基于灰色模型的考慮天氣不確定性的牽引網(wǎng)載流量預測實證研究摘要鐵路作為我們國家發(fā)展路上重要的基礎設施之一，是我國綜合性交通運輸體系的骨干基礎建設，鐵路交通是走集約式發(fā)展并且是提高資源調動能力（人力資源和物質資源等）以及能源利用效率的有效交通運輸方式之一。中國鐵路在世界相較于其他國家上能快速發(fā)展，是得益于國家在鐵路方面相關政策下的大力支持與積極鼓勵,鐵路交通方式作為我國交通互聯(lián)體系中不可或缺的堅實力量,無論是在民生方面還是在國家運輸方面都彰顯出了極其重要的作用。其中，鐵路的牽引供變電系統(tǒng)不僅是電氣化鐵路發(fā)展的重要組成部分，并且承擔著為電力機車持續(xù)高效穩(wěn)定提供電能的重要責任。對牽引網(wǎng)輸電線路的溫度產(chǎn)生影響的天氣條件因素有風速變化、外界環(huán)境溫度升降、風向的轉移、日照強度的改變及海拔高度的不同等等。牽引網(wǎng)的允許載流量是牽引網(wǎng)在運營調度的過程當中，是需要主要考慮的重要因素之一。現(xiàn)如今，一方面對牽引網(wǎng)進行運營、調度及管理時，關于導線的溫度數(shù)據(jù)常用以往的經(jīng)驗值作為依據(jù)，但事實上這種方法并沒有足夠恰當?shù)氖褂脤Ь€各種參數(shù)容量，因此便導致導線剩下的也即富裕的參量沒有利用到，這種情況下就造成了一定程度上對電力資源使用的不必要浪費。另一方面對最大允許持續(xù)載流量的認定大多數(shù)都是較為異常的惡劣氣候條件下進行分析計算的。在牽引網(wǎng)負荷的高峰期或者發(fā)生緊急情況時需要對牽引網(wǎng)輸電線路進行動態(tài)增容，需要根據(jù)過去和當前天氣情況去有理論依據(jù)地預測未來一段時間內的天氣變化情況，用以計算相應時間段內的牽引網(wǎng)輸電線路載流量，從而使動態(tài)增容的過程中能夠更加的準確。綜上所述，有必要研究一種能夠較為準確預測未來氣象條件變化的數(shù)學模型。本文中預測方法選用GM(1,1)灰色模型。但是由于影響天氣條件的各種因素繁多且雜亂，因此天氣的不確定性，即灰性是比較強的，而傳統(tǒng)的GM(1,1)模型預測結果不能夠滿足我們想達到的基本精度，故有必要對傳統(tǒng)的GM(1,1)灰色模型進行優(yōu)化改進，通過這些方法來削弱氣象條件帶來的的隨機性和挖掘數(shù)據(jù)之中更多的規(guī)律性，對建立模型的初始數(shù)據(jù)及預測之后的數(shù)據(jù)進行平滑與小幅度增強周期性的處理（也即初始數(shù)據(jù)進行緊鄰均值處理，預測結果數(shù)據(jù)進行傅里葉殘差修正）便能顯著地提升模型的預測精度。選出優(yōu)化后精度最高的GM(1,1)灰色模型計算得出的數(shù)據(jù)結果再去計算未來牽引網(wǎng)載流量。關鍵詞：載流量預測，灰色系統(tǒng)理論，GM(1,1)預測模型及其改進，熱平衡方程目錄摘要 I目錄 IV1緒論 11.1研究背景及意義 11.2國內外研究現(xiàn)狀 11.2.1國內研究現(xiàn)狀 11.2.3國外研究現(xiàn)狀 21.3本文主要研究內容 22考慮天氣不確定性的牽引網(wǎng)載流量計算 32.1牽引網(wǎng)導線的電熱耦合關系 32.1.1熱平衡方程 32.1.2接觸線散熱功率 42.1.3接觸線吸熱功率 52.1.3接觸線阻值 62.2不同外界環(huán)境條件與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系 62.2.1風速與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系 62.2.2風向角與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系 72.2.3環(huán)境溫度與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系 72.2.2海拔與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系 83基于灰色理論的預測方法 103.1灰色理論的產(chǎn)生與發(fā)展 103.2灰色系統(tǒng)理論的基本原理 103.3灰色序列生成 113.3.1累加生成 113.3.2緊鄰均值生成 113.3.3累減生成 113.4GM(1,1)的模型建立 123.4.1檢驗數(shù)據(jù)序列建立GM(1,1)的可行性 123.4.2GM(1,1)模型的建模步驟 123.5天氣預測誤差分析 133.5.1產(chǎn)生誤差的原因分析 133.5.2用相對誤差法計算誤差 143.6基于灰色模型的優(yōu)化改進 143.6.1數(shù)據(jù)序列的平滑處理 153.6.2基于傅里葉級數(shù)的殘差修正的灰色預測模型 153.6.3新陳代謝法改進的灰色預測模型 174算例分析 184.1算例條件 184.2仿真分析 184.2.1仿真步驟 184.2.2傳統(tǒng)灰色模型仿真分析 194.2.3殘差方法改進模型仿真分析 204.2.4新陳代謝優(yōu)化模型仿真分析 214.2.5殘差與新陳代謝組合優(yōu)化改進模型仿真分析 224.3方法選定 22結論 24參考文獻 251緒論電氣化鐵路作為綜合性交通運輸體系的骨干基礎建設和國民經(jīng)濟的命脈，其快速發(fā)展與建設對我國交通運輸方面具有重大意義。我國在鐵路客運量上的需求與日俱增。日前，我國電氣化鐵路的總里程已居于世界首位，這更加證明了電氣化鐵路在我國基礎設施建設中的重要地位。牽引網(wǎng)輸電線路將電力能源輸送至電力機車，使獲得運行能源動力，所以牽引網(wǎng)是電氣化鐵路能高效、安全和穩(wěn)定運營的重要環(huán)節(jié)之一。在負荷高峰期或者發(fā)生緊急情況時，輸電線路的載流量變化就會受到較大影響，此時牽引供電系統(tǒng)就難以保證鐵路的安全穩(wěn)定運行，甚至會發(fā)生嚴重事故。而解決這種情況的常用手段，大多是在設計輸電線路時以較惡劣條件下的固定參數(shù)計算出的載流量為依據(jù)。這種惡劣條件非常少見，故這種手段雖然能大概率避免事故發(fā)生，但是通常情況下的牽引網(wǎng)運行僅需利用導線容量的少部分，輸電線路多出的裕量造成了能源方面的浪費。為響應國家綠色環(huán)保的號召，動態(tài)增容技術發(fā)展的重要性便顯現(xiàn)出來，而外界環(huán)境氣象條件對載流量的影響是在輸電線路上實現(xiàn)動態(tài)增容技術的重要信息。因此，需要根據(jù)當前氣象數(shù)據(jù)條件，預測出未來一段時間內的天氣情況，以計算未來一段時間內牽引網(wǎng)允許載流量。綜上，有必要研究一種能夠準確預測未來氣象變化的數(shù)學模型，為牽引負荷調度提供理論依據(jù)。2考慮天氣不確定性的牽引網(wǎng)載流量計算隨著我國綜合國力的不斷增強，鐵路交通運輸系統(tǒng)作為我國硬實力的重要一環(huán)，運載量與日俱增，這一現(xiàn)象對牽引網(wǎng)日常運營調度的安全、持續(xù)與穩(wěn)定帶來了非常大的挑戰(zhàn)。因此在確保安全性與可靠性的前提下，如何提升牽引網(wǎng)調度效率是一個十分重要且亟需解決的難題。動態(tài)增容便是對這種難題做出應對的技術之一。牽引網(wǎng)導體的運營調度時的溫度是直接對輸電線路產(chǎn)生影響的主要因素之一，它決定著輸電線路流量的實時傳輸容量。外界氣候條件的影響又時時刻刻的作用于相應導線之上。于是考慮到天氣的不確定性，對未來一段時間內天氣條件進行預測，并以此預測到的天氣數(shù)據(jù)。通過處在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的熱平衡方程計算得出牽引網(wǎng)輸電導線在該時間段中的允許載流量預測值。隨后，在不超越現(xiàn)有技術條件下，進行動態(tài)增容可有效提升現(xiàn)有牽引網(wǎng)輸電導線的傳輸效率。2.1牽引網(wǎng)導線的電熱耦合關系正處在運營調度中的牽引網(wǎng)，其輸電線路的電熱關系不僅受自身導線的電阻與電流在工作中所產(chǎn)生的焦耳熱效應的影響，還受到牽引網(wǎng)外界環(huán)境因素（如：風速、風向角、溫度和日照強度等氣候條件有關）。外界環(huán)境對牽引網(wǎng)輸電線路的影響會在導線吸熱和放熱的現(xiàn)象上體現(xiàn)出來，以此來使導線溫度發(fā)生相應升高或降低的變化。由于這些條件的存在，故需要通過熱平衡建立起載流量與導線溫度之間的關系，借此計算得出牽引網(wǎng)允許載流量。圖2.1電熱耦合關系圖2.1.1熱平衡方程牽引網(wǎng)輸電線路再運營調度的過程中會根據(jù)外界環(huán)境情況產(chǎn)生二者間的能量轉換，主要是熱能方面的相互傳遞轉換，也因為這種相互關系使輸電線路溫度受到影響。