基于OpenTrack軟件的列車技術(shù)作業(yè)過程仿真研究

魏 然，高小，周浪雅

（中國鐵道科學(xué)研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081）

基于OpenTrack軟件的列車技術(shù)作業(yè)過程仿真研究

（中國鐵道科學(xué)研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081）

基于 OpenTrack 軟件的仿真原理及流程，針對可控的列流結(jié)構(gòu)因素，分析動車組列車、普速列車、始發(fā)終到普速列車 3 種列流對仿真結(jié)果的影響程度，通過對各種列流組合方案的仿真，說明機車換掛作業(yè)對到發(fā)線、車站咽喉、出入段線能力影響最大。應(yīng)用該軟件對若干大型鐵路客運站進行列車技術(shù)作業(yè)過程仿真試驗，可以為優(yōu)化車站設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

鐵路；客運站；列流；作業(yè)過程仿真

列車技術(shù)作業(yè)過程仿真是客運站綜合仿真技術(shù)的重要組成部分，與客流組織仿真、交通流疏解仿真共同為客運站各設(shè)計階段的具體方案評估和優(yōu)化提供科學(xué)的手段與精確的數(shù)據(jù)支持。通過對客運站列車技術(shù)作業(yè)過程仿真，可以掌握車站到發(fā)線、道岔、出入段線等設(shè)備的占用情況，從而分析相關(guān)固定設(shè)備的能力利用及相互間的匹配，尋找車站能力的薄弱環(huán)節(jié)，并驗證站場設(shè)計及作業(yè)規(guī)劃方案的可行性。

1 問題與模型

列車技術(shù)作業(yè)過程仿真涉及的車站設(shè)施主要有區(qū)間正線、車站正線、道岔、到發(fā)線和出入段線。按照列車在站內(nèi)的技術(shù)作業(yè)過程，可以將車站系統(tǒng)拆分為接車系統(tǒng)、到發(fā)線作業(yè)系統(tǒng)、發(fā)車系統(tǒng)和出入段系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖 1 所示。

圖1 車站系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

整個車站的狀態(tài)由各組成系統(tǒng)的狀態(tài)組合而成，受各系統(tǒng)內(nèi)部各項作業(yè)事件驅(qū)動，主要是接車事件、到發(fā)線事件、調(diào)車事件、發(fā)車事件、出段事件和入段事件。接車事件為列車指定接入時間、到達方向、占用道岔；到發(fā)線事件為列車指定停站時間、到發(fā)線、連掛與摘解；調(diào)車事件為機車指定運行徑路；發(fā)車事件為列車指定發(fā)車時間、出發(fā)方向、占用道岔；出段事件為列車、機車與車底指定出段時間、占用道岔、目標(biāo)到發(fā)線；入段事件為列車、機車與車底指定入段時間和占用道岔。所有事件通過列車運行及機車運行完成。

OpenTrack 軟件根據(jù)列車技術(shù)作業(yè)過程，按照既定的規(guī)則，模擬所有列車、機車在車站內(nèi)的運行過程，其核心部分為列車、機車運行模擬，主要通過牽引計算實現(xiàn)。牽引計算模型為：

式中：a為加速度，m/s2；Z(v) 為牽引力，N；RL為基本阻力，N；Rstr為附加阻力，N；m為列車質(zhì)量，kg；ρ為質(zhì)量系數(shù)；v為t2時刻列車速度，m/s；v0為t1時刻列車速度，m/s；s為t2時刻列車位置，m；s0為t1時刻列車位置，m。

其中，列車受到的基本阻力為：

列車受到的附加阻力為：

式中：RLT為機車基本阻力，N；RLP為車底基本阻力，N；RT為隧道附加阻力，N；RS為坡道附加阻力，N；RB為曲線附加阻力，N。

當(dāng)列車制動時：

式中：Z '(v) 為制動力，N。

2 仿真流程

利用 OpenTrack 軟件對列車技術(shù)作業(yè)過程進行仿真，主要步驟如下。

（1）利用路網(wǎng)編輯器，構(gòu)建車站及區(qū)間的軌道網(wǎng)拓?fù)鋱D，對與列車運行有關(guān)的線路長度、曲線半徑、坡度、線路限速等信息進行編輯。

