基于Opentrack的轨道交通运行仿真实验的设计与开发
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[摘 要]利用Opentrack软件可以对城市轨道交通列车运行进行实时仿真，以动画的形式呈现给用户，并可生成列车运行图等有效数据，从事运营管理的人可直观判断并计算分析城市轨道交通行车组织方案是否可行、可靠。发挥Opentrack软件优良的仿真特性，为学生提供很好的实验平台，可设计开放式、综合性、研究性的仿真实验，帮助学生对理论知识的理解，提高学生的实践创新能力以及综合运用所学知识解决实际问题的能力，从而培养具有专业素养的应用型人才。
[关键词]Opentrack 行车组织仿真实验
[中图分类号] TP391.9；U239.5 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）18-0101-02
引言
城市轨道交通在设计上一般有站间距离较短、行车密度较高、行驶速度较快、安全性能好的要求。因此，对于从事运行管理的人员来说，根据客流量等前期数据计算并制订合理的行车组织方案对日后轨道交通安全、高效运行起着决定性作用。所以，如果能在正式运营之前依据设计好的行车组织方案对列车运行进行仿真测试，并依据仿真结果修改而制订出更加合理、可靠的行车组织方案也有着重要意义。
利用Opentrack软件实现仿真后，用户可直观地看到列车运行过程、轨道占用情况、进路排列情况等的二维动画。然后，用户可利用仿真后设置生成的列车运行图等仿真数据，进行各种指标的计算和分析，以进一步确定行车组织方案的可行性并做出合理优化。
目前城市轨道交通运营管理的数字化、智能化、信息化是可持续发展的根本保证，这要求学校培养具有专业理论知识和熟练操作能力的，适应生产、管理、服务于一线的应用型人才。为满足培养需求，运用Opentrack软件给学生提供一个良好的仿真实验平台，让学生利用多方面专业理论知识自主设计实验。这样远比传统教学模式中单纯的知识灌输更加形象直接，也更易于学生的理解和应用。
一、Opentrack软件结构和功能
（一）Opentrack软件结构
Opentrack用户需输入的三大类型数据分别对应三个模块：车辆和牵引机车数据、基础线路设施数据和列车时刻表数据，用户输入相关数据信息后即可进行仿真。仿真运行是利用连续―离散计算方法来模拟的，通过不同运动方式连续模拟列车运行，离散模拟信号设备信息显示状态。仿真过程中能提供多种不同格式的数据输出以ASCII码形式保存，用户可根据需要用文本编辑器或Excel完成保存和处理。
（二）Opentrack软件功能
结合我国城市轨道交通的发展情况，经过应用实践，Opentrack软件除了可以完成列车运行实时仿真外，还可对城市轨道交通网络系统基础设施进行需求分析与规划，以及完成对线路和车站的运营能力分析和列车牵引分析。设置列车时刻表并分析其适应性和鲁棒性，同时还能对自动闭塞系统和移动闭塞系统等多种信号系统进行分析。此外其最突出的功能是事故模拟（基础设施故障和车辆故障等）和延迟模拟分析。
（一）实验的目的及意义
在有关行车组织方案的日常教学中，由于涉及的专业知识面广且多数需以动态模式展示，所以在教学过程中往往存在教授知识片面、不够系统直观的问题。这都是培养学生运用多学科知识和技术进行城市轨道交通有效安全运营等专业能力的瓶颈。利用Opentrack软件不仅可帮助教师完成教学演示，还可帮助学生直观、轻松地学习多方面的专业知识，将理论知识与实际联系起来，提高学生对多类专业知识的实际应用能力。学生还可利用该软件在课后自主实验完成操作仿真，大大地提高自主创新能力的实际操作能力。
（二）实验的设计与开发
