基于OpenTrack软件的列车技术作业过程仿真研究

魏 然，高小，周浪雅

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

基于OpenTrack软件的列车技术作业过程仿真研究

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

基于 OpenTrack 软件的仿真原理及流程，针对可控的列流结构因素，分析动车组列车、普速列车、始发终到普速列车 3 种列流对仿真结果的影响程度，通过对各种列流组合方案的仿真，说明机车换挂作业对到发线、车站咽喉、出入段线能力影响最大。应用该软件对若干大型铁路客运站进行列车技术作业过程仿真试验，可以为优化车站设计提供可靠的依据。

铁路；客运站；列流；作业过程仿真

列车技术作业过程仿真是客运站综合仿真技术的重要组成部分，与客流组织仿真、交通流疏解仿真共同为客运站各设计阶段的具体方案评估和优化提供科学的手段与精确的数据支持。通过对客运站列车技术作业过程仿真，可以掌握车站到发线、道岔、出入段线等设备的占用情况，从而分析相关固定设备的能力利用及相互间的匹配，寻找车站能力的薄弱环节，并验证站场设计及作业规划方案的可行性。

1 问题与模型

列车技术作业过程仿真涉及的车站设施主要有区间正线、车站正线、道岔、到发线和出入段线。按照列车在站内的技术作业过程，可以将车站系统拆分为接车系统、到发线作业系统、发车系统和出入段系统，各系统之间的相互关系如图 1 所示。

图1 车站系统构成示意图

整个车站的状态由各组成系统的状态组合而成，受各系统内部各项作业事件驱动，主要是接车事件、到发线事件、调车事件、发车事件、出段事件和入段事件。接车事件为列车指定接入时间、到达方向、占用道岔；到发线事件为列车指定停站时间、到发线、连挂与摘解；调车事件为机车指定运行径路；发车事件为列车指定发车时间、出发方向、占用道岔；出段事件为列车、机车与车底指定出段时间、占用道岔、目标到发线；入段事件为列车、机车与车底指定入段时间和占用道岔。所有事件通过列车运行及机车运行完成。

OpenTrack 软件根据列车技术作业过程，按照既定的规则，模拟所有列车、机车在车站内的运行过程，其核心部分为列车、机车运行模拟，主要通过牵引计算实现。牵引计算模型为：

式中：a为加速度，m/s2；Z(v) 为牵引力，N；RL为基本阻力，N；Rstr为附加阻力，N；m为列车质量，kg；ρ为质量系数；v为t2时刻列车速度，m/s；v0为t1时刻列车速度，m/s；s为t2时刻列车位置，m；s0为t1时刻列车位置，m。

其中，列车受到的基本阻力为：

列车受到的附加阻力为：

式中：RLT为机车基本阻力，N；RLP为车底基本阻力，N；RT为隧道附加阻力，N；RS为坡道附加阻力，N；RB为曲线附加阻力，N。

当列车制动时：

式中：Z '(v) 为制动力，N。

2 仿真流程

利用 OpenTrack 软件对列车技术作业过程进行仿真，主要步骤如下。

（1）利用路网编辑器，构建车站及区间的轨道网拓扑图，对与列车运行有关的线路长度、曲线半径、坡度、线路限速等信息进行编辑。

（2）在轨道网拓扑图中定义所需的列车运行径路。

（3）利用列车属性编辑器，设置列车各项技术参数，如重量、长度、速度、列车编组、牵引制动曲线等信息。

（4）构建高峰小时列车技术作业方案，并匹配各次列车的运行径路，同时在时刻表管理数据库中，输入各次列车的到达和出发时刻、停站时间等信息。

（5）运行仿真模块，如果高峰小时各次列车的运行仿真无冲突报警，则继续输入全天各次列车的运行信息；如果出现冲突报警，则调整冲突列车的到发时刻、占用股道、停站时间等参数后重新运行仿真模块，直到无冲突报警为止。

（6）输出仿真统计结果并进行分析。

（7）根据仿真结果提出车站设计优化方案。

3 列流结构对仿真结果的影响分析

大型客运站列车技术作业过程仿真的影响因素较复杂。在区间层面，进出站的单双线及列车限速情况会影响车站通过能力；在车站设计层面，站场到发线设置、咽喉结构、出入段线设置、动车所的位置等会影响车站接发车能力；在列流层面，列流结构如动车组出入段及普速列车作业会对车站作业能力产生较大影响。

