建立时对输入数据的合理性进行检验，并对不合理的数据进行自动处理和提示。
15.作为优选的技术方案，所述的ato曲线计算的仿真过程具体为：
16.根据线路数据、列车数据、本车以及前后车位置信息计算出每个周期的ato参考速度曲线，同时模拟列车在收到ato的控制命令后结合仿真列车模型会返回一个列车的实际状态给ato，从而实现通过性能仿真计算模拟出与实际相接近的ato速度曲线。
17.作为优选的技术方案，所述的干扰曲线计算的仿真过程具体为：
18.如果在列车运行的过程中，发现下一停车点之前有非正常限制点，那么列车将在ato计算出的参考曲线下降速运行，并且根据限制点的类型进行停车，最终会得出该情况下的实际运行曲线，该种情况下的运行曲线可能会偏离原正常运行曲线，该种情况下计算出的运行曲线即为干扰曲线。
19.作为优选的技术方案，所述的正线间隔计算的仿真过程具体为：
20.模拟两列完全相同的模型列车进行间隔性能计算，首先设置一个全局变量记为w
‑
time存储第二列车在遇到某个限制点对应干扰点时的时间，两列车按照相同的交路从第一个站开始出发，在每个周期之内只对第二列车进行计算干扰，如果该周期之内第二列车受到干扰，则第二列车停止运行，w
‑
time递增一个仿真周期，同时第一列车继续运行，并更新自己在线路上的的位置信息，如果该周期之内第二列车不受干扰，那么此时的w
‑
time即为第二列车当前所在位置的最小运行间隔；
21.然后第二列车继续运行，并且w
‑
time递减一个仿真周期，同时第一列车停止运行，并更新自己在线路上的的位置信息，依次循环每个周期，直到第二列车再次受到干扰而停止，第一列再次运行，直到两列车跑完所有交路，仿真结束，据此即计算出线路上每一点的最小设计间隔，进而得到线路的运行间隔。
22.作为优选的技术方案，该方法采用与tacs信号系统移动授权相同的计算方法，移动授权由tacs车载信号系统根据当前的运行任务并结合实时线路定位，与邻近tacs车载信号系统进行信息交互，同时根据交互信息自主更新移动授权，计算列车运行曲线。
23.作为优选的技术方案，该方法与tacs信号系统折返过程相匹配，在tacs信号系统对折返区域的道岔资源进行细化后，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对折返性能进行仿真计算。
24.作为优选的技术方案，该方法与tacs信号系统分叉过程相匹配，在tacs信号系统对分叉区域的道岔资源进行细化后，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对分叉性能进行仿真计算。
25.作为优选的技术方案，该方法与tacs信号系统汇合过程相匹配，在tacs信号系统对汇合区域的道岔资源进行细化后，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对汇合性能进行仿真计算。
26.作为优选的技术方案，该方法与tacs信号系统出库过程相匹配，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对出库性能进行仿真计算。
27.作为优选的技术方案，该方法与tacs信号系统入库过程相匹配，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对入库性能进行仿真计算。
28.根据本发明第二方面，提供了一种tacs系统性能仿真装置，该装置包括：
29.仿真数据输入与处理模块，用于读取用于仿真计算的各种初始数据，并对输入数据的合法性、逻辑性进行检查及处理，用处理好的数据自动建立相应的仿真计算模型及初始化；
30.仿真计算模块，用于根据建立好并初始化的仿真计算模型进行各种仿真计算；
31.仿真计算结果输出模块，用于对仿真计算的结果进行处理、存储、数据化、图形化输出。
32.根据本发明第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
33.根据本发明第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
34.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
35.1、本发明提出的tacs信号系统性能仿真技术，涵盖轨道交通运行中的正线、折返、分叉、汇合、出库、入库的能力仿真计算，填补了tacs信号系统性能仿真方法的空白；
36.2、本发明提出的tacs信号系统性能仿真技术，可在新线前期设计阶段对线路的性能进行预估，并与传统的cbtc性能进行对比，从而为新线信号系统的选型提供决策依据；
