铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统研究与设计

2018-08-11彭文高

铁道运输与经济 2018年8期

彭文高

（中国铁路广州局集团有限公司运输处，广东广州 510088）

1 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统需求分析

1.1 问题提出

铁路行车技术作业时间泛指铁路行车过程中的技术作业耗时。行车技术作业包括诸多环节，其时间长短直接影响着铁路列车运行图的质量和通过能力。随着铁路运输设备的更新改造和运输组织流程的改革，部分铁路行车技术作业仍然使用既有时间标准，从而不能满足实际的技术作业需要，影响铁路运输服务质量且浪费铁路运能。

铁路系统仿真通过计算机模型模拟实际铁路运输系统行车技术作业的过程，分析给定条件下的系统动态行为变化。铁路行车设备制约关系复杂、技术作业具有动态性，使得铁路行车技术作业难以建立一个准确的数学模型，而利用系统仿真则可以很好地验证行车技术作业时间标准，保证作业时间标准的科学性和合理性。因此，基于目前我国铁路行车技术设备和作业流程，进行铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统的研究与设计。

国外对列车运行仿真系统的研究及开发较早，部分发达国家已实现完整的运行仿真系统并运用到铁路运营中，如英国 AEA 铁路技术公司开发的VISION 系统、北美铁路常用的 RAILSIM 与 TCP 系统、日本交通控制实验室研制的 UTRAS 系统等，这些系统主要应用于列车运行控制、多列车运行能力及效果评价，以及列车间隔、线路能力的分析等方面，实现对铁路运营过程的列车运行精确仿真。

我国从 20 世纪 80 年代开始对铁路行车组织及相关领域进行仿真研究[1]，主要集中在 3 个方面：①对列车群运行状态进行仿真[2-3]，在此基础上确定列车运行调整计划、计算区段通过能力和铁路运营参数；②对列车运行过程中的机车牵引、制动计算层面的仿真研究，主要目的是解决行车安全、线路技术改造和节能等问题；③对车站内的列车技术作业进行仿真建模[4-7]。

综上分析，国内外大多数研究侧重于行车组织中的设备运用和计划实施等方面的效果分析与评估。随着铁路列车的提速和高速铁路的开通运营，列车运行技术作业时分标准与过去相比大大压缩，提高了铁路运输效率，但也存在作业时间标准与实际不相符合的情形，限制了铁路运输服务质量的进一步提高。究其原因，我国铁路列车运行技术作业的时分标准主要是通过人工经验确定。因此，研究开发列车运行技术作业时间标准仿真系统，对建立健全铁路运输组织科学决策平台，提高列车运行组织的质量和效率十分必要。

1.2 仿真验证系统需求分析

根据对铁路行车技术标准查定内容和流程分析，可以将用户对行车技术作业时间标准模拟仿真软件的需求分为以下类别。

（1）实现行车技术作业的数据管理。对车站、线路、机车和信号等数据进行添加、修改及删除，对其他基础数据进行录入、查询、输出等。

（2）实现列车牵引计算。能够根据设定的条件自动进行工况选择、支持自动牵引计算、列车牵引重量计算、列车制动问题解算等计算功能，输出列车运行速度、时间和能耗等指标。

（3）实现列车群的并行仿真计算。能够同时对多个列车进行运行仿真，支持不同列控条件下的行车技术作业，包括车站接发车作业、区间运行、机车换挂作业及车底折返作业等，输出列车群的最优技术作业方案。

（4）实现人机交互的行车技术作业时分计算和仿真。支持手动列车牵引计算，充分利用用户的实际经验，进行工况选择；同时，在仿真实验中，用户可以实时地更改仿真条件，支持不同方案下的仿真数据。

（5）提供良好的人机交互界面。操作逻辑严谨简洁，避免用户的重复操作，数据显示清晰明了且对屏幕的使用效率高，数据表格具有多种排序方式并支持首拼查询，菜单选项简单易懂，降低软件的使用难度。

2 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统总体设计

2.1 系统总体流程设计

在铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统中，数据是系统的基础，仿真运行是系统业务的核心，用户通过人机交互界面，实现数据库中基础数据的输入和对电子地图的编辑。仿真运行子系统从数据库中读取基础数据，基于条件参数进行仿真计算，将计算结果存储到数据库并通过动画的形式展示，最后通过仿真输出模块，将仿真数据统计分析和输出。铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统总体流程如图 1 所示。

图 1 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统总体流程Fig.1 Overall fl ow of the system

2.2 系统分层架构设计

在铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统中采用典型的 3 层架构，分为数据访问层 (DAL)、业务逻辑层 (BLL) 和表示层 (UI)。数据访问层为最低层，也是系统构建的基础；其次为业务逻辑层，包含系统数据操作、业务计算、仿真功能等业务功能模块；最顶层为表示层，即用户层。铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统分层架构设计如图 2 所示。

2.3 系统功能结构设计

根据对铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统需求和仿真流程的分析，技术作业时间标准仿真系统应以铁路基础设备和行车业务流程为基础进行构架，对以列车运行图为计划的行车技术作业环节进行列车运行仿真，并确定所仿真车站或区间的各项技术作业时间标准，由此实现行车技术作业时间标准的计算与验证。根据业务功能特点，系统可以划分为数据管理子系统、仿真运行子系统和数据输出子系统。铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统总体功能结构如图 3 所示。

