關(guān)于列車牽引計(jì)算系統(tǒng)的研究

劉大偉++馬子奕

摘 要：列車牽引計(jì)算系統(tǒng)的構(gòu)成，可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理流程，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示界面模塊，對(duì)各個(gè)模塊的功能做了詳盡說明，并針對(duì)各個(gè)模塊的功能特點(diǎn)作了進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：牽引計(jì)算；數(shù)據(jù)庫管理；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：S662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）19-0335-02

列車牽引計(jì)算是針對(duì)有軌交通運(yùn)輸中列車在外力（包括機(jī)車牽引力、列車阻力、列車制動(dòng)力）的作用下沿軌道運(yùn)行及其有關(guān)問題的科學(xué)計(jì)算。它以力學(xué)為基礎(chǔ)，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)和先進(jìn)操縱經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，分析列車運(yùn)行過程中的各種現(xiàn)象和原理，并用以解算軌道交通運(yùn)營和設(shè)計(jì)上的一些主要技術(shù)問題和技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。

列車牽引計(jì)算系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，涵蓋范圍廣，計(jì)算公式繁多，而本文利用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，將牽引計(jì)算看成一個(gè)求解多元問題的方法論。在牽引計(jì)算系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)劃分為三大模塊：數(shù)據(jù)管理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示界面模塊。本設(shè)計(jì)的目的在于框定列車牽引計(jì)算系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，定義各個(gè)模塊的功能、原理及相互關(guān)系。

1.列車牽引計(jì)算軟件發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 列車牽引計(jì)算的含義

“列車牽引計(jì)算”是研究列車在外力作用下沿軌道運(yùn)行及有關(guān)問題的實(shí)用學(xué)科。它以力學(xué)為基礎(chǔ)，以科學(xué)實(shí)驗(yàn)和先進(jìn)操縱經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，分析列車運(yùn)行過程中的各種現(xiàn)象和原理，并用以解算軌道交通運(yùn)營和設(shè)計(jì)上的一些主要技術(shù)問題和技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。例如，機(jī)車牽引重量、列車運(yùn)行速度和運(yùn)行時(shí)間、列車制動(dòng)距離、制動(dòng)限速、制動(dòng)能力以及機(jī)車能耗（燃油耗或電耗）等等。列車牽引計(jì)算的用途有多方面，在鐵路運(yùn)輸方面，為了使鐵路運(yùn)輸做到提速、重載、安全、高效，在每年修改列車列車運(yùn)行圖時(shí)都需要進(jìn)行大量的牽引計(jì)算，并且在列車運(yùn)行或車站調(diào)車過程中發(fā)生事故時(shí)，用于分析事故原因；在機(jī)車運(yùn)用方面，除了配合運(yùn)輸方面做好工作之外，為了做到“節(jié)能”，還可以通過牽引計(jì)算，尋找最佳操縱方案；在選線設(shè)計(jì)方面，為了計(jì)算鐵路的通過能力和輸送能力、確定線路縱斷面和機(jī)車交路，在進(jìn)行選線設(shè)計(jì)時(shí)必須要進(jìn)行牽引計(jì)算；在通信信號(hào)方面，為了合理地布置軌道信號(hào)設(shè)備，也要進(jìn)行牽引計(jì)算；在運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)方面，為了計(jì)算設(shè)備投資和運(yùn)營支出，進(jìn)行各種方案的經(jīng)濟(jì)比較等等，也要進(jìn)行牽引計(jì)算n，。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國外的軌道交通系統(tǒng)發(fā)展的較早，牽引計(jì)算的理論和實(shí)踐的成果也比較多。因?yàn)闋恳?jì)算理論可作為列車操縱模擬、列車運(yùn)行仿真、列車自動(dòng)停車、列車自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)理論，所以在這些領(lǐng)域中，牽引計(jì)算理論都得到了發(fā)展。對(duì)于列車牽引計(jì)算與操縱仿真領(lǐng)域，國外比較成熟的系統(tǒng)有北美的TPC（Train Performance Calculator）系統(tǒng)和RAILSIM系統(tǒng)（鐵路模擬系統(tǒng)），歐洲的TrainStar系統(tǒng)，日本的UTRAS系統(tǒng)等。TPc系統(tǒng)是根據(jù)線路平縱斷面以及列車編組，計(jì)算列車運(yùn)行時(shí)分，評(píng)價(jià)機(jī)車牽引性能，評(píng)價(jià)各因素如列車編組、線路條件等變化后產(chǎn)生的效果；RAILSIM系統(tǒng)是北美鐵路常用的一套鐵路牽引計(jì)算與運(yùn)行模擬軟件，它以TPC為基礎(chǔ)，可以更精確地模擬許多鐵路系統(tǒng)中多種列車的運(yùn)行：TrainStar系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)車工程師輔助系統(tǒng)，其目標(biāo)是改善機(jī)車操縱，降低能耗，增加安全性，關(guān)鍵技術(shù)是提供了自適應(yīng)的列車行為預(yù)測(cè)，可在當(dāng)前運(yùn)營條件下預(yù)測(cè)列車的運(yùn)動(dòng)行為，包括牽引和制動(dòng)能問題；UTRAS系統(tǒng)從研究新干線的交通控制系統(tǒng)出發(fā)，