Opentrack作为良好的辅助工具，首先应制订好行车组织计划，进而实现仿真并利用仿真数据完成对列车运行计划的合理优化分析。利用Opentrack完成仿真实验的操作流程如图所示。
三、基于Opentrack的行车仿真实验操作
（一）线路搭建及其数据输入
利用Opentrack进行实验仿真的基础是线路搭建。利用路网编辑器，构建车站及区间的轨道网拓扑图，并对线路长度、曲线半径、坡度、线路等信息进行编辑。[4]不仅可以搭建简单线路，还可完成对复杂线路、不同种配线的搭建。
利用Opentrack分别对其完成仿真运行，用户便可直观地看到列车运行情况并得到多方面结果数据，完成对不同运行结果的比对分析，从而确定哪种运行方案更加适用、可靠。
在欧洲，挪威轨道交通全网络系统的运行测试均是由Opentrack软件仿真模拟的，并且充分发挥了Opentrack完成复杂线路仿真的特性。
（二）信号系统的设置及其数据输入
为保证列车必要的通过能力和行车安全[5]，将轨道线路分成若干个区间（闭塞分区）。在每个区段内只允许一列列车运行，使前行列车和追踪列车之间保持一定的距离，这种行车方法为空间间隔法的闭塞方式，也是我国常用的闭塞方式。Opentrack软件仿真时采用的就是这种闭塞方式，用三种类型的数据结构通过对信号机的设置来描述线路网络。
第一层次为区段。区段由一系列连续的双顶点和双顶点之间的轨道组成，即闭塞区间。第二层次为进路。进路是列车或调车车列在站内运行所经过的线路，由同一方向的一个或多个区段组成。第三层次为运行路线，即为列车排列进路，决定列车的运行线路。
在该软件中，联锁是按照既定规则在后台自动实现的，用户只需根据列车实际运行线路排好进路，通过对运行线（Course）的设置即可实现信号机、进路道岔的联锁，列车运行线路即可自动生成。
（三）车辆的设置及其数据输入
Opentrack作为一款基于铁路网络系统的仿真软件，把列车分为城际列车、区域列车、货物列车，不同的列车类型决定了软件中阻力计算公式的不同。该软件本身具有在仿真计算中应用的列车数据库，用户可根据需要直接进行选择，操作相对简单，同时软件还支持用户自定义列车类型，通过列车属性编辑器按要求输入列车的相关参数，包括最大加速度、列车重量、牵引制动曲线等。
编辑好列车数据后，软件依据列车作业过程，按照后台既定规则模拟所有列车在线路内的运行过程。其核心部分为运行模拟，主要通过牵引计算实现，但用户可将软件看成一个“黑箱”，无需探究其内部操作过程，只需根据要求输入相关数据，并直接利用其仿真结果即可。
（四）完成仿真及其结果输出
最后用户只需将事先制订的行车组织方案中的列车时刻表的相关时间按照要求输入到仿真软件中即可完成列车运行仿真。用户可直观地看到列车运行过程、轨道占用情况、进路排列情况等的二维动画，且可利用仿真后设置生成的列车运行图等仿真数据，进行各种指标的计算和分析。
四、结语
经过实践，我们发现将Opentrack仿真软件运用到平时教学中后，除了对教师的课堂讲解起到较好的辅助作用之外，对于学生各方面能力的提高也有着显著的作用。借助Opentrack仿真软件，可提高学生综合应用能力，培养具有专业素养的应用型人才，从而更好地服务于城市轨道交通行业。同时，仿真实验作为一种全新的教学手段，有助于激发学生学习的兴趣和培养学生的创新意识，尤其是在实验经费和设备受到限制的条件下，开展实验仿真教学是一条切实可行之路，也是高等教育的大众化发展的一种必然趋势。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 邱薇华，李健.城市轨道交通企业管理[M].北京：中国铁道出版社，2012.
[2] 高帆，谢世豪.基于Opentrack的轨道交通运行仿真实验开发与设计[J].沿海企业与科技，2013（4）：28.
[3] 徐金祥，冲蕾.城市轨道交通信号基础[M].北京：中国铁道出版社，2010.