37.3、本发明提出的tacs信号系统性能仿真技术，可对既有线路的运营瓶颈点进行专门的分析，并提供后续改造的优化方案，为线路提供最佳的运营效率；
38.4、本发明提出的tacs信号系统性能仿真技术，可根据性能需求对土建及车辆条件进行复核，为土建及车辆的设计提供优化建议，从而减少土建及车辆建设成本。
附图说明
39.图1为本发明tacs系统性能仿真方法的架构示意图；
40.图2为本发明tacs系统性能仿真方法数据加载流程图；
41.图3为本发明tacs系统速度曲线性能仿真方法流程图；
42.图4为本发明tacs系统间隔曲线性能仿真方法流程图；
43.图5为本发明tacs系统性能仿真方法运用场景示意图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
45.本发明tacs系统性能仿真方案及其实现方法，包括：
46.1)此性能仿真方法采用与tacs信号系统移动授权相同的计算方法，移动授权由tacs车载信号系统根据当前的运行任务并结合实时线路定位，与邻近tacs车载信号系统进行信息交互，同时根据交互信息自主更新移动授权，计算列车运行曲线；
47.2)此性能仿真方法与tacs信号系统折返过程相匹配，在tacs信号系统对折返区域的道岔资源进行细化后，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对折返性能进行仿真计算；
48.3)此性能仿真方法与tacs信号系统分叉过程相匹配，在tacs信号系统对分叉区域的道岔资源进行细化后，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对分叉性能进行仿真计算；
49.4)此性能仿真方法与tacs信号系统汇合过程相匹配，在tacs信号系统对汇合区域的道岔资源进行细化后，在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对汇合性能进行仿真计算；
50.5)此性能仿真方法与tacs信号系统出库过程相匹配，库内虽然情况相对复杂，但也是由众多的分叉与汇合相互组合而成，相应的在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对出库性能进行仿真计算；
51.6)此性能仿真方法与tacs信号系统入库过程相匹配，库内虽然情况相对复杂，但也是由众多的分叉与汇合相互组合而成，相应的在道岔动作区域和侧冲区域采用与tacs信号相同的管理方法对入库性能进行仿真计算。
52.图1为tacs系统性能仿真方法架构示意图，包括仿真数据输入与处理子系统、仿真计算子系统、仿真计算结果输出子系统。其中仿真数据输入与处理子系统主要负责读取用于仿真计算的各种初始数据(含线路的限速、坡度，道岔动作区域的位置、限速，道岔侧冲区域的位置、限速，站台的位置，车辆的相关参数，信号系统的相关参数，相关交路信息，停站时间信息等)，并对输入数据的合法性、逻辑性进行检查及处理，并用处理好的数据自动建立相应的仿真计算模型及初始化；仿真计算子系统主要是根据建立好并初始化的模型进行各种仿真计算(含ato曲线计算、干扰曲线计算、正线间隔计算、岔区间隔计算、列车动态模拟运行等)；仿真计算结果输出子系统主要是对仿真计算的结果进行处理、存储、数据化、图形化输出，便于仿真人员查看和使用(含ato曲线的存储和显示、干扰曲线的存储和显示、正线间隔曲线的存储和显示、岔区间隔的存储和显示、时间
‑
距离曲线的存储和显示、列车时刻表的存储和加载)。
53.图2为tacs系统的信号系统性能仿真方法数据加载流程图，主要是根据用户选择的仿真功能加载相应的初始输入数据，并进行处理建立相应的模型，本模块可供其它子模块直接调用。同时在进行数据加载和模型建立时要对输入数据的合理性进行检验，并对不合理的数据进行自动处理和提示，如数据的逻辑意义、数据文件格式、数值是否越界等。
54.图3为tacs系统的信号系统速度曲线性能仿真方法场景示意图。在tacs信号系统中列车受ato控制运行，性能仿真方法根据线路数据、列车数据、本车以及前后车位置信息计算出每个周期的ato参考速度曲线，同时模拟列车在收到ato的控制命令后结合仿真列车模型会返回一个列车的实际状态给ato，从而实现通过性能仿真计算模拟出与实际相接近的ato速度曲线。列车正常情况下是按照计算出的ato速度曲线运行，如果在线路上任意一点(记为a点)由于前方限制点(可能由于前后车距离较近或者前方资源未分配，记为b点)的限制导致列车不能按照既定的ato速度曲线运行，从而需要降速以保证列车在最不利条件下能够在前方约束点b停车的要求，此时a点即为列车相对于b限制点的干扰点。正常情况下，列车从一个停车点出发到达下一个停车点的过程中，如果没有发现非正常限制点，那么ato在该过程中计算出的运行曲线就是正常的无干扰的运行曲线，如果在列车运行的过程中，发现下一停车点之前有非正常限制点，那么列车将在ato计算出的参考曲线下降速运行，并且根据限制点的类型进行停车，最终会得出该情况下的实际运行曲线，该种情况下的
