大型編組站技術作業時分仿真模型研究

張 倩，李達知

（1.西南交通大學交通運輸與物流學院，碩士研究生，四川 成都 610031；2.北京鐵路局調度所，助理工程師，北京 100860）

列車及調車機等在編組站內的走行，完全依靠司機的經驗根據信號機顯示來操作。在進行編組站內運輸組織研究時，常常需要知道站內列車及各機車的作業時分，如果單憑司機的經驗所得的作業時分則不夠精確。國內外針對列車的仿真研究，均是基于干線鐵路區間列車運行仿真，或者城市軌道交通列車運行仿真計算，而關于站內各列車及調車作業時分仿真研究卻少之又少。所以，本仿真研究提出了通過計算機仿真來模擬列車運行過程，精確計算編組站內各移動設備的作業時間。

目前，很多自動化程度較高的編組站能力十分緊張，對作業時分的研究，是研究如何提高編組站能力必不可少的一部分。所以，進行作業時分仿真研究，為確定編組站內作業時分標準提供了一種方法；為科研項目提供更加精確數據的同時，也彌補了研究領域的空白。它具有一定的實用性，對提高編組站整體的工作效率；推動計算機仿真在我國鐵路車站工程設計領域快速應用，以完善設計、優化設計、指導設計，對提高我國鐵路大型編組站設計水平具有實際意義。

1 編組站技術作業過程分析

編組站內技術作業時分計算不同于干線鐵路區間列車，區間列車牽引計算過程相對簡單，編組站內技術作業過程復雜，所以需要先研究編組站內技術作業過程的特點。

編組站內移動設備包括旅客列車、貨物列車、調車機車及本務機車?？蓪⒏饕苿釉O備的作業分為行車作業和調車作業。行車作業主要指接、發車作業及直通列車通過作業，調車作業主要指本務機車及調車機車作業。

1.1 接車作業分析 接車作業有“終到”、“到達”、“通過接”3種類型。其中，“終到”的列車通常是貨車，必須在本站進行技術作業；“到達”列車是客車或其他不需在本站進行技術作業的列車，在本站停留若干時間后繼續前行；“通過接”通常是客車，不在本站停留，直接通過。

“終到”和“到達”列車的接車作業過程是一樣的。接車作業首先是根據調度所下達的階段計劃，將車次信息顯示在編組站仿真系統中，當接收到鄰站的發車請求后，本站同意鄰站發車。接收到鄰站的發車報點后，車站值班員就可以根據到發線空閑狀態，確定接車進路。接車作業進路包括2種情況：一是正常接車，即線路比較順暢，列車從鄰站發車后可以直接進站停車，其運行進路主要有區間和站內2部分進路組成；二是非常規接車，當出現突發情況需列車在站外停車時，運行進路只有一部分，即站內進路。

“通過接”一般指不在本站停留，直接通過的客車。列車通過車站正線不受側向道岔的速度限制，在速度-距離坐標圖上其速度線趨近于直線。

1.2 發車作業分析 發車類型分為“始發”、“出發”、“通過發”3 種類型。

“始發”的列車是貨車。列車經過編組站的編組作業后存放于發車股道上；經出發機車掛頭、商檢核準、列檢檢查、貨票交接等一系列技術作業完成后，便可正式出發（出發報點）。

“出發”列車是已經接進車站的“到達”列車。這類車不需任何技術作業，在車站的某接發線上停留一段時間后繼續前行。

“始發”“出發”列車進行發車作業時走行進路基本一致。該出發進路是指列車從車站停車標開始，經過1組或者幾組道岔，運行至出站信號機為止所經過的一段進路。

“通過發”列車進路和“通過接”列車類似，在速度-距離坐標圖上其速度線也趨近于直線。

1.3 本務機車作業分析 本務機車在編組站內的作業一般分為出入庫作業和立折作業2種。

本務機車出入庫作業時，需要根據階段計劃從到發線走行到機務段，或者從機務段走行至到發線。正常情況下，只需要根據接車場線別及該場線默認的機務段口為進路的終端，直接開通最短的進路。當機車出入段進路與接車進路交叉干擾，機車需在機待線，或者其他線路上進行待避，此時的機車出入段進路由多段組成，所以作業時間也由多個時間組成。

當貨物列車到達后，本務機車不需入庫改為立折走行到出發場到發線上掛車。但無論機車是出入段還是立折走行，它的速度變化都是由0開始變速運行至道岔限速，再變速運行至下一個道岔限速，一直循環，最后速度再變為0的過程。

1.4 調車作業分析 調車作業是根據調車作業計劃進行。調機在編組站的作業類型主要有解體、編組和其他作業。調車作業與行車作業最大的差別是，行車作業要求精確停車，停車速度為0；調車作業不要求精確停車，并且調機準備與車列連掛時，需要一個較低的速度才能與之連掛，故調機末速度可以在0～3km/h之間變換。

解體作業包括空走、推送及溜放3個部分[1]。調機與車列連掛之前產生空走，連掛之后需進行推送作業。調機在推峰時，整列車僅機車有制動力，溜放作業時，由于溜放車列本身沒有動力，所以溜放作業時分的計算同其他作業過程又有很大的不同。一般在溜放進路上設有一定的車輛減速器，故溜放作業時分不僅跟列車的運動學有關，還和減速器的設置有關。

編組調車作業計劃中包含調車鉤及調車程，要計算調車作業時分，必須先計算單調車鉤的作業時分，然后將其加總即為調車作業時分。

在編組調車作業中，調車機折返的經由方案（走行股道、折返機待線、牽出線）由值班員下達。尾部調車機折返進路的確定是根據前一調車計劃執行結束的線路，及同臺調機下一個編組計劃中第1勾調車線路為進路的始終端依據，中間包括1次或多次折返；當本編組計劃前為其他調機作業（上油、整備、待令等），其起始線路將取決于作業結束時的停留線路。

