磁悬浮列车需求驱动的仿真技术和模型

计算设计与工程学报。号14（2014）233~242www.jcde.org考虑交通波动Moo Hyun Cha1和Duhwan Mun2，*1机械系统安全研究部，韩国机械材料研究所，104Sinseong-ro，Yuseong-gu，Daejeon 305-343，大韩民国2庆北国立大学精密机械工程系，2559，Gyeongsang-daero，Sangju，Gyeongsangbuk-do，742-711，大韩民国（2014年4月19日接收;2014年7月25日修订;2014年7月31日接受摘要在韩国，磁悬浮车辆（Maglev）系统作为一种新的交通系统正在商业化磁悬浮列车由无人驾驶的自动控制系统操作因此，应事先认真制定和验证列车运行计划通常，当制定列车运行计划时，使用统计预测的交通数据然而，在实际列车服务中经常发生交通波，并且需要需求驱动的仿真技术来考虑交通波来审查列车运行计划和服务质量提出了一种考虑需求连续变化的磁浮列车运行仿真方法和模型为此，我们采用了离散事件模型，这是适合建模的铁路客运行为我们使用离散事件系统规范（DEVS）的形式主义建模的系统层次此外，通过在DEVSim++仿真环境中的实现和实验，验证了该模型的可行性我们的实验结果也验证了我们的需求驱动的仿真技术可以用于列车运行计划和策略的先验审查关键词：离散事件仿真;列车运行仿真;交通波;离散事件系统规范1. 介绍磁悬浮车辆是一种新型的交通运输系统，其中车辆利用磁体悬浮在离导轨很短的距离处。车辆由直线电机驱动。韩国开发了时速110 km/h的磁悬浮列车，在仁川国际机场建造了一条试验线路，并正在韩国国家城市磁悬浮计划下准备磁悬浮列车的商业运营[1]。试点线路为6.1 km双线线路，设6个车站，途经改造中心、客运站和国际商务区，如图1所示。磁悬浮系统基本上是通过无人驾驶自动操作来控制的。因此，有必要事先认真制定和验证列车运行计划列车运行计划是根据统计预测的交通数据和列车性能模拟数据制定的。统计预测的交通数据来自列车进路计划。列车性能仿真数据包含列车的动态性能，以及线路和列车规范。总体上*通讯作者。联系电话：+82-54-530-1271，传真：+82-54-530-1278电子邮件地址：dhmun@knu.ac.kr© CAD/CAM工程师协会Techno-Press doi：10.7315/JCDE. 2014. 023已建立的列车运行计划使用列车运行图（DIA）来示意性地表示DIA是通过列车行驶距离随时间显示列车时刻表的图。在实际列车服务中，由于各种因素，如季节、星期几和服务区周围的偶发事件，经常发生交通波交通波是DIA设计验证的重要因素，因为列车运行计划是根据统计预测的交通数据制定的。交通波会造成列车晚点和乘客候车时间的增加，严重影响交通服务质量因此，考虑这种流量的图1.磁悬浮示范线（仁川国际机场）.234M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242waves必须考虑列车运行计划和服务质量。许多学者对列车调度问题进行了研究，并开发了许多调度技术。这些技术可以分为三类：模拟、专家系统和数学规划[2]。这项研究与模拟有关包括OpenTrack [3]、Bahn [4]和Rail Sys [5]在内的各种软件工具已用于构建列车系统模型，OpenTrack采用离散-连续混合仿真过程和面向对象编程，为铁路仿真提供了一个微观平台。Bahn是一个用于设计和测试火车或有轨电车交通网络的共享程序。铁路系统是一个软件系统，它集成了一个时间表和基础设施管理与同步微观仿真。[6]中描述了能够进行单列车牵引计算、多列车模拟和时刻表评估的替代方法;但是，他们没有考虑随时间波动的交通波[7]。在几项研究中已经建议使用离散事件建模技术进行列车调度[7-9]。Intertation Train Movement Simulation（ITMS）软件包是一种列车运行模拟器，用于评估和优化列车信号系统的各种运行策略[8]。列车信号系统控制上下班列车之间的间隔。ITMS采用离散事件建模和面向对象编程技术开发。然而，ITMS不考虑连续交通波。Grube等人[7]试图提高智利圣地亚哥地铁的运营效率为此，他们进行了考虑乘客需求的列车运行模拟，并评估了控制系统的运行策略系统的行为受乘客到达率的影响，乘客到达率随时间变化，因此系统的行为很难用解析方法出于这个原因，他们表示的主要活动，包括列车的到达和乘客登机，作为事件，并模拟这些行为与事件驱动的然而，他们的列车运行模型假设列车具有恒定的速度。