可進(jìn)行列車牽引計(jì)算、列車模型對(duì)運(yùn)營的影響分析、延誤恢復(fù)及分析和多列車運(yùn)行能力及效果評(píng)價(jià)等?？梢妵鈱?duì)于牽引計(jì)算的研究，除了應(yīng)用于列車優(yōu)化操縱外，現(xiàn)在更多地應(yīng)用于列車的自動(dòng)控制和列車自動(dòng)駕駛的研究中嘲。

1.3 國內(nèi)列車牽引計(jì)算軟件發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)于牽引計(jì)算的研究相對(duì)落后于國外，總的來說，國內(nèi)牽引計(jì)算理論與應(yīng)用可以分為人工計(jì)算和圖解法、單質(zhì)點(diǎn)列車模型的電算方法和多質(zhì)點(diǎn)列車模型的詳細(xì)電算方法3個(gè)發(fā)展階段。

1.3.1 早期的牽引電算程序

自從20世紀(jì)80年代起，我國曾先后由濟(jì)南、呼和浩特等鐵路局和各設(shè)計(jì)院編制、使用了第一代列車牽引計(jì)算軟件。早期的程序多采用勘峪IC、FORTRAN等計(jì)算機(jī)語言編寫，按計(jì)算流程將有關(guān)的計(jì)算公式編制成電算程序，在286微機(jī)DOS環(huán)境下運(yùn)行。該方法只是在計(jì)算方式上以電算代替了手工計(jì)算，在列車牽引和制動(dòng)計(jì)算方面大體上相當(dāng)于國外20世紀(jì)60年代的簡(jiǎn)單牽引計(jì)算水平，例如美國的TPO鉑程序。隨著我國鐵路現(xiàn)代化事業(yè)的迅速發(fā)展，第一代程序已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢(shì)的要求，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①計(jì)算所得的速度曲線呈折線狀，與列車實(shí)際運(yùn)行時(shí)連續(xù)漸變的速度曲線嚴(yán)重不符。②受DOS環(huán)境限制，缺乏良好的用戶界面，無法形象模擬列車牽引、制動(dòng)操縱，而且“退回操作功能有限，控制不夠靈活。③數(shù)據(jù)接口少且功能單一，只能通過修改源程序才能增補(bǔ)新型機(jī)車和車輛數(shù)據(jù)，導(dǎo)致進(jìn)行新增車型牽引計(jì)算難度較大，而且要求人工輸入線路數(shù)據(jù)并按特定規(guī)則進(jìn)行線路斷面化簡(jiǎn)，不僅工作量大而且容易參數(shù)輸入錯(cuò)誤。④受計(jì)算機(jī)和輸出設(shè)備性能限制，計(jì)算結(jié)果處理功能差，用于繪制列車操縱示意圖費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.3.2 第二代列車牽引計(jì)算軟件

