朔黄万吨重载列车驾驶仿真培训技术探讨与分析

王成 宋涛涛

摘要 在分析中国铁路运营现状与培训组模式以及培训设备与内容等形式上，结合重载列车功能结构、业务框架、组成原理、运营调整与行车组织特点，研究设计了朔黄重载列车模拟驾驶实作平台、软硬件组控形式、业务场景联控方案与业务仿真逻辑。通过模块组件形式将重载列车进行虚实等效与数学抽象建模，能较好地实现不同车型快速研制与仿真实训模块差异化的迭代升级。研究表明，重载列车模拟驾驶实作平台功能业务仿真度高、联控逻辑正确、功能完备、运行稳定、灵活性高。该系统能较好地实现重载列车司机从实作认知、实训到实操的全面系统的培训，同时能精准地模拟SS4B与神华号“1+1”“2+0”“4+0”编组、无线重联、解编以及编组列车正常或异常运行下的司机模拟实训，为重载列车驾驶实作培训提供了较好的指导意义。

關键词 万吨重载列车；模拟驾驶；仿真平台；实作培训

中图分类号 U292.31文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0186-03

0 引言

铁路作为我国经济的大动脉，是交通运输的核心，具有运量大、能耗低、安全、高效等特点，尤其重载铁路是我国钢铁、煤炭、矿石等大重型货特运输的主要通道[1]。同时随着中国铁路重载列车电气化的快速发展、列车的载重与自身重量逐渐增加和列车运行速度的逐渐加快，列车运行的安全性、可靠性、稳定性也需要同步提高且要求日趋更加严格[1]。对重载列车司机而言，则需要熟练掌握不同类型重载列车相关的功能业务、组成原理、故障与非正常及应急处置、系统维护等，难度较大不易学习，且在铁路现场实际中很容易引发事故并影响正常运营，工学矛盾突出[2]。因此，研究设计一套重载列车模拟驾驶仿真实训平台，对于高效、安全、方便、快捷地实训列车司机至关重要，并且能极大地提高工作效率与降低成本[3]。

1 重载列车运营现状

朔黄铁路正线总长近598 km，为国家I级双线电气化重载路基铁路；西起山西省神池南站，与神朔铁路相联，东至河北省黄骅市黄骅港口货场；设计年运输能力为近期3.5亿吨（2013年）、远期4.5亿吨[4]。朔黄铁路是我国目前投资与建设规模最大的一条合资铁路，也是我国西煤东运第二大通道和神华集团矿、路、港、电、航、油一体化工程的重要组成部分，在全国路网中占有重要地位[5]。特别是对加快沿线地方经济发展，保证华东、东南沿海地区能源供应，扩大我国煤炭出口能力具有极其重要的战略意义。朔黄铁路运能日益扩张的运营人员需求，要求朔黄铁路不断提高其运营效率与运营人员的管理和业务技术水平[6]。

2 重载列车模拟驾驶实作平台研究

2.1 重载列车仿真

该文根据SS4B与神华号电力机车硬件组成结构，模拟与数学建模相关电力元件并结合机车真实设备电路控制原理图，对机车所有电力元件设备进行硬件替代与软件模拟等效，实现仿真机车与铁路现场实际运行机车功能特性与电气特性的高度一致[7]。电力机车功能业务框架如图1所示：

2.2 牵引动力学仿真

根据朔黄铁现场实际运营的SS4B、神华号电力机车与车辆自重、长度等属性参数，构建不同车型在不同运行线路、不同工况下的牵引、阻力、动力制动、能耗等功能特性。然后结合车列实际运行线路的区间数、每个区间的线路限速和坡段数、每个坡段的坡度和长度、每个车站的车站名、第一个车站的车站中心里程，以及表示公里标递增或递减的符号、桥梁、隧道、道口和曲线等线路特性数据，分别计算机车与车辆在不同线路段、不同工况下的列车速度、列车加速度、列车制动力、相对位移与绝对位移等[8]。

2.3 线路环境仿真

采用计算机图像生成技术、数字光学技术处理列车实际运行场景及其周边景物，构建与现场高度吻合的视景显示系统，用于呈现列车实际运行前方及车窗适宜视角的轨道、沿途车站及相关景观画面，并能根据列车运行速度、运行方向、过道岔、上下坡段等实时调节画面显示帧数与视点角度和方向，逼真还原铁路现场实际的运营场景。

