（交通运输规划与管理专业论文）移动闭塞条件下列车运行.pdf

北方交通大学硕士学位论文 论文摘要 2 0 世纪后期，数字通讯技术与计算机自动控制技术的发展在各个行业 l 都得到了广泛应用，它们也极大地促进了铁路运输系统技术水平和服务质 量的提高，其中一个重要的例子就是列车运行控制中移动闭塞技术的开发 一。一 及其实际应用。) | ， 本文通过大量调查研究，分析整理了国内外关于移动闭塞系统的研究 成果，较为系统地介绍了国外移动闭塞系统的应用模式，论述了移动闭塞 系统的基本原理和相对于固定闭塞系统的优点。在上述基础上，本文提出 了基于模拟的列车移动闭塞与固定闭塞算法及解算框架( 包括适用于铁路 列车的有级调速模式的算法和适用于地铁列车牵引计算的无级调速模式的 算法) ，建立了基于列车运动方程的多列车模拟计算系统4 在研究过程中， 本人同课题组其他同志一起，共同开发了列车运行通用模拟系统，并独立 - - _ - - - - - _ _ _ 一 开发了机车、车辆和列车的数据录入模块，完成了多列车运行控制、移动 闭塞系统等重要模块的实施。利用所开发的系统，本文重点研究了铁路、 地铁和高速铁路在移动闭塞与固定闭塞下的列车运行轨迹，分析比较了不 同闭塞条件下货货追踪、货客追踪、客客追踪和客货追踪的列车最小间隔 时间并给出了模拟实验的结果。论文还测试了不同闭塞条件下列车运行时 分和旅行速度，通过这些模拟实验结果，本文定量地分析了移动闭塞系统 的区间通过能力及其与固定闭塞系统效率的比较。 作为一个具有较好通用性的应用系统，本文开发的基于列车运行牵引 计算的移动闭塞模拟系统可以模拟计算不同条件下的列车运行效果，包括 线路方案的改变，不同类型机车车辆的组合等等；从而为目前我国铁路正 北方交通大学硕士学位论文 在实施的提速和扩能改造提供一种科学的辅助手段。 在开发过程中，本文充分发挥了现代计算机软硬件技术的优势，做到 尽量真实、快速、准确地计算列车运行过程。例如，不按传统手工做法简 化坡道与曲线，将列车视为质量带而非质点，采用较事件表法更易控制精 度的等步长法等均可较大幅度地改善计算质量。作者希望本文及其所开发 的系统能为铁路工程咨询、工程设计、运营管理人员提供方便、正确、有 效的设计手段和辅助分析与决策工具。 从本文的论述可以看出移动闭塞系统是一种先进的列车运行控制系 统，本文一年多来的研究与开发工作在这方面还只是一个开端，关于移动 闭塞这一领域的研究及其应用还有诸多问题值得今后继续探讨。过 北方交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u r i n gt h el a t e rt w e n t i e t hc e n t u r y , b o t hd i g i t a lr a d i oc o m m u n i c a t i o na n d c o m p u t e ra u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n o l o g i e sh a v ef o u n dw i d eu s ei na l li n d u s t r i e s a n ds u c ha p p l i c a t i o n sh a v ea l s og r e a t l ye n h a n c e dt h et e c h n o l o g i c a ll e v e la n t s e r v i c eq u a l i t yo f t h ew h o l er a i l w a yt r a n s p o r ti n d u s t r yo n es u c he x a m p l ei st h e d e v e l o p m e n ta n d t h e nw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no ft h ep r o m i s i n gm o v i n gb l o c k s y s t e m ( m a 3 s ) t e c h n o l o g y b ym e a n so fe x t e n s i v er e v i e w so f t h ew o r l d w i d ea p p l i c a