排除牽引網(wǎng)線路自身材料的因素和輸電過程中一些因素等，僅考慮外界環(huán)境對牽引網(wǎng)的影響，牽引網(wǎng)輸電導線的熱交換是跟本體運營調度所產(chǎn)生的焦耳熱、受光照時的導線吸熱、風速和風向角對導線產(chǎn)生的對流散熱、導線自身的輻射散熱和導線阻值變化等因素相關。所以為了研究載流量變化，就需要以風速、風向角、日照強度、海拔及環(huán)境溫度等變化的因素為自變量的熱平衡方程的穩(wěn)態(tài)形式，得出載流量的計算方法。熱平衡方程：(2.1)式子(2.1)中：為單位長度接觸線質量，單位kg；為接觸線材料的比熱容；接觸線溫度，單位；為單位長度接觸線對流散熱功率，單位W/m；為單位長度接觸線輻射散熱功率，單位W/m；為單位長度接觸線太陽輻射吸熱功率，單位W/m；為牽引網(wǎng)運營調度時接觸線的電流，單位A；為接觸線溫度為時對應的接觸線阻值，單位。對方程進行整理：(2.2)當熱平衡達到穩(wěn)態(tài)時，于是穩(wěn)態(tài)的熱平衡如下式：(2.3)根據(jù)式2.3可求出接觸線允許載流量：(2.4)2.1.2接觸線散熱功率對流散熱功率對流散熱在不用條件下有兩種方式，其一是在有風條件下的強制對流散熱，另一種是在風速為0m/s時的接觸線自然散熱。強制對流時(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)(2.11)上述公式中：為牽引網(wǎng)接觸線外徑，單位mm；為外界環(huán)境的空氣密度，單位kg/m3；為風速，單位m/s；為空氣粘度，單位；為熱傳導率，單位；為風向系數(shù)；為風向角，單位deg；為接觸線所處海拔高度，單位m。其中根據(jù)IEEE.738標準對于對流散熱功率與中取最大值作為計算載流量的值。②自然對流時(2.12)輻射散熱功率當牽引網(wǎng)接觸線溫度高于外界環(huán)境溫度時，由于熱傳遞效應會向外界散發(fā)熱量，這種效應直到內外恒溫才會停止。這種現(xiàn)象下便形成了輻射散熱功率。(2.13)式中：：輻射散熱系數(shù)。2.1.3接觸線吸熱功率(1)日照吸熱功率受太陽光照射下的牽引網(wǎng)接觸線依舊會產(chǎn)生熱能。受熱能影響的吸熱功率大小與下式中各因素有關。僅受海拔水平和太陽光照射方面的影響，日照吸熱功率通常為一個定值。(2.12)(2.15)(2.16)(2.17)(2.18)式中：為日照強度，單位W/m2；為太陽光線照射的有效入射角度，單位；為單位長度接觸線太陽光線照射下的有效投影面積，單位mm2；為日照吸熱系數(shù)；的值參照IEEE.738標準；為陽光與平面夾角，單位deg；為太陽光照射投影下與該段接觸線之間的方位角，單位deg；為接觸線在光線下的投影與該段接觸線之間的方位角，單位deg。2.1.3接觸線阻值牽引網(wǎng)接觸線在進行正常計算時，通常是將某區(qū)段接觸線與其他區(qū)段的溫差平均化，再去計算其電阻。公式如下：(2.18)式中：為導線溫度，單位；為溫度下的電阻值，單位；為接觸線電阻的溫度系數(shù)。2.2不同外界環(huán)境條件與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系由圖2.1看出，各種環(huán)境因素通過熱傳遞效應對接觸線吸熱和放熱功率產(chǎn)生影響，進而影響了接觸線溫度，最后導致接觸線載流量的變化。本節(jié)根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱平衡方程分析出四種環(huán)境因素與接觸線載流量之間的關系。2.2.1風速與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系由2.1.2可知風速會很大程度上影響導線的對流散熱功率進而影響線路的電熱平衡關系，而處在各種地理位置的接觸線也會受到不同風速的影響。在研究風速與接觸線載流量關系時設置風速為自變量，載流量為因變量，將其他環(huán)境條件(如風向角、環(huán)境溫度、和海拔)設置為固定參數(shù)。最后用風速0m/s~10m/s為自變量范圍對二者關系進行分析。圖2.2風速與載流量關系如圖2.2所示，在其他環(huán)境因素不變的前提下，隨著風速不斷加快會導致載流量逐漸升高。這一現(xiàn)象產(chǎn)生時因為在熱平衡方程中，對流散熱功率與載流量呈正相關。而在對流散熱功率的計算中，風速越快使得對流散熱功率越大，因此風速與載流量也是正相關的關系。2.2.2風向角與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系風向角同樣對接觸線載流量產(chǎn)生影響，由2.7看出，風向角的變化會引起風向系數(shù)的變化進而影響對流散熱功率，間接影響載流量。因此，固定風速、海拔、以及環(huán)境溫度等因素的參數(shù)值，分析風向角在范圍內的變化與接觸線載流量之間的關系。仿真分析結果如下圖圖2.3風向角與載流量關系從仿真分析結果看出，風向角與載流量呈正相關，在隨著風向角從逐漸增大，牽引網(wǎng)載流量也在逐漸升高。此現(xiàn)象是因為風向角增大會影響風向系數(shù)的增大，接著會使對流散熱功率的增加進而影響載流量增加。從仿真結果的趨勢來看，隨著風向角的遞增，每相鄰載流量之間變化的增加量逐漸變小也就是受到風向角影響的程度減小。2.2.3環(huán)境溫度與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系牽引網(wǎng)接觸線所處的環(huán)境溫度受到如地理位置、季節(jié)變化與晝夜溫差等諸多因素的影響。設置風速、風向角及海拔高度等因素為固定參數(shù)，分析在的變化范圍內環(huán)境溫度與接觸線載流量的關系。仿真分析結果如下：圖2.2環(huán)境溫度與載流量關系由仿真分析結果看出環(huán)境溫度的變化與載流量變化關系呈負相關，環(huán)境溫度越高使得載流量減小。從2.1.2中可得知隨著環(huán)境溫度的升高會導致接觸線溫度與外界溫差降低、空氣粘度提高、熱傳導率提升、空氣密度的升高和輻射散熱功率的減小。綜合來看，環(huán)境溫度的升高會使散熱功率減小進而使接觸線的載流量遞減。2.2.2海拔與牽引網(wǎng)接觸線載流量的關系各地牽引網(wǎng)所處的海拔水平不同，尤其是海拔相差較大的地區(qū)之間，故需要分析不同海拔水平下的牽引網(wǎng)接觸線載流量變化。于是，將環(huán)境溫度、風速以及風向角等因素設置為固定參數(shù)，分析范圍內的海拔變化引起的載流量變化。仿真分析結果如下：圖2.5海拔與載流量關系由仿真分析可以看出，海拔水平的變化與接觸線載流量呈負相關關系，隨著海拔水平的提升接觸線載流量逐漸遞減。根據(jù)2.1.3中看出海拔水平與日照吸熱功率之間有緊密聯(lián)系。海拔水平的升高會使得日照吸熱系數(shù)的提高，日照吸熱功率便隨之升高，進而影響接觸線載流量的減小。3基于灰色理論的預測方法為使鐵路交通系統(tǒng)可以高效持續(xù)穩(wěn)定的進行運營調度，對于牽引網(wǎng)允許載流量的把控是很重要的一環(huán)。而外界環(huán)境氣候條件的實時變化對于牽引網(wǎng)允許載流量的影響是不可被忽視的。通常意義上，牽引網(wǎng)的最大允許載流量是在異常惡劣的天氣條件下擬定的，但由于這種天氣氣候情況十分罕見，如以此為前提條件會造成許多不必要的能源浪費。為響應國家節(jié)約能源的號召，對輸電線路進行動態(tài)增容改變供電系統(tǒng)的調度狀態(tài)以應對天氣不確定性情況。因此就需要對不確定性較強的天氣條件進行提前預測，便選取基于灰色理論的灰色(Grey)模型(Model)也即GM(1,1)預測模型對氣象條件進行預測，進而計算得出牽引網(wǎng)允許載流量據(jù)此數(shù)據(jù)實現(xiàn)動態(tài)增容。3.1灰色理論的產(chǎn)生與發(fā)展我國的鄧聚龍教授于1980年提出了灰色理論，這便是灰色理論產(chǎn)生的由來。灰色理論是系統(tǒng)性思想在進一步發(fā)展上的一種更深層次的挖掘，灰色理論無論是在工程、理論還是人文社會科學的等方向的研究之中都受到廣泛的應用。為工程界的很多問題和難題提供了解決方法。3.2灰色系統(tǒng)理論的基本原理灰色理論基本原理：基本原理1：信息的差異性原理任何事物之間的信息都存在相互差異，也正是由于這種相互差異的存在，故使我們更加熟悉、了解和挖掘世界的更多信息。基本原理2：解的不唯一性原理不確定或不完全的系統(tǒng)信息的解不唯一。基本原理3：認知的根本是信息對事物中已知所含有信息的認知質量及認知水平，會直接或者間接的影響人們對事物本身甚至事物周圍的認知程度。基本原理4：使用最少的信息利用已知并且已得到的最稀少信息量，從中充分挖掘其內涵的潛在信息并對其擁有的價值進行開發(fā)與利用是灰色系統(tǒng)理論的主要特點。基本原理5：新信息替換舊信息新信息參考利用的價值高于舊信息，因此在灰色理論模型預測的應用實踐過程中，新信息相比于舊信息應該得到更高的優(yōu)先級，便可較大程度提升模型預測的準確性。