（2）在軌道網(wǎng)拓?fù)鋱D中定義所需的列車運行徑路。

（3）利用列車屬性編輯器，設(shè)置列車各項技術(shù)參數(shù)，如重量、長度、速度、列車編組、牽引制動曲線等信息。

（4）構(gòu)建高峰小時列車技術(shù)作業(yè)方案，并匹配各次列車的運行徑路，同時在時刻表管理數(shù)據(jù)庫中，輸入各次列車的到達和出發(fā)時刻、停站時間等信息。

（5）運行仿真模塊，如果高峰小時各次列車的運行仿真無沖突報警，則繼續(xù)輸入全天各次列車的運行信息；如果出現(xiàn)沖突報警，則調(diào)整沖突列車的到發(fā)時刻、占用股道、停站時間等參數(shù)后重新運行仿真模塊，直到無沖突報警為止。

（6）輸出仿真統(tǒng)計結(jié)果并進行分析。

（7）根據(jù)仿真結(jié)果提出車站設(shè)計優(yōu)化方案。

3 列流結(jié)構(gòu)對仿真結(jié)果的影響分析

大型客運站列車技術(shù)作業(yè)過程仿真的影響因素較復(fù)雜。在區(qū)間層面，進出站的單雙線及列車限速情況會影響車站通過能力；在車站設(shè)計層面，站場到發(fā)線設(shè)置、咽喉結(jié)構(gòu)、出入段線設(shè)置、動車所的位置等會影響車站接發(fā)車能力；在列流層面，列流結(jié)構(gòu)如動車組出入段及普速列車作業(yè)會對車站作業(yè)能力產(chǎn)生較大影響。

應(yīng)用 OpenTrack 軟件進行仿真時，區(qū)間、車站設(shè)計作為仿真靜態(tài)條件影響仿真結(jié)果，但列流情況可以通過合理規(guī)劃全天列流結(jié)構(gòu)，優(yōu)化技術(shù)作業(yè)過程，建立最合理的到發(fā)線運用方案。

3.1 純動車組的列流

在仿真車站的列流為純動車組時，仿真工作較為簡單。高峰時段由于到發(fā)列數(shù)多而形成的進路沖突是影響仿真結(jié)果的最重要因素，因此在設(shè)計到發(fā)線運用方案時，需要充分運用平行進路最大限度化解高峰時段內(nèi)的進路沖突。

高峰期出入段的動車組數(shù)量是對仿真結(jié)果影響較大的因素。在純動車組的情況下，出入段的動車組比立折及通過動車組多占用 2 次咽喉區(qū)進路，因此出入段的動車組越多，對高峰期作業(yè)可能產(chǎn)生的干擾會越大。在鋪畫全天到發(fā)線運用方案時，為了減少出入段動車組對其他類型動車組的干擾，一般將其單獨放在天窗前后鋪畫，同時為了滿足旅客出行需求，一般早上鋪畫出段動車組，晚上鋪畫入段動車組。這種分時段集中出段與集中入段方式能最大限度地利用出入段線。

3.2 通過普速列車的列流

在仿真車站的列流除動車組外，還包含通過普速列車時，仿真工作復(fù)雜度增加。如果普速列車的車場及出入段線能夠與高速場及出入段線分開，則普速列車與動車組互不影響，車站的各項設(shè)備能力利用率會較高；如果不能分開，則對車站的各項能力均會產(chǎn)生影響。在高速列車與普速列車共線的情況下，影響仿真結(jié)果的最主要因素是通過普速列車換掛機車作業(yè)。

（1）通過普速列車全部不進行機車換掛作業(yè)。在此種情況下，相比于純粹動車組的列流情況，由于進出站線屬于高速列車與普速列車共用，普速列車速度較慢，并且按站間閉塞行車，為了使能力最大化，仿真中最好能將普速列車與動車組按時段分開，讓普速列車在動車組之后開行。如果動車組與普速列車共線運行，則兩種列車的進出站追蹤間隔時間較大 ( 一般為 15 min )，導(dǎo)致區(qū)間能力無法有效利用，從而影響車站接發(fā)車能力。

