鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)研究與設計

彭文高

（中國鐵路廣州局集團有限公司 運輸處，廣東 廣州 510088）

1 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)需求分析

1.1 問題提出

鐵路行車技術作業(yè)時間泛指鐵路行車過程中的技術作業(yè)耗時。行車技術作業(yè)包括諸多環(huán)節(jié)，其時間長短直接影響著鐵路列車運行圖的質(zhì)量和通過能力。隨著鐵路運輸設備的更新改造和運輸組織流程的改革，部分鐵路行車技術作業(yè)仍然使用既有時間標準，從而不能滿足實際的技術作業(yè)需要，影響鐵路運輸服務質(zhì)量且浪費鐵路運能。

鐵路系統(tǒng)仿真通過計算機模型模擬實際鐵路運輸系統(tǒng)行車技術作業(yè)的過程，分析給定條件下的系統(tǒng)動態(tài)行為變化。鐵路行車設備制約關系復雜、技術作業(yè)具有動態(tài)性，使得鐵路行車技術作業(yè)難以建立一個準確的數(shù)學模型，而利用系統(tǒng)仿真則可以很好地驗證行車技術作業(yè)時間標準，保證作業(yè)時間標準的科學性和合理性。因此，基于目前我國鐵路行車技術設備和作業(yè)流程，進行鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)的研究與設計。

國外對列車運行仿真系統(tǒng)的研究及開發(fā)較早，部分發(fā)達國家已實現(xiàn)完整的運行仿真系統(tǒng)并運用到鐵路運營中，如英國 AEA 鐵路技術公司開發(fā)的VISION 系統(tǒng)、北美鐵路常用的 RAILSIM 與 TCP 系統(tǒng)、日本交通控制實驗室研制的 UTRAS 系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)主要應用于列車運行控制、多列車運行能力及效果評價，以及列車間隔、線路能力的分析等方面，實現(xiàn)對鐵路運營過程的列車運行精確仿真。

我國從 20 世紀 80 年代開始對鐵路行車組織及相關領域進行仿真研究[1]，主要集中在 3 個方面：①對列車群運行狀態(tài)進行仿真[2-3]，在此基礎上確定列車運行調(diào)整計劃、計算區(qū)段通過能力和鐵路運營參數(shù)；②對列車運行過程中的機車牽引、制動計算層面的仿真研究，主要目的是解決行車安全、線路技術改造和節(jié)能等問題；③對車站內(nèi)的列車技術作業(yè)進行仿真建模[4-7]。

綜上分析，國內(nèi)外大多數(shù)研究側重于行車組織中的設備運用和計劃實施等方面的效果分析與評估。隨著鐵路列車的提速和高速鐵路的開通運營，列車運行技術作業(yè)時分標準與過去相比大大壓縮，提高了鐵路運輸效率，但也存在作業(yè)時間標準與實際不相符合的情形，限制了鐵路運輸服務質(zhì)量的進一步提高。究其原因，我國鐵路列車運行技術作業(yè)的時分標準主要是通過人工經(jīng)驗確定。因此，研究開發(fā)列車運行技術作業(yè)時間標準仿真系統(tǒng)，對建立健全鐵路運輸組織科學決策平臺，提高列車運行組織的質(zhì)量和效率十分必要。

1.2 仿真驗證系統(tǒng)需求分析

根據(jù)對鐵路行車技術標準查定內(nèi)容和流程分析，可以將用戶對行車技術作業(yè)時間標準模擬仿真軟件的需求分為以下類別。

（1）實現(xiàn)行車技術作業(yè)的數(shù)據(jù)管理。對車站、線路、機車和信號等數(shù)據(jù)進行添加、修改及刪除，對其他基礎數(shù)據(jù)進行錄入、查詢、輸出等。

（2）實現(xiàn)列車牽引計算。能夠根據(jù)設定的條件自動進行工況選擇、支持自動牽引計算、列車牽引重量計算、列車制動問題解算等計算功能，輸出列車運行速度、時間和能耗等指標。

（3）實現(xiàn)列車群的并行仿真計算。能夠同時對多個列車進行運行仿真，支持不同列控條件下的行車技術作業(yè)，包括車站接發(fā)車作業(yè)、區(qū)間運行、機車換掛作業(yè)及車底折返作業(yè)等，輸出列車群的最優(yōu)技術作業(yè)方案。