基本原理6：灰性絕對存在任意事物之間都是相互影響和相互聯(lián)系的，但人們可知信息根本上來講都是不具有完全性與確定性的，即使是完整信息也只是相對的，每消除任一不確定性的同時，又會引入新的不確定性。因此灰色不滅性質的存在是客觀的并且是絕對的。3.3灰色序列生成灰色模型的累加與累減生成分別對應了傳統(tǒng)灰色模型建立的開始與結尾兩個過程，對數(shù)據(jù)進行累加生成后，經(jīng)由一系列的數(shù)學計算過程得到的數(shù)據(jù)，需要進行累減還原。3.3.1累加生成 累加生成是建立GM(1,1)模型的重要方法之一，目的是在于降低數(shù)據(jù)中的隨機性和不規(guī)律性，從而挖掘數(shù)據(jù)的內在潛力尋求數(shù)據(jù)序列的規(guī)律性。方法：先是令初始數(shù)據(jù)序列的頭一位數(shù)據(jù)作為新搭建的數(shù)據(jù)序列的頭一位數(shù)據(jù)，緊接著初始數(shù)據(jù)序列的頭兩位累加作為第二位新搭建序列中第二位，再令初始數(shù)據(jù)序列的頭三位原序列的的數(shù)據(jù)進行累加作為第三位新搭建序列的第三位，依此類推最終產(chǎn)生的新序列就是累加生成序列。初始數(shù)據(jù)序列如下：(3.1)設累加生成的序列為：(3.2)與的關系滿足如下式：(3.3)3.3.2緊鄰均值生成緊鄰均值以初始數(shù)據(jù)序列為根本元素構造出新序列，用于填補數(shù)據(jù)序列的空白處，使數(shù)據(jù)序列完整。(3.4)3.3.3累減生成累減生成計算原理是相對于累加生成計算原理的逆運算，這一步的目的是將數(shù)據(jù)序列還原。令初始數(shù)據(jù)序列中相鄰的兩個數(shù)據(jù)作一次減法計算（用相鄰數(shù)據(jù)的后一項減去前一項），依此類推生成新的數(shù)據(jù)序列，即稱為累減生成序列。方法如下：設是經(jīng)過n次生成的數(shù)據(jù)序列。對進行n次累減，記作：i.LAGO。所以一次累減i=LAGO為：(3.5)3.4GM(1,1)的模型建立3.4.1檢驗數(shù)據(jù)序列建立GM(1,1)的可行性關于GM(1,1)模型的建立過程中，對作為初始數(shù)據(jù)序列的篩選也至關重要。要從歷史已知數(shù)據(jù)中找到具有權威性且一組波動相對平穩(wěn)的數(shù)據(jù)作為灰色預測模型的初始數(shù)據(jù)，這會在一定程度上有助于模型精度的提升。而一組波動劇烈的數(shù)據(jù)對模型預測精度會對預測過程造成很大的誤差。設為初始數(shù)據(jù)序列：(3.6)計算得出數(shù)列級比是：(3.7)如果所有的級比都滿足區(qū)間內則初始序列可以建立GM(1,1)預測模型或將對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。3.4.2GM(1,1)模型的建模步驟步驟1.令初始數(shù)據(jù)序列累加生成如下新序列為：(3.8)步驟2.定義灰導數(shù)為：(3.9)步驟3.為式子（3.7）的鄰值生成數(shù)列得(3.10)取0.5，因此定義GM(1,1)的灰色微分方程為(3.11)d：發(fā)展系數(shù)，白化背景值，g：灰色作用量，：灰導數(shù)。步驟4.令k=2，3，，n代入上式得(3.12)并將其代入矩陣向量

(3.13)得(3.14)步驟5.使用最小二乘法求解d與g的值(3.15)步驟6.建立GM(1,1)的白化微分方程為(3.16)也為GM(1,1)的白化微分型步驟7.將解得和代入公式(3.14)得(3.17)步驟8.對(3.15)進行累減還原即得到預測值(3.18)3.5天氣預測誤差分析3.5.1產(chǎn)生誤差的原因分析在對天氣的預測過程中，其預測結果的準確性會受到實際上客觀存在的諸多因素相互作用下的共同影響，哪怕是再精確或是先進的天氣預測模型都無法避免實際值與預測值之間的誤差。因為誤差是再任何領域都客觀真實存在的，所以我們要找到產(chǎn)生誤差的原因，對其進行理論分析，并且選用合適的方法削弱這些因素對預測結果精確度的影響，進而提高模型的準確性。對可能產(chǎn)生預測誤差的幾種原因進行分析：①儀器誤差：在測取風速時，選用的風速表作為測量儀器。而在測量過程中，風向及風速的及時改變，會導致風速表測量數(shù)據(jù)準確性下降；而在長時間連續(xù)的測量狀態(tài)下，由于電路原理導致顯示數(shù)據(jù)不準確等等因素下，都會使儀器在操作時產(chǎn)生不可避免的誤差。②方法誤差：選取最有效和最準確的預測方法是工作人員進行預測過程中非常重要的環(huán)節(jié)與難題之一。天氣中的風速受諸多不確定性因素的影響，如果選擇不契合的本次預測需求準確度的方法而獲取的預測值與實際值的誤差可能會較大，進而影響之后使用該值導致的一系列問題。③偶然誤差：一方面，由于氣候本身就是未知的，所以突發(fā)狀況方面也比較多，像是極惡劣天氣條件下，再精確的儀器也無法對當下惡劣條件做出下一步的準確判斷。另一方面，在搭建模型或者計算過程中出現(xiàn)偏差，可能會導致整個結果的較大誤差。④樣本誤差：對風速進行單獨預測，不同海拔水平、不同溫度、不同風向及不同氣壓等都會是取得樣本值的準確性產(chǎn)生一定的誤差。3.5.2用相對誤差法計算誤差原始數(shù)據(jù)序列為(3.19)預測值序列為(3.20)絕對誤差為(3.21)相對誤差M為(3.22)3.6基于灰色模型的優(yōu)化改進 在對天氣條件進行預測之前，根據(jù)所采集的樣本數(shù)據(jù)的離散程度或者稍有單調性質，亦或天氣的不確定性帶來的急劇變化，都會給傳統(tǒng)的GM(1,1)灰色系統(tǒng)預測模型的準確性帶來較大的影響。如何降低數(shù)據(jù)本身含有的各種不確定性因素所帶來的問題？對此，在灰色模型發(fā)展與使用過程中為提高預測精度，研究出來許多種方法（如：數(shù)據(jù)平滑處理、背景值修正、灰色導數(shù)優(yōu)化、傅里葉殘差修正、關聯(lián)度加權和新陳代謝等）對模型進行優(yōu)化與改進。對于預測天氣的灰色模型主要對其初始數(shù)據(jù)序列進行平滑處理、基于傅里葉級數(shù)的殘差修正及新陳代謝法對模型進行優(yōu)化與改進。3.6.1數(shù)據(jù)序列的平滑處理灰色系統(tǒng)模型GM(1,1)是需要以歷史實際數(shù)據(jù)為前提條件進行對未來數(shù)據(jù)預測的。因此在記錄這些歷史數(shù)據(jù)時，不可避免的會受到諸多方面因素的影響，或是人為因素，亦或是數(shù)據(jù)本身狀況等，都會使歷史數(shù)據(jù)被干擾，進而導致預測結果產(chǎn)生較大偏差。對此，可以提前對初始數(shù)據(jù)做一些處理，使其減少隨機性，從而相應的增強規(guī)律性。這樣基于平滑處理后的初始數(shù)據(jù)，GM(1,1)模型在數(shù)據(jù)方面受到影響的情況就減輕了許多。設初始數(shù)據(jù)序列對序列中相鄰的三個數(shù)據(jù)進行平滑處理(除去首尾數(shù)據(jù)和)即(3.23)對(3.24)(3.25)生成新的數(shù)據(jù)序列。,以此代替作為GM(1,1)的灰色預測序列。3.6.2基于傅里葉級數(shù)的殘差修正的灰色預測模型模型的搭建方法相對簡單，預測準確性較好，對初始數(shù)據(jù)的數(shù)量要求不高是GM(1,1)模型所有具有的特點。不過礙于氣候條件的多變以及不可控的特質，已知氣象數(shù)據(jù)攜帶的噪聲干擾（也即離散的程度）很強。傅里葉級數(shù)的頻率呈現(xiàn)周期性，只要數(shù)據(jù)存在規(guī)律性（也即周期）即使很小，通過傅里葉級數(shù)展開都可以挖掘出周期信號。因此使用傅里葉級數(shù)做數(shù)學方面的分析可以通過其獲得對各種頻率的正余弦波信號的響應后，再以此抵抗或者是削弱數(shù)據(jù)中的噪聲，挖掘潛在的規(guī)律性。因此用這種方法對GM(1,1)模型進行改進。能產(chǎn)生有效的降噪效果，進而可以提高模型預測結果的準確性。具體方法如下：首先設初始數(shù)據(jù)序列：(3.26)并通過建立傳統(tǒng)灰色模型計算出預測數(shù)據(jù)序列：(3.27)接著計算殘差：(3.28)建立殘差序列：(3.29)因為數(shù)據(jù)序列屬于實值函數(shù)故可以寫成如下傅里葉的變換形式：(3.30)其中,,“[]”表示取整，是正余弦周期性波動信號各自對數(shù)據(jù)修正的個數(shù)。搭建矩陣：(3.31)(3.32)(3.33)于是有：(3.34)使用最小二乘法求解得到：(3.35)得出ai與b經(jīng)過改進得出：(3.36)(3.37)R為最后傅里葉殘差修正后的數(shù)據(jù)預測序列。3.6.3新陳代謝法改進的灰色預測模型根據(jù)灰色理論原理5：新信息替代舊信息是關于灰色理論方面一個非常重要的理論支撐，提出新信息的優(yōu)先級要高于舊信息的優(yōu)先級，新信息更加具有潛在價值。