应用 OpenTrack 软件进行仿真时，区间、车站设计作为仿真静态条件影响仿真结果，但列流情况可以通过合理规划全天列流结构，优化技术作业过程，建立最合理的到发线运用方案。

3.1 纯动车组的列流

在仿真车站的列流为纯动车组时，仿真工作较为简单。高峰时段由于到发列数多而形成的进路冲突是影响仿真结果的最重要因素，因此在设计到发线运用方案时，需要充分运用平行进路最大限度化解高峰时段内的进路冲突。

高峰期出入段的动车组数量是对仿真结果影响较大的因素。在纯动车组的情况下，出入段的动车组比立折及通过动车组多占用 2 次咽喉区进路，因此出入段的动车组越多，对高峰期作业可能产生的干扰会越大。在铺画全天到发线运用方案时，为了减少出入段动车组对其他类型动车组的干扰，一般将其单独放在天窗前后铺画，同时为了满足旅客出行需求，一般早上铺画出段动车组，晚上铺画入段动车组。这种分时段集中出段与集中入段方式能最大限度地利用出入段线。

3.2 通过普速列车的列流

在仿真车站的列流除动车组外，还包含通过普速列车时，仿真工作复杂度增加。如果普速列车的车场及出入段线能够与高速场及出入段线分开，则普速列车与动车组互不影响，车站的各项设备能力利用率会较高；如果不能分开，则对车站的各项能力均会产生影响。在高速列车与普速列车共线的情况下，影响仿真结果的最主要因素是通过普速列车换挂机车作业。

（1）通过普速列车全部不进行机车换挂作业。在此种情况下，相比于纯粹动车组的列流情况，由于进出站线属于高速列车与普速列车共用，普速列车速度较慢，并且按站间闭塞行车，为了使能力最大化，仿真中最好能将普速列车与动车组按时段分开，让普速列车在动车组之后开行。如果动车组与普速列车共线运行，则两种列车的进出站追踪间隔时间较大 ( 一般为 15 min )，导致区间能力无法有效利用，从而影响车站接发车能力。

（2）通过普速列车全部或部分进行机车换挂作业。在此种情况下，除由于高速列车与普速列车共线运行带来的能力影响外，机车换挂作业也给车站带来新的影响。

担当本次作业的机车入段和担当续行任务的机车出段至少需占用咽喉区 2 次和出入段线 2 次，由于通过列车停站时间标准是 10～12 min，因此担当续行任务的机车大多需要提前出段。如果中转机车换挂作业较多，则必须在车站中设置机待线。

在普速列车与动车组共用出入段线的情况下，如果普速列车的本务机车、调车机车、车底与动车组混合出入段，由于普速列车出入段走行速度低于动车组，为了减少对出入段线能力的占用，仿真中通常采用动车组在前、普速机车或车底在后的出入段方式。

3.3 始发、终到普速列车的列流

当车站的列流包含始发、终到普速列车时，仿真工作最为复杂。在此种情况下，始发、终到普速列车要经历本务机车出入段、车底出入段、调车机车出入段等作业环节，因此至少需要占用咽喉区 4 次。在列车前行方向与机务段布局不一致时，机车需要转线作业，这不仅需要多占用 1～2 次咽喉区，还要占用 1 条到发线作为机走线，对车站的接发车能力影响很大。

在对出入段线的占用上，一趟始发或终到普速列车需要占用出入段线 3 次，由于走行时间较长，占用大量出入段线能力。以 1 列终到普速列车为例，设出入段走行距离为 7 km，普速列车进出段走行速度按照 45 km / h 计算，该列车从到达车站停稳起，本务机车需要约 9 min 入段，调车机车需要约9 min 出段，调车机车牵引普速车体还需要约 9 min入段，因此共占用出入段线约 30 min。由于出入段线能力限制，引起各列车在到发线的停留时间增加，可能会间接造成到发线能力紧张，进而影响咽喉区接发列车。

4 不同方案的仿真案例

4.1 仿真基本设定

为了详细分析不同列流结构对仿真结果的影响，假设存在如图 2 所示的区间及车站。设车站中心距离动车所 7 km，动车组与普速列车共用出入段线，普速列车通过动车所后分别入车辆段或机务段，动车组进出段走行速度为 75 km/h，普速列车进出段走行速度为 45 km/h，到发线运用方案按照周期为 1 h 铺画。