針對(duì)第一代牽引計(jì)算程序普遍存在的計(jì)算精度低、使用不方便等缺陷，伴隨著鐵道部新《牽規(guī)》“1的頒布實(shí)施，第二代列車牽引計(jì)算軟件應(yīng)運(yùn)而生。由鐵道部科學(xué)研究院研制完成的牽引計(jì)算軟件已經(jīng)通過了鐵道部的技術(shù)鑒定并被鐵路運(yùn)營單位廣泛使用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

列車牽引計(jì)算系統(tǒng)要解決的不是單一問題，而是多個(gè)問題組成的集合。它包括：機(jī)車、車輛、線路數(shù)據(jù)的管理；結(jié)算列車牽引特性、運(yùn)行時(shí)分、起動(dòng)加速、機(jī)車能耗、制動(dòng)距離等，并將結(jié)果簡(jiǎn)單明確的顯示出來。根據(jù)列車牽引計(jì)算系統(tǒng)要解決的問題以及要完成的功能的不同，將列車牽引計(jì)算系統(tǒng)細(xì)分為若干個(gè)子模塊。每個(gè)子模塊完成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能，解決特定單獨(dú)的問題，然后將所有子模塊集合成一個(gè)完整的具備所有功能的牽引計(jì)算系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫管理是指對(duì)數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行建立、存取和修改等管理的工作。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫管理經(jīng)歷了人工管理、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理這3個(gè)發(fā)展階段。由于采用數(shù)據(jù)庫管理具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)冗余小、獨(dú)立性高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性、完整性管理以及實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制和數(shù)據(jù)恢復(fù)的能力。采用數(shù)據(jù)庫管理可以很好的適應(yīng)牽引計(jì)算數(shù)據(jù)規(guī)模大，數(shù)據(jù)量多的特點(diǎn)。根據(jù)牽引計(jì)算所需數(shù)據(jù)類型的不同又可將其細(xì)分為機(jī)車數(shù)據(jù)管理、車輛數(shù)據(jù)管理、線路數(shù)據(jù)管理以及列車編組管理。

3.1 機(jī)車數(shù)據(jù)管理

機(jī)車數(shù)據(jù)管理模塊是從觸摸屏、鍵盤等輸入設(shè)備，輸入機(jī)車的車型、機(jī)車的牽引特性等列車牽引計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，并通過該模塊生成相應(yīng)的機(jī)車數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤中供以后計(jì)算時(shí)調(diào)用。

機(jī)車數(shù)據(jù)是牽引計(jì)算系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它包含兩方面即機(jī)車基本數(shù)據(jù)（不隨速度變化而改變的數(shù)據(jù)）和特性數(shù)據(jù)（隨速度變化而改變的數(shù)據(jù)，包括牽引特性數(shù)據(jù)、能耗特性數(shù)據(jù)、制動(dòng)數(shù)據(jù)特性和阻力特性等）。

3.2 車輛數(shù)據(jù)管理

車輛不存在特性數(shù)據(jù)，在牽引計(jì)算中所需車輛數(shù)據(jù)有：車輛類型、基本阻力計(jì)算參數(shù)、車輛自重、標(biāo)記載重、軸承類型、制動(dòng)機(jī)型號(hào)、制動(dòng)閘瓦材料的類型等。對(duì)車輛數(shù)據(jù)的操作不需要考慮其他關(guān)聯(lián)因素，只需要查找相關(guān)資料即可。

