重载铁路组合站的组合车场仿真系统分析

苏 寅，魏玉光

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

重载铁路组合站的组合车场仿真系统分析

苏 寅，魏玉光

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

通过分析重载铁路组合站组合列车的作业过程及特点，使用仿真软件对组合列车的作业流程进行了微观仿真。分别针对单去向和双去向的组合列车构建了仿真系统，针对不同的变量进行仿真，通过对仿真数据的分析，得出在同一组合车场组合双去向组合列车的组合能力略低于组合单去向组合列车时的组合能力、组合双去向组合列车时组合到发线的利用率低于组合单去向组合列车的到发线利用率的结论，并在结论中提出了相应的优化措施。

重载铁路；组合站；组合能力；仿真

铁路运输中的列车运行组织是一个典型的离散系统，列车车辆的状态随着时间的推进而不断发生变化。其状态变化不是连续的，而是在一个特定的时间点发生变化。利用计算机仿真技术建立列车运行仿真系统，可以方便地模拟机车车辆的作业过程，既可以用于为解决某一实际问题的仿真研究，又可以用于教学培训。

1 组合站组合车场的布置形式

1.1 组合车场的平面布置图

重载铁路组合站的组合车场由若干组基本线束并列布置构成，一般为梭形车场。一组基本线束由3条股道组成，两侧股道为组合到发线，中间夹一条机走线。每条股道由设置在线路中部的腰岔分割为A、B、C、D段。在1+1组合方式中，股道的A段与B段、C段与D段之间设置调车信号机，B段与C段之间设置进路信号机，其布置图如图1所示。

图1 基本线束示意图

1.2 组合列车的作业过程

待组合的单元列车按照正常接车方式依次接入同一股道的不同段，司机按照停车标指定的位置对标停车。在4列5 000 t单元列车组合为1列2万t列车的情况下，4列列车分别接入股道的A、B、C、D段。2列万t列车组合为1列2万t列车的情况下，2列万t列车分别接入股道的AB段和CD段。最后1列单元列车接入股道之后，列检人员按照规定进行列检作业。同时，机车摘机进入机务段。列检作业完毕之后，本务机出段连挂车列，牵引后部车列与前部车列连挂，编为一列组合列车。组合完成后，组合式重载列车在制动机简略试验之后即可发车。以2列万t列车组合成为1列2 t列车为例，组合列车的作业流程如图2所示。

图2 组合列车作业流程图

图2描述了在组合站组合单一去向的组合列车的作业流程。在重载运输中，组合站一般衔接重载铁路与非重载铁路，其组合列车一般有两个或两个以上的去向。在多去向的组合站，组合列车的作业流程大致与图2相似。不同点在于接入待组合的单元列车时要进行去向判断，将去往同一方向的单元列车接入同一组合到发线。

2 车场组合能力计算

车场的组合能力是指组合到发场一昼夜所能组合完成并发出的组合列车的数量。计算一列组合列车占用组合到发线时间T占的公式为：

式中，t接：第1列接车作业时间，min；

t间：后续接车间隔时间，min；

t摘：最后1列摘机（可平行摘机）时间，min；

t空：列车到达空费间隔时间，min；

t挂：挂机作业时间（可平行作业），min；

t连：后续车列连挂时间，min；

t技：到达后技检作业时间，min；

t简：简略试验作业时间，min；

t发：发车作业时间，min。

一昼夜车场的组合能力可按下式计算：

式中，M：车场中用于组合列车的组合到发线条数；

∑t固：一昼夜固定作业所占用组合到发线的总时间，min；

γ空：组合到发线空费系数，指组合到发线一昼夜不能用来组合列车的时间比例，其值由统计得出。

（1）式与（2）式中，所有涉及的作业时间标准都是在长期统计实际作业时间写实的基础上取到的特定值。

3 组合车场仿真系统

建立组合车场仿真系统的目标是真实反映实际系统的作业流程，能够体现实际系统中各个作业环节，并可以收集和分析相关数据，进而提出优化实际系统作业流程的措施。重载铁路组合站的组合车场作业过程仿真系统首先需要熟练掌握列车组合的流程，在此基础上将作业流程用离散的事件连接在一起，以事件的发生来推进系统的作业流程。

3.1 构建仿真系统

重载铁路组合站的组合车场作业仿真系统由5个子系统构成：列车生成子系统、到发线选择子系统、列车组合作业子系统、进路疏解子系统和可视化界面子系统。其中，列车生成子系统负责按照列车时刻表、或服从某种概率分布的列车到达间隔时间生成到达列车，并确定列车的编组辆数、列车长度、机车车辆的类型以及单元列车的去向等属性；到发线选择子系统负责计算到达列车应接入的到发线及停车位置，并将目标位置反馈给列车子系统生成的待组合单元列车；列车组合作业子系统负责完成若干列单元列车组合为一列组合式列车的作业过程，包括摘挂机车、牵引连挂、技检作业和制动机简略试验等作业；进路疏解子系统负责疏解冲突近路。在此仿真系统中进路冲突主要为机车出入机务段的进路与组合列车出发进路之间的冲突；可视化界面子系统负责建立可视化的仿真界面，包括车场的平面布置图与机车车辆的外观，各种变量、数据的输出，2D、3D动画演示界面，以及仿真结果的数据分析图表等内容。