隨著時間的推移舊信息的價值挖掘枯竭之后便失去了提供信息的潛力。當今氣象實時監(jiān)測系統(tǒng)十分完善，測得實時數(shù)據(jù)準確性很高，因此新的天氣數(shù)據(jù)的潛在信息價值非常大而且可靠，故新陳代謝法是基于灰色理論改進預測天氣的灰色模型的較為優(yōu)越的方法之一。具體方法如下：首先建立原始數(shù)據(jù)序列：(3.38)根據(jù)傳統(tǒng)預測模型求得預測值：(3.39)將預測值中的最后一項(也即最新數(shù)據(jù))替換掉原序列中第一項(也即最舊一項)，便得到新建立數(shù)據(jù)序列：(3.40)最后在用新序列通過灰色模型計算得出預測值：(3.41)依此類推不斷的進行新城代謝循環(huán)，新老交替是自然界的規(guī)律，從自然中提取到的信息以自然的規(guī)律去挖掘其潛在價值是極其合理的，所以新陳代謝法是優(yōu)化并且改進灰色模型的最優(yōu)質方法之一。4算例分析4.1算例條件在以風速為計算載流量唯一自變量時，其他參數(shù)均取固定值，具體數(shù)值如下表4.1所示。表4.1各固定參數(shù)取值固定參數(shù)名稱取值風向角45deg溫度20海拔水平1500m日照強度900W/m2導線直徑14.4mm 4.2仿真分析根據(jù)第二章分析各環(huán)境因素與載流量之間關系的分析，得出風速對載流量變化的影響較高于其他因素。故以風速為自變量，每隔10分鐘記錄一次蘭州市某天10：00-12：00時間段內的風速值，將前80分鐘的8個風速數(shù)據(jù)作為灰色模型的初始數(shù)據(jù)，預測下面時段內的風速變化并與實際數(shù)據(jù)進行對比分析。載流量為因變量，通過穩(wěn)態(tài)情況下的熱平衡方程建立與風速之間的聯(lián)系，以此作為計算載流量的依據(jù)。使用Matlab仿真軟件對四種灰色模型進行仿真分析。4.2.1仿真步驟使用Matlab軟件編程。選擇一組風速數(shù)據(jù){0.95,0.81,0.81,0.97,0.88,0.80,0.85,0.93}并根據(jù)3.4.1節(jié)的檢驗方法計算其級比為{1.17,1.00,0.84,1.10,1.10,0.94,0.91}均在可行區(qū)間(0.80,1.25)內，因此數(shù)據(jù)合理可以構建灰色模型，無需平滑處理。首先判斷是否有新陳代謝的需要，接著建立傳統(tǒng)灰色模型，若沒有其運行結果與實際數(shù)據(jù)對比即為本章4.2.2節(jié)所示，若有則為4.2.4節(jié)分析內容。其次，對傳統(tǒng)模型進行殘差修正，若不進行新陳代謝結果如4.2.3節(jié)所示，若進行新陳代謝結果如4.2.4節(jié)所示。具體流程如下圖：圖4.1灰色模型及其優(yōu)化改進流程4.2.2傳統(tǒng)灰色模型仿真分析圖4.2傳統(tǒng)模型仿真分析由仿真結果可以看出傳統(tǒng)灰色模型的預測結果會從某次開始趨向于單調性(在此模型中趨于一條單調遞增的直線)。從長遠角度考慮，當初始數(shù)據(jù)潛在價值消耗殆盡，傳統(tǒng)模型的預測結果會出現(xiàn)較大偏離。故該模型只在預測某些呈現(xiàn)遞增或遞減的信號趨勢且數(shù)據(jù)波動相對簡單的數(shù)據(jù)具有一定的準確性，顯然在預測天氣條件方面?zhèn)鹘y(tǒng)灰色模型計算的結果并不能提供足夠精度。4.2.3殘差方法改進模型仿真分析圖4.3殘差修正仿真分析如圖所示，殘差修正預測有一段明顯凸起，表示預測值與實際值出現(xiàn)偏差較大的現(xiàn)象，根據(jù)2.2.1殘差修正原理中所述，傅里葉級數(shù)是周期性函數(shù)在改進過程中，僅是使預測值獲得周期的信號頻域響應進而消除噪音，從長期預測角度看殘差修正具有非常好的穩(wěn)定性，對長期預測適用性更高。但是在從短期預測角度看諸如風速這種天氣數(shù)據(jù)實時性質更加重要，過舊信息對于短期預測值的參考價值不高。作為初始序列的數(shù)據(jù)總量不足，隨著預測次數(shù)增加使得初始數(shù)據(jù)的潛在價值挖掘殆盡，計算出的隨機誤差適用性也隨之減小。從前幾次預測結果觀察來看，數(shù)據(jù)擬合程度很高，表明殘差修正方法對噪音消除是有效率的。因此只要在殘差修正方法基礎上，增加數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系就可以進一步的提高模型精度。4.2.4新陳代謝優(yōu)化模型仿真分析圖4.4新陳代謝仿真分析根據(jù)仿真結果可看出實際數(shù)據(jù)與新陳代謝法預測數(shù)據(jù)擬合程度相對于傳統(tǒng)模型而言得到了優(yōu)化。對于天氣預測來說，實時信息的數(shù)據(jù)很重要，而現(xiàn)有技術手段在氣象采集方面也足夠準確，基本上可以滿足各種活動對氣象信息的需求。因此新陳代謝的方法對天氣預測模型的適用性相對較強。4.2.5殘差與新陳代謝組合優(yōu)化改進模型仿真分析圖4.5組合優(yōu)化仿真分析從仿真結果看出兩數(shù)據(jù)曲線的擬合程度很高，并且圖像走勢接近。結合了殘差修正以及新陳代謝的良好性質，不但能有效抵消部分噪音的影響，而且加強了數(shù)據(jù)相互之間的聯(lián)系與本身的潛在價值。對于預測天氣的灰色模型來說，使用組合優(yōu)化的方更法具有穩(wěn)定性和準確性。4.3方法選定從各種氣象因素與載流量之間關系看出，風速變化對載流量的變化影響要超過其他三種因素帶來的影響。因此，本文主要是對風速預測再對載流量進行計算等到載流量的預測值。選用殘差修正與新陳代謝組合模型得到的預測值去計算牽引網(wǎng)接觸線的載流量，已知牽引網(wǎng)允許載流量是在穩(wěn)態(tài)熱平衡下的電流值。在風向角、環(huán)境溫度及海拔等因素為固定參數(shù)的前提下對載流量進行計算。對11：30-12：10時間段內預測值與實際值進行相對誤差分析。計算結果如下表4.2所示：表4.2預測載流量（A）實際載流量（A）相對誤差645.93638.57650.49653.58648.50648.11642.95646.60653.15650.80-0.34%-0.68%0.60%0.07%-0.35%

結論考慮天氣不確定性的牽引網(wǎng)載流量預測是可以保障電氣化鐵路運營調度管理可靠性、安全性與穩(wěn)定性的重要一環(huán)。通過對載流量的預測提前進行動態(tài)增容，既能提高牽引網(wǎng)運營調度效率和減少能耗損失，又可以增強安全性能。除卻牽引網(wǎng)本身材料和結構問題，外界氣候條件對牽引網(wǎng)的影響至關重要。而風速對牽引網(wǎng)接觸線影響相比其他環(huán)境因素要大。因此，本文對首先是以穩(wěn)態(tài)情況下熱平衡方程為理論依據(jù)，使用matlab仿真分析各環(huán)境因素與載流量的關系，得出風速對載流量的影響要高于大多數(shù)環(huán)境因素。接下來便以蘭州市某天某時間段的風速數(shù)據(jù)為首要考慮的天氣不確定因素進行預測，具體預測方法選擇了模型構建簡潔、預測精度相對更高的GM(1,1)模型進行對風速的預測。為使模型的預測精度得以進一步提高，以一組蘭州市某天某段時間內風速為實際數(shù)據(jù)，對未來某一時間段的風速進行預測，使用matlab仿真分析了幾種模型改進方法。最終通過對比選用與實際數(shù)據(jù)最契合的殘差修正與新陳代謝組合預測方法對風速進行預測，計算出對應載流量。為動態(tài)增容技術提供理論支持。參考文獻[1]孫立軍,蘇照旭,田銘興.牽引網(wǎng)輸電導線溫度及其載流量預測[J].蘭州交通大學2020,39(06):58-64+72.[2]劉剛,阮班義,林杰,楊敏,張鳴,許志澄.架空導線動態(tài)增容的熱路法穩(wěn)態(tài)模型[J].華南理工大學,2013,39(05):1107-1113.[3]陳紅保.基于灰色模型的電網(wǎng)負荷預測方法研究[D].保定:華北電力大學,2016.[4]劉洪志.改進的灰色模型在縣域配電網(wǎng)負荷預測中的應用[D].濟南:山東大學,2019.[5]IEEEStandardforCalculatingtheCurrent-TemperatureRelationshipofBareOverheadConductors,IEEEStandardpp.738,2012.[6]張俊騏,吳命利.電氣化鐵路接觸網(wǎng)載流量計算方法[J].鐵道學報,2015(37):40-45.[7]侯宇,王偉,韋徵,鄧小君,姬秋華,王彤.輸電線路動態(tài)增容技術研究及應用[J/OL]電力系統(tǒng)自動化:1-13[2021-05-14].[8]付善強.架空導線載流量概率預測方法研究[D].濟南:山東大學,2019.[9]孫立軍,張若鵬,田銘興,張慧英,王黎.考慮地理氣候因素影響的接觸網(wǎng)綜合載流量計算方法及其應用[J/OL].電網(wǎng)技術:1-10[2021-05-14].