鐵路超限貨物運(yùn)輸條件輔助決策可視化仿真系統(tǒng)研究

陳柯添，馮向南，韓 梅，陳書雨

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院 ，北京 100044）

超限貨物是指貨物裝車后，在平直線路上停留時(shí)，貨物任何部位的高度或?qū)挾瘸^機(jī)車車輛限界基本輪廓者，以及車輛在半徑為300 m的曲線時(shí)，貨物的計(jì)算寬度超出機(jī)車車輛限界基本輪廓者，其主要特點(diǎn)是外形復(fù)雜、尺寸和重量較大[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，冶金、電力、石化等事業(yè)呈現(xiàn)出了高速發(fā)展的新局面，一些大型設(shè)備的高效運(yùn)輸也發(fā)揮著越來越重要的作用，如發(fā)電設(shè)備、石油冶煉設(shè)備、化工機(jī)械、橋梁構(gòu)件、大型車輛以及航天設(shè)備等[2]。

本系統(tǒng)基于現(xiàn)行的鐵路超限貨物運(yùn)輸理論及管理，通過計(jì)算機(jī)對(duì)超限貨車運(yùn)行進(jìn)行可視化仿真，實(shí)現(xiàn)超限貨物運(yùn)輸條件的輔助決策，從而達(dá)到提高超限貨物運(yùn)輸效率和安全性的目的。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)主要是基于現(xiàn)行的鐵路超限貨物運(yùn)輸理論及管理，通過應(yīng)用編程軟件Visua l Basic對(duì)三維繪圖軟件Sol idWorks進(jìn)行二次開發(fā)，制作相關(guān)的實(shí)體模型，編寫出計(jì)算相關(guān)參數(shù)的程序，將兩者結(jié)合，研發(fā)鐵路超限貨物運(yùn)輸條件輔助決策系統(tǒng)。

建立仿真系統(tǒng)的核心是構(gòu)建貨物模型、車輛模型、軌道及限界模型、貨物與車輛裝配體，將貨物的特性、外形尺寸及裝載方案可視化。通過建立數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過輸入?yún)?shù)來選擇構(gòu)建貨物的模型及尺寸，以達(dá)到仿真的目的，實(shí)現(xiàn)在直線及不同半徑曲線線路上貨物各計(jì)算點(diǎn)超限情況的計(jì)算和直觀顯示，最后通過仿真運(yùn)行及數(shù)據(jù)庫(kù)間數(shù)據(jù)的處理，直觀準(zhǔn)確地了解貨物的超限情況、判定超限貨物運(yùn)輸條件，提高超限貨車運(yùn)行條件判定的準(zhǔn)確性，從而提高鐵路超限貨物運(yùn)輸?shù)陌踩院托省?/p>

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)工具介紹

So l i dWo r ks是一個(gè)三維的CAD系統(tǒng)，通過So l idWo r ks，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)草圖的繪制、實(shí)體模型的編輯以及裝配體的配置等功能。通過運(yùn)用So l idWorks的三維繪圖功能來構(gòu)建貨物、貨車以及限界環(huán)境的模型，從而實(shí)現(xiàn)超限貨物運(yùn)輸?shù)姆抡妗?/p>

2.2 設(shè)計(jì)技術(shù)路線

本系統(tǒng)的主要研究技術(shù)路線是在對(duì)So l i d-Wor ks二次開發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，通過Visual Basic與Microsof t Of f ice Access數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用與處理。

2.2.1 圖元建立

通過分析貨物、車輛、限界及軌道的外形結(jié)構(gòu)，利用Sol idWor ks定義其相關(guān)圖元，并制作成相關(guān)插件。在程序運(yùn)行的時(shí)候，選擇貨物的外形、車輛的車型及限界種類，系統(tǒng)可通過對(duì)圖元的調(diào)用與組合，得到所需要的貨物、車輛、限界及軌道的模型。

2.2.2 二次開發(fā)