3.2 系统层次结构

AnyLogic仿真软件同时支持系统动力学、基于智能体和离散事件3种主流建模方法，且可以将3种方法以任意形式组合进行建模。其建模语言具有独有的灵活性，可使用户能够捕捉仿真系统不同层次的复杂性和异质性，图形化接口、工具和库对象可以快速针对仿真系统的不同部分建模，支持面向对象设计，为大规模系统提供了模块化、层次化和渐进式的架构。

组合车场作业仿真系统是一个微观的仿真系统，包括机车、车辆、轨道、道岔等微观因素，可使用AnyLogic软件提供的轨道库和标准库构建系统框架，系统底层的算法、各微观要素的活动、推进系统的事件控制等由Java高级编程语言编程实现。组合车场作业仿真系统的层次性结构如图3所示。

图3 仿真系统层次结构图

3.3 仿真案例

有一重载铁路组合站的组合车场，由4组基本线束构成，即8条组合到发线，4条机走线，车场右侧咽喉设有连通机务段的机走线。本车场存在3种组合方式：2列5 000 t列车组合为1列万t列车（单机或双机），2列1万t列车组合为1列2万t列车，4列5 000 t列车组合为1列2万t列车（双机或4机）。以大秦线为例，单元万t重载列车使用C63、C64、C76、C80、C70型等车辆固定编组，循环使用，机车为动力集中重联牵引。具体编组形式如表1所示。大秦线2万t重载列车的的种类有两种：2×10 000 t的重载组合列车，4×5 000 t的重载组合列车。其中后者现在已停止开行。2×10 000 t的重载组合列车的编组形式主要为1+1+可控列尾，机车为HXD型电力机车。具体编组内容为：

机车（主控）+车辆（105辆）+机车（从控）+车辆（105辆）+可控列尾。

表1 1万t组合列车编组表

重载铁路组合站的衔接方向往往不是单一的，组合车场中可能组合两个去向或更多去向的组合列车。在本仿真系统中，分别建立单一去向和两个去向的仿真系统，通过运行仿真系统，对比二者车场组合能力、组合到发线利用率等指标。

本仿真系统为微观仿真系统，主要以1+1的列车组合形式为主要仿真内容，可仿真2列万t组合为1列2万t组合列车的作业过程。从列车进入车场时起至组合列车离开车场时止，仿真系统模拟了列车的每一步作业过程，并能够以2D、3D动画的形式前台展示。不需要对系统流程有过多的了解即可明白列车组合的作业过程。本仿真系统中，采用的组合列车各项作业时间标准如表2所示。

表2 2万t组合列车作业时间标准

使用基于Windows 7操作系统平台的AnyLogic仿真软件，利用AnyLogic软件提供的标准库与轨道库建立重载铁路组合车场仿真系统，运行界面如图4所示。图4中，红色与绿色用于区别单元列车的去向，蓝色车辆表示该车辆为机车。运行界面分为3个视图区域，第1视图区域为2D动画演示界面和数据输出分析区，第2视图区域为逻辑流程图，第3视图区域为3D动画演示界面。

图4 组合车场仿真系统界面

AnyLogic仿真软件中，系统中的所有对象都是由智能体(Agent)控制的，各智能体(Agent)之间用连接器连接，用于表示逻辑上的前位事件与后位事件。智能体与连接器共同构成逻辑图，类似于流程图。在智能体的属性界面可定义智能体的具体属性，并利用Java高级程序语言编写智能体经过特定节点所触发的事件。

3.4 仿真数据分析

本仿真系统中，虚拟时间与真实时间的比例为1:60，即仿真系统中跨度为1 min的虚拟时间为真实时间的1 s。仿真组合车场一昼夜的组合能力时，设置仿真运行时间总长为1440-120=1320（min），120 min为扣除的天窗时间。在Windows7操作系统中，运行仿真系统30次，并记录每次运行的数据。组合列车双去向的仿真系统中，待组合的单元列车按照1:1的数量比例随机进入车场，服从均匀分布。仿真系统各股道利用率的计算时间起点为到达列车第一次确定该股道为目标轨道的时间，终点为停止运行仿真系统的时间。因各股道第一次接入列车的时间点是不同的，造成股道利用率计算公式分母中的总时间不一致。因此，在比较股道利用率时，以各股道组合相同数量的组合列车时其股道利用率为准。

