朔黃萬噸重載列車駕駛仿真培訓(xùn)技術(shù)探討與分析

王成 宋濤濤

摘要 在分析中國鐵路運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀與培訓(xùn)組模式以及培訓(xùn)設(shè)備與內(nèi)容等形式上，結(jié)合重載列車功能結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)框架、組成原理、運(yùn)營(yíng)調(diào)整與行車組織特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了朔黃重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)、軟硬件組控形式、業(yè)務(wù)場(chǎng)景聯(lián)控方案與業(yè)務(wù)仿真邏輯。通過模塊組件形式將重載列車進(jìn)行虛實(shí)等效與數(shù)學(xué)抽象建模，能較好地實(shí)現(xiàn)不同車型快速研制與仿真實(shí)訓(xùn)模塊差異化的迭代升級(jí)。研究表明，重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)功能業(yè)務(wù)仿真度高、聯(lián)控邏輯正確、功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定、靈活性高。該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)重載列車司機(jī)從實(shí)作認(rèn)知、實(shí)訓(xùn)到實(shí)操的全面系統(tǒng)的培訓(xùn)，同時(shí)能精準(zhǔn)地模擬SS4B與神華號(hào)“1+1”“2+0”“4+0”編組、無線重聯(lián)、解編以及編組列車正?；虍惓＿\(yùn)行下的司機(jī)模擬實(shí)訓(xùn)，為重載列車駕駛實(shí)作培訓(xùn)提供了較好的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 萬噸重載列車；模擬駕駛；仿真平臺(tái)；實(shí)作培訓(xùn)

中圖分類號(hào) U292.31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0186-03

0 引言

鐵路作為我國經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，是交通運(yùn)輸?shù)暮诵模哂羞\(yùn)量大、能耗低、安全、高效等特點(diǎn)，尤其重載鐵路是我國鋼鐵、煤炭、礦石等大重型貨特運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ繹1]。同時(shí)隨著中國鐵路重載列車電氣化的快速發(fā)展、列車的載重與自身重量逐漸增加和列車運(yùn)行速度的逐漸加快，列車運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性也需要同步提高且要求日趨更加嚴(yán)格[1]。對(duì)重載列車司機(jī)而言，則需要熟練掌握不同類型重載列車相關(guān)的功能業(yè)務(wù)、組成原理、故障與非正常及應(yīng)急處置、系統(tǒng)維護(hù)等，難度較大不易學(xué)習(xí)，且在鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中很容易引發(fā)事故并影響正常運(yùn)營(yíng)，工學(xué)矛盾突出[2]。因此，研究設(shè)計(jì)一套重載列車模擬駕駛仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)于高效、安全、方便、快捷地實(shí)訓(xùn)列車司機(jī)至關(guān)重要，并且能極大地提高工作效率與降低成本[3]。

1 重載列車運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

朔黃鐵路正線總長(zhǎng)近598 km，為國家I級(jí)雙線電氣化重載路基鐵路；西起山西省神池南站，與神朔鐵路相聯(lián)，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場(chǎng)；設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力為近期3.5億噸（2013年）、遠(yuǎn)期4.5億噸[4]。朔黃鐵路是我國目前投資與建設(shè)規(guī)模最大的一條合資鐵路，也是我國西煤東運(yùn)第二大通道和神華集團(tuán)礦、路、港、電、航、油一體化工程的重要組成部分，在全國路網(wǎng)中占有重要地位[5]。特別是對(duì)加快沿線地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保證華東、東南沿海地區(qū)能源供應(yīng)，擴(kuò)大我國煤炭出口能力具有極其重要的戰(zhàn)略意義。朔黃鐵路運(yùn)能日益擴(kuò)張的運(yùn)營(yíng)人員需求，要求朔黃鐵路不斷提高其運(yùn)營(yíng)效率與運(yùn)營(yíng)人員的管理和業(yè)務(wù)技術(shù)水平[6]。