（2）通過普速列車全部或部分進行機車換掛作業(yè)。在此種情況下，除由于高速列車與普速列車共線運行帶來的能力影響外，機車換掛作業(yè)也給車站帶來新的影響。

擔(dān)當(dāng)本次作業(yè)的機車入段和擔(dān)當(dāng)續(xù)行任務(wù)的機車出段至少需占用咽喉區(qū) 2 次和出入段線 2 次，由于通過列車停站時間標(biāo)準(zhǔn)是 10～12 min，因此擔(dān)當(dāng)續(xù)行任務(wù)的機車大多需要提前出段。如果中轉(zhuǎn)機車換掛作業(yè)較多，則必須在車站中設(shè)置機待線。

在普速列車與動車組共用出入段線的情況下，如果普速列車的本務(wù)機車、調(diào)車機車、車底與動車組混合出入段，由于普速列車出入段走行速度低于動車組，為了減少對出入段線能力的占用，仿真中通常采用動車組在前、普速機車或車底在后的出入段方式。

3.3 始發(fā)、終到普速列車的列流

當(dāng)車站的列流包含始發(fā)、終到普速列車時，仿真工作最為復(fù)雜。在此種情況下，始發(fā)、終到普速列車要經(jīng)歷本務(wù)機車出入段、車底出入段、調(diào)車機車出入段等作業(yè)環(huán)節(jié)，因此至少需要占用咽喉區(qū) 4 次。在列車前行方向與機務(wù)段布局不一致時，機車需要轉(zhuǎn)線作業(yè)，這不僅需要多占用 1～2 次咽喉區(qū)，還要占用 1 條到發(fā)線作為機走線，對車站的接發(fā)車能力影響很大。

在對出入段線的占用上，一趟始發(fā)或終到普速列車需要占用出入段線 3 次，由于走行時間較長，占用大量出入段線能力。以 1 列終到普速列車為例，設(shè)出入段走行距離為 7 km，普速列車進出段走行速度按照 45 km / h 計算，該列車從到達車站停穩(wěn)起，本務(wù)機車需要約 9 min 入段，調(diào)車機車需要約9 min 出段，調(diào)車機車牽引普速車體還需要約 9 min入段，因此共占用出入段線約 30 min。由于出入段線能力限制，引起各列車在到發(fā)線的停留時間增加，可能會間接造成到發(fā)線能力緊張，進而影響咽喉區(qū)接發(fā)列車。

4 不同方案的仿真案例

4.1 仿真基本設(shè)定

為了詳細分析不同列流結(jié)構(gòu)對仿真結(jié)果的影響，假設(shè)存在如圖 2 所示的區(qū)間及車站。設(shè)車站中心距離動車所 7 km，動車組與普速列車共用出入段線，普速列車通過動車所后分別入車輛段或機務(wù)段，動車組進出段走行速度為 75 km/h，普速列車進出段走行速度為 45 km/h，到發(fā)線運用方案按照周期為 1 h 鋪畫。

圖2 仿真設(shè)計區(qū)間及車站

分析高峰小時 B 至 A 方向在不同仿真方案下，到發(fā)線 2 與 B 方向進站咽喉的占用情況。其中，咽喉占用時間標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。

表1 咽喉進路占用時間表 min

4.2 仿真基本單元參數(shù)

（1）通過動車組。在仿真中，通過動車組按照停站處理，最短停站時間為 5 min。一列通過動車組進站占用 B 方向進站咽喉進路 3 min，占用到發(fā)線 2 為 5 min；出站占用 A 方向出站咽喉進路 3 min。

（2）立折動車組。在仿真中，立折動車組采取正接反發(fā)方式，本線折返列車將橫切正線，對正線能力有較大影響。動車組本線立折停留時間標(biāo)準(zhǔn)為 18 min。一列立折動車組進站占用 B 方向進站咽喉進路 3 min，占用到發(fā)線 2 為 18 min；出站占用 B方向出站咽喉進路 3 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )。