[10]馬曉明,范春菊,胡天強,胡炎,邰能靈.基于周期殘差修正灰色模型的輸電線路載流量的預測與分析[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2012,40(19):19-23.附錄部分Matlab代碼symsdevgrey;n=length(E);u=[devgrey]';x0=[0.88,0.80,0.85,0.93,0.88,0.84,0.90,0.92];n=length(x0);x1=cumsum(x0);fori=2:nz(i)=(x1(i)+x1(i-1))/2;endz(1)=[];T=[-z;ones(1,n-1)]';Y=x0;Y(1)=[];Y=Y';u=inv(T'*T)*T'*Y;u=u';dev=u(1);grey=u(2);P=[];P(1)=x0(1);fori=2:(n+1)P(i)=(x0(1)-grey/dev)/exp(dev*(i-1))+grey/dev;endQ=[];Q(1)=x0(1);fori=2:(n+1)Q(i)=P(i)-P(i-1);endO=Q(1:n);E=x0-O;E1=E;E1(1)=[];V=n-1;N=fix(1/2*(n-1)-1);ifN==2f=2:n;c1=cos(2*pi/V*f);c2=cos(2*pi*2/V*f);c3=cos(2*pi*3/V*f);c4=cos(2*pi*4/V*f);s1=sin(2*pi/V*f);s2=sin(2*pi*2/V*f);s3=sin(2*pi*3/V*f);s4=sin(2*pi*4/V*f);A=[0.5*ones(n-1,1),c1',s1',c2',s2',c3',s3',c4',s4'];H=[A'*A]\A'*E1';y=2:n+1;B1=0.5*H(1)+cos(2*pi/V*y)*H(2)+sin(2*pi/V*y)*H(3)+cos(2*pi*2/V*y)*H(4)+sin(2*pi*2/V*y)*H(5)+cos(2*pi*3/V*y)*H(6)+sin(2*pi*3/V*y)*H(7)+cos(2*pi*4/V*y)*H(8)+sin(2*pi*4/V*y)*H(9);B2=[0,B1];D=Q+B2;D;elseEnd代碼2clcclearcloseallD=14.4;e=0.5;a=0.5;Q_s=900;T_c=90;dZ=45;AA=14.4*10^-3;T_a=20;f=45;H_c=900;R_Tc=0.17288*10^-3;V_w1=0:0.1:10;n=length(V_w1);r=zeros(1,n);fori=1:nV_w=V_w1(i);T_film=(T_c+T_a)/2;k_angle=1.194-cosd(f)+0.194*cosd(2*f)+0.368*sind(2*f);u_f=(1.458*10^-6*(T_film+273)^1.5)/(T_film+383.4);p_f=(1.293-1.525*10^-4*H_c+6.379*10^-9*H_c^2)/(1+0.00367*T_film);k_f=2.424*10^-2+7.447*10^-5*T_film-4.407*10^-9*T_film^2;q_c2=0.01195*(D*p_f*V_w/u_f)^0.6*k_f*k_angle*(T_c-T_a);q_c1=(1.01+0.0372*(D*p_f*V_w/u_f)^0.52)*k_f*k_angle*(T_c-T_a);q_c=max(q_c1,q_c2);q_r=0.0178*D*e*(((T_c+273)/100)^4-((T_a+273)/100)^4);K_solar=1+1.148*10^-4*H_c-1.108*10^-8*H_c^2;Q_sc=K_solar*Q_s;s=acosd(cos(H_c)*cosd(dZ));q_s=a*Q_sc*sind(s)*AA;I=sqrt((q_c+q_r-q_s)/R_Tc);r(i)=I;endplot(V_w1,r,'r')xlabel('風速(m/s)')ylabel('載流量（A)')摘要近年來，鐵路事業(yè)快速發(fā)展，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)日益受到各界人士的高度關注。此系統(tǒng)是基于車站聯(lián)鎖系統(tǒng)之上，結合網(wǎng)絡安全技術形成的具有集成化，智能化，網(wǎng)絡化功能的信號控制系統(tǒng)。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)用一套主聯(lián)鎖設備，對不同車站進行聯(lián)鎖運算和聯(lián)鎖集中控制。計算機聯(lián)鎖是在6502繼電聯(lián)鎖的基礎上發(fā)展形成的，實現(xiàn)對車站的集中控制，計算機聯(lián)鎖實現(xiàn)邏輯運算是通過相應的程序實現(xiàn)的，計算機聯(lián)鎖是6502繼電聯(lián)鎖發(fā)展的產(chǎn)物，相比于6502繼電聯(lián)鎖有顯著的優(yōu)勢，對6502電路中影響安全和效率的缺陷通過計算機的手段都有所提升和改善，從而大大提高了行車效率，改善了行車安全性，并且使得鐵路運輸能力大幅提升，推動鐵路運輸事業(yè)穩(wěn)健長效發(fā)展。本設計以VS2013為開發(fā)平臺，采用經(jīng)典的C++語言進行編程，以車站聯(lián)鎖系統(tǒng)控制原理為依據(jù)等，建立所需的數(shù)據(jù)結構，基于此展開了祿豐南站的計算機聯(lián)鎖仿真分析。清晰直觀地展示祿豐南站的站場圖，軌道區(qū)段占用狀態(tài)、空閑狀態(tài)，以及故障狀態(tài)下的光帶顯示，信號開放，信號關閉時信號燈的狀態(tài)變化，及道岔單操、單鎖、單解的狀態(tài)變化及檢驗進路辦理和解鎖等功能。關鍵詞：6502繼電聯(lián)鎖；計算機聯(lián)鎖；控制論文類型：軟件工程

AbstractAtpresent,astherapiddevelopmentofrailwayindustry,thecomputerinterlockingsystemhasbeenpaidmoreandmoreattention.Computerinterlockingsystemisasignalcontrolsystemwithintegrated,intelligentandnetworkedfunctions,whichisbasedonstationinterlockingsystemandcombinedwithnetworksecuritytechnology.Thecomputerinterlockingsystemusesasetofmaininterlockingequipmenttocarryoutinterlockingcalculationandinterlockingcentralizedcontrolfordifferentstations.Computerinterlockingisdevelopedonthebasisof6502relayinterlocking,whichrealizesthecentralizedcontrolofthestation.Thelogicoperationofcomputerinterlockingisrealizedthroughthecorrespondingprogram.Computerinterlockingistheproductofthedevelopmentof6502relayinterlocking,whichhassignificantadvantagesover6502relayinterlocking,Thedefectsof6502circuitthataffectthesafetyandefficiencyhavebeenimprovedbymeansofcomputer,whichgreatlyimprovesthetrafficsafetyandefficiency,greatlyimprovestherailwaytransportationcapacity,andbettermeetstheneedsofrailwaytransportation.Thisdesigntakesvs2013asthedevelopmentplatform,adoptstheclassicC++language,basedonthecontrolprincipleofstationinterlockingsystem,preliminarilydefinesthedataofstationyarddiagramandroutetableintheformofdatastructure,andbasedonthis,unfoldsthecomputerinterlockingsimulationanalysisofLufengsouthstation.Itcanclearlyandintuitivelydisplaythestationyarddiagram,tracksectionoccupationstate,idlestate,lightbanddisplayunderfaultstate,statechangeofsignallampwhensignalisopenandclosed,statechangeofsingleoperation,singlelockandsinglereleaseofturnout,andcheckroutehandlingandunlocking.Keywords:6502relayinterlocking,computerinterlocking,control