t i o nm o d e l so f m b s ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l e so f m b s a n di t sm a i na d v a n t a g e s o v e rt h ef i x e db l o c k i n gs y s t e mf f b s ) s e v e r a lk e ym o v i n gb l o c ks y s t e m s s u c ha ss e l t r a cs y s t e mw h i c hi su s e di n e n g l a n dd o c k l a n d sl i g h tr a i l w a y ， g e r m a n yl z bt r a i nc o n t r o ls y s t e ma n dt h ed i g i t a la t cs y s t e mo fj a p a n e s e s h i n k a n s a nl i n ea r e s p e c i f i c a l l y i n t r o d u c e db a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo f r a i l w a ys i g a l i n gs y s t e m ，as i m u l a t i o n o r i e n t a t e da l g o r i t h mo f f s ba n dm s bi s p u tf o r w a r da n dag e n e r a l p u r p o s e ，m u l t i t r a i n m o v e m e n ts i m u l a t i o ns y s t e m ( t m s s ) i sd e v e l o p e d u s i n gt h et m s s ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s t h ed i f f e r e n tt r a i nm o v e m e n t t r a j e c t o r i e so ff s ba n dm s bu n d e rr a i l w a y , u n d e r g r o u n dr a i l w a ya n dh i g h s p e e dr a i l w a y c o n d i t i o n s t h em i n i m u mh e a d w a yo ff s ba n dm s bi s c a l c u l a t e db yt h es i m u l a t i o no p e r a t i o no fd i f f e r e n tt y p e so ft r a i n st h et r a i n r u n t i m ea n dt r a i nt r a v e ls p e e da r ea l s og i v e nt h r o u g ht h es i m u l a t i o nt h er e s u l t s o f t h es i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ec a p a c i t yo f m s bi sh i g h e rt h a nt h a to f f s b 3 北方交通大学颂士学位论文 m b si sc o n c l u d e dh e r ea sa na d v a n c e dt r a i nm o v e m e n tc o n t r o l s y s t e m ， t h o u g ht h i s t h e s i si t s e l fv e r ym u c hs e r v e sa sas o l i ds t a r tt o e n g a g em o r e p r o f o u n dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tw o r ki nt h i si m p o r t a n ta r e ai nt h ef u t u r e a n ds o m eo f t h e k e y a r e a sf o rf u r t h e rw o r ka r eh i 曲l i g h t e d 4 北方交通大学硕士学位论文 引言 与其他运输方式相比，铁路运输具有能力大、单耗低、污染小等显著 特点。