通過應(yīng)用Sol idWorks的API編程接口，Sol id-Works將全部的Ac t iveX對(duì)象暴露給VB，實(shí)現(xiàn)VB和Sol idWorks之間的通信，這樣用戶只需要提供貨物的相關(guān)信息及裝載方案，在VB界面進(jìn)行相關(guān)操作，VB就可以像使用自身的對(duì)象一樣來操縱So l idWor ks暴露給它的對(duì)象，從而控制So l i d-Works完成相關(guān)的工作，達(dá)到通過VB界面進(jìn)行直觀顯示與操作將Sol idWorks復(fù)雜的建模工作簡(jiǎn)單化的目的。[3]

貨物的模型建立完成后，利用貨物與車輛的坐標(biāo)之間的關(guān)系，可將貨物按照裝載方案要求的位置裝載到貨車上，建立貨物與車輛的裝配體并實(shí)現(xiàn)在軌道上的仿真運(yùn)行，同時(shí)可以選擇通過不同半徑曲線的建筑限界環(huán)境。通過貨車在軌道上的仿真運(yùn)行，用戶可清晰地看出貨物與限界之間的位置關(guān)系。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

通過VB與Mic rosof t Of f ice Access之間的通信，在Sol idWor ks構(gòu)建出貨物以及貨物與車輛的裝配體的同時(shí)，自動(dòng)將貨物的各個(gè)計(jì)算點(diǎn)相對(duì)于軌面中心的坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

仿真運(yùn)行之后，要對(duì)貨物的超限情況進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中已存入的各個(gè)計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)信息，計(jì)算各超限部位的計(jì)算寬度，與《鐵路超限超重貨物運(yùn)輸規(guī)則》（以下簡(jiǎn)稱《超規(guī)》）附件4進(jìn)行比較，通過相應(yīng)計(jì)算，自動(dòng)確定貨物各超限部位的超限情況，并判定超限貨車的運(yùn)行條件。

2.3 設(shè)計(jì)流程圖

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2.4 主要功能

（1）貨物模型構(gòu)造功能。根據(jù)貨主提供的貨物外形三視圖及尺寸，通過系統(tǒng)界面的貨物外形選擇以及尺寸輸入等相關(guān)操作，即可構(gòu)造出所需貨物模型；貨物模型確定后，根據(jù)裝載方案對(duì)貨物添加相應(yīng)尺寸的橫墊木或鞍座。

（2）仿真模擬運(yùn)行功能。用戶根據(jù)貨物裝載方案選擇需要的車型以及貨物的裝載位置，將貨物與車輛進(jìn)行裝配，建立裝配體。裝配體建立完畢，即可讓裝配體在具有限界的軌道上仿真運(yùn)行，用戶可以通過各個(gè)視角來對(duì)貨物的超限情況進(jìn)行觀察。

（3）超限等級(jí)判定功能。在構(gòu)建貨物以及裝配體的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將貨物的各個(gè)計(jì)算點(diǎn)相對(duì)于軌面中心的坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過相關(guān)計(jì)算，得出超限部位的計(jì)算寬度，自動(dòng)判定貨物的超限等級(jí)。

（4）運(yùn)輸條件輔助決策功能。根據(jù)貨物的各計(jì)算點(diǎn)的超限情況以及仿真運(yùn)行，能夠更直觀地看到貨物與限界之間的距離變化，可以更直觀地了解貨物突出部位的超限情況，從而對(duì)運(yùn)輸條件最終決策提供輔助作用。在自動(dòng)優(yōu)化方面，可通過自動(dòng)檢測(cè)，在一定程度上提供優(yōu)化裝載方案，并可根據(jù)不同的裝載方案對(duì)貨物進(jìn)行運(yùn)行仿真和檢測(cè)。

（5）限界信息管理功能。通過數(shù)據(jù)的整理，可通過系統(tǒng)直接查看《超規(guī)》附件4中相關(guān)限界數(shù)據(jù)。

（6）車輛參數(shù)管理功能。用戶可根據(jù)所需要的車種及車型，進(jìn)行貨車相關(guān)參數(shù)的查詢與管理。

（7）規(guī)章管理功能。通過本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)《超規(guī)》的查詢。

2.5 應(yīng)用流程圖

系統(tǒng)的應(yīng)用流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用流程圖

3 仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真運(yùn)行及檢測(cè)

