趙守斌,宋 宇,孫志宏

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(shè)置了牽出線，但只在極個(gè)別情況下采用溜放作業(yè)法調(diào)車，絕大部分情況下還是以推送作業(yè)法為主，調(diào)車效率比較低。能否在編組場尾部實(shí)現(xiàn)溜放作業(yè)，需要根據(jù)不同的線路坡度、鉤車的走行性能、摘鉤速度，研究不同的調(diào)速系統(tǒng)[1]解決方案。

參考編組站自動化駝峰溜放模擬仿真系統(tǒng)[2-3]與編組站駝峰設(shè)計(jì)[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(shí)際平縱斷面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)，模擬編尾鉤車溜放過程中的車輛基本阻力、風(fēng)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(shè)備的制動過程，可以為編尾站場改造和溜放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供仿真試驗(yàn)依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。首先系統(tǒng)從初始化站場平縱斷面和設(shè)備信息開始，模擬無岔區(qū)段、道岔區(qū)段、停車器、減速頂、計(jì)軸傳感器、信號機(jī)；然后輸入鉤計(jì)劃仿真數(shù)據(jù)，作為鉤車走行模擬的依據(jù)，主要包括摘鉤位置、摘鉤速度與鉤車信息；接著執(zhí)行走行模擬，綜合考慮鉤車運(yùn)行中的影響因素，包括在直線區(qū)段上運(yùn)行時(shí)的重力做功、在曲線區(qū)段上運(yùn)行時(shí)的曲線附加阻力與重力做功、壓過減速頂時(shí)產(chǎn)生的阻力功或制動功、風(fēng)產(chǎn)生的阻力做功以及車輛運(yùn)行中自身的基本阻力做功，計(jì)算鉤車速度、位置的信息變化；最后判斷鉤車是否已經(jīng)連掛或途停，也就是判斷鉤車是否停止運(yùn)動，若未停止則繼續(xù)執(zhí)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(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能

2.1 站場環(huán)境仿真

2.1.1 線路仿真

線路仿真包含直線無岔區(qū)段、曲線無岔區(qū)段、道岔區(qū)段三種，對于鉤車運(yùn)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(xiàn)，通過鉤車在不同計(jì)算位置平均坡度的差值獲得重力勢能改變的計(jì)算值。

曲線附加阻力按鉤車通過平面曲線消耗的能高計(jì)算，每度轉(zhuǎn)角消耗的能高數(shù)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(qū)段弧度屬性表現(xiàn)，通過鉤車在曲線無岔區(qū)段上的運(yùn)行距離計(jì)算鉤車轉(zhuǎn)角值，進(jìn)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(jì)算，車輛側(cè)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(shù)量有關(guān)。

2.1.2 設(shè)備仿真

設(shè)備仿真包括信號機(jī)、停車器、減速器、減速頂、計(jì)軸傳感器等。信號機(jī)用于標(biāo)記摘鉤位置和鉤車溜放的起始位置，需要模擬坐標(biāo)位置和信號顯示；停車器在編尾溜放過程中作為目標(biāo)停車點(diǎn)之一，作為鉤車溜放結(jié)果的對比量；減速器為主要調(diào)速設(shè)備，用于驗(yàn)證調(diào)速性能，制動能高在模擬仿真前設(shè)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(shè)置；計(jì)軸傳感器用于獲取模擬溜放車組的實(shí)時(shí)位置和速度。

2.2 室外環(huán)境仿真

室外環(huán)境仿真包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度三種信息。風(fēng)為車輛運(yùn)行產(chǎn)生風(fēng)阻力，風(fēng)阻力的大小與風(fēng)速和風(fēng)向有關(guān)，溫度對于車輛基本阻力有一定影響。對于空車來說，風(fēng)阻力的作用效果會明顯的多。

2.3 鉤計(jì)劃仿真

鉤計(jì)劃由鉤計(jì)劃正文和鉤計(jì)劃車輛信息兩部分組成，如圖2 和圖3 所示。

圖2 鉤計(jì)劃正文信息

圖3 鉤計(jì)劃車輛信息

鉤計(jì)劃正文除摘掛標(biāo)志、摘掛線路、摘掛輛數(shù)等調(diào)車作業(yè)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(qū)的信號機(jī)處；摘鉤速度為鉤車脫離調(diào)機(jī)時(shí)的速度，作為溜放初始速度；連掛速度為鉤車到達(dá)連掛位置時(shí)的速度，要求5 km/h 以下。

鉤車信息是鉤計(jì)劃十分重要的一組信息，記錄了鉤計(jì)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(jì)算時(shí)充分考慮車種、車重、換長、受風(fēng)面積、車輛基本阻力等因素，對每一個(gè)車輛單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算，最終整合計(jì)算結(jié)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(jìn)行計(jì)算。因此，系統(tǒng)采用分段疊加速度模型，將車輛走行距離s分解為無數(shù)等長的微小區(qū)間Δs，當(dāng)Δs值足夠小時(shí)，車輛在此區(qū)間運(yùn)動，各個(gè)參數(shù)變化值很小，在Δs區(qū)間內(nèi)可以認(rèn)為是勻變速運(yùn)動，從而通過疊加計(jì)算，模擬出鉤車走行過程。

