大型編組站技術(shù)作業(yè)時(shí)分仿真模型研究

張 倩，李達(dá)知

（1.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，碩士研究生，四川 成都 610031；2.北京鐵路局調(diào)度所，助理工程師，北京 100860）

列車(chē)及調(diào)車(chē)機(jī)等在編組站內(nèi)的走行，完全依靠司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)根據(jù)信號(hào)機(jī)顯示來(lái)操作。在進(jìn)行編組站內(nèi)運(yùn)輸組織研究時(shí)，常常需要知道站內(nèi)列車(chē)及各機(jī)車(chē)的作業(yè)時(shí)分，如果單憑司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)所得的作業(yè)時(shí)分則不夠精確。國(guó)內(nèi)外針對(duì)列車(chē)的仿真研究，均是基于干線(xiàn)鐵路區(qū)間列車(chē)運(yùn)行仿真，或者城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行仿真計(jì)算，而關(guān)于站內(nèi)各列車(chē)及調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)分仿真研究卻少之又少。所以，本仿真研究提出了通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)模擬列車(chē)運(yùn)行過(guò)程，精確計(jì)算編組站內(nèi)各移動(dòng)設(shè)備的作業(yè)時(shí)間。

目前，很多自動(dòng)化程度較高的編組站能力十分緊張，對(duì)作業(yè)時(shí)分的研究，是研究如何提高編組站能力必不可少的一部分。所以，進(jìn)行作業(yè)時(shí)分仿真研究，為確定編組站內(nèi)作業(yè)時(shí)分標(biāo)準(zhǔn)提供了一種方法；為科研項(xiàng)目提供更加精確數(shù)據(jù)的同時(shí)，也彌補(bǔ)了研究領(lǐng)域的空白。它具有一定的實(shí)用性，對(duì)提高編組站整體的工作效率；推動(dòng)計(jì)算機(jī)仿真在我國(guó)鐵路車(chē)站工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域快速應(yīng)用，以完善設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)設(shè)計(jì)，對(duì)提高我國(guó)鐵路大型編組站設(shè)計(jì)水平具有實(shí)際意義。

1 編組站技術(shù)作業(yè)過(guò)程分析

編組站內(nèi)技術(shù)作業(yè)時(shí)分計(jì)算不同于干線(xiàn)鐵路區(qū)間列車(chē)，區(qū)間列車(chē)牽引計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，編組站內(nèi)技術(shù)作業(yè)過(guò)程復(fù)雜，所以需要先研究編組站內(nèi)技術(shù)作業(yè)過(guò)程的特點(diǎn)。

編組站內(nèi)移動(dòng)設(shè)備包括旅客列車(chē)、貨物列車(chē)、調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)及本務(wù)機(jī)車(chē)?？蓪⒏饕苿?dòng)設(shè)備的作業(yè)分為行車(chē)作業(yè)和調(diào)車(chē)作業(yè)。行車(chē)作業(yè)主要指接、發(fā)車(chē)作業(yè)及直通列車(chē)通過(guò)作業(yè)，調(diào)車(chē)作業(yè)主要指本務(wù)機(jī)車(chē)及調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)作業(yè)。

1.1 接車(chē)作業(yè)分析 接車(chē)作業(yè)有“終到”、“到達(dá)”、“通過(guò)接”3種類(lèi)型。其中，“終到”的列車(chē)通常是貨車(chē)，必須在本站進(jìn)行技術(shù)作業(yè)；“到達(dá)”列車(chē)是客車(chē)或其他不需在本站進(jìn)行技術(shù)作業(yè)的列車(chē)，在本站停留若干時(shí)間后繼續(xù)前行；“通過(guò)接”通常是客車(chē)，不在本站停留，直接通過(guò)。