由于可达性不如道路运输，世界铁路从2 0 世纪3 0 年代以来步入了 低谷。近年来，随着高速铁路的兴起，各国的交通运输政策开始出现了新 的景象。铁路运输所具有的可持续发展特性为社会的发展提供了很好的保 证，铁路运输，更确切的说，包括城市轻轨、地铁交通在内的轨道交通开 始在更大范围内得到了发展。 随着铁路高速度、高密度运输的发展，必须依靠先进的铁路通信信号 系统来进行控制和管理。铁路信号系统是保证铁路行车安全、提高铁路运 输效率和运营管理水平的重要设施。铁路信息技术的发展及其在铁路各部 门的广泛应用，极大地促进了铁路技术装备和管理的现代化。现代信号技 术已具备了向运输组织部门提供实时信息、使列车实现有效的人机控制的 功能。它既是解决当前行车事故较多、铁路区间通过能力不足、编组能力 低、点线不协调、安全正点率不高等主要矛盾的重要手段，也是铁路旅客 列车提速与发展铁路所要解决的关键技术之一。概括地说，铁路信号系统 在铁路运输中的作用可以从以下几个方面来认识： 首先是保证行车安全。铁路信号闭塞系统的作用在于它能按闭塞分区 的空间间隔把列车分隔开，使两列车之间保持一定的安全行车间隔，并按 规定速度运行，防止同方向的列车发生尾追和反方向的列车发生正面冲 撞，从而起到保证行车安全的作用。 其次是提高运输能力。铁路信号技术对提高列车密度具有重要作用。 双线铁路采用自动闭塞，可以缩短列车追踪间隔时间，较大幅度地提高区 间能力。例如，研究证明 9 1 将双线铁路的追踪间隔时间从1 0 分钟改为8 分钟，可提高区间能力2 0 。目前我国铁路繁忙干线采用的双线自动闭塞 的列车追踪间隔时间为8 分钟，有的为7 分钟。为了适应必要的运能需求， 列车追踪间隔尽可能缩短到6 分钟，就能够在旅客列车达到4 0 对左右的 情况下，客、货列车平行运行图达到1 1 0 对左右 9 。 铁路信号的特点是投资少、见效快、效益高。铁路信号作为一种重要 北方交通大学硕士学位论文 的信息技术己渗透到铁路运输的各个部门，它全程全网、无时无刻地为铁 路运输服务、满足铁路需要高度集中、统一指挥的实时性要求。从技术上 讲，铁路信号又具有技术密集度高、发展迅速、设备更新换代快等特点。 近年来，铁路信号系统成功地应用了微电子学、自动控制和计算机等先进 技术，把数据采集、信息传输、数据处理和过程控制联成一体，迈进了自 动化、数字化、智能化的现代化控制领域，极大的促进了铁路运营管理现 代化的发展。 基于地面信号的固定闭塞系统( f i x e db l o c ks y s t e m ) 是应用最广泛的闭 塞系统，随着列车运行速度和密度的不断提高，传统的三显示固定闭塞不 能适应新的发展，四显示固定闭塞已被采用以缩短列车间隔。在广深线上， 准高速列车采用四显示，而普通客货列车采用三显示。我国在机车信号研 究领域已有了新的进展，特别是列车超速防护系统有了新的成果，列车运 行监控记录装置已大面积安装使用。在应用领域，我国在列车运行控制方 面已成功地装备了列车自动停车( a t s ) 和列车自动防护( a t p ) 系统，但列车 自动运行( a t o ) 年n 移动闭塞等先进技术还处于理论研究阶段，与国外还存 在着一定的差距。 移动闭塞系统( m o v i n gb l o c ks y s t e m ) 是在确保行车安全前提下，以使 追踪列车间的间隔达到最小为目标，建立以车站控制装置和机车控制装置 为中心的列车闭塞控制系统。移动闭塞系统运用了现代化的通讯手段和计 算机自动控制技术进行列车运行状态的控制，从根本上改变了固定闭塞系 统对列车运行的控制方法，有效地压缩了追踪列车间隔时间，提高了区间 通过能力，是一种先进的列车运行控制系统。我国是最早研究移动闭塞技 术的国家之- 1 8 ，2 0 世纪6 0 年代以来国内外均己开展了移动闭塞系统 的理论研究和实验，并成功的运用到实践，如英国d o c k l a n d s 轻轨的s e l t r a c 系统、德国l z b 列车控制系统和日本新干线的数字a t c 系统等。