重載條件下駝峰調速制式的研究

施衛忠，李秀杰，胡 淼，高立中

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081)

根據統計，貨車在編組站等技術站停留的時間占總周轉時間的三分之一，而編組站的作業以駝峰場的解體溜放和編組作業為核心內容。因此，駝峰作業的效率和安全性是保障整個貨運體系高效運行的關鍵所在。

隨著經濟發展，貨運總量不斷攀升，發展重載運輸是必由之路，提高貨車軸重是重要途徑。中國早期通用貨車軸重為21 t，載重60～64 t，從2006年開始，新生產的貨車軸重為23 t，載重70 t。2012—2014年，中國鐵路已建成27 t軸重貨車的標準體系和技術平臺[1]，并組織開展了27 t軸重貨車駝峰適應性試驗。

為了掌握既有駝峰對27 t軸重貨車的適應性，中國鐵路總公司安排中國鐵道科學研究院牽頭，原北京鐵路局和原沈陽鐵路局配合，于2013年進行“27 t軸重貨車編組站駝峰溜放綜合試驗”，于2015年進行“適應27 t軸重編組站調速設備深化試驗”[2]。發現既有駝峰對27 t軸重貨車作業存在以下不適應情況[3]：

(1)駝峰調速基礎設備，包括車輛減速器[4-5]和減速頂[6]，試驗中未發生系統性失效，但減速器性能和安全裕量下降。非重力式減速器，最高制動等級的單位能高降低約20%；重力式降低約15%；減速頂降低約20%。設備配置的安全裕量被吃掉，雨雪天氣、薄大油輪等情況造成事故的概率增大。

(2)自動化駝峰控制系統基本適應27 t軸重貨車溜放要求。但輕、重車軸重跨度加大，走行阻力差異加大。驗算溜放間隔時，一、二部位調整間隔的難度增加[7]，間隔位容易發生追鉤。目的位出口速度偏高1～2 km/h，但調低出口定速可行性較低。因為雷達測速在5 km/h以下時精度差，易造成減速器夾停車輛。

(3)新型27 t軸重重車的溜放基本阻力比既有23 t軸重重車小。容易造成調車線內無頂區車輛加速走行，導致超速連掛。

(4)部分調車場減速頂數量不足[8-9]，因新車走行阻力小，連掛區加速，連掛速度增加。因既有空車軸重未變，補充減速頂數量容易造成空車開天窗情況，降低作業效率。

既有駝峰對27 t軸重貨車作業的不適應性分兩個層面：一個是設備自身性能和強度層面，需要通過設備的升級改造解決；另一個是設備配置層面，即駝峰的調速制式，有必要深入探討。

1 調速制式的研究

1.1 調速制式方案

由試驗可知，軸重增加后需提高調速設備的能力，約15%～20%，可在各部位分別增加兩節減速器；或合并在一起，增加一個制動部位。

根據既有情況，間隔位仍采用主流的布置方式，即布置減速器的點式。

調車線內，主流是點連式調速制式[10-12]，即調車線始端設置三部位減速器，打靶約150 m；之后設減速頂群及減速頂連掛區；再后設置平坡和峰尾反坡。軸重提高后，增加減速頂彌補制動力的方式會造成空車途停，影響效率。因此減速頂布置數量陷入兩難境地：不足會超速連掛，影響安全；補充會增加天窗，降低效率。而通過調整布局——增設四部位減速器，既能增加制動能力，保證安全，又避免了增加減速頂帶來的效率降低問題。