（3）出、入段動車組。在仿真中，動車組出入段一般采用同一條出入段線，因此該出入段線相當(dāng)于一條單線。動車組出段與動車組入段相接時，是出入段線能力利用最不利的情況。終到動車組在車站的作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)為 12 min，始發(fā)動車組在車站的作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)為 15 min。一列終到動車組進站占用 B 方向進站咽喉進路 3 min，占用到發(fā)線 2 為 12 min，入段耗時為 6 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )。一列始發(fā)動車組出段耗時為 6 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )，占用到發(fā)線 2 為15 min；出站占用 B 方向出站咽喉進路 3 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )。

（4）通過普速列車。在仿真中，通過普速列車全部進行機車換掛作業(yè)是最困難的情況。通過普速列車最短停站時間為 10 min。一列通過普速列車進站占用 B 方向進站咽喉進路 4 min，擔(dān)當(dāng)本次作業(yè)的機車入段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )，擔(dān)當(dāng)續(xù)行任務(wù)的機車出段耗時為10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路)，兩次機車出入段均利用正線走行；出站占用 A 方向出站咽喉進路 4 min。

（5）始發(fā)、終到普速列車。始發(fā)普速列車在車站作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)為 35 min，終到普速列車在車站作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)為 20 min。一列始發(fā)普速列車由調(diào)車機車牽引普速車體出段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )，調(diào)車機車入段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路)，本務(wù)機車出段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )；出站占用 B 方向出站咽喉進路 4 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )。一列終到普速列車進站占用 B 方向進站咽喉進路 4 min，本務(wù)機車入段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路)，調(diào)車機車出段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )，兩次機車出入段均利用正線走行，調(diào)車機車牽引普速車體入段耗時為 10 min ( 同時占用 B 方向進站咽喉進路 )。

4.3 不同仿真案例結(jié)果對比

高峰小時 B 至 A 方向在不同列流結(jié)構(gòu)仿真方案下，到發(fā)線 2、B 方向進站咽喉和出入段線的占用情況如表 2 所示。

由表 2 可知，不同列流結(jié)構(gòu)的仿真方案對仿真結(jié)果的影響極大，列流中普速列車的存在，降低了到發(fā)線的利用率和車站全天的接發(fā)車能力，其中純通過普速列車方案 B 方向進站咽喉占用時間、出入段線占用時間最長，到發(fā)線 2 占用時間也較長?？梢酝ㄟ^合理規(guī)劃全天列流結(jié)構(gòu)，優(yōu)化技術(shù)作業(yè)過程，建立最合理的到發(fā)線運用方案。

5 結(jié)束語

應(yīng)用 OpenTrack 軟件分別對石家莊站、昆明南站、重慶西站等大型客運站的技術(shù)作業(yè)過程進行了仿真，在輸入預(yù)定流的條件下，仿真輸出各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合動態(tài)仿真過程，發(fā)現(xiàn)車站設(shè)計方案存在的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化車站站場設(shè)計提供了可靠的依據(jù)。

[1] 劉啟鋼，杜旭升，楊 旭. 大型鐵路客運站客流組織仿真技術(shù)研究[J]. 鐵道運輸與經(jīng)濟，2010(10)：37-40.

Research on Simulation of Train Technical Operation Process based on OpenTrack Software

WEI Ran, GAO Xiao-xun, ZHOU Lang-ya

(Transportation and Economy Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Based on simulation principle and process of OpenTrack software, targeting with controllable factor of train flow structure, this paper analyzes the influence degree of 3 types of train flow such as EMU, common-speed train and arrival-departure common-speed train on simulation result. Through simulation of each train flow combination scheme, it shows that locomotive attaching to another trainset has greatest influence on arrival-departure track, station throat and capacity of arriving and departing depot track. Taking simulation test on train technical process in several large-scale railway passenger stations by using this software could provide reliable foundation for optimizing station design.

Railway; Passenger Station; Train Flow; Simulation of Operation Process

1003-1421(2013)05-0025-05

U292.4；U29-39

B

2013-04-16

林 欣