Δs區(qū)間內(nèi)的走行速度計(jì)算公式如式（1）所示。

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

2.4.2 走行模擬方案

系統(tǒng)根據(jù)輸入的鉤計(jì)劃正文信息與車輛信息，采用時(shí)間步進(jìn)為主，位移步進(jìn)為輔的計(jì)算方式進(jìn)行模擬，默認(rèn)選擇時(shí)間步進(jìn)，設(shè)定最大位移，當(dāng)速度過快時(shí)，改用位移步進(jìn)，保證每次計(jì)算的Δs區(qū)間長度足夠小，并且不會超出時(shí)間步進(jìn)范圍，保證鉤車實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動。

走行模擬計(jì)算步驟如下：

Step1. 初始化線路、設(shè)備、車輛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

Step2. 輸入鉤計(jì)劃正文信息與車輛信息。

Step3. 根據(jù)鉤計(jì)劃正文中的股道信息與摘鉤位置計(jì)算鉤車運(yùn)行進(jìn)路。

Step4. 設(shè)定時(shí)間步長為1 000 ms，位移步長5 m，通過初速度計(jì)算新區(qū)間長度。

Step5. 根據(jù)車列走行的距離，即區(qū)間長度，判斷觸發(fā)的傳感器集合，并發(fā)送給調(diào)速控制系統(tǒng)，接收調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)速指令，模擬調(diào)速設(shè)備產(chǎn)生的制動力；判斷車列壓過的減速頂，計(jì)算減速頂總做功。

Step6. 獲取Δs區(qū)間的平均坡度、單位基本阻力、單位風(fēng)阻力、曲線附加阻力做功、道岔附加阻力做功、外力做功、設(shè)備做功。

Step7. 代入式（1）計(jì)算得到區(qū)間末速度。

Step8. 區(qū)間末速度不為0 且未與股道車輛相遇，區(qū)間末速度作為下一區(qū)間初速度，執(zhí)行Step4，否則繼續(xù)執(zhí)行。

Step9. 輸出鉤車溜放位置、連掛速度。

Step10. 走行模擬結(jié)束。

3 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

3.1 軟件環(huán)境

編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)基于Java 語言進(jìn)行開發(fā)，展示層基于Web Pages（HTML+JavaScript+CSS）開發(fā)頁面，通過HTTP/HTTPS 協(xié)議與服務(wù)層進(jìn)行交互，服務(wù)層使用Spring Boot+MyBatis 框架搭建，通信層通過Web Service 接口或ActiveMQ 消息機(jī)制進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)層使用Oracle 數(shù)據(jù)庫，通過MyBatis 框架進(jìn)行操作。軟件環(huán)境如圖4 所示。

圖4 編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)軟件環(huán)境

3.2 硬件環(huán)境

系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)存為8G，安裝Tomcat8、Active MQ。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 實(shí)驗(yàn)概述

選取通遼編組站編尾平縱斷面線路和編尾設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證通遼編組站編尾是否具備溜放作業(yè)條件。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.1 線路模擬

選取通遼編組站編尾平縱斷面線路數(shù)據(jù)，模擬仿真區(qū)域從編尾牽出線開始，經(jīng)調(diào)車線1-24，至駝峰推峰線結(jié)束，包含整個(gè)區(qū)域內(nèi)的道岔以及無岔區(qū)段。

4.2.2 設(shè)備模擬

模擬信號機(jī)、停車器、減速頂。模擬計(jì)軸傳感器布置，由編尾入口信號機(jī)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(jì)劃模擬

選取牽出線調(diào)車信號機(jī)作為編尾溜放提鉤點(diǎn)，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(shè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)以鉤車最終停止位置與股道起始點(diǎn)的距離作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，與股道有效長度、停車器最遠(yuǎn)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(yè)法。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～7 所示。

圖5 難行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

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

圖6 中行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7 易行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，易行車在初速度為5 km/h 時(shí)，溜放終點(diǎn)仍未進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為10 km/h 時(shí)，所有股道溜放終點(diǎn)均已進(jìn)入到所有股道有效長度范圍內(nèi)；在初速度為15 km/h 時(shí)，溜放終點(diǎn)均已進(jìn)入越過停車器所在位置，且已均可到達(dá)距離股道起始點(diǎn)500 m 以內(nèi)的位置。

圖7 易行車溜放實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析可知，難行車溜放結(jié)果較差，在通遼站現(xiàn)有線路縱斷面條件下，使用溜放作業(yè)法時(shí)，鉤車不能走行到目標(biāo)位置，編尾咽喉區(qū)須進(jìn)行調(diào)坡，增大車組走行的重力勢能；中行車和易行車溜放結(jié)果較好，可以使用溜放作業(yè)法，通過在編尾調(diào)車線設(shè)置減速器，能夠?qū)崿F(xiàn)溜放車組的安全連掛。

5 結(jié)束語

編尾溜放作業(yè)模擬仿真系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌緢?、不同車輛和不同調(diào)速設(shè)備的組合進(jìn)行溜放仿真驗(yàn)證，可以在不進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)際溜車的情況下，為站場改造、調(diào)速設(shè)備設(shè)計(jì)提供依據(jù)。系統(tǒng)具有通用性好、節(jié)省成本、節(jié)約時(shí)間等特點(diǎn)，為開展編尾溜放作業(yè)相關(guān)研究提供了驗(yàn)證平臺。