本文提出兩個駝峰改造的調速制式方案，對制動能力和作業效率進行比較，為27 t軸重重載需求提出駝峰改造方案。

方案1：在一、二、三部位分別增加減速器制動能力，并適當增加布置的減速頂數量(以下簡稱點連式方案)。

方案2：取消減速小頂群，改為設置1臺四部位減速器，其能力相當于方案1中各部位增加的減速器之和，適當增加減速頂布頂密度(以下簡稱點點連式方案)。

1.2 兩種調速制式的分析和比較

1.2.1 定性分析

從理論上分析，點點連式與點連式相比，有以下優點：

(1)安全連掛率提高。增加一個目的制動位，同樣長度的調車線內精確打靶的距離增加，此區段內車輛溜放速度可以得到有效控制，從而提高安全連掛率。

(2)作業效率提高。設置四部位減速器可以提高三部位出口速度，進而提高三部位入口速度和二、三部位之間道岔區的平均速度，從而提高作業效率。

(3)工程可實施性增強，施工方便，影響面小。因間隔位減速器前后直線段短，一般不具備增加減速器長度的條件。點點連式方案只涉及四部位，施工地點集中，行車影響小。

(4)綜合經濟性合理。四部位減速器設備購置數量多，但單價是間隔位設備的一半，大修周期是其2倍，綜合經濟性更合理。

(5)可行性提高。分散動力的小型減速器適合作為四部位配置?？刂葡到y進行適應性改造后也可適用。

對27 t試驗中的溜放速度進行分析(包括蘇家屯上行，豐臺西上行、下行等)，點點連式比點連式有較大提高，解決了三部位之后的車輛加速問題，控制精度高，安全連掛率高；提高了三部位出口速度，從而提高了駝峰溜放作業效率。因此，點點連式調速制式是駝峰適應27 t軸重運輸改造的推薦方案。

1.2.2 實際應用效果

為驗證實際運營中的效果，特選取兩種調速制式的實例進行比較。豐臺西編組站上行為點連式，下行為點點連式，均為重力式車輛減速器，其制動能力與溜放車輛軸重正相關，因此運營中的23 t軸重情況對27 t軸重情況具有較高的參考價值。

上行駝峰調速設備配置為：一、二部位為間隔制動位T·JK3-B50型減速器；三部位為目的制動位T·JK2-B50型減速器；三部位出口278 m后設置小頂群。站場布局如圖1所示。

下行駝峰調速設備配置為：一、二部位分別為間隔制動位T·JK3-B50型和T·JK3-B60型車輛減速器；三、四部位為目的制動位T·JK2-B50型車輛減速器；三部位兩臺6+6節串聯安裝，四部位一臺6節減速器；四部位出口105 m設置小頂群。站場布局如圖2所示。

圖1 豐臺西編組站上行(無四部位)駝峰調速設備布置

圖2 豐臺西編組站下行(有四部位)駝峰調速設備布置

選取2015年12月份數據，包含車重、車輛數、入口速度、出口速度、出口定速等。對比出口速度和出口定速之間的偏差，分析系統的控制精度：上行調車場出口速度精度在±1.0 km/h范圍內的占比為90.5%；下行場四部位該指標為97.6%，高出7.1%。統計數據分析結果如圖3所示。

圖3 豐臺西編組站上行和下行調車場控制精度對比

減速器出口速度可以反映站場的編解效率。各股道平均入口速度和平均出口速度見表1和表2。一部位出口平均速度，點點連式比點連式高1.9%。二部位的出口平均速度，點點連式比點連式高7.4%。三部位點點連式出口平均速度達到12.85 km/h，比點連式高60.3%。三部位出口速度高可以大幅度提高調車場的運行效率。以點連式數據為基準，兩制式的對比數據如圖4所示。

表1 豐臺西編組站下行調車場出口和入口速度統計

表2 豐臺西編組站上行調車場出口和入口速度統計

圖4 豐臺西編組站上行點連式和下行點點連式出口平均速度對比

間隔控制是限制駝峰推峰速度的主要瓶頸，提高三部位出口速度可以降低間隔控制的難度，進而提高推峰速度，提高溜放作業效率；目的位出口速度控制精度體現系統安全性。點點連式三部位出口速度提高60.3%，出口速度精度提高7.1%，表明點點連式方案在效率和安全性兩方面更優。

1.3 調速制式仿真的必要性

對豐臺西編組站上、下行實例的對比可以看出，兩個方案中點點連式調速制式更優。但實例對比具有局限性：一是只針對23 t軸重情況，對27 t軸重情況的預測性不足；二是實例不足。豐臺西編組站下行是國內唯一具有四部位的駝峰場，具有代表性，但數據量不足。因此有必要通過仿真做進一步分析和驗證。