“終到”和“到達(dá)”列車(chē)的接車(chē)作業(yè)過(guò)程是一樣的。接車(chē)作業(yè)首先是根據(jù)調(diào)度所下達(dá)的階段計(jì)劃，將車(chē)次信息顯示在編組站仿真系統(tǒng)中，當(dāng)接收到鄰站的發(fā)車(chē)請(qǐng)求后，本站同意鄰站發(fā)車(chē)。接收到鄰站的發(fā)車(chē)報(bào)點(diǎn)后，車(chē)站值班員就可以根據(jù)到發(fā)線(xiàn)空閑狀態(tài)，確定接車(chē)進(jìn)路。接車(chē)作業(yè)進(jìn)路包括2種情況：一是正常接車(chē)，即線(xiàn)路比較順暢，列車(chē)從鄰站發(fā)車(chē)后可以直接進(jìn)站停車(chē)，其運(yùn)行進(jìn)路主要有區(qū)間和站內(nèi)2部分進(jìn)路組成；二是非常規(guī)接車(chē)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況需列車(chē)在站外停車(chē)時(shí)，運(yùn)行進(jìn)路只有一部分，即站內(nèi)進(jìn)路。

“通過(guò)接”一般指不在本站停留，直接通過(guò)的客車(chē)。列車(chē)通過(guò)車(chē)站正線(xiàn)不受側(cè)向道岔的速度限制，在速度-距離坐標(biāo)圖上其速度線(xiàn)趨近于直線(xiàn)。

1.2 發(fā)車(chē)作業(yè)分析 發(fā)車(chē)類(lèi)型分為“始發(fā)”、“出發(fā)”、“通過(guò)發(fā)”3 種類(lèi)型。

“始發(fā)”的列車(chē)是貨車(chē)。列車(chē)經(jīng)過(guò)編組站的編組作業(yè)后存放于發(fā)車(chē)股道上；經(jīng)出發(fā)機(jī)車(chē)掛頭、商檢核準(zhǔn)、列檢檢查、貨票交接等一系列技術(shù)作業(yè)完成后，便可正式出發(fā)（出發(fā)報(bào)點(diǎn)）。

“出發(fā)”列車(chē)是已經(jīng)接進(jìn)車(chē)站的“到達(dá)”列車(chē)。這類(lèi)車(chē)不需任何技術(shù)作業(yè)，在車(chē)站的某接發(fā)線(xiàn)上停留一段時(shí)間后繼續(xù)前行。

“始發(fā)”“出發(fā)”列車(chē)進(jìn)行發(fā)車(chē)作業(yè)時(shí)走行進(jìn)路基本一致。該出發(fā)進(jìn)路是指列車(chē)從車(chē)站停車(chē)標(biāo)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)1組或者幾組道岔，運(yùn)行至出站信號(hào)機(jī)為止所經(jīng)過(guò)的一段進(jìn)路。

“通過(guò)發(fā)”列車(chē)進(jìn)路和“通過(guò)接”列車(chē)類(lèi)似，在速度-距離坐標(biāo)圖上其速度線(xiàn)也趨近于直線(xiàn)。

1.3 本務(wù)機(jī)車(chē)作業(yè)分析 本務(wù)機(jī)車(chē)在編組站內(nèi)的作業(yè)一般分為出入庫(kù)作業(yè)和立折作業(yè)2種。

本務(wù)機(jī)車(chē)出入庫(kù)作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)階段計(jì)劃從到發(fā)線(xiàn)走行到機(jī)務(wù)段，或者從機(jī)務(wù)段走行至到發(fā)線(xiàn)。正常情況下，只需要根據(jù)接車(chē)場(chǎng)線(xiàn)別及該場(chǎng)線(xiàn)默認(rèn)的機(jī)務(wù)段口為進(jìn)路的終端，直接開(kāi)通最短的進(jìn)路。當(dāng)機(jī)車(chē)出入段進(jìn)路與接車(chē)進(jìn)路交叉干擾，機(jī)車(chē)需在機(jī)待線(xiàn)，或者其他線(xiàn)路上進(jìn)行待避，此時(shí)的機(jī)車(chē)出入段進(jìn)路由多段組成，所以作業(yè)時(shí)間也由多個(gè)時(shí)間組成。

