重載鐵路組合站的組合車場仿真系統(tǒng)分析

蘇 寅，魏玉光

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

重載鐵路組合站的組合車場仿真系統(tǒng)分析

蘇 寅，魏玉光

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

通過分析重載鐵路組合站組合列車的作業(yè)過程及特點，使用仿真軟件對組合列車的作業(yè)流程進行了微觀仿真。分別針對單去向和雙去向的組合列車構(gòu)建了仿真系統(tǒng)，針對不同的變量進行仿真，通過對仿真數(shù)據(jù)的分析，得出在同一組合車場組合雙去向組合列車的組合能力略低于組合單去向組合列車時的組合能力、組合雙去向組合列車時組合到發(fā)線的利用率低于組合單去向組合列車的到發(fā)線利用率的結(jié)論，并在結(jié)論中提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

重載鐵路；組合站；組合能力；仿真

鐵路運輸中的列車運行組織是一個典型的離散系統(tǒng)，列車車輛的狀態(tài)隨著時間的推進而不斷發(fā)生變化。其狀態(tài)變化不是連續(xù)的，而是在一個特定的時間點發(fā)生變化。利用計算機仿真技術(shù)建立列車運行仿真系統(tǒng)，可以方便地模擬機車車輛的作業(yè)過程，既可以用于為解決某一實際問題的仿真研究，又可以用于教學培訓。

1 組合站組合車場的布置形式

1.1 組合車場的平面布置圖

重載鐵路組合站的組合車場由若干組基本線束并列布置構(gòu)成，一般為梭形車場。一組基本線束由3條股道組成，兩側(cè)股道為組合到發(fā)線，中間夾一條機走線。每條股道由設(shè)置在線路中部的腰岔分割為A、B、C、D段。在1+1組合方式中，股道的A段與B段、C段與D段之間設(shè)置調(diào)車信號機，B段與C段之間設(shè)置進路信號機，其布置圖如圖1所示。

圖1 基本線束示意圖

1.2 組合列車的作業(yè)過程

待組合的單元列車按照正常接車方式依次接入同一股道的不同段，司機按照停車標指定的位置對標停車。在4列5 000 t單元列車組合為1列2萬t列車的情況下，4列列車分別接入股道的A、B、C、D段。2列萬t列車組合為1列2萬t列車的情況下，2列萬t列車分別接入股道的AB段和CD段。最后1列單元列車接入股道之后，列檢人員按照規(guī)定進行列檢作業(yè)。同時，機車摘機進入機務(wù)段。列檢作業(yè)完畢之后，本務(wù)機出段連掛車列，牽引后部車列與前部車列連掛，編為一列組合列車。組合完成后，組合式重載列車在制動機簡略試驗之后即可發(fā)車。以2列萬t列車組合成為1列2 t列車為例，組合列車的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 組合列車作業(yè)流程圖

圖2描述了在組合站組合單一去向的組合列車的作業(yè)流程。在重載運輸中，組合站一般銜接重載鐵路與非重載鐵路，其組合列車一般有兩個或兩個以上的去向。在多去向的組合站，組合列車的作業(yè)流程大致與圖2相似。不同點在于接入待組合的單元列車時要進行去向判斷，將去往同一方向的單元列車接入同一組合到發(fā)線。

2 車場組合能力計算

車場的組合能力是指組合到發(fā)場一晝夜所能組合完成并發(fā)出的組合列車的數(shù)量。計算一列組合列車占用組合到發(fā)線時間T占的公式為：

式中，t接：第1列接車作業(yè)時間，min；

t間：后續(xù)接車間隔時間，min；

t摘：最后1列摘機（可平行摘機）時間，min；

t空：列車到達空費間隔時間，min；

t掛：掛機作業(yè)時間（可平行作業(yè)），min；

t連：后續(xù)車列連掛時間，min；

t技：到達后技檢作業(yè)時間，min；

t簡：簡略試驗作業(yè)時間，min；

t發(fā)：發(fā)車作業(yè)時間，min。

一晝夜車場的組合能力可按下式計算：

式中，M：車場中用于組合列車的組合到發(fā)線條數(shù)；

∑t固：一晝夜固定作業(yè)所占用組合到發(fā)線的總時間，min；

γ空：組合到發(fā)線空費系數(shù)，指組合到發(fā)線一晝夜不能用來組合列車的時間比例，其值由統(tǒng)計得出。

（1）式與（2）式中，所有涉及的作業(yè)時間標準都是在長期統(tǒng)計實際作業(yè)時間寫實的基礎(chǔ)上取到的特定值。

3 組合車場仿真系統(tǒng)