2 調速制式的仿真分析

計算機仿真技術成為測試驗證的重要手段，具有成本低、周期短、測試全面的優點。

本仿真平臺按照時空-能量轉換的相關理論建模，將現場的站場數據、車輛參數和控制策略等作為建模參照，分析出不同推峰速度下的作業效率和安全性指標，為不同場型、車輛、推峰速度和調速制式的比較和評價提供支撐。本文27 t軸重條件下調速制式的系統性仿真在國內尚屬首次。

仿真測試過程如下：分別對兩個方案建模，輸入相同的算例，得到仿真結果；對仿真結果中駝峰作業效率指標和安全性指標進行對比，比較兩個方案的優劣。

駝峰作業效率指標主要是極限推峰速度。溜放試驗采用前面溜放難行車，后面溜放易行車(簡稱“前難后易”)的溜放組合，難行車在線路中的溜放阻力要明顯大于易行車[13]，前后車輛從峰頂溜放時有一定的間隔，溜放過程中由于難行車阻力大、溜放速度低，間隔會逐漸縮短。從初始推峰速度開始，逐步提高試驗的推峰速度，直到在目的位調速設備出口之前，易行車從后面追上難行車，此時的推峰速度即為極限推峰速度。極限推峰速度越高，該駝峰的作業效率越高。

駝峰安全性指標主要是安全連掛率。車組在調車線內連掛主要有3種情形，分別是安全連掛、超速連掛和天窗。安全連掛是指調車線內后車以5 km/h及以下的相對速度與前車發生連掛；超過這個速度連掛為超速連掛，容易造成車輛或貨物損壞等；車輛停止時還未連掛且與前車距離超過3 m的即為天窗。安全連掛率是安全連掛占總連掛的比例，越高說明駝峰安全性越好。

2.1 仿真平臺的總體架構

本仿真平臺是對車輛駝峰溜放過程的宏觀力學仿真。根據駝峰橫縱斷面數據建立場站模型，設置調速設備、車輛作業計劃以及車輛溜放運動“時空-能量模型”和各部位定速策略，完成溜放過程的運算，進行可視化展示。仿真平臺可實時計算車輛溜放位置、行駛速度、最終停留位置及安全連掛率等。

仿真平臺架構如圖5所示，由兩部分組成，一是核心計算程序，根據“時空-能量模型”得到溜放過程算法，按照統計數據設計調速設備的定速策略，計算溜放過程的全部數據，根據需要輸出指定位置的溜放速度、安全連掛率，以分析溜放效果；二是過程展示程序，通過三維建模，設置不同觀測視角，方便研究人員直觀了解車輛的溜放情況。計算和演示兩部分之間設置相應的接口，將核心計算程序得到的車輛運動數據傳輸到過程展示程序。

圖5 仿真平臺架構

仿真平臺建立后，依據實際作業單數據進行驗證，測試兩種調速制式方案，對比作業效率和安全性，分析兩種制式的優缺點。

2.2 能高線原理和時空-能量模型

駝峰調車機車給車組一個初始速度，溜放中車輛的重力分量對車組加速。車輛同時受到諸多阻力，包括走行基本阻力、風和空氣阻力、曲線附加阻力、道岔阻力、調速設備制動阻力等[14-15]。車輛溜放阻力在一定距離內對車輛所作的功即為車輛溜放阻力功。

圖6 能高線原理

車輛在溜放過程中克服阻力損失的能量為阻力功?？傋枇?/p>

R總l=Qrl×10-3

( 1 )

式中：R總為車輛總阻力，N；l為車輛溜放距離，m；r為車輛溜放時的單位總阻力，N/kN。r=r基+r風+r曲+r岔+r設，r基為線路基本阻力，r風為風和空氣阻力，r曲為曲線附加阻力，r岔為道岔阻力，r設為調速設備制動阻力。

如果車輛運動距離l后，它在峰頂所具有的總能量全部被阻力功消耗，車輛停止在點D處。

( 2 )

