編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)研究

趙守斌,宋 宇,孫志宏

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所,北京 100081）

0 引言

目前，我國編組站雖然在編尾設(shè)置了牽出線，但只在極個別情況下采用溜放作業(yè)法調(diào)車，絕大部分情況下還是以推送作業(yè)法為主，調(diào)車效率比較低。能否在編組場尾部實(shí)現(xiàn)溜放作業(yè)，需要根據(jù)不同的線路坡度、鉤車的走行性能、摘鉤速度，研究不同的調(diào)速系統(tǒng)[1]解決方案。

參考編組站自動化駝峰溜放模擬仿真系統(tǒng)[2-3]與編組站駝峰設(shè)計[4-5]中對鉤車溜放走行過程的分析方法，以不同編組站編尾線路的實(shí)際平縱斷面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)，模擬編尾鉤車溜放過程中的車輛基本阻力、風(fēng)阻力[6]、曲線附加阻力、道岔附加阻力以及減速器[7]、減速頂[8]等設(shè)備的制動過程，可以為編尾站場改造和溜放控制系統(tǒng)設(shè)計提供仿真試驗(yàn)依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。首先系統(tǒng)從初始化站場平縱斷面和設(shè)備信息開始，模擬無岔區(qū)段、道岔區(qū)段、停車器、減速頂、計軸傳感器、信號機(jī)；然后輸入鉤計劃仿真數(shù)據(jù)，作為鉤車走行模擬的依據(jù)，主要包括摘鉤位置、摘鉤速度與鉤車信息；接著執(zhí)行走行模擬，綜合考慮鉤車運(yùn)行中的影響因素，包括在直線區(qū)段上運(yùn)行時的重力做功、在曲線區(qū)段上運(yùn)行時的曲線附加阻力與重力做功、壓過減速頂時產(chǎn)生的阻力功或制動功、風(fēng)產(chǎn)生的阻力做功以及車輛運(yùn)行中自身的基本阻力做功，計算鉤車速度、位置的信息變化；最后判斷鉤車是否已經(jīng)連掛或途停，也就是判斷鉤車是否停止運(yùn)動，若未停止則繼續(xù)執(zhí)行走行模擬，若停止，則輸出鉤車的最終速度與位置信息。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

2.1 站場環(huán)境仿真

2.1.1 線路仿真

線路仿真包含直線無岔區(qū)段、曲線無岔區(qū)段、道岔區(qū)段三種，對于鉤車運(yùn)行的影響包括重力做功、曲線附加阻力、道岔附加阻力。

重力做功是利用線路坡度的重力勢能，將車輛溜放到編組場中。在線路仿真中，重力做功通過線路的坡度屬性表現(xiàn)，通過鉤車在不同計算位置平均坡度的差值獲得重力勢能改變的計算值。

曲線附加阻力按鉤車通過平面曲線消耗的能高計算，每度轉(zhuǎn)角消耗的能高數(shù)值為0.008 m。在線路仿真中，曲線附加阻力做功通過曲線無岔區(qū)段弧度屬性表現(xiàn)，通過鉤車在曲線無岔區(qū)段上的運(yùn)行距離計算鉤車轉(zhuǎn)角值，進(jìn)一步得到曲線附加阻力。

道岔附加阻力按車輛通過道岔消耗的能高計算，車輛側(cè)向通過一組道岔消耗的能高采用0.024 m，直向通過一組道岔或交叉渡線中的菱形交叉消耗的能高采用0.012 m。在線路仿真中，道岔附加阻力僅與鉤車通過道岔的數(shù)量有關(guān)。

2.1.2 設(shè)備仿真

設(shè)備仿真包括信號機(jī)、停車器、減速器、減速頂、計軸傳感器等。信號機(jī)用于標(biāo)記摘鉤位置和鉤車溜放的起始位置，需要模擬坐標(biāo)位置和信號顯示；停車器在編尾溜放過程中作為目標(biāo)停車點(diǎn)之一，作為鉤車溜放結(jié)果的對比量；減速器為主要調(diào)速設(shè)備，用于驗(yàn)證調(diào)速性能，制動能高在模擬仿真前設(shè)置；減速頂在模擬仿真過程中起制動作用，制動功在模擬仿真前設(shè)置；計軸傳感器用于獲取模擬溜放車組的實(shí)時位置和速度。

2.2 室外環(huán)境仿真

室外環(huán)境仿真包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度三種信息。風(fēng)為車輛運(yùn)行產(chǎn)生風(fēng)阻力，風(fēng)阻力的大小與風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)，溫度對于車輛基本阻力有一定影響。對于空車來說，風(fēng)阻力的作用效果會明顯的多。