3.3 線路數(shù)據(jù)管理

所謂線路數(shù)據(jù)管理，就是從各種輸入設(shè)備，輸入某條線路或某區(qū)間的原始線路數(shù)據(jù)，并在磁盤中生成相應(yīng)的線路數(shù)據(jù)庫，供以后計(jì)算或反向計(jì)算時(shí)使用。線路數(shù)據(jù)管理包含三類，即坡度數(shù)據(jù)管理、曲線數(shù)據(jù)管理和標(biāo)記數(shù)據(jù)管理。坡度數(shù)據(jù)包括線路名、線路代碼、坡度、坡長等；曲線數(shù)據(jù)包括線路名、線路代碼、曲率半徑、曲線長、曲線方向等；標(biāo)記數(shù)據(jù)包括線路名、線路代碼、標(biāo)記類型、線路方向等。

3.4 列車編組數(shù)據(jù)管理

列車編組數(shù)據(jù)包括機(jī)車、車輛的型號(hào)及數(shù)量，車輛的實(shí)際載重量等等。對(duì)列車編組數(shù)據(jù)管理包括列車編組的添加、修改、刪除和查詢等基本操作。

4 數(shù)據(jù)處理模塊

有了列車牽引計(jì)算的原始數(shù)據(jù)，便可根據(jù)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.1 牽引質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)線路的坡道限制條件，在給定牽引質(zhì)量的情況下進(jìn)行驗(yàn)算是否滿足條件。依據(jù)滿足條件的牽引質(zhì)量作為該線路的列車牽引質(zhì)量或采取其他措施提高牽引質(zhì)量。

4.2 運(yùn)行時(shí)分計(jì)算

根據(jù)線路條件和列車牽引質(zhì)量，在機(jī)車不同運(yùn)行工況下，計(jì)算出列車在此段線路區(qū)間的耗時(shí)以及各個(gè)時(shí)段所在該線路的位置。

4.3 起動(dòng)加速計(jì)算

列車的起動(dòng)過程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，列車的起動(dòng)阻力維持時(shí)間短，只能通過多次試驗(yàn)的辦法，提出一些計(jì)算公式。列車在實(shí)際運(yùn)行中一旦起動(dòng)，列車阻力就從起動(dòng)阻力回落到基本阻力，是一個(gè)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的瞬變過程。

4.4 機(jī)車能耗計(jì)算

機(jī)車能耗是關(guān)系到運(yùn)輸成本和機(jī)車運(yùn)用效率的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)不同工況下的能耗做出精確的計(jì)算，有利于安排機(jī)車的運(yùn)用、檢修和對(duì)運(yùn)費(fèi)的核算，合理計(jì)算機(jī)車的能耗是牽引計(jì)算系統(tǒng)中的重點(diǎn)。

4.5 制動(dòng)性能計(jì)算

機(jī)車車輛的制動(dòng)性能是關(guān)系到車輛運(yùn)行安全與否的一個(gè)重要因素。機(jī)車車輛的制動(dòng)性能除了要考慮牽引電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)之外，還要考慮輪軌接觸的影響。

5 顯示界面模塊

顯示界面模塊主要功能是接受外界數(shù)據(jù)并輸入數(shù)據(jù)處理模塊以及將數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算后的結(jié)果具體形象的表現(xiàn)出來。一個(gè)系統(tǒng)的所有人機(jī)交互過程都是通過顯示界面開始的，因此設(shè)計(jì)布局合理、功能清晰的顯示界面很有必要。

顯示界面模塊可分為數(shù)據(jù)庫管理界面和牽引計(jì)算輸出界面。其中數(shù)據(jù)庫管理界面的作用是增加、修改、刪除或查詢機(jī)車車輛數(shù)據(jù)，牽引計(jì)算輸出界面則是將各種計(jì)算所得的結(jié)果數(shù)據(jù)以屏幕顯示、打印輸出或網(wǎng)絡(luò)輸出的形式傳達(dá)給使用者。

6、結(jié)語

本文以牽引計(jì)算理論為基礎(chǔ)，結(jié)合基本需求進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了列車牽引系統(tǒng)。通過對(duì)多條實(shí)際線路進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)能較好地適應(yīng)各種不同平縱斷面的計(jì)算。

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