當(dāng)貨物列車(chē)到達(dá)后，本務(wù)機(jī)車(chē)不需入庫(kù)改為立折走行到出發(fā)場(chǎng)到發(fā)線(xiàn)上掛車(chē)。但無(wú)論機(jī)車(chē)是出入段還是立折走行，它的速度變化都是由0開(kāi)始變速運(yùn)行至道岔限速，再變速運(yùn)行至下一個(gè)道岔限速，一直循環(huán)，最后速度再變?yōu)?的過(guò)程。

1.4 調(diào)車(chē)作業(yè)分析 調(diào)車(chē)作業(yè)是根據(jù)調(diào)車(chē)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行。調(diào)機(jī)在編組站的作業(yè)類(lèi)型主要有解體、編組和其他作業(yè)。調(diào)車(chē)作業(yè)與行車(chē)作業(yè)最大的差別是，行車(chē)作業(yè)要求精確停車(chē)，停車(chē)速度為0；調(diào)車(chē)作業(yè)不要求精確停車(chē)，并且調(diào)機(jī)準(zhǔn)備與車(chē)列連掛時(shí)，需要一個(gè)較低的速度才能與之連掛，故調(diào)機(jī)末速度可以在0～3km/h之間變換。

解體作業(yè)包括空走、推送及溜放3個(gè)部分[1]。調(diào)機(jī)與車(chē)列連掛之前產(chǎn)生空走，連掛之后需進(jìn)行推送作業(yè)。調(diào)機(jī)在推峰時(shí)，整列車(chē)僅機(jī)車(chē)有制動(dòng)力，溜放作業(yè)時(shí)，由于溜放車(chē)列本身沒(méi)有動(dòng)力，所以溜放作業(yè)時(shí)分的計(jì)算同其他作業(yè)過(guò)程又有很大的不同。一般在溜放進(jìn)路上設(shè)有一定的車(chē)輛減速器，故溜放作業(yè)時(shí)分不僅跟列車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)有關(guān)，還和減速器的設(shè)置有關(guān)。

編組調(diào)車(chē)作業(yè)計(jì)劃中包含調(diào)車(chē)鉤及調(diào)車(chē)程，要計(jì)算調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)分，必須先計(jì)算單調(diào)車(chē)鉤的作業(yè)時(shí)分，然后將其加總即為調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)分。

在編組調(diào)車(chē)作業(yè)中，調(diào)車(chē)機(jī)折返的經(jīng)由方案（走行股道、折返機(jī)待線(xiàn)、牽出線(xiàn)）由值班員下達(dá)。尾部調(diào)車(chē)機(jī)折返進(jìn)路的確定是根據(jù)前一調(diào)車(chē)計(jì)劃執(zhí)行結(jié)束的線(xiàn)路，及同臺(tái)調(diào)機(jī)下一個(gè)編組計(jì)劃中第1勾調(diào)車(chē)線(xiàn)路為進(jìn)路的始終端依據(jù)，中間包括1次或多次折返；當(dāng)本編組計(jì)劃前為其他調(diào)機(jī)作業(yè)（上油、整備、待令等），其起始線(xiàn)路將取決于作業(yè)結(jié)束時(shí)的停留線(xiàn)路。

2 編組站作業(yè)時(shí)分仿真模型分析

2.1 模型概述 根據(jù)編組站內(nèi)行車(chē)作業(yè)及調(diào)車(chē)作業(yè)過(guò)程的以上特點(diǎn)，可將編組站內(nèi)牽引計(jì)算概括為：在一定的車(chē)站布置、機(jī)車(chē)、列車(chē)編組條件下，列車(chē)以一定的初速度開(kāi)始沿指定徑路或徑路段運(yùn)行，按照一般的控制條件，以一定的速度到達(dá)站內(nèi)另一點(diǎn)，運(yùn)行距離S，初速度vs和末速度ve已知，求這一過(guò)程列車(chē)的速度和運(yùn)行時(shí)分。其目標(biāo)函數(shù)