或

( 3 )

( 4 )

或

( 5 )

為了方便計算，將車輛的動能和阻力功換算成一定高度，這樣式( 5 )可以等效為

H峰+h推-Hk-hrk=hvk

( 6 )

由于駝峰站場縱斷面的坡度分段變化，各股道調速設備布置的位置不同，因此車輛溜放過程中，通過股道各個區段所受到的阻力不盡相同，所以車輛溜放的實際能高線并不是圖6所示的一條直線，而是一條復雜的分段曲線。

仿真溜放過程涉及一個作業計劃內的車組在整個駝峰場內的動態信息，通過計算各個車組時間和空間的數據，可以動態模擬駝峰溜放作業過程。車輛在溜放過程中，每一點的速度通過能量守恒求取，根據給定的路徑約束可以確定其空間的位置，因此可以建立溜放過程的“時空-能量模型”。在該算法中第m個車組通過第n段區間初始速度為vmn，該車組離開第n段區間的速度，同時也是第n+1段區間的初始速度為vm(n+1)，根據能高線可以得到

( 7 )

式中：ln為第n段區間長度，m；in為第n段區間坡度，‰；rn為第n段區間的總阻力系數，‰。

當區段足夠小的時候，該車組通過該區段的時間為

( 8 )

在駝峰場內的累計運動時間為

( 9 )

式中：tm為第m個車組到達峰頂開始溜放的時間，s。它與之前m-1個車組通過峰頂的時間有關，對于第1個車組t1=0 s，其他車組為

(10)

式中：l車m為第m個車組的長度，m。

根據式( 9 )和式(10)，可以得到

(11)

式(11)即為車輛溜放過程的“時空-能量模型”，根據實際駝峰作業情況，每個車組的初始速度與推峰速度保持一致，即

vj1=v推j=1，…，m

(12)

每段區間的長度即為仿真步長，建議采用1 m，即

lj=1j=1，…，m

(13)

在形成典型算例的演示數據時，根據計算機性能，lj也可以細化步長到0.1 m。

2.3 減速器出口速度模糊控制策略

溜放過程中，如果全部按理想化情況考慮，完全符合設計規范，溜放過程中很少出現天窗或超速連掛問題。而事實上，因為難行車與易行車的走行阻力不同、前后車組輛數不同、前后車隨機干擾等因素的影響，前后車距是一個實時變化的動態特征量。為控制這個量，保證在一列車的溜放中間隔相對均衡，必須采用一定的策略，經過實踐摸索，得出減速器出口速度按模糊控制矩陣+隨機擾動的模式。

模糊控制矩陣與溜放車組的平均重量、車組長度或調車線空閑長度有關，不同部位減速器的控制要求也不同，通常從一部位到四部位，減速器出口速度呈下降的趨勢。車重在駝峰控制系統中分為四級，見表3。

表3 車重分級

對于一部位減速器而言，模糊控制矩陣見表4，其中M為車重分級，N為車組包含的車輛數。

對于二部位減速器而言，模糊控制矩陣見表5。

對于三部位和四部位減速器，模糊控制矩陣見表6，其中M為車重分級，L為調車線的空閑長度，對于有四部位的駝峰，其三部位的定速在表6的基礎上增加3.6 km/h。

表4 一部位模糊控制矩陣 km/h

表5 二部位模糊控制矩陣 km/h

表6 三部位和四部位模糊控制矩陣 km/h

上述模糊控制矩陣是車輛的預期速度，實際車輛溜放過程中車輛的出口速度不可能與預期速度完全一致，實際速度與預期速度之間存在偏差。通過對現場車輛溜放數據進行統計，可知實際出口速度與駝峰控制系統要求之間的偏差，如圖7所示。以下行調車場實測數據為例。由于設備故障等原因，部分出口速度與定速偏差較大，而這部分數據屬于非正常情況，為了降低它們的影響，對于各個部位減速器出口速度偏差超過±5 km/h的數據進行過濾。出口速度與定速的偏差為正態分布，為了保證仿真平臺的出口速度與實際情況接近，在各部位模糊控制矩陣的基礎上增加符合正態分布的隨機擾動。