其中，数据管理功能是系统的基础，为仿真系统提供数据支撑；仿真运行是系统的核心，实现列车运行仿真、基础设备仿真控制、技术作业时间计算等核心功能；数据输出功能能够将仿真运行过程中所有设备的状态动态直观地显示出来，并对仿真过程和结果进行数据统计。

3 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统关键技术

3.1 自动牵引计算

在铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统中，自动牵引计算决定着各行车技术作业的时空位置及设备占用关系。因此，仿真过程中的牵引计算需要考虑行车技术作业的实际情况及系统仿真控制模式，实现自动牵引计算，其自动牵引计算流程如图 4 所示。

在进行自动牵引计算时，工况选择是计算过程中的关键环节，在不同的工况选择策略下，牵引计算的结果也不同。系统中，主要根据司机操纵经验和系统综合控制进行工况初选，再结合线路的平纵断面、列车运行工况、速度预测模型验证工况选择的合理性，减少回退计算次数，提高计算效率。

图 2 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统分层架构设计Fig.2 Hierarchical architecture design of the simulation system

图 3 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统总体功能结构Fig.3 General functional structure of system

图 4 自动牵引计算流程Fig.4 Calculation process of automatic traction

3.2 列车群并行计算仿真技术

并行计算是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程，是提高计算机系统计算速度和处理能力的一种有效手段[8-9]。在实际的行车组织过程中，当列车群的规模较大时，针对单个列车的事件难以体现行车作业多个事件间的逻辑关系。为了解决上述问题，结合线路车站的列车进路排列，采用列车群并行计算技术进行仿真。在系统中，以列车作为基本独立单元，将进入系统的各列车技术作业活动按顺序排列，生成独立的进程并行仿真。列车群并行计算流程如图 5 所示。

在行车组织过程中，某些特定活动会改变线路及车站设备的占用状态，对其他列车的技术作业造成影响。为区间内的各类设备建立集合R，集合中元素用∈R表示，代表第k个设备在第i个列车进程中的占用情况。

在第i个列车进程中，按顺序排列的第x个活动事件为，并为x事件的备选设备建立集合Rx，几何元素为与x有对应关系的，当结束后，扫描当前时间点的Rx，选取等待时间最短的设备作为事件的载体。从第i-1 到i+ 2 个列车进程中第x-1 事件至x事件之间的列车并行计算过程如图 6 所示。

3.3 系统仿真流程

图 5 列车群并行计算的流程Fig.5 Process of parallel computing of train group

图 6 列车并行计算过程Fig.6 Parallel computing process of train

铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统的仿真流程主要分为 4 个部分，基础数据的建立、仿真参数的设定、列车的运行仿真过程和仿真结果输出。其中基础数据和仿真参数是列车进行仿真运行的基础，在运行图的约束下进行列车运行仿真，计算行车技术作业时间并输出仿真结果。铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统仿真总体流程如图 7 所示。

图 7 铁路行车技术作业时间标准仿真验证系统仿真总体流程Fig.7 Overall process of system simulation

在技术作业仿真流程中，仿真数据的准备和仿真参数设置是列车运行仿真的基础。在仿真预备过程中需要处理其他系统数据、提取仿真业务数据及参数、设置设备初始状态及属性、构建仿真初始场景等。仿真预备流程如图 8 所示。

3.4 仿真案例

图 8 仿真预备流程Fig.8 Simulation preparation process

根据系统设计，采用 VC++ 和 Access 数据库对系统进行了实际开发，并利用该系统，以司机操纵方案对武广客运专线 (武汉—广州南) 列车追踪间隔时间标准影响分析为例进行实例仿真。输入武广客运专线线路纵断面、CRH380AL 动车组牵引特性、信号布置等实际运营条件数据后，选择 CTCS3级列控模式，仿真计算司机操纵列车过岔速度由65 km/h 提升至 75 km/h，司机操纵管控运行前后列车追踪间隔时间比较如表 1 所示。

从表中可以看出，改变和规范司机操纵方式，进出站过岔贴近限速运行可以缩短列车追踪间隔的平均到达间隔约为 6 s，平均出发间隔约为 9 s，其中对大站的影响尤为显著，长沙南、武汉站的到达间隔时间均减少 12 s，广州南站的出发时间缩短 19 s。考虑到贴近限速运行对行车安全有一定影响，因此，在强化司机操纵培训和安全教育的前提下，采用司机操纵管控可以有效压缩列车追踪间隔，提升线路能力。

4 结束语

提升铁路行车技术作业能力是优化铁路客运产品谱系的重要措施。在铁路行车技术作业优化理论研究成果较为丰富的研究环境下，利用仿真手段对自动牵引计算、列车群并行仿真及其仿真流程等系统关键技术进行研究，将有助于健全铁路运输组织的科学决策平台，提高铁路行车技术作业的规范性和安全性，提升铁路运输组织水平。但是，由于受人员操作水平等的影响，仿真技术与实践操作的融合仍具有一定的差距，具体的参数设置需要通过大量的数据验证和拟合，才能够进一步提升仿真技术对实际操作的指导作用。