列车运行模型应提供考虑加速度的Paolucci等人[9]试图将面向对象建模和离散事件建模相结合，目的是对复杂的地铁系统进行建模通过这种集成，他们开发了一个模拟器来生成地铁运营时间表和信号控制策略。他们关注的是一个基于固定乘客发生率的时刻表，因此没有考虑乘客需求随时间的变化。我们提出了一种方法来模拟乘客运输的磁悬浮考虑连续的需求变化。为此，我们采用了离散事件系统（DES），这是适合建模的铁路乘客的行为图2.上/下车与列车运行的概念模型。图3.乘客上/下车程序。交通运输[10]。为了对磁悬浮列车的DES进行建模，使用了离散事件系统规范（DEVS）[11]。DEVS采用基于集合论的数学形式化方法，有效地将复杂系统行为描述为一种层次结构此外，我们还开发了一个磁悬浮列车驾驶仿真程序，该程序使用DEVSim ++[12]仿真环境模拟上述离散事件模型通过仿真和实验，我们测试了所提出的模型的可行性，并验证了我们的需求驱动的仿真技术可以用于先验审查的列车运行计划和策略。2. 磁浮交通仿真系统概述本研究的目的是模拟列车运行和乘客上下车，并记录每个事件的时间，以便进行统计。对于该模拟，我们假设试验线路是一条6.1 km的双轨线路，有6个磁悬浮车站;每个车站产生连续基本的上车/下车和列车运动可以概念性地表示为图2所示火车、车站和乘客是系统的关键模型元素列车在基于信号控制的指定轨道上运行，经历诸如到达和离开车站的离散事件当火车到达时，车门打开，乘客上下车。然后，列车在预定义的待机时间后出发，如图3所示该上车/下车过程也可以被建模为离散事件。乘客进入每个车站和保持列车待命的过程可以使用随机过程和排队来建模：离散事件模型提供了适当的建模方法，包括：检查列车运行和乘客上下车。M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242235图4.整个仿真系统的体系结构。整个仿真系统的架构如图4所示。首先，基于预定义的运行信息执行无人自动运行，并且将模拟每个车站的乘客上/下车的模型定义为铁路模拟模型。该模型包括负责列车和车站的调度和信号控制的自动列车运行（ATO）列车和车站发送或接收与乘客上/下车有关的信息。列车和车站的行为可以表示为由于离散事件输入和输出而引起的内部状态的变化因此，DES模型适用于这种情况。ATO采用连续系统（CS）建模模拟-事件（A/E）转换器用于基于列车的当前位置的知识来生成车站到达事件乘客生成建模需要乘客生成器，乘客生成建模是在需求预测的数据接收器用于收集和静态处理与列车运行和乘客上下车相关的所有数据。这两个工具可以抽象成一个实验框架模型，该模型为铁路仿真模型生成各种输入并分析输出。实验框架模型还可以连接到图形用户界面（GUI），该界面能够监控整个模拟过程和所涉及的数据3. 基于DEVS的系统建模正如Zeigler [13]所建议的那样，DEVS形式主义提供了一个数学框架，可以按模块划分离散事件系统，并对其进行分层建模。DEVS的形式主义表示的动态方程的基础上的集合论，并使用原子和组合模型，使结构化建模系统。系统组合模型负责交付各个组件模型之间的事件。使用DEVS形式主义，原子模型被表示为三个集合和四个函数，描述了一个离散事件系统的行为，该系统的内部条件随着时间的推移被外部输入改变或改变DEVS形式主义、建模和在此基础上的应用的深入描述在[13]中提供清单1.DEVS形式主义中的原子模型M=S，X，Y，δint，δext，λ，ta>S：顺序状态集X：输入事件集Y：输出事件集δint：内部转移函数（S→S）δext：外部转移函数（Q×X →Q）λ：输出函数（Q→Y）ta：时间提前功能（S→ Real）DES是一种适用于铁路交通控制系统建模的技术，因为列车遵循定义的路径，并在离散时间通过信号系统进行交互[10]。此外，DES在以随机过程[14]和排队[15]为特征的系统中特别有用。因此，我们采用DEVS形式主义的模型磁悬浮列车的运行和乘客上/下车系统，这是表示为DES。为此，我们抽象了仿真模型图5.系统分解树。236M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242图6.磁悬浮仿真的DEVS图。如图5所示，使用系统分解树将其分解为几个分层模型整个系统模型由数据分析器、乘客生成器、ATO、车站和磁浮列车组成。数据分析器、乘客发生器、车站和磁悬浮列车被建模为DES，ATO被建模为连续系统。ATO在第4.2节中描述。在此基础上，定义了DEVS形式化的原子模型和组合模型，并设计了这些模型之间的层次关系和消息交换关系。