圖7 減速器出口速度偏差分布情況

2.4 算例分析及仿真驗證

在JAVA和Anylogic軟件編程環境下，基于減速器出口速度模糊控制策略完成仿真平臺的建立。以豐臺西編組站為例，驗證仿真平臺的有效性。

選取豐臺西編組站上行調車場和下行調車場2016年1月18日解編作業數據進行仿真，當日通過上行、下行調車場各個部位車輛減速器有效數據見表7。仿真平臺中溜放車輛的信息，包括車重、車輛數、目標股道、推峰速度、出口定速等，按照實際數據設置。

表7 豐臺西編組站仿真作業數據

分別選取上行調車場和下行調車場一定數量的實測數據與仿真數據進行對比分析，選取的實測數據有效勾數見表8。

表8 豐臺西編組站實測作業數據

分別計算實測出口速度和仿真出口速度與出口定速之間的偏差，進而可以分別得到兩種偏差的平均值和方差，見表9。

表9 實測數據與仿真數據的平均值和標準差 km/h

本文分別選取上行調車場一部位和下行調車場一部位，對比實測出口速度偏差和仿真出口速度偏差分布情況，如圖8、圖9所示。上行調車場的實測出口速度離散度比較高，而下行的曲線更為平滑，但與相應的仿真出口速度偏差曲線的趨勢一致。兩調車場實測出口速度偏差和仿真出口速度偏差均屬于正態分布。

圖8 上行調車場一部位實測出口速度偏差和仿真出口速度偏差分布情況

圖9 下行調車場一部位實測出口速度偏差和仿真出口速度偏差分布情況

各個部位的實測出口速度偏差和仿真出口速度偏差是否屬于相同的正態分布，需要通過顯著性差異檢驗進行判斷。如果兩者屬于同一個正態分布，由于該正態分布的數學期望μ和方差σ2未知，這樣就需要分別求出兩個平均值和兩個方差的顯著性差異。

對于兩個平均值的顯著性差異檢驗，首先提出零假設

H0：μ1=μ2

(14)

備擇假設

HA：μ1≠μ2

(15)

按式(16)計算t值

(16)

其中，

(17)

式中：n1為實測有效數據數量；n2為仿真有效數據數量；S1為實測偏差的標準差，km/h；S2為仿真偏差的標準差，km/h。

再根據df=(n1-1)+(n2-1)，顯著水平α=0.05，計算出臨界值tα/2(df)，將通過式(16)計算得到的t值的絕對值與其比較，若|t|

對于兩個方差的顯著性差異檢驗，首先提出零假設

H0：σ1=σ2

(18)

備擇假設

HA：σ1≠σ2

(19)

按式(20)計算F值

(20)

再根據df1=(n1-1)，df2=(n2-1)，顯著水平α=0.05，計算出臨界值Fα/2(df1，df2)和F1-α/2(df1，df2)，將通過式(20)計算得到的F值與其比較，若FF1-α/2(df1，df2)，說明零假設成立，實測偏差和仿真偏差的方差差異并不顯著，否則備擇假設成立，實測偏差和仿真偏差的方差差異顯著。