与国外柱 比，我国的移动闭塞技术的研究尚未投入应用，还有很多具体的问题需要 解决。为了更可靠的分析这一理论的可行性，探讨移动闭塞系统的新问题， 跟踪世界铁路的先进技术，本文在吸收国外先进理论和经验的基础上研究 我国移动闭塞系统的一些问题，通过建立计算机模拟实验系统来提供有效 的手段，希望借此推动移动闭塞系统在我国从理论走向实用的进程。 6 北方交通大学硕士学位论文 1 列车运动的基本原理 1 1 列车运动的力学原理 1 1 1 影响列车运行过程的因素 铁路列车的移动是在一个复杂多变的环境下，由多因素作用的结果。 这些环境与作用既有静态的，也有动态的。在环境因素中，主要包括下列 因素： 线路条件线路是列车运行的基础，它既涉及到坡道、曲线、桥梁、 隧道、车站等土木方面的问题，也有轨道电路、分相绝缘器、变电所等电 气方面的问题。 列车条件列车是系统研究的主要对象之一，但列车的内容本身又是： 多变的因素之一。它涉及到机车类型( 影响到牵引及制动能力) 、车辆类型 及数量( 影响列车质量、长度及制动性能) 等。 信号条件当存在多列车时，信号影响着列车的运行，列车运行特性 又是确定信号机位置的重要方面。 供电参数包括牵引供电方式、供变电所的位置及主要参数，重点针 对电力牵引环境。 计算原则列车运行有许多计算前提条件，如注重运输成本的经济性 节能操纵，注重效率的节时操纵，以及其他因素等。 1 1 2 列车运动的原理方程 列车牵引计算的中心是解释推导列车运动方程，及研究列车运行中乒 加( 减) 速力与列车加( 减) 速度的相互关系，从而找出列车运行速度、 运行距离、运行时间及牵引重量之间的相互关系。为此，首先要研究列车 运行中发生的对列车运行有直接影响的各种外力： 机车牵引力f 有动力传动装置引起的与列车运行方向相同的外 力。这是司机可以控制的使列车发生运动或加速的力。 7 北方交通大学硕士学位论文 列车运行阻力w 列车运行中由于各种原因自然发生的与列车运行 方向相反的外力。它的大小是司机不能控制的。它的作用是阻止列车发生 运动或使列车自然减速。 列车制动力b 由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力。它 是人为的阻力，它的大小是司机可以控制的。它的作用是使列车产生较大 的减速度或者在长大下坡道防止列车超速运行，或者防止列车在车站停车 时由于坡度或大风而自然溜走。 根据线路情况和列车运行要求，机车可以有三种工况，每种工况下作 用于列车上的合力由不同的力组合而成： 牵引运行。作用于列车上的力有机车牵引力f 和列车运行阻力w ，其 合力 c = f 一 ( 卜1 ) 惰行。做用于列车上的只有列车运行阻力w ，其合力 ( j 一 ( 卜2 ) 制动运行。作用于列车上的力有列车制动力b 和列车运行阻力w ，其 合力 c 一留十( i - 3 ) 当合力c o ，即合力方向与列车运行方向相同，它是加速力，列车将 加速运行；当合力c o ，即合力方向与列车运行方向相反，它是减速力， 列车将减速运行；当合力c = o ，不言而喻，列车将匀速运行。 合力的值决定于组成该合力的牵引力、阻力和制动力的大小以及它们 与线路条件、机车车辆和运行速度之间的关系。 1 1 2 1 牵引力计算 列车牵引力提供列车前进的动力。机车借助于其动轮和钢轨间的相互 作用将牵引电机的扭矩转换为轮周牵引力即机车牵引力。 ( 1 ) 牵引力取值 机车牵引力的大小由牵引特性曲线决定，其取值与列车运行速度和操 纵手把位有关。在等步长法中，列车在步长末的速度与步长初并不相同， 从而，如何计算列车在某一步长内状态的变化，需要一些循环。 北方交通大学硕士学位论文 嘲巩吲 ( 卜4 ) r ，嘲m ( 卜5 ) 其中，与巧分别为该步长内的初速与末速。当步长较小时，可以 用步长初的速度所对应的牵引力作为步长内的牵引力。 牵引力的大小还要考虑粘着力的限制： 屹= 1 1o x ( 卜6 ) 实际中，还可根据钢轨踏面撒沙情况进行修正： e l 3 = 1 1l x ：x f l 2 q 一) 其中，1 1 ，为踏面干湿粘着影响系数；1 1 。为机车撒沙粘着影响系数。 最终牵引力应为： f r a m 瓦。r ，吒j ，e ( 卜8 ) 机车牵引力的计算是列车移动的主要关键，其取值需要尽量精确和符 合实际情况。下面将具体探讨有关计算方法。 ( 2 ) 牵引力计算 根据机车类型，牵引力的计算分有级与无级两种情况。由于牵引特性 曲线是采用离散法输入的，任意点上列车速度对应的取值需要进行计算， 这里采用抛物线三点插入法计算其具体值。 ( a ) 有级牵引 有级牵引时，牵引力取值依据是不同手柄位下的牵引特性曲线。在具 体计算牵引力的过程中，牵规上对于手柄位的描述也是不连续的，这里要 先根据已有手柄位数据生成所有手柄位的牵引力数据。即对于中间手柄位 的计算需要采用线性插值法计算。其步骤如下： 首先，查出最接近待计算手柄位k 的两个手柄位，设较高者为m ， 较低者为n ，它们对应的与粘着牵引力交接处的速度为s 、s ( n ) ，则 该手柄位与粘着曲线的交点速度值为： 溉砂= s o y , 缈+s ( m , o ) - s ( n , o ) 丛 m nm n 9 ( 1 - 9 ) 北方交通大学硕士学位论文 其中，s ( k ，o ) 为手柄位k 与粘着曲线交点的速度，s ( m ，o ) 与s ( n ，o ) 贝o j 分别为手柄位m 与n 同粘着曲线交点处对应的速度。从而，s ( k 1 对应的 牵引力即为手柄位k 之牵引力之值。 其次，计算坐标原点、高手柄位与粘着曲线之交点处对应的速度点上 待计算手柄位的速度与牵引力值，计算方法如下： f ( k ，s 归心，s o v i , o ) ) + 丝警篙产型去等( 1 - 1 0 ) 第三，计算与较大手柄位起点牵引力对应的较少手柄位处的速度： s = s ，f 0 以o ) 1 七 苎丝生2 二苎 型：! ( 丝! ! 型上二旦 m nm n 最后，以上述三点为基础可以确定出一条抛物线的轨迹 c u r v e o i n t l s ( k , 0 ) f ( k ，s ( k ，0 ) ) 】，p o i n t 2 s ( m ，f ( m ，s ( m ) ) ) ，p o i n t 3 s 0 ，0 ) ，s ( k ) 】 对于该手柄位上大于s ( m ，o ) 的其他任意速度条件下手柄位k 上的牵引 力，一般可以先查出前后最相近的两个手柄位m ( 较大位) 与n ( 较少位) 的 牵引力f ( m ) 与f ( n ) ，有： f 釉= f l n ) 七 f ( m ) - f ( n ) 丛 m nm n ( 卜1 2 ) 从而可生成所有手柄位的曲线。 ( b ) 无级牵引 无级牵引时，机车操纵没有手柄位之分。牵引力的取值有以下两种情 形。 一是按列车牵引特性曲线取值，牵引力是列车实际速度的函数： p 刑( 1 - 1 3 ) 这种情况适合于有牵引曲线可用的场合。 二是按加速度来计算牵引力，即根据列车当前速度以及列车在该点的 目标速度来计算牵引力： 只胞吃一 ( 1 一1 4 ) 亦即： l o 北方交通大学硕士学位论文 p 2 俨十q g 口n 。， ( 1 一1 5 ) 这里，p 与g 分别是机车与车辆的重量f ) ；矽。g 为重力加速度。口化吃， 为与列车速度和目标速度相关的加速度，可从事先定义的表格中查到。当 没有这类信息时，可以参照下列线性模型来计算： 盯 一甍等 n - 其中r 为惰行控制裕量。该模型的原理如图11 所示。 酏哥i _ 盐兰；一 北方交通大学硕士学位论文 ( 3 ) 货车运行单位基本阻力 不同类型货车运行的单位基本阻力主要与轴承类型、车辆状态( 重空 车) 有关，其计算需要按牵规给定的模型计算。 ( 4 ) 机车车辆起动单位基本阻力 电力与内燃机车单位起动基本阻力按5 n k n 计算，滚动轴承货车起 动基本阻力按3 5 n k n 计算，滑动轴承货车则按下式计算： w 。= = 3 + d 4 i q ( 1 1 7 ) 当上述计算值小于5 时，按5 n k n 计算。 ( 5 ) 机车车辆附加阻力 机车车辆附加阻力主要是由线路引起的，这些因素包括坡道、曲线、 隧道等。在牵引计算中，这些附加阻力是通过换算为一个等值的坡道当量 即加算坡道引起的单位阻力w 来刻画的。即： = w ，+ w ，+ w 。 ( 1 一1 8 ) 其中，为坡道单位阻力，w ，为曲线单位阻力，w t 为隧道单位阻力。 有： w ，= ，( 1 - 1 9 ) w ，= 竺芋 或 w ，= 百6 0 0 f i r ( 曲线短于列车长度时) ( 1 2 0 ) 其中，盯为曲线偏角( 中心角) ，单位为度；1 1 为列车长度( 米) ；，r 为曲 线长度，单位为米，计算方法如下： = 三，一r 乙，一乞，j ( 卜2 1 ) k 。