大型编组站技术作业时分仿真模型研究

张 倩，李达知

（1.西南交通大学交通运输与物流学院，硕士研究生，四川 成都 610031；2.北京铁路局调度所，助理工程师，北京 100860）

列车及调车机等在编组站内的走行，完全依靠司机的经验根据信号机显示来操作。在进行编组站内运输组织研究时，常常需要知道站内列车及各机车的作业时分，如果单凭司机的经验所得的作业时分则不够精确。国内外针对列车的仿真研究，均是基于干线铁路区间列车运行仿真，或者城市轨道交通列车运行仿真计算，而关于站内各列车及调车作业时分仿真研究却少之又少。所以，本仿真研究提出了通过计算机仿真来模拟列车运行过程，精确计算编组站内各移动设备的作业时间。

目前，很多自动化程度较高的编组站能力十分紧张，对作业时分的研究，是研究如何提高编组站能力必不可少的一部分。所以，进行作业时分仿真研究，为确定编组站内作业时分标准提供了一种方法；为科研项目提供更加精确数据的同时，也弥补了研究领域的空白。它具有一定的实用性，对提高编组站整体的工作效率；推动计算机仿真在我国铁路车站工程设计领域快速应用，以完善设计、优化设计、指导设计，对提高我国铁路大型编组站设计水平具有实际意义。

1 编组站技术作业过程分析

编组站内技术作业时分计算不同于干线铁路区间列车，区间列车牵引计算过程相对简单，编组站内技术作业过程复杂，所以需要先研究编组站内技术作业过程的特点。

编组站内移动设备包括旅客列车、货物列车、调车机车及本务机车。可将各移动设备的作业分为行车作业和调车作业。行车作业主要指接、发车作业及直通列车通过作业，调车作业主要指本务机车及调车机车作业。

1.1 接车作业分析 接车作业有“终到”、“到达”、“通过接”3种类型。其中，“终到”的列车通常是货车，必须在本站进行技术作业；“到达”列车是客车或其他不需在本站进行技术作业的列车，在本站停留若干时间后继续前行；“通过接”通常是客车，不在本站停留，直接通过。

“终到”和“到达”列车的接车作业过程是一样的。接车作业首先是根据调度所下达的阶段计划，将车次信息显示在编组站仿真系统中，当接收到邻站的发车请求后，本站同意邻站发车。接收到邻站的发车报点后，车站值班员就可以根据到发线空闲状态，确定接车进路。接车作业进路包括2种情况：一是正常接车，即线路比较顺畅，列车从邻站发车后可以直接进站停车，其运行进路主要有区间和站内2部分进路组成；二是非常规接车，当出现突发情况需列车在站外停车时，运行进路只有一部分，即站内进路。

“通过接”一般指不在本站停留，直接通过的客车。列车通过车站正线不受侧向道岔的速度限制，在速度-距离坐标图上其速度线趋近于直线。

1.2 发车作业分析 发车类型分为“始发”、“出发”、“通过发”3 种类型。

“始发”的列车是货车。列车经过编组站的编组作业后存放于发车股道上；经出发机车挂头、商检核准、列检检查、货票交接等一系列技术作业完成后，便可正式出发（出发报点）。

“出发”列车是已经接进车站的“到达”列车。这类车不需任何技术作业，在车站的某接发线上停留一段时间后继续前行。

“始发”“出发”列车进行发车作业时走行进路基本一致。该出发进路是指列车从车站停车标开始，经过1组或者几组道岔，运行至出站信号机为止所经过的一段进路。

“通过发”列车进路和“通过接”列车类似，在速度-距离坐标图上其速度线也趋近于直线。

1.3 本务机车作业分析 本务机车在编组站内的作业一般分为出入库作业和立折作业2种。

本务机车出入库作业时，需要根据阶段计划从到发线走行到机务段，或者从机务段走行至到发线。正常情况下，只需要根据接车场线别及该场线默认的机务段口为进路的终端，直接开通最短的进路。当机车出入段进路与接车进路交叉干扰，机车需在机待线，或者其他线路上进行待避，此时的机车出入段进路由多段组成，所以作业时间也由多个时间组成。

当货物列车到达后，本务机车不需入库改为立折走行到出发场到发线上挂车。但无论机车是出入段还是立折走行，它的速度变化都是由0开始变速运行至道岔限速，再变速运行至下一个道岔限速，一直循环，最后速度再变为0的过程。

1.4 调车作业分析 调车作业是根据调车作业计划进行。调机在编组站的作业类型主要有解体、编组和其他作业。调车作业与行车作业最大的差别是，行车作业要求精确停车，停车速度为0；调车作业不要求精确停车，并且调机准备与车列连挂时，需要一个较低的速度才能与之连挂，故调机末速度可以在0～3km/h之间变换。

解体作业包括空走、推送及溜放3个部分[1]。调机与车列连挂之前产生空走，连挂之后需进行推送作业。调机在推峰时，整列车仅机车有制动力，溜放作业时，由于溜放车列本身没有动力，所以溜放作业时分的计算同其他作业过程又有很大的不同。一般在溜放进路上设有一定的车辆减速器，故溜放作业时分不仅跟列车的运动学有关，还和减速器的设置有关。

编组调车作业计划中包含调车钩及调车程，要计算调车作业时分，必须先计算单调车钩的作业时分，然后将其加总即为调车作业时分。

在编组调车作业中，调车机折返的经由方案（走行股道、折返机待线、牵出线）由值班员下达。尾部调车机折返进路的确定是根据前一调车计划执行结束的线路，及同台调机下一个编组计划中第1勾调车线路为进路的始终端依据，中间包括1次或多次折返；当本编组计划前为其他调机作业（上油、整备、待令等），其起始线路将取决于作业结束时的停留线路。