2.3 鉤計劃仿真

鉤計劃由鉤計劃正文和鉤計劃車輛信息兩部分組成，如圖2 和圖3 所示。

圖2 鉤計劃正文信息

圖3 鉤計劃車輛信息

鉤計劃正文除摘掛標(biāo)志、摘掛線路、摘掛輛數(shù)等調(diào)車作業(yè)信息外，還包括摘鉤位置、摘鉤速度、連掛速度、連掛位置、鉤車信息。摘鉤位置選取編尾岔區(qū)的信號機(jī)處；摘鉤速度為鉤車脫離調(diào)機(jī)時的速度，作為溜放初始速度；連掛速度為鉤車到達(dá)連掛位置時的速度，要求5 km/h 以下。

鉤車信息是鉤計劃十分重要的一組信息，記錄了鉤計劃涉及的車輛信息與車輛順位的信息，是溜放的最小單元。計算時充分考慮車種、車重、換長、受風(fēng)面積、車輛基本阻力等因素，對每一個車輛單獨(dú)進(jìn)行計算，最終整合計算結(jié)果作為鉤車所受合力。

2.4 走行模擬

2.4.1 走行分析

鉤車溜放過程中，受到重力和各種阻力、推力和制動力等作用，其合力是不斷變化的，難以通過簡單的公式進(jìn)行計算。因此，系統(tǒng)采用分段疊加速度模型，將車輛走行距離s分解為無數(shù)等長的微小區(qū)間Δs，當(dāng)Δs值足夠小時，車輛在此區(qū)間運(yùn)動，各個參數(shù)變化值很小，在Δs區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為是勻變速運(yùn)動，從而通過疊加計算，模擬出鉤車走行過程。

Δs區(qū)間內(nèi)的走行速度計算公式如式（1）所示。

式中，v末——車輛在該運(yùn)行區(qū)間末速度（m/s）；v初——車輛在該運(yùn)行區(qū)間初速度（m/s）；Δs——車輛運(yùn)行距離（m）；n——鉤車包含的車輛總數(shù)輛（輛）；g'——基于轉(zhuǎn)動慣量的自由落體加速度（m/s2）；i——運(yùn)行區(qū)間平均坡度；W基——單位基本阻力（N/kN）；W風(fēng)——單位風(fēng)阻力（N/kN）；W力——單位設(shè)備阻力（N/kN）；W曲——曲線附加阻力做功（J）；W道——道岔附加阻力做功（J）；W功——設(shè)備總做功（J）；m——重量（t）。

2.4.2 走行模擬方案

系統(tǒng)根據(jù)輸入的鉤計劃正文信息與車輛信息，采用時間步進(jìn)為主，位移步進(jìn)為輔的計算方式進(jìn)行模擬，默認(rèn)選擇時間步進(jìn)，設(shè)定最大位移，當(dāng)速度過快時，改用位移步進(jìn)，保證每次計算的Δs區(qū)間長度足夠小，并且不會超出時間步進(jìn)范圍，保證鉤車實(shí)時進(jìn)行運(yùn)動。

走行模擬計算步驟如下：

Step1. 初始化線路、設(shè)備、車輛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

Step2. 輸入鉤計劃正文信息與車輛信息。

Step3. 根據(jù)鉤計劃正文中的股道信息與摘鉤位置計算鉤車運(yùn)行進(jìn)路。

Step4. 設(shè)定時間步長為1 000 ms，位移步長5 m，通過初速度計算新區(qū)間長度。

Step5. 根據(jù)車列走行的距離，即區(qū)間長度，判斷觸發(fā)的傳感器集合，并發(fā)送給調(diào)速控制系統(tǒng)，接收調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)速指令，模擬調(diào)速設(shè)備產(chǎn)生的制動力；判斷車列壓過的減速頂，計算減速頂總做功。

Step6. 獲取Δs區(qū)間的平均坡度、單位基本阻力、單位風(fēng)阻力、曲線附加阻力做功、道岔附加阻力做功、外力做功、設(shè)備做功。

Step7. 代入式（1）計算得到區(qū)間末速度。

Step8. 區(qū)間末速度不為0 且未與股道車輛相遇，區(qū)間末速度作為下一區(qū)間初速度，執(zhí)行Step4，否則繼續(xù)執(zhí)行。