目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1計算機聯(lián)鎖的發(fā)展歷程 11.2計算機聯(lián)鎖的研究意義 11.3國內計算機聯(lián)鎖的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題 11.4國內計算機聯(lián)鎖的發(fā)展趨勢 21.5祿豐南站計算機聯(lián)鎖仿真軟件設計的主要內容 22計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構 32.1計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結構 32.2計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件結構 33數(shù)據(jù)結構 53.1信號設備的數(shù)據(jù)結構 53.1.1信號機的數(shù)據(jù)結構 53.1.2無岔區(qū)段和道岔區(qū)段的數(shù)據(jù)結構 63.1.3功能按鈕框的數(shù)據(jù)結構 93.2進路表的數(shù)據(jù)結構 94仿真軟件具體設計 124.1功能按鈕有效性檢測 124.2道岔動作功能 124.3進路選排功能 124.3.1進路區(qū)段（道岔區(qū)段和無岔區(qū)段）空閑檢查和道岔位置檢查 144.3.2進路鎖閉檢查 154.3.3信號開放 164.4信號重開功能 174.5進路取消解鎖功能 174.6進路人工解鎖解功能 184.7區(qū)段故障解鎖功能 194.8正常解鎖功能 205軟件測試各功能的實現(xiàn) 225.1人機界面顯示 225.2道岔動作的實現(xiàn) 235.3進路辦理的實現(xiàn) 255.4進路解鎖的實現(xiàn) 275.4.1正常解鎖的實現(xiàn) 275.4.2總人工解鎖的實現(xiàn) 275.4.3進路取消解鎖的實現(xiàn) 28結論 30致謝 31參考文獻 321緒論1.1計算機聯(lián)鎖的發(fā)展歷程70年代左右，西方國家著力探索計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)；“1987年瑞典首先在哥德堡車站使用了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)”[1]“鐵道部通信信號總公司研究設計院研制的用于廠礦鐵路的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)于1984年元旦投入使用”[1]“鐵道部科研制的駝峰編組場尾部計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，是國家科研項目，1989年末通過鑒定并應用于鄭州北編組站”[1]“在鐵道部發(fā)布“九五”規(guī)劃中，明確表示，要大力推進算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的研發(fā)和應用，促進我國干線鐵路車站逐步朝著智能化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。”[1]1.2計算機聯(lián)鎖的研究意義計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)相比繼電聯(lián)鎖系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢：減少繼電器檢修工作量；減少系統(tǒng)的工作量，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)設計，系統(tǒng)施工的部分；減少建筑使用面積；分布式系統(tǒng)結構，節(jié)省干線電纜降低工程造價；提升系統(tǒng)的可靠性和安全性。計算機聯(lián)鎖采取的是無接點電路，它的優(yōu)勢就在于處理速度非常快，明顯超過以往邏輯運算的速度，能更加及時的發(fā)現(xiàn)漏洞，處理漏洞；更加智能化和網(wǎng)絡化；計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)更加標準化，通用化。1.3國內計算機聯(lián)鎖的發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題自從計算機聯(lián)鎖問世以來，發(fā)展勢頭迅猛，其功能日臻成熟。不過它依舊存在諸多缺陷，尚待進一步改良和優(yōu)化。操作界面和操作方法不統(tǒng)一：計算機聯(lián)鎖相比于6502繼電集中聯(lián)鎖很大程度上滿足了各類用戶的應用需求。不過其操作界面等因系統(tǒng)不同而呈現(xiàn)出明顯差異，沒有統(tǒng)一的標準。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)所需要的設備和器件有多種型號，不同型號設備的驅動部分，采集部分，甚至外形都有很大的差異。所以施工單位和維修單位要對不同的型號都有所了解，有著巨大的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)的接口標準不統(tǒng)一:為了實現(xiàn)信息共享，聯(lián)鎖系統(tǒng)要與一些系統(tǒng)相融合，例如聯(lián)鎖系統(tǒng)會與信號微機監(jiān)測系統(tǒng)結合等等。接口標準的不統(tǒng)一會很難進行維護；軟件語言和操作系統(tǒng)不統(tǒng)一：操作系統(tǒng)有DOS系統(tǒng)和indows系統(tǒng)，系統(tǒng)語言不統(tǒng)一會阻礙產(chǎn)品朝著通用型發(fā)展。1.4國內計算機聯(lián)鎖的發(fā)展趨勢（1）計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的通信總線會使用光纖總線，光纖通信總線會改善傳輸速度和抗干擾能力。（2）計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)會增加CTC,列控中的部分功能。（3）可靠性以及安全性進一步改善，該系統(tǒng)的風險分布較為集中。在保證系統(tǒng)安全性的前提下，提高系統(tǒng)可靠性。我國目前主要為三取二冗余系統(tǒng)，但以后很可能要朝著二乘二取二的多重冗余方向發(fā)展。1.5祿豐南站計算機聯(lián)鎖仿真軟件設計的主要內容本設計要依賴C++程序繪制出祿豐南站站場平面布置圖，制定清晰規(guī)范的站場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)站場圖形的動態(tài)顯示，模擬道岔定操、反操、單鎖、單解功能的實現(xiàn)，模擬軌道區(qū)段的出清與占用的顯示，并且根據(jù)聯(lián)鎖表排列進路，將進路進行科學合理地選排，以期實現(xiàn)規(guī)范合理地取消進路解鎖、人工解鎖操作等。并且對各個功能進行驗證和檢測，不斷完善，最終實現(xiàn)讓軟件設計的內容。2計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)結構計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的基本結構雙機熱備結構。雙機熱備是指有兩臺服務器，正常情況下主機工作，當主機出現(xiàn)故障時，備機立即切換到工作狀態(tài)，雙機提高可靠性，雙軟件保證安全性。三取二結構。系統(tǒng)有3個主處理器，每個主處理器與輸入輸出系統(tǒng)進行單獨的通信，執(zhí)行聯(lián)鎖程序。二乘二取二結構。二乘二取二結構可靠性更高，可以說是雙機熱備結構上的升級。2.1計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件結構并且實現(xiàn)實時監(jiān)測，人機通話等功能。并且還要保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。