根据列车在实际线路不同环境、不同工况下运行所发出的列车鸣笛、劈相机、压缩机、电弧声机轨道声、道岔声、过桥梁、过隧道等声音，以及列车运行的环境气动噪声，创建音源并构建声音系统，并能根据仿真列车在实训过程中触发的事件发出不同的音源对受训学员进行提示。

2.4 无线重联仿真

模拟不同车型车载无线电台，并应用快速以太网有线传输技术替代车载800 MHz无线传输技术，将主从机车司机操作的相关功能按钮经机车电路逻辑控制系统计算，并传输至系统时钟同步控制系统进行对比分析计算，再通过通信接口模块将主从机车控制命令、列车状态信息等实时数据经数据收发接口模块进行数据交互与传输。其具体实现方式及流程如图2所示。

2.5 运营场景仿真

根据重载铁路现场实际作业要求、作业规范及标准、现场实际故障与非正常场景案例以及应急处置等，构建重载列车司机实作培训场景体系。重载列车实训演练场景制作流程如图2所示：

3 实验仿真

3.1 正常作业

该文以神华号机车牵引100辆C70车辆在神池南起车、出站试闸为例，对万吨重载列车模拟驾驶实作平台进行正常场景功能测验。重载列车仿真设备通电后，整个系统处于退出运营状态，激活列车驾驶操纵台、升弓、合主断等，然后进行相关操作与处置完成整备作业。具体操作步骤及方法如下：

（1）挂车时适量撒砂，为起车做准备。起车给牵引力10～20 kN保持5 s，确保从车牵引力正常发挥；缓慢加载至50～200 kN不低于10 s，再逐步增加至500 kN启动列车，走行约10 m，牵引力增至目标值；岔群适当减载，过岔群后增加牵引力，在从车进入岔区前减小牵引力，防止空转。

（2）出岔群后，逐渐增大牵引力至目标值，列车运行到K3+500 m处的速度达到40 km/h时，逐步减小牵引力，保持恒速；运行到K4+000 m处手柄回零（工况转换10 s以上），控制列车54#信号机处速度不超过40 km/h，再生力给至400 kN，缓慢涨速。

（3）列车低速牵引整列车以不高于40 km/h速度通过54#信号机，运行至K9+300 m处根据速度将再生力降低200～300 kN、K9+800 m处速度69～70 km/h减压，再生力保持并逐步缓解，缓解速度控制在60～67 km/h。

3.2 典型场景

（1）该文以神华号机车牵引100辆C70车辆从肃宁北-段庄的仿真运行，对万吨重载列车模拟驾驶实作平台故障与非正常功能业务逻辑进行测验。具体方法步骤如下：

1）肃宁北-太师庄：

a）起车给牵引力10～20 kN保持5 s，确保从车牵引力正常发挥；缓慢给至100～200 kN停留10 s，再逐步增加至400 kN启动列车，走行约10 m，牵引力增至420～500 kN，岔群适当减载，过岔群后增加牵引力，在从车进入岔群前减小牵引力，防止空转。

b）从车出岔群后，逐渐增大牵引力至400 kN；列车运行至K413+000 m处，速度达到50 km/h时，逐步减小牵引力至300 kN；运行到太师庄进站前速度掌握在72 km/h，退牵引力至120 kN，保持出站速度不超过75 km/h。

2）太师庄-段庄：

a）运行中保持120 kN牵引力，匀速运行。

b）行别营-黎民居间：4562#信号机处速度不超过66 km/h，牵引力给至200 kN；运行至K460+000 m处的速度为73 km/h，牵引力退至120 kN；黎民居进站前为69 km/h，牵引力退至60 kN，黎民居出站掌握在74 km/h。

c）沧州西出站后牵引力保持120 kN，运行至5020#信号机处，降低牵引力至80 kN，减小变坡点冲动。

（2）该文以SS4B机车牵引100辆C80车辆从宁武西站至龙宫站的仿真运行，对万吨重载列车模拟驾驶优化操纵进行测验。具体方法步骤如下：

模拟驾驶列车从宁武西站至龙宫站采用两把闸操纵，遇列车在长梁山隧道22 km左右处停缓；列车缓解后满足32.5 km前找回制动周期，允许隧道内缓解一次，如果不满足制动周期，执行一把闸操纵运行至龙宫站。

