重載鐵路組合站的組合車場仿真系統分析

蘇 寅，魏玉光

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

重載鐵路組合站的組合車場仿真系統分析

蘇 寅，魏玉光

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

通過分析重載鐵路組合站組合列車的作業過程及特點，使用仿真軟件對組合列車的作業流程進行了微觀仿真。分別針對單去向和雙去向的組合列車構建了仿真系統，針對不同的變量進行仿真，通過對仿真數據的分析，得出在同一組合車場組合雙去向組合列車的組合能力略低于組合單去向組合列車時的組合能力、組合雙去向組合列車時組合到發線的利用率低于組合單去向組合列車的到發線利用率的結論，并在結論中提出了相應的優化措施。

重載鐵路；組合站；組合能力；仿真

鐵路運輸中的列車運行組織是一個典型的離散系統，列車車輛的狀態隨著時間的推進而不斷發生變化。其狀態變化不是連續的，而是在一個特定的時間點發生變化。利用計算機仿真技術建立列車運行仿真系統，可以方便地模擬機車車輛的作業過程，既可以用于為解決某一實際問題的仿真研究，又可以用于教學培訓。

1 組合站組合車場的布置形式

1.1 組合車場的平面布置圖

重載鐵路組合站的組合車場由若干組基本線束并列布置構成，一般為梭形車場。一組基本線束由3條股道組成，兩側股道為組合到發線，中間夾一條機走線。每條股道由設置在線路中部的腰岔分割為A、B、C、D段。在1+1組合方式中，股道的A段與B段、C段與D段之間設置調車信號機，B段與C段之間設置進路信號機，其布置圖如圖1所示。

圖1 基本線束示意圖

1.2 組合列車的作業過程

待組合的單元列車按照正常接車方式依次接入同一股道的不同段，司機按照停車標指定的位置對標停車。在4列5 000 t單元列車組合為1列2萬t列車的情況下，4列列車分別接入股道的A、B、C、D段。2列萬t列車組合為1列2萬t列車的情況下，2列萬t列車分別接入股道的AB段和CD段。最后1列單元列車接入股道之后，列檢人員按照規定進行列檢作業。同時，機車摘機進入機務段。列檢作業完畢之后，本務機出段連掛車列，牽引后部車列與前部車列連掛，編為一列組合列車。組合完成后，組合式重載列車在制動機簡略試驗之后即可發車。以2列萬t列車組合成為1列2 t列車為例，組合列車的作業流程如圖2所示。

圖2 組合列車作業流程圖

圖2描述了在組合站組合單一去向的組合列車的作業流程。在重載運輸中，組合站一般銜接重載鐵路與非重載鐵路，其組合列車一般有兩個或兩個以上的去向。在多去向的組合站，組合列車的作業流程大致與圖2相似。不同點在于接入待組合的單元列車時要進行去向判斷，將去往同一方向的單元列車接入同一組合到發線。

2 車場組合能力計算

車場的組合能力是指組合到發場一晝夜所能組合完成并發出的組合列車的數量。計算一列組合列車占用組合到發線時間T占的公式為：

式中，t接：第1列接車作業時間，min；

t間：后續接車間隔時間，min；

t摘：最后1列摘機（可平行摘機）時間，min；

t空：列車到達空費間隔時間，min；

t掛：掛機作業時間（可平行作業），min；

t連：后續車列連掛時間，min；

t技：到達后技檢作業時間，min；

t簡：簡略試驗作業時間，min；

t發：發車作業時間，min。

一晝夜車場的組合能力可按下式計算：

式中，M：車場中用于組合列車的組合到發線條數；

∑t固：一晝夜固定作業所占用組合到發線的總時間，min；

γ空：組合到發線空費系數，指組合到發線一晝夜不能用來組合列車的時間比例，其值由統計得出。

（1）式與（2）式中，所有涉及的作業時間標準都是在長期統計實際作業時間寫實的基礎上取到的特定值。

3 組合車場仿真系統

建立組合車場仿真系統的目標是真實反映實際系統的作業流程，能夠體現實際系統中各個作業環節，并可以收集和分析相關數據，進而提出優化實際系統作業流程的措施。重載鐵路組合站的組合車場作業過程仿真系統首先需要熟練掌握列車組合的流程，在此基礎上將作業流程用離散的事件連接在一起，以事件的發生來推進系統的作業流程。