聯(lián)鎖層是聯(lián)鎖系統(tǒng)的核心層，是實現(xiàn)聯(lián)鎖功能的主要部分，聯(lián)鎖機具有故障-安全的性能；人機會話層主要下達操作信息；驅采層主要根據(jù)接收到的控制信息，三個子系統(tǒng)根據(jù)信息進行動作。系統(tǒng)的一般層次結構參考圖2.1。圖2.1計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的一般層次結構2.2計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的軟件結構關于計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，其軟件部分應滿足如下要求：1.人機界面信息處理功能處理操作信息：在用戶日常操作過程中，形成有效的命令，給出相應的表示；對錯誤的操作給出相應的提示，使值班員發(fā)現(xiàn)自己的錯誤并且及時糾正。表示信息處理：實時給出現(xiàn)場信號設備的狀態(tài)。維護與管理信息處理：主要是指輸出、輸入控制。基本聯(lián)鎖控制功能主要包括：建立進路，進路鎖閉，開放信號，進路解鎖（正常解鎖和非正常解鎖），道岔單操，進路引導總鎖閉等等。執(zhí)行輸入控制和輸出控制功能。執(zhí)行聯(lián)鎖程序時自動監(jiān)督和檢測功能。其他的一些功能，對非進路調車進行控制，監(jiān)測聯(lián)鎖設備的狀態(tài)等。軟件的層次結構：人機會話層、聯(lián)鎖運算層、執(zhí)行層。人機會話層：設備放在車站值班室，完成人機界面的信息處理；聯(lián)鎖運算層：設備放在機械師完成聯(lián)鎖運算；執(zhí)行層；設備放在機械室，實現(xiàn)控制命令的輸出，表示命令的3數(shù)據(jù)結構3.1信號設備的數(shù)據(jù)結構根據(jù)祿豐南站信號平面布置圖，將其中的區(qū)段，道岔，信號機等等所需的組成部分進行總結，建立相應的結構體，將結構體建立在view.h中，并在view.cpp中編寫對應的程序，要確保所有數(shù)據(jù)和程序的正確性，最后根據(jù)程序繪制出站場圖。3.1.1信號機的數(shù)據(jù)結構信號機結構體中的靜態(tài)數(shù)據(jù)信號機防護軌道區(qū)段和區(qū)間，具有防護意義，信號機具有保證行車安全、提高區(qū)間和車站通過能力的作用。在繪制信號機時，應注意信號機的類型。此次設計中，信號機的繪制方法大致為，所繪制的信號機有4種形式，信號燈分別在左上，右上，左下和右下。定義信號機柱的長度Xh_High，然后根據(jù)站場圖中信號機的形式進行判斷，如果是上方信號機則機柱上端坐標Xh2是Xh1-Xh_High，如果信號機的朝向為右，則信號機的左上角坐標就是Xh2的坐標；如果信號機的朝向為左，則信號機的左上角坐標為(Xh2.x-size,Xh2.y),中。如果是下方信號機則機柱上端坐標是Xh2+Xh_High，如果信號機的朝向為右，則信號機的左上角坐標為(Xh2.x,Xh2.y-size)，如果信號機的朝向為左，則信號機的左上角坐標為(Xh2.x-size,Xh2.y-size)。并且根據(jù)站場圖標出各個信號機的名稱。信號機靜態(tài)變量及其含義和變量類型可參考下表3.1：表3.1信號機靜態(tài)變量及含義和變量類型表變量含義變量型Xh1信號機柱下端坐標CPointXh2信號機柱上端坐標CPointXh3信號機1左上角坐標CPointXh4信號機1右下角坐標CPointXh5信號機2左上角坐標CPointXh6信號機2右下角坐標CPointXh7信號機名稱右下角坐標CPointps信號機名稱的位置坐標CPointm_strname信號機名稱位置的坐標CStringDir1信號機朝向0：右；1：左intDir2信號機朝向0：上；1：下intXh_High信號機機柱的固定長度intsize信號燈的大小int信號機結構體中的動態(tài)數(shù)據(jù)辦理進路時我們要看是調車進路還是列車進路等，辦理不同性質的進路會有明顯差別。進路的性質不同直接決定了其信號燈所點燈光的不同，司機需結合顯示的燈光規(guī)范安全地行車。信號機動態(tài)變量及其含義和變量型可參考下表3.2：表3.2信號機動態(tài)變量及含義和變量型表XHJType信號機的類型：1代表列車信號機，2代表調車信號機intUXJ黃燈信號繼電器：0x55吸起-亮黃燈，0xaa落下-亮紅燈charLXJ列車信號繼電器：0x55吸起，開放列車信號charLUXJ綠黃燈信號繼電器：0x55吸起-亮綠黃燈，0xaa落下-亮紅燈charDXJ調車信號繼電器：0x55吸起，開放調車信號charUUXJ雙黃燈信號繼電器：0x55吸起亮-雙黃燈，0xaa落下亮-紅燈char3.1.2無岔區(qū)段和道岔區(qū)段的數(shù)據(jù)結構無岔區(qū)段結構體中的靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)段包括道岔區(qū)段和無岔區(qū)段，無岔區(qū)段部分是沒有道岔的，在繪制站場圖的無岔區(qū)段時，定義兩個點p1、p2，從p1向p2連線，并且在合適位置標注區(qū)段的具體名稱。無岔區(qū)段靜態(tài)變量及其含義和變量型可參考下表3.3：表3.3無岔區(qū)段靜態(tài)變量及含義和變量型表無岔區(qū)段名稱的坐標m-strname無岔區(qū)段名稱CStringP1區(qū)段起點CPointP2道岔區(qū)段結構體中的靜態(tài)數(shù)據(jù)道岔區(qū)段的繪制過程相對比較復雜，繪制方法如下，首先定義岔心坐標Xc1，岔前坐標X4，岔后坐標X3，折點坐標X2，彎股坐標X5，然后還要定義兩個斷開坐標，直股斷開坐標X6和彎股斷開標X7。岔心坐標Xc1與岔前坐標X4相連，判斷走直股還是彎股，如果走直股，則岔心坐標Xc1和直股斷開坐標X6相連。直股斷開坐標X6和岔后坐標X3相連；如果走彎股，則岔心坐標Xc1與彎股斷開坐標X7相連，彎股斷開坐標X7與折點坐標X2相連。并且設置了一個GLDC,當兩個道岔是關聯(lián)道岔時，在初始化中將它們賦相同的值1以便實現(xiàn)關聯(lián)道岔的同步轉換。道岔區(qū)段靜態(tài)變量及其含義和變量型可參考下表3.4：表3.4道岔區(qū)段靜態(tài)變量及含義和變量型表Xc1岔心坐標CPointX2折點坐標CPointX3岔后坐標CPointX4岔前坐標CPointX5彎股坐標CPointX6直股斷開點坐標CPointX7彎股斷開點坐標CPointQs文字顯示坐標CPointGLDC關聯(lián)道岔intY正向開通還是側向開通，0-側向，1-正向intH是否有彎股，1-有，0-沒有intDir1直股方向intDir2彎股方向intqk缺口int無岔區(qū)段和道岔區(qū)段的動態(tài)數(shù)據(jù)軌道區(qū)段保持不同運行狀態(tài)時，其光帶的顏色顯示也是不同的，所以為了模擬這一狀態(tài)顯示設置了動態(tài)數(shù)據(jù)，此次設計中，軌道區(qū)段的占用與空閑狀態(tài)，用軌道繼電器DGJ的吸起與落下判斷，0x55時DGJ處于落下狀態(tài)，代表軌道區(qū)段被占用或者該軌道區(qū)段出現(xiàn)了故障，區(qū)段顏色此時會顯示紅光帶；0xaa時DGJ吸起，代表軌道區(qū)段空閑，此區(qū)段無車占用并且沒有故障，區(qū)段顏色為正常的藍光帶。用SJ判斷進路是否被鎖閉，因為進路被鎖閉時區(qū)段的顏色是變化的。設計中，當為0x55時，SJ落下，代表進路被鎖閉，區(qū)段顏色為白光帶，0xaa時，SJ吸起，軌道區(qū)段正常白光帶，但這個判斷的前提是：DGJ必須處于吸起狀態(tài)。當DGJ落下時，無論SJ吸起還是落下，軌道區(qū)段都顯示紅光帶。同時設置了1進路繼電器和2進路繼電器，JL1、JL2根據(jù)DGJ和SJ狀態(tài)而動作，這對進路的解鎖提供方便。無岔區(qū)段和道岔區(qū)段的動態(tài)變量及其含義和變量型可參考下表3.5：表3.5無岔區(qū)段和道岔區(qū)段動態(tài)變量及含義和變量型表變量含義變量型DGJ軌道繼電器：0x55代表區(qū)段占用，0xaa代表區(qū)段空閑charSJ鎖閉繼電器：0x55代表軌道區(qū)段鎖住，0xaa代表軌道區(qū)段沒有在鎖閉狀態(tài)charLJ11進路繼電器：0x55-JL1吸起，1進路空閑0xaa-JL1落下，1進路占用LJ22進路繼電器：0x55-JL2吸起，2進路空閑0xaa-JL2落下，2進路占用道岔區(qū)段特有的動態(tài)數(shù)據(jù)對于道岔區(qū)段而言，有需要進行單獨操作的部分，這部分無岔區(qū)段是不需要的。此次設計，只要有道岔的位置和道岔單鎖的標志，DCWZ中，0x55代表道岔定位,0xaa代表道岔反位，這在之后的設計中完成道岔位置轉換，排列進路等功能是有明顯的用途。isLock中設置true為單鎖，false為單解。