建立組合車場仿真系統(tǒng)的目標是真實反映實際系統(tǒng)的作業(yè)流程，能夠體現(xiàn)實際系統(tǒng)中各個作業(yè)環(huán)節(jié)，并可以收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，進而提出優(yōu)化實際系統(tǒng)作業(yè)流程的措施。重載鐵路組合站的組合車場作業(yè)過程仿真系統(tǒng)首先需要熟練掌握列車組合的流程，在此基礎(chǔ)上將作業(yè)流程用離散的事件連接在一起，以事件的發(fā)生來推進系統(tǒng)的作業(yè)流程。

3.1 構(gòu)建仿真系統(tǒng)

重載鐵路組合站的組合車場作業(yè)仿真系統(tǒng)由5個子系統(tǒng)構(gòu)成：列車生成子系統(tǒng)、到發(fā)線選擇子系統(tǒng)、列車組合作業(yè)子系統(tǒng)、進路疏解子系統(tǒng)和可視化界面子系統(tǒng)。其中，列車生成子系統(tǒng)負責按照列車時刻表、或服從某種概率分布的列車到達間隔時間生成到達列車，并確定列車的編組輛數(shù)、列車長度、機車車輛的類型以及單元列車的去向等屬性；到發(fā)線選擇子系統(tǒng)負責計算到達列車應(yīng)接入的到發(fā)線及停車位置，并將目標位置反饋給列車子系統(tǒng)生成的待組合單元列車；列車組合作業(yè)子系統(tǒng)負責完成若干列單元列車組合為一列組合式列車的作業(yè)過程，包括摘掛機車、牽引連掛、技檢作業(yè)和制動機簡略試驗等作業(yè)；進路疏解子系統(tǒng)負責疏解沖突近路。在此仿真系統(tǒng)中進路沖突主要為機車出入機務(wù)段的進路與組合列車出發(fā)進路之間的沖突；可視化界面子系統(tǒng)負責建立可視化的仿真界面，包括車場的平面布置圖與機車車輛的外觀，各種變量、數(shù)據(jù)的輸出，2D、3D動畫演示界面，以及仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析圖表等內(nèi)容。

3.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

AnyLogic仿真軟件同時支持系統(tǒng)動力學、基于智能體和離散事件3種主流建模方法，且可以將3種方法以任意形式組合進行建模。其建模語言具有獨有的靈活性，可使用戶能夠捕捉仿真系統(tǒng)不同層次的復(fù)雜性和異質(zhì)性，圖形化接口、工具和庫對象可以快速針對仿真系統(tǒng)的不同部分建模，支持面向?qū)ο笤O(shè)計，為大規(guī)模系統(tǒng)提供了模塊化、層次化和漸進式的架構(gòu)。

組合車場作業(yè)仿真系統(tǒng)是一個微觀的仿真系統(tǒng)，包括機車、車輛、軌道、道岔等微觀因素，可使用AnyLogic軟件提供的軌道庫和標準庫構(gòu)建系統(tǒng)框架，系統(tǒng)底層的算法、各微觀要素的活動、推進系統(tǒng)的事件控制等由Java高級編程語言編程實現(xiàn)。組合車場作業(yè)仿真系統(tǒng)的層次性結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

3.3 仿真案例

有一重載鐵路組合站的組合車場，由4組基本線束構(gòu)成，即8條組合到發(fā)線，4條機走線，車場右側(cè)咽喉設(shè)有連通機務(wù)段的機走線。本車場存在3種組合方式：2列5 000 t列車組合為1列萬t列車（單機或雙機），2列1萬t列車組合為1列2萬t列車，4列5 000 t列車組合為1列2萬t列車（雙機或4機）。以大秦線為例，單元萬t重載列車使用C63、C64、C76、C80、C70型等車輛固定編組，循環(huán)使用，機車為動力集中重聯(lián)牽引。具體編組形式如表1所示。大秦線2萬t重載列車的的種類有兩種：2×10 000 t的重載組合列車，4×5 000 t的重載組合列車。其中后者現(xiàn)在已停止開行。2×10 000 t的重載組合列車的編組形式主要為1+1+可控列尾，機車為HXD型電力機車。具體編組內(nèi)容為：

