編尾溜放作業模擬仿真系統研究

趙守斌,宋 宇,孫志宏

（中國鐵道科學研究院集團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置了牽出線，但只在極個別情況下采用溜放作業法調車，絕大部分情況下還是以推送作業法為主，調車效率比較低。能否在編組場尾部實現溜放作業，需要根據不同的線路坡度、鉤車的走行性能、摘鉤速度，研究不同的調速系統[1]解決方案。

參考編組站自動化駝峰溜放模擬仿真系統[2-3]與編組站駝峰設計[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際平縱斷面數據為基礎，建立編尾溜放作業模擬仿真系統，模擬編尾鉤車溜放過程中的車輛基本阻力、風阻力[6]、曲線附加阻力、道岔附加阻力以及減速器[7]、減速頂[8]等設備的制動過程，可以為編尾站場改造和溜放控制系統設計提供仿真試驗依據。

1 系統架構

編尾溜放作業模擬仿真系統的系統架構如圖1所示。首先系統從初始化站場平縱斷面和設備信息開始，模擬無岔區段、道岔區段、停車器、減速頂、計軸傳感器、信號機；然后輸入鉤計劃仿真數據，作為鉤車走行模擬的依據，主要包括摘鉤位置、摘鉤速度與鉤車信息；接著執行走行模擬，綜合考慮鉤車運行中的影響因素，包括在直線區段上運行時的重力做功、在曲線區段上運行時的曲線附加阻力與重力做功、壓過減速頂時產生的阻力功或制動功、風產生的阻力做功以及車輛運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連掛或途停，也就是判斷鉤車是否停止運動，若未停止則繼續執行走行模擬，若停止，則輸出鉤車的最終速度與位置信息。

圖1 系統架構圖

2 系統功能

2.1 站場環境仿真

2.1.1 線路仿真

線路仿真包含直線無岔區段、曲線無岔區段、道岔區段三種，對于鉤車運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，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，每度轉角消耗的能高數值為0.008 m。在線路仿真中，曲線附加阻力做功通過曲線無岔區段弧度屬性表現，通過鉤車在曲線無岔區段上的運行距離計算鉤車轉角值，進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量有關。

2.1.2 設備仿真

設備仿真包括信號機、停車器、減速器、減速頂、計軸傳感器等。信號機用于標記摘鉤位置和鉤車溜放的起始位置，需要模擬坐標位置和信號顯示；停車器在編尾溜放過程中作為目標停車點之一，作為鉤車溜放結果的對比量；減速器為主要調速設備，用于驗證調速性能，制動能高在模擬仿真前設置；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置；計軸傳感器用于獲取模擬溜放車組的實時位置和速度。

2.2 室外環境仿真

室外環境仿真包括風速、風向、溫度三種信息。風為車輛運行產生風阻力，風阻力的大小與風速和風向有關，溫度對于車輛基本阻力有一定影響。對于空車來說，風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志、摘掛線路、摘掛輛數等調車作業信息外，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的信號機處；摘鉤速度為鉤車脫離調機時的速度，作為溜放初始速度；連掛速度為鉤車到達連掛位置時的速度，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、受風面積、車輛基本阻力等因素，對每一個車輛單獨進行計算，最終整合計算結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行計算。因此，系統采用分段疊加速度模型，將車輛走行距離s分解為無數等長的微小區間Δs，當Δs值足夠小時，車輛在此區間運動，各個參數變化值很小，在Δs區間內可以認為是勻變速運動，從而通過疊加計算，模擬出鉤車走行過程。

Δs區間內的走行速度計算公式如式（1）所示。

式中，v末——車輛在該運行區間末速度（m/s）；v初——車輛在該運行區間初速度（m/s）；Δs——車輛運行距離（m）；n——鉤車包含的車輛總數輛（輛）；g'——基于轉動慣量的自由落體加速度（m/s2）；i——運行區間平均坡度；W基——單位基本阻力（N/kN）；W風——單位風阻力（N/kN）；W力——單位設備阻力（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——設備總做功（J）；m——重量（t）。