运行曲线可能会偏离原正常运行曲线，该种情况下计算出的运行曲线即为干扰曲线。
55.图4为tacs系统的信号系统间隔曲线性能仿真方法流程示意图。列车正常情况下是按照计算出的ato速度曲线运行，如果在线路上任意一点(记为a点)由于前方约束点(可能由于前后车距离较近或者前方资源未分配，记为b点)的限制导致列车不能按照既定的ato速度曲线运行，从而需要降速以保证列车在最不利条件下能够在前方约束点b停车的要求，此时a点即为列车相对于b限制点的干扰点。性能仿真计算时模拟2列完全相同的模型列车进行间隔性能计算，首先设置一个全局变量记为w
‑
time存储第二列车在遇到某个限制点对应干扰点时的时间，两列车按照相同的交路从第一个站开始出发，在每个周期之内只对第二列车按照上述三种情况进行计算干扰，如果该周期之内第二列车受到干扰，则第二列车停止运行，w
‑
time递增一个仿真周期，同时第一列车继续运行，并更新自己在线路上的的位置信息，如果该周期之内第二列车不受干扰，那么此时的w
‑
time即为第二列车当前所在位置的最小运行间隔，然后第二列车继续运行，并且w
‑
time递减一个仿真周期，同时第一列车停止运行，并更新自己在线路上的的位置信息，依次循环每个周期，直到第二列车再次受到干扰而停止，第一列再次运行，直到2列车跑完所有交路，仿真结束，据此即可计算出线路上每一点的最小设计间隔，进而得到线路的运行间隔。
56.图5为tacs系统的信号系统性能仿真方法运用场景示意图。性能仿真相关的数据均按照运用场景示意图站型进行配置，并对运行路径上的岔区资源按照道岔细分的原则分别配置道岔动作区域和道岔侧冲区域(为了是示意图简明，仅将道岔p7和p21的动作区域与侧冲区域进行了标注)。如列车a与列车b之间直接交互位置信息，后车a根据速度曲线与间隔曲线仿真计算方法计算a车的速度与间隔曲线，从而获得a、b车间的运行速度与追踪间隔能力。列车b与列车c间有道岔区域，由于列车c将执行折出作业，因此道岔p7的动作区域与侧冲区域都已被轨旁分配给列车c，因此列车b的移动仅能够达到道岔p7的侧冲区域外方；当且仅当列车c出清道岔p7的动作区域后，轨旁便可根据列车b的申请操动道岔p7往反位动作，但此时p7的侧冲区域仍然属于列车c，所以列车b的移动授权仍然只能到达道岔p7的侧冲区域外方，但p7道岔已在提前动作；等列车c完全出清道岔p7的侧冲区域后，轨旁便可以将p7的侧冲区域资源分配给列车b，此时列车b的移动授权可以达到道岔p7动作区域的外方；待到p7道岔动作到位后，轨旁便可将p7道岔的动作区域分配给列车b，列车b的移动授权可延伸至站后折返轨；当列车b往折返轨运行出清道岔p7后，轨旁即可根据列车b的申请将道岔p7由反位操作至定位，同时侧冲区域无车占用，轨旁可将道岔p7的侧冲区域资源分配给列车b，待p7动作至定位后，轨旁便可将p7的动作区域资源分配给列车b，列车b便可执行折出作业；分别统计列车从道岔p7侧冲区域干扰点至折返轨停车的时间t
侧冲折入
，列车从道岔p7动作区域干扰点至折返轨停车的时间t
动作折入
，列车在折返轨等待的时间t
换端
，列车从折返轨启动至出清道岔p7动作区域的时间t
动作折出
，列车从折返轨启动至出清道岔p7侧冲区域的时间t
侧冲折出
，列车出清道岔动作区域后至道岔动作区域资源分配给下一辆列车的时间t
动作分配
，列车出清道岔侧冲区域后至道岔侧冲区域资源分配给下一辆列车的时间t
侧冲分配
；然后将列车从获得道岔侧冲区域资源至下一辆列车获得道岔侧冲区域资源的时间相减，即可得到列车以道岔侧冲区域为约束点的折返能力t
侧冲折返
＝t
侧冲折入
t
换端
t
侧冲折出
t
侧冲分配
；将列车从获得道岔动作区域资源至下一辆列车获得道岔动作区域资源的时间相减，即可得到列车以道岔动作区域为约束点的折返能力t
动作折返
＝t
动作折入
t
换端
t
动作折出
t
动作分配
；最后通过比较t
侧冲折返
与t
动作折返