機車（主控）+車輛（105輛）+機車（從控）+車輛（105輛）+可控列尾。

表1 1萬t組合列車編組表

重載鐵路組合站的銜接方向往往不是單一的，組合車場中可能組合兩個去向或更多去向的組合列車。在本仿真系統(tǒng)中，分別建立單一去向和兩個去向的仿真系統(tǒng)，通過運行仿真系統(tǒng)，對比二者車場組合能力、組合到發(fā)線利用率等指標。

本仿真系統(tǒng)為微觀仿真系統(tǒng)，主要以1+1的列車組合形式為主要仿真內(nèi)容，可仿真2列萬t組合為1列2萬t組合列車的作業(yè)過程。從列車進入車場時起至組合列車離開車場時止，仿真系統(tǒng)模擬了列車的每一步作業(yè)過程，并能夠以2D、3D動畫的形式前臺展示。不需要對系統(tǒng)流程有過多的了解即可明白列車組合的作業(yè)過程。本仿真系統(tǒng)中，采用的組合列車各項作業(yè)時間標準如表2所示。

表2 2萬t組合列車作業(yè)時間標準

使用基于Windows 7操作系統(tǒng)平臺的AnyLogic仿真軟件，利用AnyLogic軟件提供的標準庫與軌道庫建立重載鐵路組合車場仿真系統(tǒng)，運行界面如圖4所示。圖4中，紅色與綠色用于區(qū)別單元列車的去向，藍色車輛表示該車輛為機車。運行界面分為3個視圖區(qū)域，第1視圖區(qū)域為2D動畫演示界面和數(shù)據(jù)輸出分析區(qū)，第2視圖區(qū)域為邏輯流程圖，第3視圖區(qū)域為3D動畫演示界面。

圖4 組合車場仿真系統(tǒng)界面

AnyLogic仿真軟件中，系統(tǒng)中的所有對象都是由智能體(Agent)控制的，各智能體(Agent)之間用連接器連接，用于表示邏輯上的前位事件與后位事件。智能體與連接器共同構(gòu)成邏輯圖，類似于流程圖。在智能體的屬性界面可定義智能體的具體屬性，并利用Java高級程序語言編寫智能體經(jīng)過特定節(jié)點所觸發(fā)的事件。

3.4 仿真數(shù)據(jù)分析

本仿真系統(tǒng)中，虛擬時間與真實時間的比例為1:60，即仿真系統(tǒng)中跨度為1 min的虛擬時間為真實時間的1 s。仿真組合車場一晝夜的組合能力時，設(shè)置仿真運行時間總長為1440-120=1320（min），120 min為扣除的天窗時間。在Windows7操作系統(tǒng)中，運行仿真系統(tǒng)30次，并記錄每次運行的數(shù)據(jù)。組合列車雙去向的仿真系統(tǒng)中，待組合的單元列車按照1:1的數(shù)量比例隨機進入車場，服從均勻分布。仿真系統(tǒng)各股道利用率的計算時間起點為到達列車第一次確定該股道為目標軌道的時間，終點為停止運行仿真系統(tǒng)的時間。因各股道第一次接入列車的時間點是不同的，造成股道利用率計算公式分母中的總時間不一致。因此，在比較股道利用率時，以各股道組合相同數(shù)量的組合列車時其股道利用率為準。

（1）T占=135 min，t間=10 min時，組合車場的組合能力

從表3、表4得出單雙去向車場的組合能力在相同的參數(shù)下，組合能力無明顯區(qū)別。單去向車場只使用了7條組合到發(fā)線，雙去向車場使用了全部的8條組合到發(fā)線，且組合到發(fā)線利用率低于單去向車場。

表3 單雙去向車場組合能力表

表4 單雙去向仿真車場股道利用率表

（2）T占=135 min，組合列車數(shù)M=20列時，組合車場的股道利用率指標（不考慮天窗扣除時間）

表5 股道利用率表

從表5可知，單去向的情況下，只需7條股道便可滿足列車組合需求的到發(fā)線數(shù)量。雙去向的情況下，需要使用全部8條組合到發(fā)線，因仿真系統(tǒng)中選擇接車線路時是按照從1G到8G的順序開始遍歷，標號較小的到發(fā)線具有較高的優(yōu)先級，造成股道利用率逐次降低的趨勢。

