關(guān)于列車牽引計算系統(tǒng)的研究

劉大偉++馬子奕

摘 要：列車牽引計算系統(tǒng)的構(gòu)成，可根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理流程，將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示界面模塊，對各個模塊的功能做了詳盡說明，并針對各個模塊的功能特點作了進一步分析設(shè)計。

關(guān)鍵詞：牽引計算；數(shù)據(jù)庫管理；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：S662 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）19-0335-02

列車牽引計算是針對有軌交通運輸中列車在外力（包括機車牽引力、列車阻力、列車制動力）的作用下沿軌道運行及其有關(guān)問題的科學(xué)計算。它以力學(xué)為基礎(chǔ)，以科學(xué)實驗和先進操縱經(jīng)驗為依據(jù)，分析列車運行過程中的各種現(xiàn)象和原理，并用以解算軌道交通運營和設(shè)計上的一些主要技術(shù)問題和技術(shù)經(jīng)濟問題。

列車牽引計算系統(tǒng)是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，涵蓋范圍廣，計算公式繁多，而本文利用系統(tǒng)的觀點，將牽引計算看成一個求解多元問題的方法論。在牽引計算系統(tǒng)需求分析的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的功能進行詳細設(shè)計，將系統(tǒng)劃分為三大模塊：數(shù)據(jù)管理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示界面模塊。本設(shè)計的目的在于框定列車牽引計算系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，定義各個模塊的功能、原理及相互關(guān)系。

1.列車牽引計算軟件發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 列車牽引計算的含義

“列車牽引計算”是研究列車在外力作用下沿軌道運行及有關(guān)問題的實用學(xué)科。它以力學(xué)為基礎(chǔ)，以科學(xué)實驗和先進操縱經(jīng)驗為依據(jù)，分析列車運行過程中的各種現(xiàn)象和原理，并用以解算軌道交通運營和設(shè)計上的一些主要技術(shù)問題和技術(shù)經(jīng)濟問題。例如，機車牽引重量、列車運行速度和運行時間、列車制動距離、制動限速、制動能力以及機車能耗（燃油耗或電耗）等等。列車牽引計算的用途有多方面，在鐵路運輸方面，為了使鐵路運輸做到提速、重載、安全、高效，在每年修改列車列車運行圖時都需要進行大量的牽引計算，并且在列車運行或車站調(diào)車過程中發(fā)生事故時，用于分析事故原因；在機車運用方面，除了配合運輸方面做好工作之外，為了做到“節(jié)能”，還可以通過牽引計算，尋找最佳操縱方案；在選線設(shè)計方面，為了計算鐵路的通過能力和輸送能力、確定線路縱斷面和機車交路，在進行選線設(shè)計時必須要進行牽引計算；在通信信號方面，為了合理地布置軌道信號設(shè)備，也要進行牽引計算；在運輸經(jīng)濟方面，為了計算設(shè)備投資和運營支出，進行各種方案的經(jīng)濟比較等等，也要進行牽引計算n，。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國外的軌道交通系統(tǒng)發(fā)展的較早，牽引計算的理論和實踐的成果也比較多。因為牽引計算理論可作為列車操縱模擬、列車運行仿真、列車自動停車、列車自動駕駛的基礎(chǔ)理論，所以在這些領(lǐng)域中，牽引計算理論都得到了發(fā)展。對于列車牽引計算與操縱仿真領(lǐng)域，國外比較成熟的系統(tǒng)有北美的TPC（Train Performance Calculator）系統(tǒng)和RAILSIM系統(tǒng)（鐵路模擬系統(tǒng)），歐洲的TrainStar系統(tǒng)，日本的UTRAS系統(tǒng)等。TPc系統(tǒng)是根據(jù)線路平縱斷面以及列車編組，計算列車運行時分，評價機車牽引性能，評價各因素如列車編組、線路條件等變化后產(chǎn)生的效果；RAILSIM系統(tǒng)是北美鐵路常用的一套鐵路牽引計算與運行模擬軟件，它以TPC為基礎(chǔ)，可以更精確地模擬許多鐵路系統(tǒng)中多種列車的運行：TrainStar系統(tǒng)是一個機車工程師輔助系統(tǒng)，其目標(biāo)是改善機車操縱，降低能耗，增加安全性，關(guān)鍵技術(shù)是提供了自適應(yīng)的列車行為預(yù)測，可在當(dāng)前運營條件下預(yù)測列車的運動行為，包括牽引和制動能問題；UTRAS系統(tǒng)從研究新干線的交通控制系統(tǒng)出發(fā)，