宁武西站内缓解速度对长梁山第一把闸的影响：

宁武西站至龙宫站采用两把闸操纵，遇列车在长梁山隧道22 km左右处停缓，列车缓解后满足32.5 km前找回制动周期，允许隧道内缓解一次，如果不满足制动周期，执行一把闸操纵运行至龙宫站。

1）数据分析

宁武西站内缓解车列对应的数据及各缓解速度分别如表1～2所示：

2）修改项点

根据以上数据统计及分析，对相关操作进行优化：

a）细化列车初制动地点：列车以速度70 km/h运行至宁武西进站信号机处减压；以68 km/h运行至15.000 km处减压。

b）宁武西站缓解速度不低于55 km/h（原缓解速度不低于45 km/h）。

3）宁武西站调速目的

a）压缩神池南至宁武西站通过时分，保证列车正点运行。

b）提高宁武西站内缓解速度，降低车钩受力。

c）提高缓解速度后，适当缩短长梁山第一把闸充风时间，降低长梁山第一把闸因制动力强导致的车钩受力大。通过统计，宁武西站内缓解速度在55 km/h以下时，长梁山隧道平均充风时间为332 s；缓解速度55 km/h以上时，长梁山隧道平均充风时间为284 s，充风时间平均缩短了48 s。

4）多次仿真运试验数据对比

仿真测试234次课程场景，两次周期制动159列，3次周期制动56列：长梁山第一把缓解153列，缓解地点在23.460～28.938 km范围内，缓解速度最高为40 km/h，最低为34 km/h；龙宫站内完成缓解86列，通过比例为56.21%。

列车的进站速度范围再34～60 km/h间。列车停于站外14列，站内停车未越过41.8 km处5列，越过41.8 km处停缓48列。

4 结语

该文分析了万吨重载列车运营与培训现状，结合重载列车功能结构、业务框架、组成原理、运营调整与行车组织特点，研究设计了朔黄重载列车模拟驾驶实作平台、软硬件组控形式、业务场景联控方案与业务仿真逻辑。通过模块组件形式将重载列车进行虚实等效与数学抽象建模，能较好地实现不同车型快速研制与仿真实训模块差异化的迭代升级。仿真实验结果表明，重载列车模拟驾驶实作平台功能业务仿真度高、联控逻辑正确、功能完备、运行稳定、灵活性高。该系统能较好地实现重载列车司机从实作认知、实训到实操的全面系统的培训，同时能精准的模拟SS4B与神华号“1+1”“2+0”“4+0”编组、无线重联、解编以及编组列车正常或异常运行下的司机模拟实训，为重载列车驾驶实作培训提供了较好的指导意义。

参考文献

[1]刘华为. 神朔线重载运输发展模式探讨[J]. 铁道建筑技术， 2016（9）： 116-119.

[2]马大炜， 冀彬， 王成国. 大秦线开行2万t级重载列车的关键技术问题和对策[J]. 铁道机车辆， 2007（4）： 1-3+24.

[3] 赵鑫， 王成国， 马大炜. 机车无线同步控制技术对2万吨重载组合列车纵向力的影响[J]. 中国铁道科学， 2008（3）： 78-83.

[4]何宇强， 李专辰， 尹成斐. 优化朔黄铁路2万吨列车开行方案的研究[J]. 铁道运输与经济， 2014（5）： 25-29.

[5]陈会波. 朔黄铁路SS4B型和SS4G型电力机车混合编组方案研究[J]. 中国铁路， 2014（11）： 32-36.

[6]耿志修， 钟章队. 网络化无线机车同步操作控制的研究与应用[J]. 铁道学报， 2008（2）： 103-107.

[7]马健康. 神华神朔铁路万吨组合列车机车重联通话转信解决方案[J]. 中国铁路， 2015（7）： 83-84.

[8]李蔚， 陳特放， 李辉， 等. 重载组合列车分布动力机车重联控制系统无线传输同步性研究[J]. 中国铁道科学， 2011（6）： 102-106.