式中：Δt為計(jì)算機(jī)時(shí)間迭代步長(zhǎng)。

針對(duì)該過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，一般來(lái)說(shuō)有3種策略。一是給定計(jì)劃，給定參數(shù)，仿真模擬；二是給定計(jì)劃，實(shí)時(shí)計(jì)算；三是自助生成計(jì)劃，實(shí)時(shí)計(jì)算。本文采取第一種策略，仿真過(guò)程涉及到列車(chē)運(yùn)動(dòng)及其動(dòng)力學(xué)計(jì)算。列車(chē)牽引計(jì)算理論同列車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算原理相同，故本文以列車(chē)牽引計(jì)算理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)研究。要進(jìn)行模型解算必須先分析模型與干線(xiàn)鐵路列車(chē)運(yùn)行仿真的不同之處。

2.2 模型牽引計(jì)算特點(diǎn) 編組站內(nèi)與傳統(tǒng)鐵路干線(xiàn)區(qū)間的牽引計(jì)算研究存在很多的不同之處。

2.2.1 運(yùn)行距離長(zhǎng)度不同 一般干線(xiàn)鐵路、高鐵或者城市軌道交通的站間距都比較長(zhǎng)，干線(xiàn)鐵路一般在10km左右，而高鐵一般在50～60km；城市軌道交通站間距稍微短些，一般在1～2km。編組站內(nèi)由于受到地形的限制，站坪長(zhǎng)度一般在2km左右。在站內(nèi)進(jìn)行接發(fā)車(chē)作業(yè)及調(diào)車(chē)作業(yè)，進(jìn)路都比較短。對(duì)于區(qū)間來(lái)說(shuō)，列車(chē)能達(dá)到最高的運(yùn)行速度，且以最高運(yùn)行速度運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)；對(duì)于站內(nèi)來(lái)說(shuō)，由于受到道岔的限制，列車(chē)運(yùn)行距離較短，運(yùn)行速度較低。進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。

2.2.2 速度限制條件要求不同 對(duì)于區(qū)間列車(chē)牽引計(jì)算中的速度條件限制，由于列車(chē)運(yùn)行速度較高，主要考慮機(jī)車(chē)最高構(gòu)造速度限制、線(xiàn)路限速、曲線(xiàn)限速、橋梁隧道限速及道岔的直向過(guò)岔限速。站內(nèi)牽引計(jì)算由于站內(nèi)列車(chē)需要轉(zhuǎn)線(xiàn)，列車(chē)必須經(jīng)過(guò)側(cè)向道岔。道岔的側(cè)向限速比直向限速低很多，由于車(chē)站布置道岔相比較區(qū)間緊密，所以車(chē)站內(nèi)道岔的側(cè)向限速是最主要的限制因素。

2.2.3 列車(chē)運(yùn)行過(guò)程不同 列車(chē)在站內(nèi)的作業(yè)有很多種，每一種作業(yè)過(guò)程在站內(nèi)都有其特定的進(jìn)路。站內(nèi)列車(chē)進(jìn)路是根據(jù)車(chē)站開(kāi)放的信號(hào)顯示所進(jìn)行的，進(jìn)路比較復(fù)雜，而區(qū)間列車(chē)運(yùn)行進(jìn)路相對(duì)單一。計(jì)算列車(chē)在站內(nèi)的作業(yè)時(shí)分要根據(jù)車(chē)站的布置、進(jìn)路的開(kāi)放等情況具體分析，對(duì)站內(nèi)列車(chē)牽引計(jì)算時(shí)，需要充分考慮車(chē)站布置及進(jìn)路開(kāi)放問(wèn)題。

2.2.4 牽引特性不同 《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定，列車(chē)牽引計(jì)算時(shí)，采用最大牽引特性曲線(xiàn)進(jìn)行取值[2]。因?yàn)檎緝?nèi)調(diào)車(chē)作業(yè)時(shí)，機(jī)車(chē)的牽引力有很大富余，故牽引力取值時(shí)可以乘以一個(gè)系數(shù)，以求與實(shí)際相吻合。

