關于列車牽引計算系統的研究

劉大偉++馬子奕

摘 要：列車牽引計算系統的構成，可根據系統數據的處理流程，將系統分為數據庫管理模塊、數據處理模塊、顯示界面模塊，對各個模塊的功能做了詳盡說明，并針對各個模塊的功能特點作了進一步分析設計。

關鍵詞：牽引計算；數據庫管理；數據處理

中圖分類號：S662 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）19-0335-02

列車牽引計算是針對有軌交通運輸中列車在外力（包括機車牽引力、列車阻力、列車制動力）的作用下沿軌道運行及其有關問題的科學計算。它以力學為基礎，以科學實驗和先進操縱經驗為依據，分析列車運行過程中的各種現象和原理，并用以解算軌道交通運營和設計上的一些主要技術問題和技術經濟問題。

列車牽引計算系統是一個復雜的綜合系統，涵蓋范圍廣，計算公式繁多，而本文利用系統的觀點，將牽引計算看成一個求解多元問題的方法論。在牽引計算系統需求分析的基礎上，對系統的功能進行詳細設計，將系統劃分為三大模塊：數據管理模塊，數據處理模塊和顯示界面模塊。本設計的目的在于框定列車牽引計算系統的層次結構，定義各個模塊的功能、原理及相互關系。

1.列車牽引計算軟件發展及現狀

1.1 列車牽引計算的含義

“列車牽引計算”是研究列車在外力作用下沿軌道運行及有關問題的實用學科。它以力學為基礎，以科學實驗和先進操縱經驗為依據，分析列車運行過程中的各種現象和原理，并用以解算軌道交通運營和設計上的一些主要技術問題和技術經濟問題。例如，機車牽引重量、列車運行速度和運行時間、列車制動距離、制動限速、制動能力以及機車能耗（燃油耗或電耗）等等。列車牽引計算的用途有多方面，在鐵路運輸方面，為了使鐵路運輸做到提速、重載、安全、高效，在每年修改列車列車運行圖時都需要進行大量的牽引計算，并且在列車運行或車站調車過程中發生事故時，用于分析事故原因；在機車運用方面，除了配合運輸方面做好工作之外，為了做到“節能”，還可以通過牽引計算，尋找最佳操縱方案；在選線設計方面，為了計算鐵路的通過能力和輸送能力、確定線路縱斷面和機車交路，在進行選線設計時必須要進行牽引計算；在通信信號方面，為了合理地布置軌道信號設備，也要進行牽引計算；在運輸經濟方面，為了計算設備投資和運營支出，進行各種方案的經濟比較等等，也要進行牽引計算n，。

1.2 國外研究現狀

國外的軌道交通系統發展的較早，牽引計算的理論和實踐的成果也比較多。因為牽引計算理論可作為列車操縱模擬、列車運行仿真、列車自動停車、列車自動駕駛的基礎理論，所以在這些領域中，牽引計算理論都得到了發展。對于列車牽引計算與操縱仿真領域，國外比較成熟的系統有北美的TPC（Train Performance Calculator）系統和RAILSIM系統（鐵路模擬系統），歐洲的TrainStar系統，日本的UTRAS系統等。TPc系統是根據線路平縱斷面以及列車編組，計算列車運行時分，評價機車牽引性能，評價各因素如列車編組、線路條件等變化后產生的效果；RAILSIM系統是北美鐵路常用的一套鐵路牽引計算與運行模擬軟件，它以TPC為基礎，可以更精確地模擬許多鐵路系統中多種列車的運行：TrainStar系統是一個機車工程師輔助系統，其目標是改善機車操縱，降低能耗，增加安全性，關鍵技術是提供了自適應的列車行為預測，可在當前運營條件下預測列車的運動行為，包括牽引和制動能問題；UTRAS系統從研究新干線的交通控制系統出發，

可進行列車牽引計算、列車模型對運營的影響分析、延誤恢復及分析和多列車運行能力及效果評價等。可見國外對于牽引計算的研究，除了應用于列車優化操縱外，現在更多地應用于列車的自動控制和列車自動駕駛的研究中嘲。

1.3 國內列車牽引計算軟件發展歷史及現狀

國內對于牽引計算的研究相對落后于國外，總的來說，國內牽引計算理論與應用可以分為人工計算和圖解法、單質點列車模型的電算方法和多質點列車模型的詳細電算方法3個發展階段。

1.3.1 早期的牽引電算程序

自從20世紀80年代起，我國曾先后由濟南、呼和浩特等鐵路局和各設計院編制、使用了第一代列車牽引計算軟件。早期的程序多采用勘峪IC、FORTRAN等計算機語言編寫，按計算流程將有關的計算公式編制成電算程序，在286微機DOS環境下運行。該方法只是在計算方式上以電算代替了手工計算，在列車牽引和制動計算方面大體上相當于國外20世紀60年代的簡單牽引計算水平，例如美國的TPO鉑程序。隨著我國鐵路現代化事業的迅速發展，第一代程序已經不能適應新形勢的要求，主要體現在以下幾方面：①計算所得的速度曲線呈折線狀，與列車實際運行時連續漸變的速度曲線嚴重不符。②受DOS環境限制，缺乏良好的用戶界面，無法形象模擬列車牽引、制動操縱，而且“退回操作功能有限，控制不夠靈活。③數據接口少且功能單一，只能通過修改源程序才能增補新型機車和車輛數據，導致進行新增車型牽引計算難度較大，而且要求人工輸入線路數據并按特定規則進行線路斷面化簡，不僅工作量大而且容易參數輸入錯誤。④受計算機和輸出設備性能限制，計算結果處理功能差，用于繪制列車操縱示意圖費時費力。