（4）實現(xiàn)人機交互的行車技術作業(yè)時分計算和仿真。支持手動列車牽引計算，充分利用用戶的實際經(jīng)驗，進行工況選擇；同時，在仿真實驗中，用戶可以實時地更改仿真條件，支持不同方案下的仿真數(shù)據(jù)。

（5）提供良好的人機交互界面。操作邏輯嚴謹簡潔，避免用戶的重復操作，數(shù)據(jù)顯示清晰明了且對屏幕的使用效率高，數(shù)據(jù)表格具有多種排序方式并支持首拼查詢，菜單選項簡單易懂，降低軟件的使用難度。

2 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體流程設計

在鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基礎，仿真運行是系統(tǒng)業(yè)務的核心，用戶通過人機交互界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中基礎數(shù)據(jù)的輸入和對電子地圖的編輯。仿真運行子系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中讀取基礎數(shù)據(jù)，基于條件參數(shù)進行仿真計算，將計算結果存儲到數(shù)據(jù)庫并通過動畫的形式展示，最后通過仿真輸出模塊，將仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和輸出。鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)總體流程如圖 1 所示。

圖 1 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)總體流程Fig.1 Overall fl ow of the system

2.2 系統(tǒng)分層架構設計

在鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)中采用典型的 3 層架構，分為數(shù)據(jù)訪問層 (DAL)、業(yè)務邏輯層 (BLL) 和表示層 (UI)。數(shù)據(jù)訪問層為最低層，也是系統(tǒng)構建的基礎；其次為業(yè)務邏輯層，包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作、業(yè)務計算、仿真功能等業(yè)務功能模塊；最頂層為表示層，即用戶層。鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)分層架構設計如圖 2 所示。

2.3 系統(tǒng)功能結構設計

根據(jù)對鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)需求和仿真流程的分析，技術作業(yè)時間標準仿真系統(tǒng)應以鐵路基礎設備和行車業(yè)務流程為基礎進行構架，對以列車運行圖為計劃的行車技術作業(yè)環(huán)節(jié)進行列車運行仿真，并確定所仿真車站或區(qū)間的各項技術作業(yè)時間標準，由此實現(xiàn)行車技術作業(yè)時間標準的計算與驗證。根據(jù)業(yè)務功能特點，系統(tǒng)可以劃分為數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、仿真運行子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)輸出子系統(tǒng)。鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)總體功能結構如圖 3 所示。

其中，數(shù)據(jù)管理功能是系統(tǒng)的基礎，為仿真系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；仿真運行是系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)列車運行仿真、基礎設備仿真控制、技術作業(yè)時間計算等核心功能；數(shù)據(jù)輸出功能能夠?qū)⒎抡孢\行過程中所有設備的狀態(tài)動態(tài)直觀地顯示出來，并對仿真過程和結果進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)關鍵技術

3.1 自動牽引計算

在鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)中，自動牽引計算決定著各行車技術作業(yè)的時空位置及設備占用關系。因此，仿真過程中的牽引計算需要考慮行車技術作業(yè)的實際情況及系統(tǒng)仿真控制模式，實現(xiàn)自動牽引計算，其自動牽引計算流程如圖 4 所示。

在進行自動牽引計算時，工況選擇是計算過程中的關鍵環(huán)節(jié)，在不同的工況選擇策略下，牽引計算的結果也不同。系統(tǒng)中，主要根據(jù)司機操縱經(jīng)驗和系統(tǒng)綜合控制進行工況初選，再結合線路的平縱斷面、列車運行工況、速度預測模型驗證工況選擇的合理性，減少回退計算次數(shù)，提高計算效率。

圖 2 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)分層架構設計Fig.2 Hierarchical architecture design of the simulation system

圖 3 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)總體功能結構Fig.3 General functional structure of system

圖 4 自動牽引計算流程Fig.4 Calculation process of automatic traction

3.2 列車群并行計算仿真技術

并行計算是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程，是提高計算機系統(tǒng)計算速度和處理能力的一種有效手段[8-9]。在實際的行車組織過程中，當列車群的規(guī)模較大時，針對單個列車的事件難以體現(xiàn)行車作業(yè)多個事件間的邏輯關系。為了解決上述問題，結合線路車站的列車進路排列，采用列車群并行計算技術進行仿真。在系統(tǒng)中，以列車作為基本獨立單元，將進入系統(tǒng)的各列車技術作業(yè)活動按順序排列，生成獨立的進程并行仿真。列車群并行計算流程如圖 5 所示。