图6中显示了DEVS 形式化的整个系统模型CCplMaglev 仿 真 是 一 个 根 组 合 模 型 ， 由CCpleExpFrame 和 CCplSystemModel 组 合 模 型 组成.CCpleExpFrame模型负责生成乘客数据和分析模拟结果。CCplSystemModel模拟每个车站的乘客上/下车。在较低级别，有三个组成模型：CCplGenerators、CCplStations和CCplMag- levs。CCplMaglevs由四个原子模型组成，代表四列火车（Maglev1到Maglev4）。CCplStations 由 代 表 11 个 站 （ CAtmST101 至CAtmST106U，六个上行站和五个下行站）的11个原子模型组成。CCplGenerators由11个原子模型组成，代表11个车站（CAtmGen101至CAtmGen106U）的乘客发电机。CAtmMaglev是一个代表磁悬浮列车的原子模型，有六种系统状态：运行中（驾驶）、车门打开（打开）、乘客下车（下车）、乘客上车（上车）、待机（空闲）和车门关闭（关闭）。在行驶状态下，列车的当前位置由ATO更新，ATO在每个周期更新在到达站时，生成到达输出（Arr），并且系统状态切换到当车门打开时，产生乘客下车输出（Out），并且在所有乘客下车后馈送新乘客的输入（In）一旦所有乘客离开列车，在车门关闭、发车和随后生成发车输出（Dep）之前执行待机过程当所有乘客都下机后，将向车站发送乘客登机可以启动（就绪）的信号，然后车站释放乘客。图7中显示了代表磁悬浮列车乘客每个系统状态由一个圆圈符号和一个时间提前参数表示。内部状态转换由虚线表示;外部状态转换由实线表示;引起外部状态转换的外部输入由问号表示;以及由内部状态转换产生的内部输出由感叹号表示。基于这些系统行为，我们将DEVS形式化描述如下：M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242237CAtmMaglev =S，X，Y，δint，δext，λ，ta>X= {stop，in}Y= {，dep，out，ready}S= {驱动、打开、下车、启动、怠速、关闭、停止}δext：Q × X → Q，Q = {（s，e）|s∈S且0 ≤ e ≤ ta（s）}δext（（DRIVING，t），stop）=（STOP，0）δext（（OPEN，t），stop）=（STOP，0）δext（（GETOFF，t），stop）=（STOP，0）δext（（GETON，t），stop）=（STOP，0）δext（（IDLE，t），stop）=（STOP，0）δext（（CLOSE，t），stop）=（STOP，0）δext（（GETON，t），in）=（GETON，0）（如果不是站台的最后一名乘客，图7.磁悬浮原子模型的DEVS图。图8.车站原子模型的DEVS图。清单2.DEVS形式主义中的CAtmMaglev原子模型CAtmStation是一个代表站点的原子模型，它是一个典型的排队模型.CAtmStation涉及到乘客的进站和站台上的候车情况，如图8所示。车站作为乘客发电机和列车之间的缓冲区，它可以通过先进先出（FIFO）排队模型来实现。当δint：Q→Qδint（DRIVING，Ts）=（DRIVING，0）（Ts：更新连续系统的时间步长）δint（DRIVING，Ts）=（OPEN，0）（如果磁悬浮列车到达车站）δint（OPEN，Td）=（GETOFF，0）（Td：门操作时间）δint（GETOFF，Tf）=（GETOFF，0）（Tf：乘客的下车时间，（德国）δint（GETOFF，Tf）=（GETON，0）（如果磁悬浮列车最后一名乘客）δint（IDLE，Ti）=（CLOSE，0）（Ti：如果保留驻留时间，则为空闲时间）δint（CLOSE，Td）=（DRIVING，0）（Td：门操作时间）λ：Q→Yλ（DRIVING，Ts）= λ（如果到达）λ（GETOFF，Tf）= out（如果乘客在磁悬浮列车中）λ（GETOFF，Tf）=就绪（如果磁悬浮列车中没有更多乘客）λ（CLOSE，Td）= dep238M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242图9.乘客发电机原子模型的DEVS图。图10.分析器原子模型的DEVS图。将 其 状 态 从 等 待 状 态 （ Wait ） 改 变 为 乘 客 登 机（Board），并且随后生成登机信号（Out）。