1.3.2 第二代列車牽引計算軟件

針對第一代牽引計算程序普遍存在的計算精度低、使用不方便等缺陷，伴隨著鐵道部新《牽規》“1的頒布實施，第二代列車牽引計算軟件應運而生。由鐵道部科學研究院研制完成的牽引計算軟件已經通過了鐵道部的技術鑒定并被鐵路運營單位廣泛使用。

2 系統結構體系

列車牽引計算系統要解決的不是單一問題，而是多個問題組成的集合。它包括：機車、車輛、線路數據的管理；結算列車牽引特性、運行時分、起動加速、機車能耗、制動距離等，并將結果簡單明確的顯示出來。根據列車牽引計算系統要解決的問題以及要完成的功能的不同，將列車牽引計算系統細分為若干個子模塊。每個子模塊完成一個相對獨立的功能，解決特定單獨的問題，然后將所有子模塊集合成一個完整的具備所有功能的牽引計算系統。

3 數據庫管理模塊

數據庫管理是指對數據庫中的信息進行建立、存取和修改等管理的工作。隨著計算機硬件和軟件的發展，數據庫管理經歷了人工管理、文件系統和數據庫管理這3個發展階段。由于采用數據庫管理具有數據結構化、數據冗余小、獨立性高等特點，可以實現數據的安全性、完整性管理以及實現并發控制和數據恢復的能力。采用數據庫管理可以很好的適應牽引計算數據規模大，數據量多的特點。根據牽引計算所需數據類型的不同又可將其細分為機車數據管理、車輛數據管理、線路數據管理以及列車編組管理。

3.1 機車數據管理

機車數據管理模塊是從觸摸屏、鍵盤等輸入設備，輸入機車的車型、機車的牽引特性等列車牽引計算的原始數據，并通過該模塊生成相應的機車數據存儲在磁盤中供以后計算時調用。

機車數據是牽引計算系統中必不可少的基礎數據，它包含兩方面即機車基本數據（不隨速度變化而改變的數據）和特性數據（隨速度變化而改變的數據，包括牽引特性數據、能耗特性數據、制動數據特性和阻力特性等）。

3.2 車輛數據管理

車輛不存在特性數據，在牽引計算中所需車輛數據有：車輛類型、基本阻力計算參數、車輛自重、標記載重、軸承類型、制動機型號、制動閘瓦材料的類型等。對車輛數據的操作不需要考慮其他關聯因素，只需要查找相關資料即可。

3.3 線路數據管理

所謂線路數據管理，就是從各種輸入設備，輸入某條線路或某區間的原始線路數據，并在磁盤中生成相應的線路數據庫，供以后計算或反向計算時使用。線路數據管理包含三類，即坡度數據管理、曲線數據管理和標記數據管理。坡度數據包括線路名、線路代碼、坡度、坡長等；曲線數據包括線路名、線路代碼、曲率半徑、曲線長、曲線方向等；標記數據包括線路名、線路代碼、標記類型、線路方向等。

3.4 列車編組數據管理

列車編組數據包括機車、車輛的型號及數量，車輛的實際載重量等等。對列車編組數據管理包括列車編組的添加、修改、刪除和查詢等基本操作。

4 數據處理模塊

有了列車牽引計算的原始數據，便可根據要求進行數據處理。

4.1 牽引質量計算

根據線路的坡道限制條件，在給定牽引質量的情況下進行驗算是否滿足條件。依據滿足條件的牽引質量作為該線路的列車牽引質量或采取其他措施提高牽引質量。

4.2 運行時分計算

根據線路條件和列車牽引質量，在機車不同運行工況下，計算出列車在此段線路區間的耗時以及各個時段所在該線路的位置。

4.3 起動加速計算

列車的起動過程是一個復雜的隨機過程，列車的起動阻力維持時間短，只能通過多次試驗的辦法，提出一些計算公式。列車在實際運行中一旦起動，列車阻力就從起動阻力回落到基本阻力，是一個從靜態到動態的瞬變過程。

4.4 機車能耗計算

機車能耗是關系到運輸成本和機車運用效率的關鍵參數。對不同工況下的能耗做出精確的計算，有利于安排機車的運用、檢修和對運費的核算，合理計算機車的能耗是牽引計算系統中的重點。

4.5 制動性能計算

機車車輛的制動性能是關系到車輛運行安全與否的一個重要因素。機車車輛的制動性能除了要考慮牽引電機、傳動系統和制動系統之外，還要考慮輪軌接觸的影響。

5 顯示界面模塊

顯示界面模塊主要功能是接受外界數據并輸入數據處理模塊以及將數據處理模塊計算后的結果具體形象的表現出來。一個系統的所有人機交互過程都是通過顯示界面開始的，因此設計布局合理、功能清晰的顯示界面很有必要。

顯示界面模塊可分為數據庫管理界面和牽引計算輸出界面。其中數據庫管理界面的作用是增加、修改、刪除或查詢機車車輛數據，牽引計算輸出界面則是將各種計算所得的結果數據以屏幕顯示、打印輸出或網絡輸出的形式傳達給使用者。

6、結語

本文以牽引計算理論為基礎，結合基本需求進行了改進，設計了列車牽引系統。通過對多條實際線路進行測試，該系統能較好地適應各種不同平縱斷面的計算。

參考文獻

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