道岔區(qū)段特有的動態(tài)變量及其含義和變量型可參考下表3.6：表3.6道岔區(qū)段動態(tài)變量及含義和變量型表道岔位置：道岔定位,道岔反位charisLock單鎖標志：true單鎖,false單解bool3.1.3功能按鈕框的數(shù)據(jù)結構為了實現(xiàn)道岔的定操，反操，單鎖，單解操作以及進路取消，進路人解，區(qū)故解等操作，需要設置功能按鈕，我們建立功能按鈕區(qū)域，功能按鈕區(qū)域就是一個矩形框，具體操作為，當需要實現(xiàn)定操這個功能時，點擊定操功能按鈕框，然后點擊需要由反位轉到定位的道岔，即實現(xiàn)了這個功能。當取消進路點擊取消進路按鈕功能框，然后點擊始端信號，就完成了此操作。功能按鈕框結構體變量及含義和變量型如表3.7所示表3.7功能按鈕框結構體變量及含義和變量型表變量含義變量型DCDC_rect道岔定操按鈕區(qū)域CRectDCFC_rect道岔反操按鈕區(qū)域CRectDCDS_rect道岔單鎖按鈕區(qū)域CRectDCDJ_rect道岔單解按鈕區(qū)域CRectJLQX_rect進路取消按鈕區(qū)域CRectJLRJ_rect進路人解按鈕區(qū)域CRectQGJ_rect區(qū)故解按鈕區(qū)域CRect3.2進路表結構體的建立與初始化“進路涉及到建立、未建立兩種狀態(tài)。一般我們所講的建立進路，即指的是通過此進路排列了進路；未建立進路，即表示未通過此進路排列進路”[8]。通過計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)辦理進路有進路搜索算和進路表匹配法。但是由于進路搜索算法比較復雜，應用不太廣泛，所以本次設計中，采用了進路表匹配法進行進路的選排。根據(jù)祿豐南站的站場圖編制進路表。用進路表匹配法排列進路時，將所選進路中的所有無岔區(qū)段和道岔區(qū)段對應它們初始化時的序號和在進路中的位置,還要將進路中所經(jīng)過的道岔寫入，以及它們在定位狀態(tài)還是反位狀態(tài)即完成進路選排的初始化，按壓始端按鈕再按壓終端按鈕，所選進路亮白光帶，即完成了此條進路的選排。例如，辦理S到IG的進路，JLType=0x55是列車進路，SDXH=0,ZDXH=8,需要寫入無岔區(qū)段：S4JG、IG;道岔區(qū)段4DG、6-10DG、8-14DG，進路區(qū)段數(shù)目6，然后經(jīng)過2/4道岔定位，6/8道岔反位，14/16道岔定位，進路道岔數(shù)目4,即選出了進路。點擊S和XI信號燈即完成了此條進路的選排。進路表靜態(tài)數(shù)據(jù)變量及其含義和變量型可參考下表3.8：表3.8進路表中靜態(tài)數(shù)據(jù)變量及含義和變量型表JLType進路類型：0x55列車進路，0xaa調車進路intSDXH始端信號intZDXH終端信號int區(qū)段序列數(shù)組區(qū)段類型：為無岔區(qū)段，為道岔區(qū)段進路區(qū)段數(shù)目道岔序列數(shù)組進路道岔位置：0x55道岔定位，0xaa道岔反位intJLDCNum進路道岔數(shù)目intJLTimes進路倒計時int進行進路選排，進行進路解鎖，進路取消操作都依賴一些動態(tài)數(shù)據(jù)，這些動態(tài)數(shù)據(jù)決定進路所處的狀態(tài)，根據(jù)所處狀態(tài)看是否滿足想要進行操作功能所需要的聯(lián)鎖關系。這里所說的聯(lián)鎖關系就是，在進路保持信號開放狀態(tài)時，道岔既不能進行定操，也不能進行反操；在信號開放狀態(tài)下，務必要加強對條件的動態(tài)化、持續(xù)化檢查，可以隨時關閉信號；令進路轉為解鎖狀態(tài)，亦需要繼電器動作。進路表動態(tài)數(shù)據(jù)變量及其含義和變量型可參考下表3：表3.9進路表中動態(tài)數(shù)據(jù)變量及含義和變量型表進路狀態(tài)，為進路空閑狀態(tài)，為進路選排狀態(tài)，為進路開放狀態(tài)，為進路解鎖狀態(tài)，為進路故障狀態(tài)LJ11進路繼電器：0x55-JL1吸起，進路空閑0xaa-JL1落下，進路占用charLJ22進路繼電器：0x55-JL2吸起，進路空閑0xaa-JL2落下，進路占用charXHState1表示正線接車進路，2表示發(fā)車進路（1LQ空閑開綠燈，2LQ空閑開黃燈），3測線接車進路，4調車進路charGLXH關聯(lián)信號，只針對進站信號機和正線接車進路char4仿真軟件具體設計4.1功能按鈕有效性檢測在設計中，如果要實現(xiàn)道岔的定操、反操、單鎖、單解的功能操作，以及進路的辦理、取消、人解、區(qū)故解操作，都需要點擊相對應的功能按鈕。在實際的列車運行過程中，道岔的動作，進路解鎖都是排列進路過程中很關鍵的部分，如果由于工作人員的操作失誤，在道岔不應該動作的時候錯誤動作，這樣會造成嚴重的后果。例如，當列車進入某一條進路時，對列車運行前方的對向道岔錯誤操作使該道岔錯誤動作，列車會駛入另一條進路，駛入的這條進路與我們最初排列的進路是不同的，如果進入的這條進路上有其他車，就會造成撞車事故，所產(chǎn)生的后果是不堪設想的，所以功能按鈕起著至關重要的作用，檢測功能按鈕的合法性也是必不可少的。對于模擬設計，該操作是在鼠標點擊函數(shù)中進行的，如果功能按鈕被錯誤按壓，會造成程序的死循環(huán)。以執(zhí)行進路選排的程序為例，依據(jù)所選的進路找出進路始端按鈕和進路終端按鈕，按壓進路始端按鈕，再按壓進路終端按鈕，程序會進入進路選排的地方，如果進路始端，進路終端均位置正確，執(zhí)行進路選排的聯(lián)鎖運算，如果按壓進路始端、終端按鈕后不能快速合理地確定進路，將自動退出當前程序。在這個過程中，對按壓按鈕的次數(shù)要進行記錄，第一次按壓是始端按鈕，第二次按壓的是終端按鈕，進路選排程序中根據(jù)按壓的按鈕選出進路，然后按壓按鈕的次數(shù)清零。方便下一次選排。4.2道岔動作功能道岔充分發(fā)揮了線路的通過能力。但是如果一條進路上某個道岔位置不正確就會危及行車安全。所以需要道岔動作這一模塊。在本次設計中，道岔的動作包括：道岔定操，道岔反操，道岔單鎖和道岔單解，實際中，還有道岔的封鎖，道岔的封解，道岔的失表示等等。道岔的定操和反操工作，主要在排列進路時應用。例如，辦理S道X4的接車進路，此條進路中有2/4道岔，6/8道岔，10號道岔，12號道岔，如果這些道岔的平時狀態(tài)都為定位，當辦理此條進路時，要將10號道岔，12號道岔搬到反位，才可以辦理此條進路。當?shù)啦韰^(qū)段被占用，即意味著道岔無法轉換。對于道岔的單鎖，當某一道岔被鎖住時，辦理經(jīng)過此道岔的進路是能夠快速有效地辦理的，不過相反位置由于道岔單鎖，位置無法改變進路是無法辦理出的。4.3進路選排功能此次設計中，實現(xiàn)進路選排的相關功能，是在進路選排函數(shù)中進行的。在進路選排時，當按下始端按鈕和終端按鈕后，要循環(huán)進行進路區(qū)段（道岔區(qū)段和無岔區(qū)段）空閑的檢查，進路區(qū)段道岔位置的檢查，當然成進路條件檢查后，并且都符合要求，進行進路區(qū)段的鎖閉，然后開放信號。進路選排的部分條件：(1)進路中的各個道岔沒有用在相反的位置；(2)進路中的道岔沒有被鎖在相反的位置；(3)進路中的道岔區(qū)段，無岔區(qū)段沒有被封鎖；(4)進路中的信號機沒有被反方向的進路使用；4.3.1進路區(qū)段（無岔區(qū)段和道岔區(qū)段）空閑檢查和進路道岔位置的檢查在此次設計中，根據(jù)點擊的始端按鈕和終端按鈕，匹配出進路后，要對此條進路是否滿足條件進行判斷，當進路中的區(qū)段被占用或者出現(xiàn)了故障，例如當無岔區(qū)段被占用時DGJ落下時，就會從進路選排的程序中退出來，并且給出提示“無岔區(qū)段被占用，進路選排失敗”，說明此條進路失敗的原因。如果區(qū)段沒有占用，條件都滿足，道岔則根據(jù)進路中應處的位置進行動作轉換，動作轉換的過程中，結合進路表分析道岔實際狀態(tài)，判斷是否需要進行轉換，如果二者的狀態(tài)一致，則不需要動作，當所處動作不同時，在判斷該道岔是否在其他的進路中，如果這個道岔還在排列的另一條進路中，則無法辦理此條進路，但是如果沒有排列進其他進路，判斷是否該道岔被鎖住，鎖住依然不能辦理進路，沒有鎖住再繼續(xù)判斷該道岔所處的軌道區(qū)段是否在其他進路中排列，如果是則無法排列此進路，若沒有被排列輸出道岔動作轉換命令。關于道岔進行動作流程圖可參考下圖4.1：圖4.1道岔進行動作流程圖4.3.2進路鎖閉檢查進路鎖閉的條件：進路在空閑狀態(tài)；道岔位置正確；敵對進路沒有建立。如果條件都滿足，然后鎖閉進路中的相關道岔，鎖閉敵對進路，讓敵對進路不能建立，道岔不能轉動。進路鎖閉是由各區(qū)段進路繼電器1JL,2JL控制鎖閉繼電器SJ落下實現(xiàn)的，此次設計中進路鎖閉的實現(xiàn)的前提是進路中所有道岔都實現(xiàn)鎖閉，進路鎖閉后，信號才能開放，列車駛入進路。進路鎖閉檢查流程可參考下圖4.2