2 重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)研究

2.1 重載列車仿真

該文根據(jù)SS4B與神華號(hào)電力機(jī)車硬件組成結(jié)構(gòu)，模擬與數(shù)學(xué)建模相關(guān)電力元件并結(jié)合機(jī)車真實(shí)設(shè)備電路控制原理圖，對(duì)機(jī)車所有電力元件設(shè)備進(jìn)行硬件替代與軟件模擬等效，實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)車與鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行機(jī)車功能特性與電氣特性的高度一致[7]。電力機(jī)車功能業(yè)務(wù)框架如圖1所示：

2.2 牽引動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)朔黃鐵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的SS4B、神華號(hào)電力機(jī)車與車輛自重、長(zhǎng)度等屬性參數(shù)，構(gòu)建不同車型在不同運(yùn)行線路、不同工況下的牽引、阻力、動(dòng)力制動(dòng)、能耗等功能特性。然后結(jié)合車列實(shí)際運(yùn)行線路的區(qū)間數(shù)、每個(gè)區(qū)間的線路限速和坡段數(shù)、每個(gè)坡段的坡度和長(zhǎng)度、每個(gè)車站的車站名、第一個(gè)車站的車站中心里程，以及表示公里標(biāo)遞增或遞減的符號(hào)、橋梁、隧道、道口和曲線等線路特性數(shù)據(jù)，分別計(jì)算機(jī)車與車輛在不同線路段、不同工況下的列車速度、列車加速度、列車制動(dòng)力、相對(duì)位移與絕對(duì)位移等[8]。

2.3 線路環(huán)境仿真

采用計(jì)算機(jī)圖像生成技術(shù)、數(shù)字光學(xué)技術(shù)處理列車實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景及其周邊景物，構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)高度吻合的視景顯示系統(tǒng)，用于呈現(xiàn)列車實(shí)際運(yùn)行前方及車窗適宜視角的軌道、沿途車站及相關(guān)景觀畫面，并能根據(jù)列車運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、過道岔、上下坡段等實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)畫面顯示幀數(shù)與視點(diǎn)角度和方向，逼真還原鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。

根據(jù)列車在實(shí)際線路不同環(huán)境、不同工況下運(yùn)行所發(fā)出的列車鳴笛、劈相機(jī)、壓縮機(jī)、電弧聲機(jī)軌道聲、道岔聲、過橋梁、過隧道等聲音，以及列車運(yùn)行的環(huán)境氣動(dòng)噪聲，創(chuàng)建音源并構(gòu)建聲音系統(tǒng)，并能根據(jù)仿真列車在實(shí)訓(xùn)過程中觸發(fā)的事件發(fā)出不同的音源對(duì)受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行提示。

2.4 無線重聯(lián)仿真

模擬不同車型車載無線電臺(tái)，并應(yīng)用快速以太網(wǎng)有線傳輸技術(shù)替代車載800 MHz無線傳輸技術(shù)，將主從機(jī)車司機(jī)操作的相關(guān)功能按鈕經(jīng)機(jī)車電路邏輯控制系統(tǒng)計(jì)算，并傳輸至系統(tǒng)時(shí)鐘同步控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算，再通過通信接口模塊將主從機(jī)車控制命令、列車狀態(tài)信息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)收發(fā)接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與傳輸。其具體實(shí)現(xiàn)方式及流程如圖2所示。

2.5 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景仿真

根據(jù)重載鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)要求、作業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障與非正常場(chǎng)景案例以及應(yīng)急處置等，構(gòu)建重載列車司機(jī)實(shí)作培訓(xùn)場(chǎng)景體系。重載列車實(shí)訓(xùn)演練場(chǎng)景制作流程如圖2所示：

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 正常作業(yè)