可進行列車牽引計算、列車模型對運營的影響分析、延誤恢復(fù)及分析和多列車運行能力及效果評價等。可見國外對于牽引計算的研究，除了應(yīng)用于列車優(yōu)化操縱外，現(xiàn)在更多地應(yīng)用于列車的自動控制和列車自動駕駛的研究中嘲。

1.3 國內(nèi)列車牽引計算軟件發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

國內(nèi)對于牽引計算的研究相對落后于國外，總的來說，國內(nèi)牽引計算理論與應(yīng)用可以分為人工計算和圖解法、單質(zhì)點列車模型的電算方法和多質(zhì)點列車模型的詳細電算方法3個發(fā)展階段。

1.3.1 早期的牽引電算程序

自從20世紀(jì)80年代起，我國曾先后由濟南、呼和浩特等鐵路局和各設(shè)計院編制、使用了第一代列車牽引計算軟件。早期的程序多采用勘峪IC、FORTRAN等計算機語言編寫，按計算流程將有關(guān)的計算公式編制成電算程序，在286微機DOS環(huán)境下運行。該方法只是在計算方式上以電算代替了手工計算，在列車牽引和制動計算方面大體上相當(dāng)于國外20世紀(jì)60年代的簡單牽引計算水平，例如美國的TPO鉑程序。隨著我國鐵路現(xiàn)代化事業(yè)的迅速發(fā)展，第一代程序已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢的要求，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①計算所得的速度曲線呈折線狀，與列車實際運行時連續(xù)漸變的速度曲線嚴重不符。②受DOS環(huán)境限制，缺乏良好的用戶界面，無法形象模擬列車牽引、制動操縱，而且“退回操作功能有限，控制不夠靈活。③數(shù)據(jù)接口少且功能單一，只能通過修改源程序才能增補新型機車和車輛數(shù)據(jù)，導(dǎo)致進行新增車型牽引計算難度較大，而且要求人工輸入線路數(shù)據(jù)并按特定規(guī)則進行線路斷面化簡，不僅工作量大而且容易參數(shù)輸入錯誤。④受計算機和輸出設(shè)備性能限制，計算結(jié)果處理功能差，用于繪制列車操縱示意圖費時費力。

1.3.2 第二代列車牽引計算軟件

針對第一代牽引計算程序普遍存在的計算精度低、使用不方便等缺陷，伴隨著鐵道部新《牽規(guī)》“1的頒布實施，第二代列車牽引計算軟件應(yīng)運而生。由鐵道部科學(xué)研究院研制完成的牽引計算軟件已經(jīng)通過了鐵道部的技術(shù)鑒定并被鐵路運營單位廣泛使用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

列車牽引計算系統(tǒng)要解決的不是單一問題，而是多個問題組成的集合。它包括：機車、車輛、線路數(shù)據(jù)的管理；結(jié)算列車牽引特性、運行時分、起動加速、機車能耗、制動距離等，并將結(jié)果簡單明確的顯示出來。根據(jù)列車牽引計算系統(tǒng)要解決的問題以及要完成的功能的不同，將列車牽引計算系統(tǒng)細分為若干個子模塊。每個子模塊完成一個相對獨立的功能，解決特定單獨的問題，然后將所有子模塊集合成一個完整的具備所有功能的牽引計算系統(tǒng)。

3 數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫管理是指對數(shù)據(jù)庫中的信息進行建立、存取和修改等管理的工作。隨著計算機硬件和軟件的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫管理經(jīng)歷了人工管理、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理這3個發(fā)展階段。由于采用數(shù)據(jù)庫管理具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)冗余小、獨立性高等特點，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性、完整性管理以及實現(xiàn)并發(fā)控制和數(shù)據(jù)恢復(fù)的能力。采用數(shù)據(jù)庫管理可以很好的適應(yīng)牽引計算數(shù)據(jù)規(guī)模大，數(shù)據(jù)量多的特點。根據(jù)牽引計算所需數(shù)據(jù)類型的不同又可將其細分為機車數(shù)據(jù)管理、車輛數(shù)據(jù)管理、線路數(shù)據(jù)管理以及列車編組管理。

3.1 機車數(shù)據(jù)管理

機車數(shù)據(jù)管理模塊是從觸摸屏、鍵盤等輸入設(shè)備，輸入機車的車型、機車的牽引特性等列車牽引計算的原始數(shù)據(jù)，并通過該模塊生成相應(yīng)的機車數(shù)據(jù)存儲在磁盤中供以后計算時調(diào)用。