Step9. 輸出鉤車溜放位置、連掛速度。

Step10. 走行模擬結(jié)束。

3 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

3.1 軟件環(huán)境

編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)基于Java 語言進(jìn)行開發(fā)，展示層基于Web Pages（HTML+JavaScript+CSS）開發(fā)頁面，通過HTTP/HTTPS 協(xié)議與服務(wù)層進(jìn)行交互，服務(wù)層使用Spring Boot+MyBatis 框架搭建，通信層通過Web Service 接口或ActiveMQ 消息機(jī)制進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)層使用Oracle 數(shù)據(jù)庫，通過MyBatis 框架進(jìn)行操作。軟件環(huán)境如圖4 所示。

圖4 編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)軟件環(huán)境

3.2 硬件環(huán)境

系統(tǒng)使用一臺Windows 終端與一臺Linux 終端。其中，Windows 終端版本為Win10 64 位，處理器為Intel i7-8700T，內(nèi)存為16G，安裝Google Chrome（谷歌瀏覽器）；Linux 終端版本為Centos7 64 位，處理器為Intel i7-8565U，內(nèi)存為8G，安裝Tomcat8、Active MQ。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)概述

選取通遼編組站編尾平縱斷面線路和編尾設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證通遼編組站編尾是否具備溜放作業(yè)條件。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.1 線路模擬

選取通遼編組站編尾平縱斷面線路數(shù)據(jù)，模擬仿真區(qū)域從編尾牽出線開始，經(jīng)調(diào)車線1-24，至駝峰推峰線結(jié)束，包含整個區(qū)域內(nèi)的道岔以及無岔區(qū)段。

4.2.2 設(shè)備模擬

模擬信號機(jī)、停車器、減速頂。模擬計軸傳感器布置，由編尾入口信號機(jī)開始，向駝峰方向每間隔10 m 布置一臺，越過停車所在位置，直到停車器前方80 m 處。

4.2.3 鉤計劃模擬

選取牽出線調(diào)車信號機(jī)作為編尾溜放提鉤點(diǎn)，以5 km/h、10 km/h、15 km/h 為摘鉤速度，分別模擬鉤車溜放到編組場2-23 道。車輛為棚車P70，換長1.6、最大寬度3 300 mm、最大高度4 770 mm、車輛定距12 100 mm、車輛軸距1 830 mm。

車輛設(shè)置分別為：

換長為1.6、自重20 t、載重0 t 的棚車（難行車）；

換長為1.6、自重20 t、載重40 t 的棚車（中行車）；

換長為1.6、自重20 t、載重40 t 的棚車（易行車）。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)以鉤車最終停止位置與股道起始點(diǎn)的距離作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，與股道有效長度、停車器最遠(yuǎn)位置對比，判斷鉤車在編尾的溜放能力是否可以使用溜放作業(yè)法。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～7 所示。

圖5 難行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5 難行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，難行車在初速度為5 km/h 和10 km/h 時，溜放終點(diǎn)仍未進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為15 km/h 時，在12、13、19、20股道中溜放終點(diǎn)仍未進(jìn)入股道有效長度范圍內(nèi)，其余股道雖然進(jìn)入到股道有效長度范圍內(nèi)，但仍與停車器距離較遠(yuǎn)。

由圖6 中行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，中行車在初速度為5 km/h 時，溜放終點(diǎn)仍未進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為10 km/h 時，在2、3、5、8、16、17、24 股道中，溜放終點(diǎn)均已進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為15 km/h 時，除2 股道外，溜放終點(diǎn)均已進(jìn)入越過停車器所在位置。

圖6 中行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7 易行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，易行車在初速度為5 km/h 時，溜放終點(diǎn)仍未進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為10 km/h 時，所有股道溜放終點(diǎn)均已進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為15 km/h 時，溜放終點(diǎn)均已進(jìn)入越過停車器所在位置，且已均可到達(dá)距離股道起始點(diǎn)500 m 以內(nèi)的位置。

圖7 易行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析可知，難行車溜放結(jié)果較差，在通遼站現(xiàn)有線路縱斷面條件下，使用溜放作業(yè)法時，鉤車不能走行到目標(biāo)位置，編尾咽喉區(qū)須進(jìn)行調(diào)坡，增大車組走行的重力勢能；中行車和易行車溜放結(jié)果較好，可以使用溜放作業(yè)法，通過在編尾調(diào)車線設(shè)置減速器，能夠?qū)崿F(xiàn)溜放車組的安全連掛。

5 結(jié)束語

編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌緢?、不同車輛和不同調(diào)速設(shè)備的組合進(jìn)行溜放仿真驗(yàn)證，可以在不進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際溜車的情況下，為站場改造、調(diào)速設(shè)備設(shè)計提供依據(jù)。系統(tǒng)具有通用性好、節(jié)省成本、節(jié)約時間等特點(diǎn)，為開展編尾溜放作業(yè)相關(guān)研究提供了驗(yàn)證平臺。