蘇 寅，魏玉光

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

重載鐵路組合站的組合車場(chǎng)仿真系統(tǒng)分析

蘇 寅，魏玉光

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

通過分析重載鐵路組合站組合列車的作業(yè)過程及特點(diǎn)，使用仿真軟件對(duì)組合列車的作業(yè)流程進(jìn)行了微觀仿真。分別針對(duì)單去向和雙去向的組合列車構(gòu)建了仿真系統(tǒng)，針對(duì)不同的變量進(jìn)行仿真，通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析，得出在同一組合車場(chǎng)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(shí)的組合能力、組合雙去向組合列車時(shí)組合到發(fā)線的利用率低于組合單去向組合列車的到發(fā)線利用率的結(jié)論，并在結(jié)論中提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

重載鐵路；組合站；組合能力；仿真

鐵路運(yùn)輸中的列車運(yùn)行組織是一個(gè)典型的離散系統(tǒng)，列車車輛的狀態(tài)隨著時(shí)間的推進(jìn)而不斷發(fā)生變化。其狀態(tài)變化不是連續(xù)的，而是在一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生變化。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)，可以方便地模擬機(jī)車車輛的作業(yè)過程，既可以用于為解決某一實(shí)際問題的仿真研究，又可以用于教學(xué)培訓(xùn)。

1 組合站組合車場(chǎng)的布置形式

1.1 組合車場(chǎng)的平面布置圖

重載鐵路組合站的組合車場(chǎng)由若干組基本線束并列布置構(gòu)成，一般為梭形車場(chǎng)。一組基本線束由3條股道組成，兩側(cè)股道為組合到發(fā)線，中間夾一條機(jī)走線。每條股道由設(shè)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(shè)置調(diào)車信號(hào)機(jī)，B段與C段之間設(shè)置進(jìn)路信號(hào)機(jī)，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(yè)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(jī)按照停車標(biāo)指定的位置對(duì)標(biāo)停車。在4列5 000 t單元列車組合為1列2萬(wàn)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(wàn)t列車組合為1列2萬(wàn)t列車的情況下，2列萬(wàn)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(guī)定進(jìn)行列檢作業(yè)。同時(shí)，機(jī)車摘機(jī)進(jìn)入機(jī)務(wù)段。列檢作業(yè)完畢之后，本務(wù)機(jī)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(dòng)機(jī)簡(jiǎn)略試驗(yàn)之后即可發(fā)車。以2列萬(wàn)t列車組合成為1列2 t列車為例，組合列車的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 組合列車作業(yè)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(yè)流程。在重載運(yùn)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(gè)或兩個(gè)以上的去向。在多去向的組合站，組合列車的作業(yè)流程大致與圖2相似。不同點(diǎn)在于接入待組合的單元列車時(shí)要進(jìn)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(fā)線。

2 車場(chǎng)組合能力計(jì)算

車場(chǎng)的組合能力是指組合到發(fā)場(chǎng)一晝夜所能組合完成并發(fā)出的組合列車的數(shù)量。計(jì)算一列組合列車占用組合到發(fā)線時(shí)間T占的公式為：

式中，t接：第1列接車作業(yè)時(shí)間，min；

t間：后續(xù)接車間隔時(shí)間，min；

t摘：最后1列摘機(jī)（可平行摘機(jī)）時(shí)間，min；

t空：列車到達(dá)空費(fèi)間隔時(shí)間，min；

t掛：掛機(jī)作業(yè)時(shí)間（可平行作業(yè)），min；

t連：后續(xù)車列連掛時(shí)間，min；

t技：到達(dá)后技檢作業(yè)時(shí)間，min；

t簡(jiǎn)：簡(jiǎn)略試驗(yàn)作業(yè)時(shí)間，min；

t發(fā)：發(fā)車作業(yè)時(shí)間，min。

一晝夜車場(chǎng)的組合能力可按下式計(jì)算：

式中，M：車場(chǎng)中用于組合列車的組合到發(fā)線條數(shù)；

∑t固：一晝夜固定作業(yè)所占用組合到發(fā)線的總時(shí)間，min；

γ空：組合到發(fā)線空費(fèi)系數(shù)，指組合到發(fā)線一晝夜不能用來(lái)組合列車的時(shí)間比例，其值由統(tǒng)計(jì)得出。