該文以神華號(hào)機(jī)車牽引100輛C70車輛在神池南起車、出站試閘為例，對(duì)萬噸重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)進(jìn)行正常場(chǎng)景功能測(cè)驗(yàn)。重載列車仿真設(shè)備通電后，整個(gè)系統(tǒng)處于退出運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，激活列車駕駛操縱臺(tái)、升弓、合主斷等，然后進(jìn)行相關(guān)操作與處置完成整備作業(yè)。具體操作步驟及方法如下：

（1）掛車時(shí)適量撒砂，為起車做準(zhǔn)備。起車給牽引力10～20 kN保持5 s，確保從車牽引力正常發(fā)揮；緩慢加載至50～200 kN不低于10 s，再逐步增加至500 kN啟動(dòng)列車，走行約10 m，牽引力增至目標(biāo)值；岔群適當(dāng)減載，過岔群后增加牽引力，在從車進(jìn)入岔區(qū)前減小牽引力，防止空轉(zhuǎn)。

（2）出岔群后，逐漸增大牽引力至目標(biāo)值，列車運(yùn)行到K3+500 m處的速度達(dá)到40 km/h時(shí)，逐步減小牽引力，保持恒速；運(yùn)行到K4+000 m處手柄回零（工況轉(zhuǎn)換10 s以上），控制列車54#信號(hào)機(jī)處速度不超過40 km/h，再生力給至400 kN，緩慢漲速。

（3）列車低速牽引整列車以不高于40 km/h速度通過54#信號(hào)機(jī)，運(yùn)行至K9+300 m處根據(jù)速度將再生力降低200～300 kN、K9+800 m處速度69～70 km/h減壓，再生力保持并逐步緩解，緩解速度控制在60～67 km/h。

3.2 典型場(chǎng)景

（1）該文以神華號(hào)機(jī)車牽引100輛C70車輛從肅寧北-段莊的仿真運(yùn)行，對(duì)萬噸重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)故障與非正常功能業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。具體方法步驟如下：

1）肅寧北-太師莊：

a）起車給牽引力10～20 kN保持5 s，確保從車牽引力正常發(fā)揮；緩慢給至100～200 kN停留10 s，再逐步增加至400 kN啟動(dòng)列車，走行約10 m，牽引力增至420～500 kN，岔群適當(dāng)減載，過岔群后增加牽引力，在從車進(jìn)入岔群前減小牽引力，防止空轉(zhuǎn)。

b）從車出岔群后，逐漸增大牽引力至400 kN；列車運(yùn)行至K413+000 m處，速度達(dá)到50 km/h時(shí)，逐步減小牽引力至300 kN；運(yùn)行到太師莊進(jìn)站前速度掌握在72 km/h，退牽引力至120 kN，保持出站速度不超過75 km/h。

2）太師莊-段莊：

a）運(yùn)行中保持120 kN牽引力，勻速運(yùn)行。

b）行別營(yíng)-黎民居間：4562#信號(hào)機(jī)處速度不超過66 km/h，牽引力給至200 kN；運(yùn)行至K460+000 m處的速度為73 km/h，牽引力退至120 kN；黎民居進(jìn)站前為69 km/h，牽引力退至60 kN，黎民居出站掌握在74 km/h。

c）滄州西出站后牽引力保持120 kN，運(yùn)行至5020#信號(hào)機(jī)處，降低牽引力至80 kN，減小變坡點(diǎn)沖動(dòng)。

（2）該文以SS4B機(jī)車牽引100輛C80車輛從寧武西站至龍宮站的仿真運(yùn)行，對(duì)萬噸重載列車模擬駕駛優(yōu)化操縱進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。具體方法步驟如下：

模擬駕駛列車從寧武西站至龍宮站采用兩把閘操縱，遇列車在長(zhǎng)梁山隧道22 km左右處停緩；列車緩解后滿足32.5 km前找回制動(dòng)周期，允許隧道內(nèi)緩解一次，如果不滿足制動(dòng)周期，執(zhí)行一把閘操縱運(yùn)行至龍宮站。