在行車組織過程中，某些特定活動會改變線路及車站設備的占用狀態(tài)，對其他列車的技術作業(yè)造成影響。為區(qū)間內(nèi)的各類設備建立集合R，集合中元素用∈R表示，代表第k個設備在第i個列車進程中的占用情況。

在第i個列車進程中，按順序排列的第x個活動事件為，并為x事件的備選設備建立集合Rx，幾何元素為與x有對應關系的，當結束后，掃描當前時間點的Rx，選取等待時間最短的設備作為事件的載體。從第i-1 到i+ 2 個列車進程中第x-1 事件至x事件之間的列車并行計算過程如圖 6 所示。

3.3 系統(tǒng)仿真流程

圖 5 列車群并行計算的流程Fig.5 Process of parallel computing of train group

圖 6 列車并行計算過程Fig.6 Parallel computing process of train

鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)的仿真流程主要分為 4 個部分，基礎數(shù)據(jù)的建立、仿真參數(shù)的設定、列車的運行仿真過程和仿真結果輸出。其中基礎數(shù)據(jù)和仿真參數(shù)是列車進行仿真運行的基礎，在運行圖的約束下進行列車運行仿真，計算行車技術作業(yè)時間并輸出仿真結果。鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)仿真總體流程如圖 7 所示。

圖 7 鐵路行車技術作業(yè)時間標準仿真驗證系統(tǒng)仿真總體流程Fig.7 Overall process of system simulation

在技術作業(yè)仿真流程中，仿真數(shù)據(jù)的準備和仿真參數(shù)設置是列車運行仿真的基礎。在仿真預備過程中需要處理其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)、提取仿真業(yè)務數(shù)據(jù)及參數(shù)、設置設備初始狀態(tài)及屬性、構建仿真初始場景等。仿真預備流程如圖 8 所示。

3.4 仿真案例

圖 8 仿真預備流程Fig.8 Simulation preparation process

根據(jù)系統(tǒng)設計，采用 VC++ 和 Access 數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)進行了實際開發(fā)，并利用該系統(tǒng)，以司機操縱方案對武廣客運專線 (武漢—廣州南) 列車追蹤間隔時間標準影響分析為例進行實例仿真。輸入武廣客運專線線路縱斷面、CRH380AL 動車組牽引特性、信號布置等實際運營條件數(shù)據(jù)后，選擇 CTCS3級列控模式，仿真計算司機操縱列車過岔速度由65 km/h 提升至 75 km/h，司機操縱管控運行前后列車追蹤間隔時間比較如表 1 所示。

從表中可以看出，改變和規(guī)范司機操縱方式，進出站過岔貼近限速運行可以縮短列車追蹤間隔的平均到達間隔約為 6 s，平均出發(fā)間隔約為 9 s，其中對大站的影響尤為顯著，長沙南、武漢站的到達間隔時間均減少 12 s，廣州南站的出發(fā)時間縮短 19 s?？紤]到貼近限速運行對行車安全有一定影響，因此，在強化司機操縱培訓和安全教育的前提下，采用司機操縱管控可以有效壓縮列車追蹤間隔，提升線路能力。

4 結束語

提升鐵路行車技術作業(yè)能力是優(yōu)化鐵路客運產(chǎn)品譜系的重要措施。在鐵路行車技術作業(yè)優(yōu)化理論研究成果較為豐富的研究環(huán)境下，利用仿真手段對自動牽引計算、列車群并行仿真及其仿真流程等系統(tǒng)關鍵技術進行研究，將有助于健全鐵路運輸組織的科學決策平臺，提高鐵路行車技術作業(yè)的規(guī)范性和安全性，提升鐵路運輸組織水平。但是，由于受人員操作水平等的影響，仿真技術與實踐操作的融合仍具有一定的差距，具體的參數(shù)設置需要通過大量的數(shù)據(jù)驗證和擬合，才能夠進一步提升仿真技術對實際操作的指導作用。

表 1 司機操縱管控運行前后列車追蹤間隔時間比較表 sTab.1 Comparison of train-tracking interval before and after driver’s operation