仿真技術在鐵路超限貨物運輸中的應用

陳柯添，馮向南，凌炎鑫，鄭岳清

（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

超限貨物主要為一些大件貨物，如發電設備、石油冶煉設備、化工機械、橋梁構件、大型車輛及航天設備等，其安全及時運抵目的地對于國家重點工程的建設具有十分重要的意義。因此，搞好超限貨物運輸對于促進國民經濟發展與國防現代化的建設具有重要的意義[1]。

目前，國內外對于鐵路超限貨物運輸已有較多研究，應用了不同的方法，大部分是基于理論及數據的分析來判定貨物超限等級。在三維仿真技術應用方面，已有研究應用于檢測貨物是否超限，以及制作超限貨物裝載教程等。

在我國鐵路超限貨物運輸中，目前尚未應用三維仿真技術。為了能夠直觀地了解貨物的超限情況，進而實現對超限貨物運輸的輔助決策，提高超限貨物運輸的安全性。在此對超限貨物運輸條件的可視化仿真進行了嘗試。

1 鐵路超限貨物運輸條件輔助決策仿真系統

仿真系統的主要內容是運用SolidWorks建立貨物、車輛、線路模型及建立裝配體，實現車輛的仿真運行，并通過建立數據庫，存儲并計算相關數據，判定貨物超限等級及確定超限貨物列車運行條件，從而能夠直觀準確地了解貨物的超限情況，提高超限貨物列車運行條件判定的準確性，以達到提高鐵路超限貨物運輸安全和效率的目的。

本系統的主要研究技術路線是運用編程軟件Visual Basic進行三維繪圖軟件SolidWorks的二次開發，實現仿真模擬[2]；然后通過Visual Basic與Microsoft Office Access數據庫之間的數據調用與存儲來進行數據的處理。

1.1 貨物模型

在分析超限貨物外形結構的基礎上，通過對多種圖元的定義與組合構建貨物模型。根據貨主提供的貨物外形三視圖及尺寸，選擇所需要構造的貨物形狀并輸入貨物尺寸，根據圖元間位置關系，組合各個圖元，即可構造出與實際貨物成相應比例的貨物模型。貨物模型如圖1所示。

1.2 車輛模型

構建車輛模型的主要工作是建立車輛構件圖元與車輛信息的數據庫。其主要工作原理是：用戶只需要選擇車種及車型，系統即可自動調用車輛構件圖元，根據車輛的尺寸信息，改變各個構件圖元的尺寸，并通過圖元間的組合，構建所選車輛的模型。

在構建車輛模型時進行了一定的簡化，將其簡化為車地板與多條輪對的組合。本系統實現了凹底平車和普通平車的模型構建。以D10型凹底平車為例，其車地板主要由5個平板模型構成，通過車地板與6條輪對的結合，得到了如圖2所示的車輛模型。

1.3 軌道及限界模型

在進行仿真時，只需要選擇所需要檢測的限界種類，并輸入線路的長度和曲線的半徑，即可生成軌道與限界的模型。

建立軌道與限界模型的基本原理是：首先根據所需要的曲線半徑，構建軌道的二維截面圖，并利用SolidWorks的拉伸功能，將其進行拉伸至所需要的長度；同時，根據《鐵路超限超重貨物運輸規則》(以下簡稱《超規》)中限界與軌道間的位置關系[3]，以軌道中心點的坐標為原點，進行限界二維圖的繪制。可選擇輸入機車車輛限界、一級超限限界、二級超限限界、建筑限界，系統自動根據限界的尺寸進行繪制，并根據輸入的長度進行拉伸，最終建立軌道與限界相結合的三維模型，如圖3所示。

1.4 貨物、車輛和軌道模型結合

在模型結合的過程中，首先是建立貨物與車輛的裝配體，其原理是通過貨物、鞍座或橫墊木的底面與車地板之間的接觸，根據所需要的裝載位置，通過調整貨物重心與車地板中心間的坐標關系，并將坐標擬合，形成貨物與車輛的裝配體。

建立完貨物與車輛的裝配體，即可將車輛模型與軌道模型相結合，根據車輛輪對與軌道間的配合條件，進行輪對與軌道間坐標的擬合，將車輛與軌道相結合，即形成貨物裝車后在軌道上停留的仿真模型，如圖4所示。

同時，系統自動將貨物各個計算點相對于軌面的高度，相對于線路中心線的寬度，以及在長度方向的位置等相關數據存入數據庫，用以進行超限計算。

2 運輸條件輔助決策原理

運輸條件輔助決策的主要原理是通過仿真運行觀察貨物超限情況，并通過數據分析處理判定貨物超限等級與運輸條件。系統的應用流程圖如圖5所示。

2.1 仿真運行分析

貨物、車輛和軌道的模型結合完畢即可進行仿真運行。通過車輛輪對與軌道間配合條件的不斷變化，實現了對不同外形尺寸貨物裝車后在具有一定建筑限界的線路上運行的三維立體仿真。在仿真運行過程中，可以根據需要觀察的位置，通過調整視角，對貨物的各位置的超限情況進行重點觀察，從而能夠直觀了解貨物突出部位的超限情況，判定貨物與限界間的位置關系。

2.2 數據處理分析

在仿真運行的同時，系統自動根據《超規》中規定的貨物超限等級判定方法，依據計算點的相關參數計算得出超限貨物的計算寬度，且將此計算結果存入數據庫中。通過所建立的貨物各個計算點信息的數據庫和各個限界距離線路中心線的尺寸表，系統自動進行相應計算，從而判定貨物的超限等級。

同時，根據所判定的貨物超限等級及超限位置點與建筑限界間的距離關系，系統還將自動判定超限貨物列車的運行條件。

根據最初的裝載方案對貨物仿真運行并檢測完畢后，系統可自動對圓柱體貨物的裝載方案進行優化檢測，檢測是否可以通過優化后的裝載方案，降低貨物裝載的超限等級、改善列車的運行條件。當存在優化裝載方案時，可將貨物重新裝載，再次仿真運行并檢測，判定貨物超限等級，確定列車運行條件。

3 結束語

通過二次開發SolidWorks軟件，根據不同的線路情況，進行仿真模擬并檢測超限情況，從而能夠較直觀、準確地了解貨物超限狀況，判定超限貨物運輸條件，對保證超限貨物運輸安全具有重要意義。貨物超限等級的判定，關鍵是貨物裝車尺寸和線路限界尺寸的準確性，對于特殊貨物來說，現場的實際測量是不可缺少的手段。本系統下一步的研究工作主要是提高貨物仿真模擬的精度，從而提高系統的應用價值，達到提高鐵路超限貨物運輸的效率與安全性，實現超限貨物安全、經濟、高效運輸的目的。

[1]韓 梅.鐵路貨運技術[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]SolidWorks公司. Solid Works API 二次開發[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[3]中華人民共和國鐵道部. 鐵路超限超重貨物運輸規則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2007.