區間通過信號機布點軟件的研究

張 博

張 博:中鐵通信信號勘測設計(北京)有限公司 工程師100036 北京

近年來，鐵路的發展速度很快，很多線路采用了區間自動閉塞的方式，相關信號技術也越來越成熟。對于速度最高值不大于160 km/h的線路，采用自動閉塞制式需要設置區間通過信號機，設計時需要根據列車制動距離和牽引電算軟件仿真計算結果，分析確定閉塞分區長度，實現區間信號機布點。中鐵通信信號勘測設計(北京)有限公司為了滿足鐵路信號設計生產工作的需要，開發了《牽引計算與區間信號布點軟件》，本文將討論該軟件的功能需求與關鍵技術，介紹如何利用該軟件完成區間通過信號機的設計工作。

1 軟件需求

區間通過信號機布點軟件的功能是實現區間信號機里程的自動設置，同時確定各閉塞分區的長度。

為了實現這個功能，需要進行機車車輛及編組情況分析、線路情況分析、列車運行速度及時間分析，計算制動距離和閉塞分區長度等。因此，軟件需要實現以下幾個目標:①繪制線路基礎數據圖，包括坡度，曲線等;②在線路基礎數據圖上，繪制運行速度曲線及時間曲線;③計算制動距離、起動坡度、牽引定數等;④通過輸入條件，對區間信號機進行自動布置;⑤對輸入的區間信號機或者自動布置的信號機進行追蹤間隔時間的驗算。

2 軟件功能與結構

區間通過信號機布點軟件主要包括輸入功能、設置功能、計算功能、輸出功能等。其基本功能結構如圖1所示。

1．輸入功能。需要輸入的參數可以提前以規定的數據存儲格式保存，然后通過軟件讀取輸入，包括以下內容:① 線路數據，由坡度數據(含長短鏈)、曲線數據、標記數據(橋梁、隧道、站名、站中心里程、進出站信號里程、限速條件)3個部分組成;②列車編組數據，包括選取的機車、車輛類型及編組數量等;③機車參數(備選機車的性能參數);④車輛參數(備選車輛的性能參數);⑤數據檢查(檢查是否符合數據輸入格式的要求)。

2．設置功能。每次運行時，在設置界面進行參數設置，包括以下內容:①列車運行參數的設置(設計范圍和初速度、停站設置、列車最高速度、計算精度、自動控制參數等);②顯示參數設置;③打印參數設置;④ 保存設置(讀入設置、設置保存等)。

圖1 軟件功能結構圖

3．計算功能。對輸入的參數按用戶需要進行計算分析，包括以下內容:①信號布點，包括信號機坐標輸入、閉塞分區長度輸入、自動布點等3個部分;② 牽引計算，包括繪制運行速度及時間曲線、計算制動距離、計算追蹤間隔、計算起動坡度、計算牽引重量、驗算等6個功能模塊。

4．輸出功能。根據用戶的需要，可以分別輸出對應的計算結果，內容包括:①繪制線路條件(即線路基礎數據圖);② 運行時分(列車運行速度及時間曲線圖);③ 顯示編組數據;④保存結果。

3 軟件數據處理及流程

軟件數據處理包括基礎數據的處理和計算功能部分數據的處理，如圖2所示。基礎數據要先進行處理并繪制圖形，再根據輸入的列車運行參數和需要實現的功能，進行對應的計算，最終輸出數據文件和圖形文件。

圖2 數據處理過程

軟件處理流程如圖3所示。主要包括基礎數據輸入、運行參數設置、計算功能、驗算功能、輸出結果等。

圖3 軟件處理流程

4 實現的關鍵技術

區間通過信號機布點軟件的核心是自動計算區間通過信號機里程。除此之外，還要具有列車牽引性能的分析、列車制動距離計算、線路對列車運行狀態影響的分析、繪制列車運行速度及時間曲線、追蹤間隔時間計算等功能。其中的關鍵技術包括:繪制運行速度及時間曲線、計算閉塞分區長度、驗算追蹤間隔時間、長短鏈的處理等。