2 編組站作業時分仿真模型分析

2.1 模型概述 根據編組站內行車作業及調車作業過程的以上特點，可將編組站內牽引計算概括為：在一定的車站布置、機車、列車編組條件下，列車以一定的初速度開始沿指定徑路或徑路段運行，按照一般的控制條件，以一定的速度到達站內另一點，運行距離S，初速度vs和末速度ve已知，求這一過程列車的速度和運行時分。其目標函數

式中：Δt為計算機時間迭代步長。

針對該過程進行仿真模擬，一般來說有3種策略。一是給定計劃，給定參數，仿真模擬；二是給定計劃，實時計算；三是自助生成計劃，實時計算。本文采取第一種策略，仿真過程涉及到列車運動及其動力學計算。列車牽引計算理論同列車動力學計算原理相同，故本文以列車牽引計算理論為基礎，進行相關研究。要進行模型解算必須先分析模型與干線鐵路列車運行仿真的不同之處。

2.2 模型牽引計算特點 編組站內與傳統鐵路干線區間的牽引計算研究存在很多的不同之處。

2.2.1 運行距離長度不同 一般干線鐵路、高鐵或者城市軌道交通的站間距都比較長，干線鐵路一般在10km左右，而高鐵一般在50～60km；城市軌道交通站間距稍微短些，一般在1～2km。編組站內由于受到地形的限制，站坪長度一般在2km左右。在站內進行接發車作業及調車作業，進路都比較短。對于區間來說，列車能達到最高的運行速度，且以最高運行速度運行的時間長；對于站內來說，由于受到道岔的限制，列車運行距離較短，運行速度較低。進行相關研究時必須考慮到這一點。

2.2.2 速度限制條件要求不同 對于區間列車牽引計算中的速度條件限制，由于列車運行速度較高，主要考慮機車最高構造速度限制、線路限速、曲線限速、橋梁隧道限速及道岔的直向過岔限速。站內牽引計算由于站內列車需要轉線，列車必須經過側向道岔。道岔的側向限速比直向限速低很多，由于車站布置道岔相比較區間緊密，所以車站內道岔的側向限速是最主要的限制因素。

2.2.3 列車運行過程不同 列車在站內的作業有很多種，每一種作業過程在站內都有其特定的進路。站內列車進路是根據車站開放的信號顯示所進行的，進路比較復雜，而區間列車運行進路相對單一。計算列車在站內的作業時分要根據車站的布置、進路的開放等情況具體分析，對站內列車牽引計算時，需要充分考慮車站布置及進路開放問題。

2.2.4 牽引特性不同 《列車牽引計算規程》規定，列車牽引計算時，采用最大牽引特性曲線進行取值[2]。因為站內調車作業時，機車的牽引力有很大富余，故牽引力取值時可以乘以一個系數，以求與實際相吻合。

城市軌道交通動車組速度控制有1個恒速檔，可以最高速度恒速運行；編組站內機車一般是內燃或者電力機車，沒有恒速檔，當列車運行至最高速度時其實是調速運行。由于站內列車運行距離比較短，此過程不會持續較長時間，因而本文將調速過程設定為恒速運行。

區間列車運行制動時，一般機車和車輛都有制動力，制動能力比較大。而站內單機走行或單機連掛車列進行推峰解體作業時，只有機車有制動力。這也是調車與區間列車在制動力上的不同之處。

2.3 模型牽引計算算法 單質點列車模型將列車簡化為單個無尺寸的質點，考慮列車受力變化時，將所有的受力放到質點上進行計算，而不考慮列車內部機車和車輛之間的受力情況[3]。列車受到外力主要有牽引力Fqy、制動力Wzd、阻力Wjz（基本阻力Wjb+附加阻力Wfj）、列車自身重mg及線路對列車的支持力N。

列車在整個變速運行過程中，其運行方式有加速、減速及勻速運行3種。在加速過程中，列車受到的合力

經過推導：列車所受到的加速度

在整個列車運行過程中，由于列車受到的牽引力是不斷變化的，本文取較小的速度區間，假定在該區間內列車受到的牽引力恒定。加速過程中的牽引計算迭代公式為

式中：Si為第i步列車走行距離（m）；

Si+1為第i+1步列車走行距離（m）；

Δt為計算步長（秒/1000）；

vi為第 i步速度（m/s）；

vi+1為第i+1步速度（m/s）。

同理，可知列車減速制動過程中所受合力

減速度

減速制動迭代公式為

在勻速過程中，我們假定其所受合力為0，則勻速迭代公式為

3 結束語

本文詳細分析了大型編組站技術作業過程特點，建立了大型編組站各移動設備作業時分仿真的仿真模型，并闡述了仿真模型的牽引計算特點。

在進行模型解算的時候，首先得設計牽引電算模型，因為站內牽引計算有很多相關約束條件，這些必須考慮進去。例如，速度限制情況，包括道岔的側向限速，機車及線路的構造限速等等。電算模型設計及系統開發有待進一步研究。

[1]胡思繼.鐵路行車組織[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]中華人民共和國鐵道部.列車牽引計算規程[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[3]石紅國.列車運行仿真及優化研究[D].成都：西南交通大學碩士學位論文.2006.

[4]彭其淵，石紅國，魏德勇.城市軌道交通列車牽引計算[M].成都：西南交通大學出版社，2005，4.