（1）式與（2）式中，所有涉及的作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)都是在長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)實(shí)際作業(yè)時(shí)間寫實(shí)的基礎(chǔ)上取到的特定值。

3 組合車場(chǎng)仿真系統(tǒng)

建立組合車場(chǎng)仿真系統(tǒng)的目標(biāo)是真實(shí)反映實(shí)際系統(tǒng)的作業(yè)流程，能夠體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，并可以收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而提出優(yōu)化實(shí)際系統(tǒng)作業(yè)流程的措施。重載鐵路組合站的組合車場(chǎng)作業(yè)過程仿真系統(tǒng)首先需要熟練掌握列車組合的流程，在此基礎(chǔ)上將作業(yè)流程用離散的事件連接在一起，以事件的發(fā)生來(lái)推進(jìn)系統(tǒng)的作業(yè)流程。

3.1 構(gòu)建仿真系統(tǒng)

重載鐵路組合站的組合車場(chǎng)作業(yè)仿真系統(tǒng)由5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：列車生成子系統(tǒng)、到發(fā)線選擇子系統(tǒng)、列車組合作業(yè)子系統(tǒng)、進(jìn)路疏解子系統(tǒng)和可視化界面子系統(tǒng)。其中，列車生成子系統(tǒng)負(fù)責(zé)按照列車時(shí)刻表、或服從某種概率分布的列車到達(dá)間隔時(shí)間生成到達(dá)列車，并確定列車的編組輛數(shù)、列車長(zhǎng)度、機(jī)車車輛的類型以及單元列車的去向等屬性；到發(fā)線選擇子系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算到達(dá)列車應(yīng)接入的到發(fā)線及停車位置，并將目標(biāo)位置反饋給列車子系統(tǒng)生成的待組合單元列車；列車組合作業(yè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成若干列單元列車組合為一列組合式列車的作業(yè)過程，包括摘掛機(jī)車、牽引連掛、技檢作業(yè)和制動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)略試驗(yàn)等作業(yè)；進(jìn)路疏解子系統(tǒng)負(fù)責(zé)疏解沖突近路。在此仿真系統(tǒng)中進(jìn)路沖突主要為機(jī)車出入機(jī)務(wù)段的進(jìn)路與組合列車出發(fā)進(jìn)路之間的沖突；可視化界面子系統(tǒng)負(fù)責(zé)建立可視化的仿真界面，包括車場(chǎng)的平面布置圖與機(jī)車車輛的外觀，各種變量、數(shù)據(jù)的輸出，2D、3D動(dòng)畫演示界面，以及仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析圖表等內(nèi)容。

3.2 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

AnyLogic仿真軟件同時(shí)支持系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、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(jìn)行建模。其建模語(yǔ)言具有獨(dú)有的靈活性，可使用戶能夠捕捉仿真系統(tǒng)不同層次的復(fù)雜性和異質(zhì)性，圖形化接口、工具和庫(kù)對(duì)象可以快速針對(duì)仿真系統(tǒng)的不同部分建模，支持面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，為大規(guī)模系統(tǒng)提供了模塊化、層次化和漸進(jìn)式的架構(gòu)。

組合車場(chǎng)作業(yè)仿真系統(tǒng)是一個(gè)微觀的仿真系統(tǒng)，包括機(jī)車、車輛、軌道、道岔等微觀因素，可使用AnyLogic軟件提供的軌道庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)構(gòu)建系統(tǒng)框架，系統(tǒng)底層的算法、各微觀要素的活動(dòng)、推進(jìn)系統(tǒng)的事件控制等由Java高級(jí)編程語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。組合車場(chǎng)作業(yè)仿真系統(tǒng)的層次性結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

3.3 仿真案例

有一重載鐵路組合站的組合車場(chǎng)，由4組基本線束構(gòu)成，即8條組合到發(fā)線，4條機(jī)走線，車場(chǎng)右側(cè)咽喉設(shè)有連通機(jī)務(wù)段的機(jī)走線。本車場(chǎng)存在3種組合方式：2列5 000 t列車組合為1列萬(wàn)t列車（單機(jī)或雙機(jī)），2列1萬(wàn)t列車組合為1列2萬(wàn)t列車，4列5 000 t列車組合為1列2萬(wàn)t列車（雙機(jī)或4機(jī)）。以大秦線為例，單元萬(wàn)t重載列車使用C63、C64、C76、C80、C70型等車輛固定編組，循環(huán)使用，機(jī)車為動(dòng)力集中重聯(lián)牽引。具體編組形式如表1所示。大秦線2萬(wàn)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(xiàn)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(jī)車為HXD型電力機(jī)車。具體編組內(nèi)容為：

