仿真技术在铁路超限货物运输中的应用

陈柯添，冯向南，凌炎鑫，郑岳清

（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

超限货物主要为一些大件货物，如发电设备、石油冶炼设备、化工机械、桥梁构件、大型车辆及航天设备等，其安全及时运抵目的地对于国家重点工程的建设具有十分重要的意义。因此，搞好超限货物运输对于促进国民经济发展与国防现代化的建设具有重要的意义[1]。

目前，国内外对于铁路超限货物运输已有较多研究，应用了不同的方法，大部分是基于理论及数据的分析来判定货物超限等级。在三维仿真技术应用方面，已有研究应用于检测货物是否超限，以及制作超限货物装载教程等。

在我国铁路超限货物运输中，目前尚未应用三维仿真技术。为了能够直观地了解货物的超限情况，进而实现对超限货物运输的辅助决策，提高超限货物运输的安全性。在此对超限货物运输条件的可视化仿真进行了尝试。

1 铁路超限货物运输条件辅助决策仿真系统

仿真系统的主要内容是运用SolidWorks建立货物、车辆、线路模型及建立装配体，实现车辆的仿真运行，并通过建立数据库，存储并计算相关数据，判定货物超限等级及确定超限货物列车运行条件，从而能够直观准确地了解货物的超限情况，提高超限货物列车运行条件判定的准确性，以达到提高铁路超限货物运输安全和效率的目的。

本系统的主要研究技术路线是运用编程软件Visual Basic进行三维绘图软件SolidWorks的二次开发，实现仿真模拟[2]；然后通过Visual Basic与Microsoft Office Access数据库之间的数据调用与存储来进行数据的处理。

1.1 货物模型

在分析超限货物外形结构的基础上，通过对多种图元的定义与组合构建货物模型。根据货主提供的货物外形三视图及尺寸，选择所需要构造的货物形状并输入货物尺寸，根据图元间位置关系，组合各个图元，即可构造出与实际货物成相应比例的货物模型。货物模型如图1所示。

1.2 车辆模型

构建车辆模型的主要工作是建立车辆构件图元与车辆信息的数据库。其主要工作原理是：用户只需要选择车种及车型，系统即可自动调用车辆构件图元，根据车辆的尺寸信息，改变各个构件图元的尺寸，并通过图元间的组合，构建所选车辆的模型。

在构建车辆模型时进行了一定的简化，将其简化为车地板与多条轮对的组合。本系统实现了凹底平车和普通平车的模型构建。以D10型凹底平车为例，其车地板主要由5个平板模型构成，通过车地板与6条轮对的结合，得到了如图2所示的车辆模型。

1.3 轨道及限界模型

在进行仿真时，只需要选择所需要检测的限界种类，并输入线路的长度和曲线的半径，即可生成轨道与限界的模型。

建立轨道与限界模型的基本原理是：首先根据所需要的曲线半径，构建轨道的二维截面图，并利用SolidWorks的拉伸功能，将其进行拉伸至所需要的长度；同时，根据《铁路超限超重货物运输规则》(以下简称《超规》)中限界与轨道间的位置关系[3]，以轨道中心点的坐标为原点，进行限界二维图的绘制。可选择输入机车车辆限界、一级超限限界、二级超限限界、建筑限界，系统自动根据限界的尺寸进行绘制，并根据输入的长度进行拉伸，最终建立轨道与限界相结合的三维模型，如图3所示。

1.4 货物、车辆和轨道模型结合

在模型结合的过程中，首先是建立货物与车辆的装配体，其原理是通过货物、鞍座或横垫木的底面与车地板之间的接触，根据所需要的装载位置，通过调整货物重心与车地板中心间的坐标关系，并将坐标拟合，形成货物与车辆的装配体。

建立完货物与车辆的装配体，即可将车辆模型与轨道模型相结合，根据车辆轮对与轨道间的配合条件，进行轮对与轨道间坐标的拟合，将车辆与轨道相结合，即形成货物装车后在轨道上停留的仿真模型，如图4所示。

同时，系统自动将货物各个计算点相对于轨面的高度，相对于线路中心线的宽度，以及在长度方向的位置等相关数据存入数据库，用以进行超限计算。

2 运输条件辅助决策原理

运输条件辅助决策的主要原理是通过仿真运行观察货物超限情况，并通过数据分析处理判定货物超限等级与运输条件。系统的应用流程图如图5所示。

2.1 仿真运行分析

货物、车辆和轨道的模型结合完毕即可进行仿真运行。通过车辆轮对与轨道间配合条件的不断变化，实现了对不同外形尺寸货物装车后在具有一定建筑限界的线路上运行的三维立体仿真。在仿真运行过程中，可以根据需要观察的位置，通过调整视角，对货物的各位置的超限情况进行重点观察，从而能够直观了解货物突出部位的超限情况，判定货物与限界间的位置关系。

2.2 数据处理分析

在仿真运行的同时，系统自动根据《超规》中规定的货物超限等级判定方法，依据计算点的相关参数计算得出超限货物的计算宽度，且将此计算结果存入数据库中。通过所建立的货物各个计算点信息的数据库和各个限界距离线路中心线的尺寸表，系统自动进行相应计算，从而判定货物的超限等级。

同时，根据所判定的货物超限等级及超限位置点与建筑限界间的距离关系，系统还将自动判定超限货物列车的运行条件。

根据最初的装载方案对货物仿真运行并检测完毕后，系统可自动对圆柱体货物的装载方案进行优化检测，检测是否可以通过优化后的装载方案，降低货物装载的超限等级、改善列车的运行条件。当存在优化装载方案时，可将货物重新装载，再次仿真运行并检测，判定货物超限等级，确定列车运行条件。

3 结束语

通过二次开发SolidWorks软件，根据不同的线路情况，进行仿真模拟并检测超限情况，从而能够较直观、准确地了解货物超限状况，判定超限货物运输条件，对保证超限货物运输安全具有重要意义。货物超限等级的判定，关键是货物装车尺寸和线路限界尺寸的准确性，对于特殊货物来说，现场的实际测量是不可缺少的手段。本系统下一步的研究工作主要是提高货物仿真模拟的精度，从而提高系统的应用价值，达到提高铁路超限货物运输的效率与安全性，实现超限货物安全、经济、高效运输的目的。

[1]韩 梅.铁路货运技术[M]. 北京：中国铁道出版社，2010.

[2]SolidWorks公司. Solid Works API 二次开发[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

[3]中华人民共和国铁道部. 铁路超限超重货物运输规则[S]. 北京：中国铁道出版社，2007.