的大小，取二者的最大值作为该道岔的折返能力。列车d与列车e执行出库任务，在p21号道岔汇合，只有当前车出清了p21道岔的动作区域与侧冲区域之后，轨旁才会根据后车的申请操作道岔至申请的位置；当道岔动作到位后，轨旁才会将道岔动作区域与侧冲区域的资源分配给后车；出库时分别统计列车从道岔p21侧冲区域的干扰点至列车出清侧冲区域的运行时间t
侧冲汇合
，列车从道岔p21动作区域的干扰点至列车出清动作区域的运行时间t
动作汇合
；然后将列车汇合时从获得道岔侧冲区域资源至下一辆列车获得道岔侧冲区域资源的时间相减，即可得到列车以道岔侧冲区域为约束点的汇合能力t
侧冲汇合
＝t
侧冲汇合
t
侧冲分配
；将列车汇合时从获得道岔动作区域资源至下一辆列车获得道岔动作区域资源的时间相减，即可得到列车以道岔动作区域为约束点的汇合能力t
动作汇合
＝t
动作汇合
t
动作分配
；最后通过比较t
侧冲汇合
与t
动作汇合
的大小，取二者的最大值作为该道岔的汇合能力；然后取库内所有道岔汇合能力的最大值与库内无岔区段追踪能力做大小比较，取二者最大值作为出库能力。列车d与列车e执行入库任务，在p21号道岔分叉，当前车出清p21号道岔的可动区域后，轨旁即可根据后车的申请将p21号道岔的可动部分操作至申请的位置，待到道岔位置动作到位，即可将p21号道岔的动作区域资源分配给后车，后车的移动授权可以达到p21号道岔的动作区域；待前车出清p21号道岔侧冲区域后，轨旁即可将p21号道岔的侧冲区域资源分配给后车，后车移动授权即可达到p21号道岔的侧冲区域；入库时分别统计列车从道岔p21侧冲区域的干扰点至列车出清侧冲区域的运行时间t
侧冲分叉
，列车从道岔p21动作区域的干扰点至列车出清动作区域的运行时间t
动作分叉
；然后将列车分叉时从获得道岔侧冲区域资源至下一辆列车获得道岔侧冲区域资源的时间相减，即可得到列车以道岔侧冲区域为约束点的分叉能力t
侧冲分叉
＝t
侧冲分叉
t
侧冲分配
；将列车分叉时从获得道岔动作区域资源至下一辆列车获得道岔动作区域资源的时间相减，即可得到列车以道岔动作区域为约束点的分叉能力t
动作分叉
＝t
动作分叉
t
动作分配
；最后通过比较t
侧冲分叉
与t
动作分叉
的大小，取二者的最大值作为该道岔的分叉能力；然后取库内所有道岔分叉能力的最大值与库内无岔区段追踪能力做大小比较，取二者最大值作为入库能力。
57.以上是关于方法实施例的介绍，以下通过装置实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。
58.本发明tacs系统性能仿真装置，该装置包括：
59.仿真数据输入与处理模块，用于读取用于仿真计算的各种初始数据，并对输入数据的合法性、逻辑性进行检查及处理，用处理好的数据自动建立相应的仿真计算模型及初始化；
60.仿真计算模块，用于根据建立好并初始化的仿真计算模型进行各种仿真计算；
61.仿真计算结果输出模块，用于对仿真计算的结果进行处理、存储、数据化、图形化输出。
62.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，所述描述的模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
63.本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
64.设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
65.处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法步骤101～103。例如，在一些实施例中，方法步骤101～103可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法步骤101～103的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法步骤101～103。
66.本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)等等。
67.用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
68.在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd
‑
rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
69.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。