4.1 繪制運行速度及時間曲線

繪制運行速度及時間曲線的關鍵有4點，一是確定計算起點，這是保證計算準確性的基本;二是分析列車運行狀態，列車的運行狀態決定了列車牽引力的使用狀況，是整個計算過程中最重要的部分;三是計算列車的實際加速度;四是確定計算步長。

1．確定計算起點。在已繪制出的線路基礎數據圖上，首先通過計算范圍和初速度模塊輸入的里程，由軟件推導計算出起點的橫坐標x;然后再通過計算范圍和初速度模塊輸入的初速度，計算起點的縱坐標y。

2．列車的運行狀態分析。其目的是計算列車在不同工況下的受力情況，從而確定列車的加速度a'。加速度a'的取值受列車牽引力的總和影響(F總=a'm，其中m為列車總重量，根據列車編組數據確定)。列車一般有3種運行狀態:①牽引運行，F總=F牽引+F阻力;② 惰性運行，F總=F阻力;③制動運行，F總=F阻力+F制動力。通過用戶輸入的機車、車輛數據，可分別得到 F牽引(大于0)，F阻力(小于0)和F制動力(小于0)，則加速度a'=F總/m。

3．計算列車的實際加速度。由于在計算列車的運行速度時，還要考慮列車的回轉質量系數r，所以列車的實際加速度由公式a=a'/(1+r)計算得出。

4．確定計算步長。單位步長既可以采用時間的變化值，也可以采用距離的變化值。當采用距離的變化值s為單位步長時，可以利用公式:

其中初速度V1和加速度a為已知量，計算出列車下一狀態的速度值V2，并最終計算出連續的速度曲線。

4.2 計算閉塞分區長度

影響閉塞分區長度的主要因素為:制動距離、追蹤間隔、顯示制式及安全余量。它們實際上影響了閉塞分區長度的最大值和最小值，在實際工作中，需要根據它們之間的相互制約進行反復調整，確定每一個閉塞分區的長度，最終確定通過信號機的位置。

布置通過信號機的流程一般為先確定閉塞分區長度，然后根據各影響因素對通過信號機位置進行調整。這些影響因素分為影響閉塞分區長度的因素和影響信號機位置的因素2類。

影響通過信號機布置的決定性因素包括:制動距離、通過能力、安全余量、附加走行距離等。次要因素包括:軌道電路極限長等。

另外一類因素因為影響信號機位置的設置而間接影響了閉塞分區長度。這類因素中有的可以提前根據資料考慮一定的余量，例如起動坡度等。

通過對各類影響因素的分析，并確定其影響的數值，最終確定了閉塞分區長度。

4.3 驗算追蹤間隔時間

在確定了閉塞分區長度后，可以計算出通過信號機的里程，并驗算追蹤間隔時間。以四顯示自動閉塞為例，四顯示區段列車在區間運行時按4個閉塞分區追蹤，追蹤間隔時間為列車在4個閉塞分區加一個列車長的距離內通過所需要的時間。利用運行速度及時間曲線圖，及通過信號機的里程，可以計算出每一個通過信號機的追蹤間隔時間。

4.4 長短鏈的處理

對于既有線的區間通過信號機布置，可能會存在線路長短鏈的問題，當信號機處于長鏈時，正常情況下軟件無法識別，需要特殊處理。

為了讓軟件能夠正確識別。對坡度長度進行累加，重新建立坐標系。然后通過計算，找出新坐標系與公里標坐標系的數據對應關系，將各類數據中的坐標進行換算，再進行其他功能的計算。

5 結束語

區間通過信號機布點軟件主要用于自動閉塞區段的設計工作。軟件能夠實現區間通過信號機的布置、追蹤間隔時間驗算、制動距離檢算等功能，具有計算速度快、精度高、可靠性強等優點。區間通過信號機的計算結果輸出時，可以與信號區間設計的輔助軟件接口，提高設計工作效率。自2011年底開發完成以來，該軟件已在中鐵通信信號勘測設計(北京)有限公司的多個工程設計中使用，效果良好。

［1］饒忠．列車牽引計算［M］．第2版．北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部．TB1407－1998．列車牽引計算規程［S］．1998．

［3］張博，錢偉．自動閉塞區段通過信號機布置方法探討［J］．鐵道通信信號，2009(11):1－4．