寧武西站內(nèi)緩解速度對(duì)長(zhǎng)梁山第一把閘的影響：

寧武西站至龍宮站采用兩把閘操縱，遇列車在長(zhǎng)梁山隧道22 km左右處停緩，列車緩解后滿足32.5 km前找回制動(dòng)周期，允許隧道內(nèi)緩解一次，如果不滿足制動(dòng)周期，執(zhí)行一把閘操縱運(yùn)行至龍宮站。

1）數(shù)據(jù)分析

寧武西站內(nèi)緩解車列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)及各緩解速度分別如表1～2所示：

2）修改項(xiàng)點(diǎn)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行優(yōu)化：

a）細(xì)化列車初制動(dòng)地點(diǎn)：列車以速度70 km/h運(yùn)行至寧武西進(jìn)站信號(hào)機(jī)處減壓；以68 km/h運(yùn)行至15.000 km處減壓。

b）寧武西站緩解速度不低于55 km/h（原緩解速度不低于45 km/h）。

3）寧武西站調(diào)速目的

a）壓縮神池南至寧武西站通過時(shí)分，保證列車正點(diǎn)運(yùn)行。

b）提高寧武西站內(nèi)緩解速度，降低車鉤受力。

c）提高緩解速度后，適當(dāng)縮短長(zhǎng)梁山第一把閘充風(fēng)時(shí)間，降低長(zhǎng)梁山第一把閘因制動(dòng)力強(qiáng)導(dǎo)致的車鉤受力大。通過統(tǒng)計(jì)，寧武西站內(nèi)緩解速度在55 km/h以下時(shí)，長(zhǎng)梁山隧道平均充風(fēng)時(shí)間為332 s；緩解速度55 km/h以上時(shí)，長(zhǎng)梁山隧道平均充風(fēng)時(shí)間為284 s，充風(fēng)時(shí)間平均縮短了48 s。

4）多次仿真運(yùn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

仿真測(cè)試234次課程場(chǎng)景，兩次周期制動(dòng)159列，3次周期制動(dòng)56列：長(zhǎng)梁山第一把緩解153列，緩解地點(diǎn)在23.460～28.938 km范圍內(nèi)，緩解速度最高為40 km/h，最低為34 km/h；龍宮站內(nèi)完成緩解86列，通過比例為56.21%。

列車的進(jìn)站速度范圍再34～60 km/h間。列車停于站外14列，站內(nèi)停車未越過41.8 km處5列，越過41.8 km處停緩48列。

4 結(jié)語

該文分析了萬噸重載列車運(yùn)營(yíng)與培訓(xùn)現(xiàn)狀，結(jié)合重載列車功能結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)框架、組成原理、運(yùn)營(yíng)調(diào)整與行車組織特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了朔黃重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)、軟硬件組控形式、業(yè)務(wù)場(chǎng)景聯(lián)控方案與業(yè)務(wù)仿真邏輯。通過模塊組件形式將重載列車進(jìn)行虛實(shí)等效與數(shù)學(xué)抽象建模，能較好地實(shí)現(xiàn)不同車型快速研制與仿真實(shí)訓(xùn)模塊差異化的迭代升級(jí)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，重載列車模擬駕駛實(shí)作平臺(tái)功能業(yè)務(wù)仿真度高、聯(lián)控邏輯正確、功能完備、運(yùn)行穩(wěn)定、靈活性高。該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)重載列車司機(jī)從實(shí)作認(rèn)知、實(shí)訓(xùn)到實(shí)操的全面系統(tǒng)的培訓(xùn)，同時(shí)能精準(zhǔn)的模擬SS4B與神華號(hào)“1+1”“2+0”“4+0”編組、無線重聯(lián)、解編以及編組列車正常或異常運(yùn)行下的司機(jī)模擬實(shí)訓(xùn)，為重載列車駕駛實(shí)作培訓(xùn)提供了較好的指導(dǎo)意義。

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