一旦所有乘客都上了火车，车站将返回到等待状态（等待）。乘客入口输入（In）可以在“等待”和“登机”状态下进行处理根据登机/在车站下车过程中，我们描述DEVS形式主义如下：清单3.DEVS形式主义中的CAtmStation原子模型CAtmStation =S，X，Y，δint，δext，λ，ta>X= {in，ready}Y={out}S= {等待，登机}δext：Q × X → Q，Q = {（s，e）|s∈S且0 ≤ e ≤ ta（s）}δext（（WAIT，t），in）=（WAIT，0）δext（（WAIT，t），ready）=（BOARD，0）δext（（BOARD，t），in）=（BOARD，0）（继续现有内部过渡）δint：Q→Qδint（BOARD，Tb）=（BOARD，0）（Tb：护照的登机时间senger）δint（BOARD，Tb）=（WAIT，0）（如果车站没有乘客）λ：Q→Yλ（BOARD，Tb）=输出当 实 验 框 架 中 的 CAtmGenerator 进 入 活 动 状 态（Active）时，它随机生成乘客，并将输出传输到车站（CCplStations）或数据分析仪（CAtmAnayzer）。此外，当CAtmGenerator接收到停止命令（停止）时，它会将自身转换为停止状态（停止）。CAtmAnalyzer收集CCplSystemModel 输 出的 各种 列车 运 行数 据以 及CAtm的乘客生成信息图11.原型仿真系统的GUI。M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242239图12.与火车驾驶有关的连续性方程。生成器. CAtmAnalyzer还检查模拟停止条件，如果需要，输出停止消息（停止），以停止整个模拟过程。这些原子模型的DEVS图分别如图9和图10所示4. 实施和实验4.1 原型仿真系统实现面向对象的编程语言C++[16]和DEVSim++被用来开发一个原型仿真系统，该系统更新系统信息（即，状态信息），并根据分级调度来执行作为整体的仿真。本研究中实现的原型仿真系统的GUI该模拟系统以图形和文本的形式提供了广泛的信息数据以图形方式显示在GUI的顶部，以帮助用户直观地识别磁悬浮列车运行和乘客上/下车的变化左侧列表中的框显示与上下车模拟相关的消息和日志信息，右侧列表中的框用户输入按钮、复选框和文本框位于GUI的左下方它们用于执行模拟控制，例如模拟比率设置、模拟开始和模拟结束。4.2 系统ATO中的列车驾驶控制原型仿真系统的ATO应模拟列车的连续运动。为了实现这一点，我们参考DIA建立了一个简化的连续列车运行模型，该模型包含了列车运行计划数据，包括站间距离、标准行车时间图13.基于时间的标准乘客生成率。站间最大速度和站间最大速度简化的连续列车行驶模型以恒定的加速度量重复在实际情况中，由于铁路的坡度和曲线，列车的行驶运动是动态的在这项研究中，我们专注于乘客上/下车模拟每个车站，所以它是合理的，采用简化的驾驶模型，以获得一定的事件时间。我们定义了图12所示的连续性运动方程连续性方程按时间计算车站之间的行驶距离，以及列车在每个模拟步骤中的位置。在铁路控制系统中，除了列车的行驶性能外，与列车保持一定的边缘距离也是非常重要的当前方列车因交通波而发生延误时，应对后续列车实施信号控制，以防止事故发生。这一后果将传播到随后的列车。正常的无人驾驶列车由移动闭塞系统控制，该移动闭塞系统通过实时检查与前进列车的距离在这项研究中，我们实施了移动闭塞计划暂停列车4.3 交通波的模拟本研究最重要的一点是在磁浮交通仿真中考虑交通波引起的乘客波动为此，我们分析了交通影响评估文件，其中包含车站的每日交通需求预测数据和高峰时段的小时乘客本文档还包括周围街道的交通分析结果在此基础上，根据拥挤程度确定了高峰时区、安静时区和正常时区然后使用上述数据确定每个时区的标准乘客生成率，如图13所峰值和安静时区数据直接从预测数据中导出，正常时区数据通过平均两个峰值数据来确定在模拟过程中，以标准客流为随机变量，计算各车站的客流生成率240M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242图14.每个车站的列车间隔时间。图15.每个车站的列车停留时间。图16.每个车站的乘客等待时间。生成率数据，使得每个车站的乘客生成率表示泊松分布[17]。Pois- son分布是一种离散概率分布，表示在固定的时间和/或空间间隔内发生给定数量事件的概率[18]。此外，还需要预测列车的每名乘客的下车站。每个车站的下车率设计为符合图13所示的标准乘客生成率。