3.1 構建仿真系統

重載鐵路組合站的組合車場作業仿真系統由5個子系統構成：列車生成子系統、到發線選擇子系統、列車組合作業子系統、進路疏解子系統和可視化界面子系統。其中，列車生成子系統負責按照列車時刻表、或服從某種概率分布的列車到達間隔時間生成到達列車，并確定列車的編組輛數、列車長度、機車車輛的類型以及單元列車的去向等屬性；到發線選擇子系統負責計算到達列車應接入的到發線及停車位置，并將目標位置反饋給列車子系統生成的待組合單元列車；列車組合作業子系統負責完成若干列單元列車組合為一列組合式列車的作業過程，包括摘掛機車、牽引連掛、技檢作業和制動機簡略試驗等作業；進路疏解子系統負責疏解沖突近路。在此仿真系統中進路沖突主要為機車出入機務段的進路與組合列車出發進路之間的沖突；可視化界面子系統負責建立可視化的仿真界面，包括車場的平面布置圖與機車車輛的外觀，各種變量、數據的輸出，2D、3D動畫演示界面，以及仿真結果的數據分析圖表等內容。

3.2 系統層次結構

AnyLogic仿真軟件同時支持系統動力學、基于智能體和離散事件3種主流建模方法，且可以將3種方法以任意形式組合進行建模。其建模語言具有獨有的靈活性，可使用戶能夠捕捉仿真系統不同層次的復雜性和異質性，圖形化接口、工具和庫對象可以快速針對仿真系統的不同部分建模，支持面向對象設計，為大規模系統提供了模塊化、層次化和漸進式的架構。

組合車場作業仿真系統是一個微觀的仿真系統，包括機車、車輛、軌道、道岔等微觀因素，可使用AnyLogic軟件提供的軌道庫和標準庫構建系統框架，系統底層的算法、各微觀要素的活動、推進系統的事件控制等由Java高級編程語言編程實現。組合車場作業仿真系統的層次性結構如圖3所示。

圖3 仿真系統層次結構圖

3.3 仿真案例

有一重載鐵路組合站的組合車場，由4組基本線束構成，即8條組合到發線，4條機走線，車場右側咽喉設有連通機務段的機走線。本車場存在3種組合方式：2列5 000 t列車組合為1列萬t列車（單機或雙機），2列1萬t列車組合為1列2萬t列車，4列5 000 t列車組合為1列2萬t列車（雙機或4機）。以大秦線為例，單元萬t重載列車使用C63、C64、C76、C80、C70型等車輛固定編組，循環使用，機車為動力集中重聯牽引。具體編組形式如表1所示。大秦線2萬t重載列車的的種類有兩種：2×10 000 t的重載組合列車，4×5 000 t的重載組合列車。其中后者現在已停止開行。2×10 000 t的重載組合列車的編組形式主要為1+1+可控列尾，機車為HXD型電力機車。具體編組內容為：

機車（主控）+車輛（105輛）+機車（從控）+車輛（105輛）+可控列尾。

表1 1萬t組合列車編組表

重載鐵路組合站的銜接方向往往不是單一的，組合車場中可能組合兩個去向或更多去向的組合列車。在本仿真系統中，分別建立單一去向和兩個去向的仿真系統，通過運行仿真系統，對比二者車場組合能力、組合到發線利用率等指標。

本仿真系統為微觀仿真系統，主要以1+1的列車組合形式為主要仿真內容，可仿真2列萬t組合為1列2萬t組合列車的作業過程。從列車進入車場時起至組合列車離開車場時止，仿真系統模擬了列車的每一步作業過程，并能夠以2D、3D動畫的形式前臺展示。不需要對系統流程有過多的了解即可明白列車組合的作業過程。本仿真系統中，采用的組合列車各項作業時間標準如表2所示。

表2 2萬t組合列車作業時間標準

使用基于Windows 7操作系統平臺的AnyLogic仿真軟件，利用AnyLogic軟件提供的標準庫與軌道庫建立重載鐵路組合車場仿真系統，運行界面如圖4所示。圖4中，紅色與綠色用于區別單元列車的去向，藍色車輛表示該車輛為機車。運行界面分為3個視圖區域，第1視圖區域為2D動畫演示界面和數據輸出分析區，第2視圖區域為邏輯流程圖，第3視圖區域為3D動畫演示界面。

圖4 組合車場仿真系統界面

AnyLogic仿真軟件中，系統中的所有對象都是由智能體(Agent)控制的，各智能體(Agent)之間用連接器連接，用于表示邏輯上的前位事件與后位事件。智能體與連接器共同構成邏輯圖，類似于流程圖。在智能體的屬性界面可定義智能體的具體屬性，并利用Java高級程序語言編寫智能體經過特定節點所觸發的事件。

3.4 仿真數據分析

本仿真系統中，虛擬時間與真實時間的比例為1:60，即仿真系統中跨度為1 min的虛擬時間為真實時間的1 s。仿真組合車場一晝夜的組合能力時，設置仿真運行時間總長為1440-120=1320（min），120 min為扣除的天窗時間。在Windows7操作系統中，運行仿真系統30次，并記錄每次運行的數據。組合列車雙去向的仿真系統中，待組合的單元列車按照1:1的數量比例隨機進入車場，服從均勻分布。仿真系統各股道利用率的計算時間起點為到達列車第一次確定該股道為目標軌道的時間，終點為停止運行仿真系統的時間。因各股道第一次接入列車的時間點是不同的，造成股道利用率計算公式分母中的總時間不一致。因此，在比較股道利用率時，以各股道組合相同數量的組合列車時其股道利用率為準。