機車數(shù)據(jù)是牽引計算系統(tǒng)中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，它包含兩方面即機車基本數(shù)據(jù)（不隨速度變化而改變的數(shù)據(jù)）和特性數(shù)據(jù)（隨速度變化而改變的數(shù)據(jù)，包括牽引特性數(shù)據(jù)、能耗特性數(shù)據(jù)、制動數(shù)據(jù)特性和阻力特性等）。

3.2 車輛數(shù)據(jù)管理

車輛不存在特性數(shù)據(jù)，在牽引計算中所需車輛數(shù)據(jù)有：車輛類型、基本阻力計算參數(shù)、車輛自重、標(biāo)記載重、軸承類型、制動機型號、制動閘瓦材料的類型等。對車輛數(shù)據(jù)的操作不需要考慮其他關(guān)聯(lián)因素，只需要查找相關(guān)資料即可。

3.3 線路數(shù)據(jù)管理

所謂線路數(shù)據(jù)管理，就是從各種輸入設(shè)備，輸入某條線路或某區(qū)間的原始線路數(shù)據(jù)，并在磁盤中生成相應(yīng)的線路數(shù)據(jù)庫，供以后計算或反向計算時使用。線路數(shù)據(jù)管理包含三類，即坡度數(shù)據(jù)管理、曲線數(shù)據(jù)管理和標(biāo)記數(shù)據(jù)管理。坡度數(shù)據(jù)包括線路名、線路代碼、坡度、坡長等；曲線數(shù)據(jù)包括線路名、線路代碼、曲率半徑、曲線長、曲線方向等；標(biāo)記數(shù)據(jù)包括線路名、線路代碼、標(biāo)記類型、線路方向等。

3.4 列車編組數(shù)據(jù)管理

列車編組數(shù)據(jù)包括機車、車輛的型號及數(shù)量，車輛的實際載重量等等。對列車編組數(shù)據(jù)管理包括列車編組的添加、修改、刪除和查詢等基本操作。

4 數(shù)據(jù)處理模塊

有了列車牽引計算的原始數(shù)據(jù)，便可根據(jù)要求進行數(shù)據(jù)處理。

4.1 牽引質(zhì)量計算

根據(jù)線路的坡道限制條件，在給定牽引質(zhì)量的情況下進行驗算是否滿足條件。依據(jù)滿足條件的牽引質(zhì)量作為該線路的列車牽引質(zhì)量或采取其他措施提高牽引質(zhì)量。

4.2 運行時分計算

根據(jù)線路條件和列車牽引質(zhì)量，在機車不同運行工況下，計算出列車在此段線路區(qū)間的耗時以及各個時段所在該線路的位置。

4.3 起動加速計算

列車的起動過程是一個復(fù)雜的隨機過程，列車的起動阻力維持時間短，只能通過多次試驗的辦法，提出一些計算公式。列車在實際運行中一旦起動，列車阻力就從起動阻力回落到基本阻力，是一個從靜態(tài)到動態(tài)的瞬變過程。

4.4 機車能耗計算

機車能耗是關(guān)系到運輸成本和機車運用效率的關(guān)鍵參數(shù)。對不同工況下的能耗做出精確的計算，有利于安排機車的運用、檢修和對運費的核算，合理計算機車的能耗是牽引計算系統(tǒng)中的重點。

4.5 制動性能計算

機車車輛的制動性能是關(guān)系到車輛運行安全與否的一個重要因素。機車車輛的制動性能除了要考慮牽引電機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)之外，還要考慮輪軌接觸的影響。

5 顯示界面模塊

顯示界面模塊主要功能是接受外界數(shù)據(jù)并輸入數(shù)據(jù)處理模塊以及將數(shù)據(jù)處理模塊計算后的結(jié)果具體形象的表現(xiàn)出來。一個系統(tǒng)的所有人機交互過程都是通過顯示界面開始的，因此設(shè)計布局合理、功能清晰的顯示界面很有必要。

顯示界面模塊可分為數(shù)據(jù)庫管理界面和牽引計算輸出界面。其中數(shù)據(jù)庫管理界面的作用是增加、修改、刪除或查詢機車車輛數(shù)據(jù)，牽引計算輸出界面則是將各種計算所得的結(jié)果數(shù)據(jù)以屏幕顯示、打印輸出或網(wǎng)絡(luò)輸出的形式傳達給使用者。

6、結(jié)語

本文以牽引計算理論為基礎(chǔ)，結(jié)合基本需求進行了改進，設(shè)計了列車牽引系統(tǒng)。通過對多條實際線路進行測試，該系統(tǒng)能較好地適應(yīng)各種不同平縱斷面的計算。

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