（1）T占=135 min，t间=10 min时，组合车场的组合能力

从表3、表4得出单双去向车场的组合能力在相同的参数下，组合能力无明显区别。单去向车场只使用了7条组合到发线，双去向车场使用了全部的8条组合到发线，且组合到发线利用率低于单去向车场。

表3 单双去向车场组合能力表

表4 单双去向仿真车场股道利用率表

（2）T占=135 min，组合列车数M=20列时，组合车场的股道利用率指标（不考虑天窗扣除时间）

表5 股道利用率表

从表5可知，单去向的情况下，只需7条股道便可满足列车组合需求的到发线数量。双去向的情况下，需要使用全部8条组合到发线，因仿真系统中选择接车线路时是按照从1G到8G的顺序开始遍历，标号较小的到发线具有较高的优先级，造成股道利用率逐次降低的趋势。

4 结束语

上述案例只仿真了T占=135 min，t间=10 min情况下的组合车场作业，从仿真结果可以得出该车场在此情况下并没有达到最大的组合能力。基于上述仿真案例，可以得出下列结论。

（1）在双去向的单元列车到达数量服从均匀分布、到达间隔时间相等、T占相等的情况下，组合车场的组合能力与组合单去向组合列车时的组合能力并无明显差异，基本相等，但使用的组合到发线条数多于组合单去向组合列车时使用的组合到发线条数。

（2) 组合单去向组合列车的组合车场股道利用率大于组合多去向组合车场股道的利用率，其比例随去向的增多而增大。

（3) 随着组合列车数量的增大，各股道利用率呈降低的趋势。

组合多去向的组合列车在同样的作业时间标准下，所耗费的平均时间大于组合单去向的组合列车。这个问题可以通过合理组织到达车流得到缓解，尽量使去往同一方向的单元列车连续成对到达，降低第1列单元列车的等待时间。

重载铁路组合站的组合车场作业仿真系统不仅可以用来仿真列车的组合过程，而且可以仿真求得车场的组合能力、各股道的利用率等指标。此外，可以仿真得出在一定车流密度、作业组织条件下车场所需的组合到发线条数，对于重载铁路组合站的设计规划均有指导意义。

[1] 张进川，杨 杰，刘 博 ，魏玉光.重载列车组合站通过能力计算方法研究[J].铁道运输与经济，2011（2）：6-9.

[2] 崔永明,重载铁路车站设计有关问题的探讨[J].铁道标准设计，2010（11）：30-32.

[3]杨 浩，魏玉光.铁路重载运输[M].北京：北京交通大学出版社，2010：151.

[4] 李海鹰，张 超.铁路站场及枢纽[M].北京：中国铁道出版社，2010：6-50，145-165.

[5] 闻清良.重载铁路行车技术[M].北京：中国铁道出版社，2009：52-83.

责任编辑 徐侃春

表5 故障规则表（部分）

3.4 根据规则进行决策

诊断决策是根据提交的规则进行决策输出，并且对输出的决策进行性能评价，若通过决策性能评价,进行决策实施，否则重新提交规则并进行决策性能评价。根据高速动车组故障规则挖掘，结合专家经验等对高速动车组的故障进行诊断决策，根据决策执行运维操作。

以F1003故障为例： 如果出现F1003故障，则决策系统给出对C4已经运维。如对C4运维未完全消除故障，则给出对C1和T3进行运维操作。以此类推，直到故障最终消除。

如果在诊断过程中出现规则已空的情况，则应该重新对故障进行处理，生成新的故障规则，指导诊断决策。

4 结束语

基于大数据的高速动车组故障诊断是根据动车组的历史故障信息，结合专家经验，运用关联规则挖掘算法，从海量的动车组故障信息中，搜索出高速动车组故障与状态之间的关联关系，以此关联规则为依据，根据列车的当前状态对动车组关键部件进行故障诊断。通过对高速动车组故障关联规则挖掘，为检修和领导决策提供有意义的故障诊断依据。

参考文献：

[1] 刘智慧,张泉灵.大数据技术研究综述[J].浙江大学学报：工学版，2014，48（6）：957-972.

[2] 马高峰.关联规则在电力变压器故障评估中的应用研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[3] J.Han,and M.Kamber.Data mining:Concepts and techniques[M].Morgan Kaufmann.San Francisco,CA.2001.

[4] Agrawal R,Srikant R.Fast algorithm for mining association rules[C].In :Proceedings of the 1994 International Conference on Very Large Databases,Santiago ,Chile,1994:487-499.

[5] Chen Han Liao.Transaction-Filtering Data mining and A Predictive Model for Intelligent Data Management[D].Cranfeld University.2008.

[6] 黄学文,刘春明,冯 璨，等.CRH3高速动车组故障诊断系统[J].计算机集成制造系统，2010，16（10）：2314.

责任编辑 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

苏 寅，在读硕士研究生；魏玉光，教授。