仿真技術(shù)在鐵路超限貨物運(yùn)輸中的應(yīng)用

陳柯添，馮向南，凌炎鑫，鄭岳清

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

超限貨物主要為一些大件貨物，如發(fā)電設(shè)備、石油冶煉設(shè)備、化工機(jī)械、橋梁構(gòu)件、大型車輛及航天設(shè)備等，其安全及時(shí)運(yùn)抵目的地對(duì)于國家重點(diǎn)工程的建設(shè)具有十分重要的意義。因此，搞好超限貨物運(yùn)輸對(duì)于促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國防現(xiàn)代化的建設(shè)具有重要的意義[1]。

目前，國內(nèi)外對(duì)于鐵路超限貨物運(yùn)輸已有較多研究，應(yīng)用了不同的方法，大部分是基于理論及數(shù)據(jù)的分析來判定貨物超限等級(jí)。在三維仿真技術(shù)應(yīng)用方面，已有研究應(yīng)用于檢測貨物是否超限，以及制作超限貨物裝載教程等。

在我國鐵路超限貨物運(yùn)輸中，目前尚未應(yīng)用三維仿真技術(shù)。為了能夠直觀地了解貨物的超限情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)超限貨物運(yùn)輸?shù)妮o助決策，提高超限貨物運(yùn)輸?shù)陌踩浴Ｔ诖藢?duì)超限貨物運(yùn)輸條件的可視化仿真進(jìn)行了嘗試。

1 鐵路超限貨物運(yùn)輸條件輔助決策仿真系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)的主要內(nèi)容是運(yùn)用SolidWorks建立貨物、車輛、線路模型及建立裝配體，實(shí)現(xiàn)車輛的仿真運(yùn)行，并通過建立數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)并計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，判定貨物超限等級(jí)及確定超限貨物列車運(yùn)行條件，從而能夠直觀準(zhǔn)確地了解貨物的超限情況，提高超限貨物列車運(yùn)行條件判定的準(zhǔn)確性，以達(dá)到提高鐵路超限貨物運(yùn)輸安全和效率的目的。

本系統(tǒng)的主要研究技術(shù)路線是運(yùn)用編程軟件Visual Basic進(jìn)行三維繪圖軟件SolidWorks的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真模擬[2]；然后通過Visual Basic與Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)調(diào)用與存儲(chǔ)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

1.1 貨物模型

在分析超限貨物外形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)多種圖元的定義與組合構(gòu)建貨物模型。根據(jù)貨主提供的貨物外形三視圖及尺寸，選擇所需要構(gòu)造的貨物形狀并輸入貨物尺寸，根據(jù)圖元間位置關(guān)系，組合各個(gè)圖元，即可構(gòu)造出與實(shí)際貨物成相應(yīng)比例的貨物模型。貨物模型如圖1所示。

1.2 車輛模型

構(gòu)建車輛模型的主要工作是建立車輛構(gòu)件圖元與車輛信息的數(shù)據(jù)庫。其主要工作原理是：用戶只需要選擇車種及車型，系統(tǒng)即可自動(dòng)調(diào)用車輛構(gòu)件圖元，根據(jù)車輛的尺寸信息，改變各個(gè)構(gòu)件圖元的尺寸，并通過圖元間的組合，構(gòu)建所選車輛的模型。

在構(gòu)建車輛模型時(shí)進(jìn)行了一定的簡化，將其簡化為車地板與多條輪對(duì)的組合。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了凹底平車和普通平車的模型構(gòu)建。以D10型凹底平車為例，其車地板主要由5個(gè)平板模型構(gòu)成，通過車地板與6條輪對(duì)的結(jié)合，得到了如圖2所示的車輛模型。

1.3 軌道及限界模型

在進(jìn)行仿真時(shí)，只需要選擇所需要檢測的限界種類，并輸入線路的長度和曲線的半徑，即可生成軌道與限界的模型。

建立軌道與限界模型的基本原理是：首先根據(jù)所需要的曲線半徑，構(gòu)建軌道的二維截面圖，并利用SolidWorks的拉伸功能，將其進(jìn)行拉伸至所需要的長度；同時(shí)，根據(jù)《鐵路超限超重貨物運(yùn)輸規(guī)則》(以下簡稱《超規(guī)》)中限界與軌道間的位置關(guān)系[3]，以軌道中心點(diǎn)的坐標(biāo)為原點(diǎn)，進(jìn)行限界二維圖的繪制。可選擇輸入機(jī)車車輛限界、一級(jí)超限限界、二級(jí)超限限界、建筑限界，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)限界的尺寸進(jìn)行繪制，并根據(jù)輸入的長度進(jìn)行拉伸，最終建立軌道與限界相結(jié)合的三維模型，如圖3所示。