（1）T占=135 min，t間=10 min時，組合車場的組合能力

從表3、表4得出單雙去向車場的組合能力在相同的參數下，組合能力無明顯區別。單去向車場只使用了7條組合到發線，雙去向車場使用了全部的8條組合到發線，且組合到發線利用率低于單去向車場。

表3 單雙去向車場組合能力表

表4 單雙去向仿真車場股道利用率表

（2）T占=135 min，組合列車數M=20列時，組合車場的股道利用率指標（不考慮天窗扣除時間）

表5 股道利用率表

從表5可知，單去向的情況下，只需7條股道便可滿足列車組合需求的到發線數量。雙去向的情況下，需要使用全部8條組合到發線，因仿真系統中選擇接車線路時是按照從1G到8G的順序開始遍歷，標號較小的到發線具有較高的優先級，造成股道利用率逐次降低的趨勢。

4 結束語

上述案例只仿真了T占=135 min，t間=10 min情況下的組合車場作業，從仿真結果可以得出該車場在此情況下并沒有達到最大的組合能力。基于上述仿真案例，可以得出下列結論。

（1）在雙去向的單元列車到達數量服從均勻分布、到達間隔時間相等、T占相等的情況下，組合車場的組合能力與組合單去向組合列車時的組合能力并無明顯差異，基本相等，但使用的組合到發線條數多于組合單去向組合列車時使用的組合到發線條數。

（2) 組合單去向組合列車的組合車場股道利用率大于組合多去向組合車場股道的利用率，其比例隨去向的增多而增大。

（3) 隨著組合列車數量的增大，各股道利用率呈降低的趨勢。

組合多去向的組合列車在同樣的作業時間標準下，所耗費的平均時間大于組合單去向的組合列車。這個問題可以通過合理組織到達車流得到緩解，盡量使去往同一方向的單元列車連續成對到達，降低第1列單元列車的等待時間。

重載鐵路組合站的組合車場作業仿真系統不僅可以用來仿真列車的組合過程，而且可以仿真求得車場的組合能力、各股道的利用率等指標。此外，可以仿真得出在一定車流密度、作業組織條件下車場所需的組合到發線條數，對于重載鐵路組合站的設計規劃均有指導意義。

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[5] 聞清良.重載鐵路行車技術[M].北京：中國鐵道出版社，2009：52-83.

責任編輯 徐侃春

表5 故障規則表（部分）

3.4 根據規則進行決策

診斷決策是根據提交的規則進行決策輸出，并且對輸出的決策進行性能評價，若通過決策性能評價,進行決策實施，否則重新提交規則并進行決策性能評價。根據高速動車組故障規則挖掘，結合專家經驗等對高速動車組的故障進行診斷決策，根據決策執行運維操作。

以F1003故障為例： 如果出現F1003故障，則決策系統給出對C4已經運維。如對C4運維未完全消除故障，則給出對C1和T3進行運維操作。以此類推，直到故障最終消除。

如果在診斷過程中出現規則已空的情況，則應該重新對故障進行處理，生成新的故障規則，指導診斷決策。

4 結束語

基于大數據的高速動車組故障診斷是根據動車組的歷史故障信息，結合專家經驗，運用關聯規則挖掘算法，從海量的動車組故障信息中，搜索出高速動車組故障與狀態之間的關聯關系，以此關聯規則為依據，根據列車的當前狀態對動車組關鍵部件進行故障診斷。通過對高速動車組故障關聯規則挖掘，為檢修和領導決策提供有意義的故障診斷依據。

參考文獻：

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責任編輯 徐侃春

Combined Yard Simulation System in combined station of heavy haul railway

SU Yin,WEI Yuguang
( School of Traffc and Transportation,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

This article analyzed of the operation process and characteristics of combined trains in combined station of heavy haul railway,used simulation software to simulate the process of the trains in the microscopic aspect.Two simulation models were constructed separately,the trains in the frst model had only one destination,and trains in the second had two destinations.Through analyzing the simulation data,it was found that the combination capacity and the utilization rate of arrival and departure track for combined trains in he second model were lower than the trains in the frst model at the same yard.At the end,the article put forward relevant optimization measures to improve the combination capacity of combined yard.

heavy haul railway;combined station;combined capacity;simulation

U239.4∶TP39

A

1005-8451（2016）01-0012-05

2015-05-27

蘇 寅，在讀碩士研究生；魏玉光，教授。