旅客上下车时间是影响列车停站时间的重要因素打开和关闭门所需的时间然而，每位乘客的上落车时间很难预测。我们参考韩国首尔地铁2号线的实验数据[19]，定义每人平均上车时间为0.88 s，平均下车时间为0.76 s。虽然上/下车时间通常会受到列车拥挤的影响，但为了简化模拟所需的输入数据，我们没有考虑这一点由于当前磁悬浮列车运营策略规定了在每个车站保持标准停站时间，因此即使移动乘客很少，列车也应在此时间停站。4.4 实验结果为了评价列车的正常运行，M. Cha等人计算设计与工程杂志卷。号1 4（2014）233~242241在此基础上，根据仿真结果确定了列车间隔时间、停留时间和根据各车站的到发信息计算车头时距，并与运营计划中规定的车头时距进行比较，以验证计划。当旅客人数过多或前车延误时，信号控制可调整停留时间和我们将停留时间和乘客等待时间与运营计划中的原始时间表进行了比较，以量化机上乘客或等待乘客所经历的不便。根据实验结果分析了每个车站的列车间隔时间、平均停留时间和每位乘客的在106号车站，下行和上行站台被分隔为不同的车站（分别为5号站和6号站），只有下车的乘客出现在5号站。因此，图16中未显示5号车站的乘客等待时间数据。模拟结果表明，车头时距为5.45分钟，相对于所述时间略有延迟（即，5分钟）的初始运行计划。这可能是因为运行策略规定，当乘客较多时，停留时间应长于标准停留时间，而当乘客较少时，必须遵守标准停留时间（20 s）。平均停留时间模拟为25.6s，因为由于上述操作策略，平均乘客上/下车时间超过平均停留时间每个车站的乘客等待时间估计平均为3.9分钟，南行轨道的等待时间比北行轨道的等待时间更这主要是因为101站（交通中心，南北行轨道交叉处）涉及相当大的交通需求，并且经常遇到延误，因为南北行列车的乘客同时上下车。由于101站的乘客拥挤而造成的延误也导致南行轨道上乘客等待时间的标准差增加此外，北行轨道上的104站（图16中的8号站）的乘客生成率高于其他站，许多乘客在该站等待的平均乘客等待时间接近。因此，该车站的乘客等待时间标准差小于其他车站。因此，从服务品质的角度来看，南行线的运作计划需要比北行线更仔细地设计基于仿真结果，所提出的方法可以用来审查运营规划和战略的磁悬浮列车。仿真结果表明，从时间的角度来看，服务质量的变化取决于站，但这些变化是在可接受的范围内。5. 结论磁悬浮作为一种新型的交通工具，其商业化应用正在积极进行，本文提出了一种基于DES的列车运输仿真技术，以反映磁悬浮交通系统我们使用预先设计的列车运行计划和每个火车站的需求预测数据，设计了一种基于离散事件的建模和仿真方法，用于在实际运行之前检查列车最后，利用DEVS方法和DEVSim++仿真环境对系统进行了实现和测试，验证了该方法的可行性和可用性本文提出的系统建模与仿真方法不仅适用于磁浮列车，也适用于其他由无人驾驶自动控制系统运行的轨道根据每日交通需求预测数据估计乘客生成率。然而，该交通需求数据可能受到各种环境因素的影响因此，为了精确的交通预测，未来应该使用真实的乘客统计数据进行根据首尔地铁2号线的实验数据，对乘客上下车时间进行了预测。在实际情况中，上下车时间往往受到列车拥挤程度、车门位置、车站旅客因此，为了提高仿真的质量此外，列车开关门时间和安全中间停留时间的确定应考虑列车门的实际性能和操作策略。致谢这项工作得到了韩国建设和交通部资助的磁悬浮实现计划的资助作者要感谢KAIST的Tag-Gon Kim教授对模拟框架设计引用[1] Shin BC，Park DY，Beak SB，Kang HS.韩国城市磁悬浮计划的现状收录于：第20届磁悬浮系统和线性驱动器国际会议论文集; 2008年12月15日至18日;加利福尼亚州圣地亚哥[2] 杨丽，李凯，高志.模糊需求下单线铁路列车时刻表问题Transactions on Fuzzy Systems. 2009; 17（3）：617-629.[3] Nash A，Hurlimann D.使用OpenTrack进行铁路模拟在：计算机在铁路IX由艾伦J，Brebbia CA，希尔RJ，Sciutto G和Sone S。WIT Press; 2004年5月7日; p.45比54[4] JB铁路[互联网]。铁路和有轨电车网络的模拟。[2010年4月1日引用]可查阅：http：//www.jbss.de/hpg_eng.htm，2010年[5] Radtke A，Hauptmann D.自动规划时间表，242M. 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