1.4 貨物、車輛和軌道模型結(jié)合

在模型結(jié)合的過程中，首先是建立貨物與車輛的裝配體，其原理是通過貨物、鞍座或橫墊木的底面與車地板之間的接觸，根據(jù)所需要的裝載位置，通過調(diào)整貨物重心與車地板中心間的坐標(biāo)關(guān)系，并將坐標(biāo)擬合，形成貨物與車輛的裝配體。

建立完貨物與車輛的裝配體，即可將車輛模型與軌道模型相結(jié)合，根據(jù)車輛輪對(duì)與軌道間的配合條件，進(jìn)行輪對(duì)與軌道間坐標(biāo)的擬合，將車輛與軌道相結(jié)合，即形成貨物裝車后在軌道上停留的仿真模型，如圖4所示。

同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將貨物各個(gè)計(jì)算點(diǎn)相對(duì)于軌面的高度，相對(duì)于線路中心線的寬度，以及在長度方向的位置等相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，用以進(jìn)行超限計(jì)算。

2 運(yùn)輸條件輔助決策原理

運(yùn)輸條件輔助決策的主要原理是通過仿真運(yùn)行觀察貨物超限情況，并通過數(shù)據(jù)分析處理判定貨物超限等級(jí)與運(yùn)輸條件。系統(tǒng)的應(yīng)用流程圖如圖5所示。

2.1 仿真運(yùn)行分析

貨物、車輛和軌道的模型結(jié)合完畢即可進(jìn)行仿真運(yùn)行。通過車輛輪對(duì)與軌道間配合條件的不斷變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同外形尺寸貨物裝車后在具有一定建筑限界的線路上運(yùn)行的三維立體仿真。在仿真運(yùn)行過程中，可以根據(jù)需要觀察的位置，通過調(diào)整視角，對(duì)貨物的各位置的超限情況進(jìn)行重點(diǎn)觀察，從而能夠直觀了解貨物突出部位的超限情況，判定貨物與限界間的位置關(guān)系。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析

在仿真運(yùn)行的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)《超規(guī)》中規(guī)定的貨物超限等級(jí)判定方法，依據(jù)計(jì)算點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出超限貨物的計(jì)算寬度，且將此計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中。通過所建立的貨物各個(gè)計(jì)算點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)庫和各個(gè)限界距離線路中心線的尺寸表，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，從而判定貨物的超限等級(jí)。

同時(shí)，根據(jù)所判定的貨物超限等級(jí)及超限位置點(diǎn)與建筑限界間的距離關(guān)系，系統(tǒng)還將自動(dòng)判定超限貨物列車的運(yùn)行條件。

根據(jù)最初的裝載方案對(duì)貨物仿真運(yùn)行并檢測完畢后，系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)圓柱體貨物的裝載方案進(jìn)行優(yōu)化檢測，檢測是否可以通過優(yōu)化后的裝載方案，降低貨物裝載的超限等級(jí)、改善列車的運(yùn)行條件。當(dāng)存在優(yōu)化裝載方案時(shí)，可將貨物重新裝載，再次仿真運(yùn)行并檢測，判定貨物超限等級(jí)，確定列車運(yùn)行條件。

3 結(jié)束語

通過二次開發(fā)SolidWorks軟件，根據(jù)不同的線路情況，進(jìn)行仿真模擬并檢測超限情況，從而能夠較直觀、準(zhǔn)確地了解貨物超限狀況，判定超限貨物運(yùn)輸條件，對(duì)保證超限貨物運(yùn)輸安全具有重要意義。貨物超限等級(jí)的判定，關(guān)鍵是貨物裝車尺寸和線路限界尺寸的準(zhǔn)確性，對(duì)于特殊貨物來說，現(xiàn)場的實(shí)際測量是不可缺少的手段。本系統(tǒng)下一步的研究工作主要是提高貨物仿真模擬的精度，從而提高系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，達(dá)到提高鐵路超限貨物運(yùn)輸?shù)男逝c安全性，實(shí)現(xiàn)超限貨物安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)輸?shù)哪康摹?/p>

[1]韓 梅.鐵路貨運(yùn)技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]SolidWorks公司. Solid Works API 二次開發(fā)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]中華人民共和國鐵道部. 鐵路超限超重貨物運(yùn)輸規(guī)則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2007.