4 結(jié)束語

上述案例只仿真了T占=135 min，t間=10 min情況下的組合車場作業(yè)，從仿真結(jié)果可以得出該車場在此情況下并沒有達到最大的組合能力?；谏鲜龇抡姘咐?，可以得出下列結(jié)論。

（1）在雙去向的單元列車到達數(shù)量服從均勻分布、到達間隔時間相等、T占相等的情況下，組合車場的組合能力與組合單去向組合列車時的組合能力并無明顯差異，基本相等，但使用的組合到發(fā)線條數(shù)多于組合單去向組合列車時使用的組合到發(fā)線條數(shù)。

（2) 組合單去向組合列車的組合車場股道利用率大于組合多去向組合車場股道的利用率，其比例隨去向的增多而增大。

（3) 隨著組合列車數(shù)量的增大，各股道利用率呈降低的趨勢。

組合多去向的組合列車在同樣的作業(yè)時間標準下，所耗費的平均時間大于組合單去向的組合列車。這個問題可以通過合理組織到達車流得到緩解，盡量使去往同一方向的單元列車連續(xù)成對到達，降低第1列單元列車的等待時間。

重載鐵路組合站的組合車場作業(yè)仿真系統(tǒng)不僅可以用來仿真列車的組合過程，而且可以仿真求得車場的組合能力、各股道的利用率等指標。此外，可以仿真得出在一定車流密度、作業(yè)組織條件下車場所需的組合到發(fā)線條數(shù)，對于重載鐵路組合站的設(shè)計規(guī)劃均有指導(dǎo)意義。

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[2] 崔永明,重載鐵路車站設(shè)計有關(guān)問題的探討[J].鐵道標準設(shè)計，2010（11）：30-32.

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責任編輯 徐侃春

表5 故障規(guī)則表（部分）

3.4 根據(jù)規(guī)則進行決策

診斷決策是根據(jù)提交的規(guī)則進行決策輸出，并且對輸出的決策進行性能評價，若通過決策性能評價,進行決策實施，否則重新提交規(guī)則并進行決策性能評價。根據(jù)高速動車組故障規(guī)則挖掘，結(jié)合專家經(jīng)驗等對高速動車組的故障進行診斷決策，根據(jù)決策執(zhí)行運維操作。

以F1003故障為例： 如果出現(xiàn)F1003故障，則決策系統(tǒng)給出對C4已經(jīng)運維。如對C4運維未完全消除故障，則給出對C1和T3進行運維操作。以此類推，直到故障最終消除。

如果在診斷過程中出現(xiàn)規(guī)則已空的情況，則應(yīng)該重新對故障進行處理，生成新的故障規(guī)則，指導(dǎo)診斷決策。

4 結(jié)束語

基于大數(shù)據(jù)的高速動車組故障診斷是根據(jù)動車組的歷史故障信息，結(jié)合專家經(jīng)驗，運用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，從海量的動車組故障信息中，搜索出高速動車組故障與狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以此關(guān)聯(lián)規(guī)則為依據(jù)，根據(jù)列車的當前狀態(tài)對動車組關(guān)鍵部件進行故障診斷。通過對高速動車組故障關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，為檢修和領(lǐng)導(dǎo)決策提供有意義的故障診斷依據(jù)。

參考文獻：

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責任編輯 徐侃春

Combined Yard Simulation System in combined station of heavy haul railway

SU Yin,WEI Yuguang
( School of Traffc and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

This article analyzed of the operation process and characteristics of combined trains in combined station of heavy haul railway,used simulation software to simulate the process of the trains in the microscopic aspect.Two simulation models were constructed separately,the trains in the frst model had only one destination,and trains in the second had two destinations.Through analyzing the simulation data,it was found that the combination capacity and the utilization rate of arrival and departure track for combined trains in he second model were lower than the trains in the frst model at the same yard.At the end,the article put forward relevant optimization measures to improve the combination capacity of combined yard.

heavy haul railway;combined station;combined capacity;simulation

U239.4∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0012-05

2015-05-27

蘇 寅，在讀碩士研究生；魏玉光，教授。