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可靠性，本文以一件實(shí)體貨物為例，如圖3，通過對(duì)此貨物的仿真模擬運(yùn)行及檢測(cè)，分析其仿真結(jié)果。

圖3 貨物實(shí)體圖

3.1.1 構(gòu)建貨物

根據(jù)貨物三視圖以及貨物各個(gè)部位的尺寸，選擇貨物外形為圓柱體并輸入其尺寸，根據(jù)各個(gè)法蘭（已制作為圖元）位置關(guān)系及尺寸，將其進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)貨物模型的構(gòu)建。構(gòu)建的貨物三視圖。

3.1.2 裝載貨物

貨物裝載方案如表1。

根據(jù)裝載方案，為貨物添加鞍座，選擇所需要的車輛，并根據(jù)裝載方法，進(jìn)行貨物裝載。系統(tǒng)通過調(diào)整貨物重心與車輛中心間的坐標(biāo)關(guān)系，將坐標(biāo)擬合，實(shí)現(xiàn)貨物與車輛裝配體的構(gòu)建。

表1 貨物裝載方案

3.1.3 仿真運(yùn)行

根據(jù)需要仿真的線路環(huán)境，設(shè)定線路的曲線半徑及長(zhǎng)度，選定限界種類，建立仿真的運(yùn)行環(huán)境。

最后，將貨物和車輛的裝配體與運(yùn)行環(huán)境相結(jié)合，并根據(jù)車輛輪對(duì)與軌道間配合條件的不斷變化，使車輛相對(duì)于軌道以固定的速度向另一端移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輛在軌道上的仿真運(yùn)行。仿真運(yùn)行如圖4。

圖4 仿真運(yùn)行圖

3.2 仿真分析

系統(tǒng)依據(jù)《超規(guī)》中寬度的計(jì)算方法，確定超限貨物的計(jì)算寬度，判定貨物超限等級(jí)。通過仿真運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)線路設(shè)定的曲線半徑，實(shí)現(xiàn)超限貨車在具有一定建筑限界的線路上運(yùn)行的三維立體仿真，直觀判斷貨物突出部位的超限情況、貨物與限界間的距離。

最終，系統(tǒng)將得出該貨物各超限部位的超限情況以及判定車輛運(yùn)行條件，如表2。從檢測(cè)的結(jié)果可以得出，此貨物為超級(jí)超限貨物，且在編組時(shí)禁止溜放。

該貨物為圓柱體貨物，系統(tǒng)通過自動(dòng)檢測(cè)判定貨物旋轉(zhuǎn)至一定的角度后可降低貨物的超限等級(jí)，并根據(jù)新的裝載方案，再次進(jìn)行仿真與檢測(cè)，得到如表3所示仿真結(jié)果。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析與對(duì)比，可以看出通過優(yōu)化裝載方案后，該貨物的超限等級(jí)從原來的超級(jí)超限降為了一級(jí)超限，從而實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化裝載方案的目的。

表2 初次裝載后仿真結(jié)果

表3 優(yōu)化裝載后仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，鐵路超限貨物安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)輸也將成為日益重要的問題。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠結(jié)合鐵路線路實(shí)際，根據(jù)不同的線路情況，對(duì)其進(jìn)行仿真模擬并檢測(cè)超限情況，對(duì)于直觀、準(zhǔn)確地了解貨物超限情況、判定超限貨物運(yùn)輸條件、保證超限貨物運(yùn)輸安全具有重要的實(shí)際意義。

本系統(tǒng)目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，鐵路超限貨物運(yùn)輸?shù)墓ぷ鬏^為復(fù)雜，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，提高系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，使得最終能夠應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的鐵路超限貨物運(yùn)輸安全技術(shù)與管理領(lǐng)域，對(duì)超限貨物運(yùn)輸條件決策具有較大的輔助作用，從而提高鐵路超限貨物運(yùn)輸安全性與效率。

責(zé)任編輯 徐侃春

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路超限超重貨物運(yùn)輸規(guī)則[S]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[2] 韓 梅.鐵路貨運(yùn)技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[3]（美）SolidWorks公司. Solid Works API 二次開發(fā)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.