機(jī)車（主控）+車輛（105輛）+機(jī)車（從控）+車輛（105輛）+可控列尾。

表1 1萬(wàn)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(chǎng)中可能組合兩個(gè)去向或更多去向的組合列車。在本仿真系統(tǒng)中，分別建立單一去向和兩個(gè)去向的仿真系統(tǒng)，通過運(yùn)行仿真系統(tǒng)，對(duì)比二者車場(chǎng)組合能力、組合到發(fā)線利用率等指標(biāo)。

本仿真系統(tǒng)為微觀仿真系統(tǒng)，主要以1+1的列車組合形式為主要仿真內(nèi)容，可仿真2列萬(wàn)t組合為1列2萬(wàn)t組合列車的作業(yè)過程。從列車進(jìn)入車場(chǎng)時(shí)起至組合列車離開車場(chǎng)時(shí)止，仿真系統(tǒng)模擬了列車的每一步作業(yè)過程，并能夠以2D、3D動(dòng)畫的形式前臺(tái)展示。不需要對(duì)系統(tǒng)流程有過多的了解即可明白列車組合的作業(yè)過程。本仿真系統(tǒng)中，采用的組合列車各項(xiàng)作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 2萬(wàn)t組合列車作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

使用基于Windows 7操作系統(tǒng)平臺(tái)的AnyLogic仿真軟件，利用AnyLogic軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)與軌道庫(kù)建立重載鐵路組合車場(chǎng)仿真系統(tǒng)，運(yùn)行界面如圖4所示。圖4中，紅色與綠色用于區(qū)別單元列車的去向，藍(lán)色車輛表示該車輛為機(jī)車。運(yùn)行界面分為3個(gè)視圖區(qū)域，第1視圖區(qū)域?yàn)?D動(dòng)畫演示界面和數(shù)據(jù)輸出分析區(qū)，第2視圖區(qū)域?yàn)檫壿嬃鞒虉D，第3視圖區(qū)域?yàn)?D動(dòng)畫演示界面。

圖4 組合車場(chǎng)仿真系統(tǒng)界面

AnyLogic仿真軟件中，系統(tǒng)中的所有對(duì)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(gòu)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(jí)程序語(yǔ)言編寫智能體經(jīng)過特定節(jié)點(diǎn)所觸發(fā)的事件。

3.4 仿真數(shù)據(jù)分析

本仿真系統(tǒng)中，虛擬時(shí)間與真實(shí)時(shí)間的比例為1:60，即仿真系統(tǒng)中跨度為1 min的虛擬時(shí)間為真實(shí)時(shí)間的1 s。仿真組合車場(chǎng)一晝夜的組合能力時(shí)，設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間總長(zhǎng)為1440-120=1320（min），120 min為扣除的天窗時(shí)間。在Windows7操作系統(tǒng)中，運(yùn)行仿真系統(tǒng)30次，并記錄每次運(yùn)行的數(shù)據(jù)。組合列車雙去向的仿真系統(tǒng)中，待組合的單元列車按照1:1的數(shù)量比例隨機(jī)進(jìn)入車場(chǎng)，服從均勻分布。仿真系統(tǒng)各股道利用率的計(jì)算時(shí)間起點(diǎn)為到達(dá)列車第一次確定該股道為目標(biāo)軌道的時(shí)間，終點(diǎn)為停止運(yùn)行仿真系統(tǒng)的時(shí)間。因各股道第一次接入列車的時(shí)間點(diǎn)是不同的，造成股道利用率計(jì)算公式分母中的總時(shí)間不一致。因此，在比較股道利用率時(shí)，以各股道組合相同數(shù)量的組合列車時(shí)其股道利用率為準(zhǔn)。

（1）T占=135 min，t間=10 min時(shí)，組合車場(chǎng)的組合能力

從表3、表4得出單雙去向車場(chǎng)的組合能力在相同的參數(shù)下，組合能力無(wú)明顯區(qū)別。單去向車場(chǎng)只使用了7條組合到發(fā)線，雙去向車場(chǎng)使用了全部的8條組合到發(fā)線，且組合到發(fā)線利用率低于單去向車場(chǎng)。