城市軌道交通動(dòng)車(chē)組速度控制有1個(gè)恒速檔，可以最高速度恒速運(yùn)行；編組站內(nèi)機(jī)車(chē)一般是內(nèi)燃或者電力機(jī)車(chē)，沒(méi)有恒速檔，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行至最高速度時(shí)其實(shí)是調(diào)速運(yùn)行。由于站內(nèi)列車(chē)運(yùn)行距離比較短，此過(guò)程不會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，因而本文將調(diào)速過(guò)程設(shè)定為恒速運(yùn)行。

區(qū)間列車(chē)運(yùn)行制動(dòng)時(shí)，一般機(jī)車(chē)和車(chē)輛都有制動(dòng)力，制動(dòng)能力比較大。而站內(nèi)單機(jī)走行或單機(jī)連掛車(chē)列進(jìn)行推峰解體作業(yè)時(shí)，只有機(jī)車(chē)有制動(dòng)力。這也是調(diào)車(chē)與區(qū)間列車(chē)在制動(dòng)力上的不同之處。

2.3 模型牽引計(jì)算算法 單質(zhì)點(diǎn)列車(chē)模型將列車(chē)簡(jiǎn)化為單個(gè)無(wú)尺寸的質(zhì)點(diǎn)，考慮列車(chē)受力變化時(shí)，將所有的受力放到質(zhì)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算，而不考慮列車(chē)內(nèi)部機(jī)車(chē)和車(chē)輛之間的受力情況[3]。列車(chē)受到外力主要有牽引力Fqy、制動(dòng)力Wzd、阻力Wjz（基本阻力Wjb+附加阻力Wfj）、列車(chē)自身重mg及線(xiàn)路對(duì)列車(chē)的支持力N。

列車(chē)在整個(gè)變速運(yùn)行過(guò)程中，其運(yùn)行方式有加速、減速及勻速運(yùn)行3種。在加速過(guò)程中，列車(chē)受到的合力

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)：列車(chē)所受到的加速度

在整個(gè)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，由于列車(chē)受到的牽引力是不斷變化的，本文取較小的速度區(qū)間，假定在該區(qū)間內(nèi)列車(chē)受到的牽引力恒定。加速過(guò)程中的牽引計(jì)算迭代公式為

式中：Si為第i步列車(chē)走行距離（m）；

Si+1為第i+1步列車(chē)走行距離（m）；

Δt為計(jì)算步長(zhǎng)（秒/1000）；

vi為第 i步速度（m/s）；

vi+1為第i+1步速度（m/s）。

同理，可知列車(chē)減速制動(dòng)過(guò)程中所受合力

減速度

減速制動(dòng)迭代公式為

在勻速過(guò)程中，我們假定其所受合力為0，則勻速迭代公式為

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了大型編組站技術(shù)作業(yè)過(guò)程特點(diǎn)，建立了大型編組站各移動(dòng)設(shè)備作業(yè)時(shí)分仿真的仿真模型，并闡述了仿真模型的牽引計(jì)算特點(diǎn)。

在進(jìn)行模型解算的時(shí)候，首先得設(shè)計(jì)牽引電算模型，因?yàn)檎緝?nèi)牽引計(jì)算有很多相關(guān)約束條件，這些必須考慮進(jìn)去。例如，速度限制情況，包括道岔的側(cè)向限速，機(jī)車(chē)及線(xiàn)路的構(gòu)造限速等等。電算模型設(shè)計(jì)及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)有待進(jìn)一步研究。

[1]胡思繼.鐵路行車(chē)組織[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1999.

[3]石紅國(guó).列車(chē)運(yùn)行仿真及優(yōu)化研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.

[4]彭其淵，石紅國(guó)，魏德勇.城市軌道交通列車(chē)牽引計(jì)算[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2005，4.