图2 仿真设计区间及车站

分析高峰小时 B 至 A 方向在不同仿真方案下，到发线 2 与 B 方向进站咽喉的占用情况。其中，咽喉占用时间标准如表 1 所示。

表1 咽喉进路占用时间表 min

4.2 仿真基本单元参数

（1）通过动车组。在仿真中，通过动车组按照停站处理，最短停站时间为 5 min。一列通过动车组进站占用 B 方向进站咽喉进路 3 min，占用到发线 2 为 5 min；出站占用 A 方向出站咽喉进路 3 min。

（2）立折动车组。在仿真中，立折动车组采取正接反发方式，本线折返列车将横切正线，对正线能力有较大影响。动车组本线立折停留时间标准为 18 min。一列立折动车组进站占用 B 方向进站咽喉进路 3 min，占用到发线 2 为 18 min；出站占用 B方向出站咽喉进路 3 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )。

（3）出、入段动车组。在仿真中，动车组出入段一般采用同一条出入段线，因此该出入段线相当于一条单线。动车组出段与动车组入段相接时，是出入段线能力利用最不利的情况。终到动车组在车站的作业时间标准为 12 min，始发动车组在车站的作业时间标准为 15 min。一列终到动车组进站占用 B 方向进站咽喉进路 3 min，占用到发线 2 为 12 min，入段耗时为 6 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )。一列始发动车组出段耗时为 6 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )，占用到发线 2 为15 min；出站占用 B 方向出站咽喉进路 3 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )。

（4）通过普速列车。在仿真中，通过普速列车全部进行机车换挂作业是最困难的情况。通过普速列车最短停站时间为 10 min。一列通过普速列车进站占用 B 方向进站咽喉进路 4 min，担当本次作业的机车入段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )，担当续行任务的机车出段耗时为10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路)，两次机车出入段均利用正线走行；出站占用 A 方向出站咽喉进路 4 min。

（5）始发、终到普速列车。始发普速列车在车站作业时间标准为 35 min，终到普速列车在车站作业时间标准为 20 min。一列始发普速列车由调车机车牵引普速车体出段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )，调车机车入段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路)，本务机车出段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )；出站占用 B 方向出站咽喉进路 4 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )。一列终到普速列车进站占用 B 方向进站咽喉进路 4 min，本务机车入段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路)，调车机车出段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )，两次机车出入段均利用正线走行，调车机车牵引普速车体入段耗时为 10 min ( 同时占用 B 方向进站咽喉进路 )。

4.3 不同仿真案例结果对比

高峰小时 B 至 A 方向在不同列流结构仿真方案下，到发线 2、B 方向进站咽喉和出入段线的占用情况如表 2 所示。

由表 2 可知，不同列流结构的仿真方案对仿真结果的影响极大，列流中普速列车的存在，降低了到发线的利用率和车站全天的接发车能力，其中纯通过普速列车方案 B 方向进站咽喉占用时间、出入段线占用时间最长，到发线 2 占用时间也较长。可以通过合理规划全天列流结构，优化技术作业过程，建立最合理的到发线运用方案。

5 结束语

应用 OpenTrack 软件分别对石家庄站、昆明南站、重庆西站等大型客运站的技术作业过程进行了仿真，在输入预定流的条件下，仿真输出各项统计数据，结合动态仿真过程，发现车站设计方案存在的薄弱环节，为优化车站站场设计提供了可靠的依据。

[1] 刘启钢，杜旭升，杨 旭. 大型铁路客运站客流组织仿真技术研究[J]. 铁道运输与经济，2010(10)：37-40.

Research on Simulation of Train Technical Operation Process based on OpenTrack Software

WEI Ran, GAO Xiao-xun, ZHOU Lang-ya

(Transportation and Economy Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Based on simulation principle and process of OpenTrack software, targeting with controllable factor of train flow structure, this paper analyzes the influence degree of 3 types of train flow such as EMU, common-speed train and arrival-departure common-speed train on simulation result. Through simulation of each train flow combination scheme, it shows that locomotive attaching to another trainset has greatest influence on arrival-departure track, station throat and capacity of arriving and departing depot track. Taking simulation test on train technical process in several large-scale railway passenger stations by using this software could provide reliable foundation for optimizing station design.

Railway; Passenger Station; Train Flow; Simulation of Operation Process

1003-1421(2013)05-0025-05

U292.4；U29-39

B

2013-04-16

林 欣