2.4.2 走行模擬方案

系統根據輸入的鉤計劃正文信息與車輛信息，采用時間步進為主，位移步進為輔的計算方式進行模擬，默認選擇時間步進，設定最大位移，當速度過快時，改用位移步進，保證每次計算的Δs區間長度足夠小，并且不會超出時間步進范圍，保證鉤車實時進行運動。

走行模擬計算步驟如下：

Step1. 初始化線路、設備、車輛基礎數據。

Step2. 輸入鉤計劃正文信息與車輛信息。

Step3. 根據鉤計劃正文中的股道信息與摘鉤位置計算鉤車運行進路。

Step4. 設定時間步長為1 000 ms，位移步長5 m，通過初速度計算新區間長度。

Step5. 根據車列走行的距離，即區間長度，判斷觸發的傳感器集合，并發送給調速控制系統，接收調速控制系統的調速指令，模擬調速設備產生的制動力；判斷車列壓過的減速頂，計算減速頂總做功。

Step6. 獲取Δs區間的平均坡度、單位基本阻力、單位風阻力、曲線附加阻力做功、道岔附加阻力做功、外力做功、設備做功。

Step7. 代入式（1）計算得到區間末速度。

Step8. 區間末速度不為0 且未與股道車輛相遇，區間末速度作為下一區間初速度，執行Step4，否則繼續執行。

Step9. 輸出鉤車溜放位置、連掛速度。

Step10. 走行模擬結束。

3 系統運行環境

3.1 軟件環境

編尾溜放作業模擬仿真系統基于Java 語言進行開發，展示層基于Web Pages（HTML+JavaScript+CSS）開發頁面，通過HTTP/HTTPS 協議與服務層進行交互，服務層使用Spring Boot+MyBatis 框架搭建，通信層通過Web Service 接口或ActiveMQ 消息機制進行通信，數據層使用Oracle 數據庫，通過MyBatis 框架進行操作。軟件環境如圖4 所示。

圖4 編尾溜放作業模擬仿真系統軟件環境

3.2 硬件環境

系統使用一臺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，內存為8G，安裝Tomcat8、Active MQ。

4 系統應用

4.1 實驗概述

選取通遼編組站編尾平縱斷面線路和編尾設備的實際數據作為系統基礎數據，驗證通遼編組站編尾是否具備溜放作業條件。

4.2 實驗數據

4.2.1 線路模擬

選取通遼編組站編尾平縱斷面線路數據，模擬仿真區域從編尾牽出線開始，經調車線1-24，至駝峰推峰線結束，包含整個區域內的道岔以及無岔區段。

4.2.2 設備模擬

模擬信號機、停車器、減速頂。模擬計軸傳感器布置，由編尾入口信號機開始，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

選取牽出線調車信號機作為編尾溜放提鉤點，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 實驗結果

該實驗以鉤車最終停止位置與股道起始點的距離作為實驗結果值，與股道有效長度、停車器最遠位置對比，判斷鉤車在編尾的溜放能力是否可以使用溜放作業法。具體實驗結果如圖5～7 所示。

圖5 難行車溜放實驗結果

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

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

圖6 中行車溜放實驗結果

由圖7 易行車溜放實驗結果可以看出，易行車在初速度為5 km/h 時，溜放終點仍未進入到所有股道有效長度范圍內；在初速度為10 km/h 時，所有股道溜放終點均已進入到所有股道有效長度范圍內；在初速度為15 km/h 時，溜放終點均已進入越過停車器所在位置，且已均可到達距離股道起始點500 m 以內的位置。

圖7 易行車溜放實驗結果

分析可知，難行車溜放結果較差，在通遼站現有線路縱斷面條件下，使用溜放作業法時，鉤車不能走行到目標位置，編尾咽喉區須進行調坡，增大車組走行的重力勢能；中行車和易行車溜放結果較好，可以使用溜放作業法，通過在編尾調車線設置減速器，能夠實現溜放車組的安全連掛。

5 結束語

編尾溜放作業模擬仿真系統能夠對不同站場、不同車輛和不同調速設備的組合進行溜放仿真驗證，可以在不進行現場實際溜車的情況下，為站場改造、調速設備設計提供依據。系統具有通用性好、節省成本、節約時間等特點，為開展編尾溜放作業相關研究提供了驗證平臺。