2 编组站作业时分仿真模型分析

2.1 模型概述 根据编组站内行车作业及调车作业过程的以上特点，可将编组站内牵引计算概括为：在一定的车站布置、机车、列车编组条件下，列车以一定的初速度开始沿指定径路或径路段运行，按照一般的控制条件，以一定的速度到达站内另一点，运行距离S，初速度vs和末速度ve已知，求这一过程列车的速度和运行时分。其目标函数

式中：Δt为计算机时间迭代步长。

针对该过程进行仿真模拟，一般来说有3种策略。一是给定计划，给定参数，仿真模拟；二是给定计划，实时计算；三是自助生成计划，实时计算。本文采取第一种策略，仿真过程涉及到列车运动及其动力学计算。列车牵引计算理论同列车动力学计算原理相同，故本文以列车牵引计算理论为基础，进行相关研究。要进行模型解算必须先分析模型与干线铁路列车运行仿真的不同之处。

2.2 模型牵引计算特点 编组站内与传统铁路干线区间的牵引计算研究存在很多的不同之处。

2.2.1 运行距离长度不同 一般干线铁路、高铁或者城市轨道交通的站间距都比较长，干线铁路一般在10km左右，而高铁一般在50～60km；城市轨道交通站间距稍微短些，一般在1～2km。编组站内由于受到地形的限制，站坪长度一般在2km左右。在站内进行接发车作业及调车作业，进路都比较短。对于区间来说，列车能达到最高的运行速度，且以最高运行速度运行的时间长；对于站内来说，由于受到道岔的限制，列车运行距离较短，运行速度较低。进行相关研究时必须考虑到这一点。

2.2.2 速度限制条件要求不同 对于区间列车牵引计算中的速度条件限制，由于列车运行速度较高，主要考虑机车最高构造速度限制、线路限速、曲线限速、桥梁隧道限速及道岔的直向过岔限速。站内牵引计算由于站内列车需要转线，列车必须经过侧向道岔。道岔的侧向限速比直向限速低很多，由于车站布置道岔相比较区间紧密，所以车站内道岔的侧向限速是最主要的限制因素。

2.2.3 列车运行过程不同 列车在站内的作业有很多种，每一种作业过程在站内都有其特定的进路。站内列车进路是根据车站开放的信号显示所进行的，进路比较复杂，而区间列车运行进路相对单一。计算列车在站内的作业时分要根据车站的布置、进路的开放等情况具体分析，对站内列车牵引计算时，需要充分考虑车站布置及进路开放问题。

2.2.4 牵引特性不同 《列车牵引计算规程》规定，列车牵引计算时，采用最大牵引特性曲线进行取值[2]。因为站内调车作业时，机车的牵引力有很大富余，故牵引力取值时可以乘以一个系数，以求与实际相吻合。

城市轨道交通动车组速度控制有1个恒速档，可以最高速度恒速运行；编组站内机车一般是内燃或者电力机车，没有恒速档，当列车运行至最高速度时其实是调速运行。由于站内列车运行距离比较短，此过程不会持续较长时间，因而本文将调速过程设定为恒速运行。

区间列车运行制动时，一般机车和车辆都有制动力，制动能力比较大。而站内单机走行或单机连挂车列进行推峰解体作业时，只有机车有制动力。这也是调车与区间列车在制动力上的不同之处。

2.3 模型牵引计算算法 单质点列车模型将列车简化为单个无尺寸的质点，考虑列车受力变化时，将所有的受力放到质点上进行计算，而不考虑列车内部机车和车辆之间的受力情况[3]。列车受到外力主要有牵引力Fqy、制动力Wzd、阻力Wjz（基本阻力Wjb+附加阻力Wfj）、列车自身重mg及线路对列车的支持力N。

列车在整个变速运行过程中，其运行方式有加速、减速及匀速运行3种。在加速过程中，列车受到的合力

经过推导：列车所受到的加速度

在整个列车运行过程中，由于列车受到的牵引力是不断变化的，本文取较小的速度区间，假定在该区间内列车受到的牵引力恒定。加速过程中的牵引计算迭代公式为

式中：Si为第i步列车走行距离（m）；

Si+1为第i+1步列车走行距离（m）；

Δt为计算步长（秒/1000）；

vi为第 i步速度（m/s）；

vi+1为第i+1步速度（m/s）。

同理，可知列车减速制动过程中所受合力

减速度

减速制动迭代公式为

在匀速过程中，我们假定其所受合力为0，则匀速迭代公式为

3 结束语

本文详细分析了大型编组站技术作业过程特点，建立了大型编组站各移动设备作业时分仿真的仿真模型，并阐述了仿真模型的牵引计算特点。

在进行模型解算的时候，首先得设计牵引电算模型，因为站内牵引计算有很多相关约束条件，这些必须考虑进去。例如，速度限制情况，包括道岔的侧向限速，机车及线路的构造限速等等。电算模型设计及系统开发有待进一步研究。

[1]胡思继.铁路行车组织[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[2]中华人民共和国铁道部.列车牵引计算规程[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[3]石红国.列车运行仿真及优化研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文.2006.

[4]彭其渊，石红国，魏德勇.城市轨道交通列车牵引计算[M].成都：西南交通大学出版社，2005，4.