如果平均值和方差的差異均不顯著，可以說明實測偏差和仿真偏差屬于同一正態分布，否則不能說明兩者屬于同一正態分布。顯著性檢驗結果見表10。

表10 實際偏差與仿真偏差的顯著性檢驗

可以看到，上行調車場和下行調車場的各個部位實測偏差和仿真偏差均屬于相同的正態分布，說明仿真模型可以反映實際作業時速度控制的情況。

2.5 仿真平臺的測試結果及分析

在仿真平臺上設計“前難后易”的溜放試驗。一般難行車選擇總重為30 t的車輛，溜放條件設置為難行條件；易行車選擇總重為108 t的車輛，溜放條件設置為易行條件。觀測推峰速度的極限。測試過程中，分別選擇單輛的難行車和易行車進行溜放試驗，仿真系統可以計算出車輛的速度變化過程，得到車輛溜放的時間曲線。不斷提高推峰速度，直到易行車與難行車發生追鉤或道岔區段無法正常分鉤的狀況，此時就可以得到極限推峰速度。如圖10、圖11所示，當推峰速度達到7.5 km/h時，易行車在二部位減速器之后與難行車發生追鉤，可以知道方案1的極限推峰速度為7.5 km/h(即圖10中初始速度2.08 m/s)。如圖12、圖13所示，可以知道方案2的極限推峰速度為8.5 km/h(即圖12中初始速度2.36 m/s)。點點連式的極限推峰速度比點連式的提高13.3%，說明點點連式具有更高的車輛溜放效率。

根據實際作業情況，準備30列作業計劃，在仿真系統中進行溜放試驗。每一列作業計劃的勾數、車組組成情況、車重、去向股道均為隨機產生。試驗完成后，可以得到溜放作業的總勾數、安全連掛、超速連掛、天窗等數據，從而計算出安全連掛率。如圖14所示，點連式的平均安全連掛率為83.5%，點點連式的平均安全連掛率為96.6%，提高了13.1%，說明點點連式在安全連掛率方面具有明顯的優勢。

圖10 點連式難行車和易行車速度變化情況

圖11 點連式難行車和易行車間隔變化情況

圖12 點點連式難行車和易行車速度變化情況

圖13 點點連式難行車和易行車間隔變化情況

圖14 安全連掛率對比情況

以上仿真測試主要針對點連式和點點連式兩種調速制式的對比分析，根據結果可知點點連式調速制式優點顯著，具體表現在以下幾個方面：

(1)在布置了重力式減速器的站場，增加四部位減速器6節或7節，增加調速設備制動能力0.75～0.89 m(12%～15%)，可補償軸重從23 t增加到27 t帶來的制動能力不足問題，提高系統的調速能力裕度。

(2)在“前難后易”極端條件下，點連式極限推峰速度可以達到7.5 km/h，而點點連式的極限推峰速度可以達到8.5 km/h，比前者提高13.3%，說明點點連式具有更高的溜放效率潛能。

(3)通過輸入相同的作業單、相同的推峰速度，分別測試點連式和點點連式方案，結果表明，點點連式的安全連掛率比點連式有明顯改善，從83.5%提高到96.6%。

27 t軸重車輛溜放工況下，如四部位增設減速器，則能提高三部位通過速度，進而提高間隔位出口速度，相應降低了對間隔位制動能高的要求。降低后的制動能高要求大致符合既有設備對27 t軸重車輛的制動能高。而總的制動能高的補償集中加在四部位。通過仿真測試，點點連式可以保證間隔，具有更高的極限推峰速度；目的位減速器具有更高的安全連掛率。因此點點連式具有更高的作業效率和安全性，是優選方案。

3 結論

在27 t軸重貨車駝峰溜放試驗過程中，存在駝峰能力不足、調速設備安全余量下降等不適應問題，不能滿足27 t軸重車輛的作業要求。為了保證調車作業的效率和安全，除基礎設備加強升級外，本文對大中能力駝峰調速制式進行了深入研究，得出以下結論：

(1)根據27 t軸重車輛駝峰溜放試驗情況，定性分析了點連式調速制式和點點連式調速制式的優缺點，理論上點點連式具有更好的控制效果，同時在工程實施可行性和經濟性方面具有一定優勢。

(2)對比分析豐臺西編組站上、下行兩個駝峰的實際作業數據發現：點點連式調速制式在23 t軸重條件下，出口速度及控制精度較點連式具有明顯優勢。

(3)構建仿真測試平臺，對點連式調速制式和點點連式調速制式進行27 t軸重貨車溜放作業的仿真，結果表明，點點連式在效率和安全性兩方面均優于點連式。根據所用算例數據，點點連式的極限推峰速度比點連式提高13.3%；安全連掛率提高13.1%。

總之，點點連式調速制式有利于27 t軸重貨車的駝峰作業，是既有駝峰適應重載車輛溜放作業的推薦方案，也是未來適應重載發展趨勢的新建站場設計的重要方案。

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