表3 單雙去向車場(chǎng)組合能力表

表4 單雙去向仿真車場(chǎng)股道利用率表

（2）T占=135 min，組合列車數(shù)M=20列時(shí)，組合車場(chǎng)的股道利用率指標(biāo)（不考慮天窗扣除時(shí)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(fā)線數(shù)量。雙去向的情況下，需要使用全部8條組合到發(fā)線，因仿真系統(tǒng)中選擇接車線路時(shí)是按照從1G到8G的順序開始遍歷，標(biāo)號(hào)較小的到發(fā)線具有較高的優(yōu)先級(jí)，造成股道利用率逐次降低的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述案例只仿真了T占=135 min，t間=10 min情況下的組合車場(chǎng)作業(yè)，從仿真結(jié)果可以得出該車場(chǎng)在此情況下并沒有達(dá)到最大的組合能力?；谏鲜龇抡姘咐梢缘贸鱿铝薪Y(jié)論。

（1）在雙去向的單元列車到達(dá)數(shù)量服從均勻分布、到達(dá)間隔時(shí)間相等、T占相等的情況下，組合車場(chǎng)的組合能力與組合單去向組合列車時(shí)的組合能力并無(wú)明顯差異，基本相等，但使用的組合到發(fā)線條數(shù)多于組合單去向組合列車時(shí)使用的組合到發(fā)線條數(shù)。

（2) 組合單去向組合列車的組合車場(chǎng)股道利用率大于組合多去向組合車場(chǎng)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(shù)量的增大，各股道利用率呈降低的趨勢(shì)。

組合多去向的組合列車在同樣的作業(yè)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)下，所耗費(fèi)的平均時(shí)間大于組合單去向的組合列車。這個(gè)問題可以通過合理組織到達(dá)車流得到緩解，盡量使去往同一方向的單元列車連續(xù)成對(duì)到達(dá)，降低第1列單元列車的等待時(shí)間。

重載鐵路組合站的組合車場(chǎng)作業(yè)仿真系統(tǒng)不僅可以用來(lái)仿真列車的組合過程，而且可以仿真求得車場(chǎng)的組合能力、各股道的利用率等指標(biāo)。此外，可以仿真得出在一定車流密度、作業(yè)組織條件下車場(chǎng)所需的組合到發(fā)線條數(shù)，對(duì)于重載鐵路組合站的設(shè)計(jì)規(guī)劃均有指導(dǎo)意義。

[1] 張進(jìn)川，楊 杰，劉 博 ，魏玉光.重載列車組合站通過能力計(jì)算方法研究[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2011（2）：6-9.

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責(zé)任編輯 徐侃春

表5 故障規(guī)則表（部分）

3.4 根據(jù)規(guī)則進(jìn)行決策

診斷決策是根據(jù)提交的規(guī)則進(jìn)行決策輸出，并且對(duì)輸出的決策進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，若通過決策性能評(píng)價(jià),進(jìn)行決策實(shí)施，否則重新提交規(guī)則并進(jìn)行決策性能評(píng)價(jià)。根據(jù)高速動(dòng)車組故障規(guī)則挖掘，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)等對(duì)高速動(dòng)車組的故障進(jìn)行診斷決策，根據(jù)決策執(zhí)行運(yùn)維操作。

以F1003故障為例： 如果出現(xiàn)F1003故障，則決策系統(tǒng)給出對(duì)C4已經(jīng)運(yùn)維。如對(duì)C4運(yùn)維未完全消除故障，則給出對(duì)C1和T3進(jìn)行運(yùn)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(xiàn)規(guī)則已空的情況，則應(yīng)該重新對(duì)故障進(jìn)行處理，生成新的故障規(guī)則，指導(dǎo)診斷決策。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于大數(shù)據(jù)的高速動(dòng)車組故障診斷是根據(jù)動(dòng)車組的歷史故障信息，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法，從海量的動(dòng)車組故障信息中，搜索出高速動(dòng)車組故障與狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以此關(guān)聯(lián)規(guī)則為依據(jù)，根據(jù)列車的當(dāng)前狀態(tài)對(duì)動(dòng)車組關(guān)鍵部件進(jìn)行故障診斷。通過對(duì)高速動(dòng)車組故障關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，為檢修和領(lǐng)導(dǎo)決策提供有意義的故障診斷依據(jù)。

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責(zé)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。