与k 为缓和曲线长度；三，为曲线总长度。 一般地，牵引计算中曲线长度是指圆曲线长度加两端各半个缓和曲线 长度。当用户输入该信息时，应予以考虑。 由于采用等步长法，且不进行坡道化简，列车最终阻力的计算与过去 稍有不同。与列车坡道阻力的计算方法一样，列车在任意一个步长的附加 北方交通大学硕士学位论文 阻力的计算方法按质量带原理取值，即： ， 彬2 手w r p + g j g 手( 1 - 2 2 ) 单位阻力则为： ， w ，= 莘w ，手( 1 - 2 3 ) 上述阻力值在每个步长计算一次。 1 1 2 3 列车制动力计算 列车制动力计算是列车调速的重要手段，尤其在速度限制、下坡道及 进站停车时。根据列车运行的一般情况，这里将列车制动力的计算分为铁 路、地铁两种典型情况来考虑。 ( 1 ) 铁路模式 在铁路模式下，列车制动过程的推算比较复杂，它需要按不同机车车 辆的类型来分别计算各项数据。根据牵引计算规程，列车的单位制动力模 型为： b = l o o o 只纯( 卜2 4 ) 其中，只为列车换算制动率，纸为换算摩擦系数；有： 只= 甓器 ( 卜2 5 ) 其中，k ：为机车上每块闸瓦的压力，七i 为车辆上每块闸瓦的压 力，k n 。我国不同类型闸瓦的压力取值可参照新牵规表3 根据列车管空气 压力来取值，它是以每辆车机车为单位的。换算摩擦系数的计算也要根 据具体的闸瓦类型来计算，以中磷闸瓦为例，计算模型为： qph=o356型+00007(110一j(1-26)14v + 1 0 0 ” v 。为制动时的初速度，k m h 。 1 3 北方交通大学硕士学位论文 在列车运行过程中，当需要采用空气制动方式时，还必须考虑制动空 走时间；对于豫次连续的空气制动，要判断其充风时间。当充风时间不够 时，列车不能实旖空气制动。 在控制制动过程中，存在一个空走时间。制动空走时间既要针对旅客 列车、货物列车分别计算，还要考虑制动类型( 即紧急制动或常用制动) 。 其具体值与当时所在加算坡道值、速度有关，还与列车长度及车辆类型( 决 定着列车管减压量) 有关。 计算制动空走时间的模型为： 3 5 0 0 8 i j f j 6 + o 0 6 s n ) ( 1 一o 0 2 8 i j ) 4 i + o 0 0 2 r n ) ( i o 0 3 i i ) r 3 6 + o 0 0 1 7 6 r * n ) ( 1 0 0 3 2 i j ) 客车，紧急铡动； 关荔荔”z ，客车，常用翻动：j 货车常甬镪动， 其中，为列车管减压量，n 为机车牵引辆数，为加算坡道。 由于采用等步长法，当坡道较短时，有时空走要跨越两个坡道，此时 空走时间的计算比较复杂，其方法是：先按列车上一次制动缓解所在点计 算列车平均坡道，即： t i 2 f j 0 0 0 h 。 - h t 0 l j + i m ，t 一+ i 。 ( 9 劬t l 一2 8 、 以此为基础，再计算列车从该点起所需的空走时间；接着，按该时间 间隔来近似判断产生有效制动的开始时间。经测试，这样做所造成的误差 是比较少的。 有效制动时间也与列车所在坡道值有关。即： f 。= 而3 瓦0 ( v 丽, - v , ) ( 1 2 9 ) 其中，与屹分别为列车在某一步长内首末点的速度。为列车运 行单位基本阻力o v k n ) ： 1 4 北方交通大学硕士学位论文 旷等等 。， 在计算制动距离时，列车在任意一个步长内的加算坡道均可参照上述 原理计算。得到每个步长末的速度，可作为下一步长计算的基础。这种对 速度的动态取值，可期达到更好的计算精度。 ( 2 ) 地铁模式 在地铁模式下，列车一般是以动车组形式编组，列车的牵引运行、制 动均有较强的整体特性，此时无须分别计算不同类型车辆的阻力。列车制 动力计算较铁路模式要简单。本模拟器设计了两种典型的速度控制类型： 类型1 ：列车减速按给定的减速度计算，不考虑列车所在位置的线路 条件，所取的减速度值就是列车最终的减速度值。列车减速度值的具体确 定，可以考虑与以下两个因素有关： ( a ) 列车当前速度与由当前位置决定的目标速度间的差值。该差值越 大，减速度值愈大。这一差的形成实际上与模拟器的步长有关，因个步 长计算一次，在上一牵引模式或下坡道惰行模式下，间隔愈大，偏离目标 速度的距离就越大。 ( b ) 线路状况，决定于线路加算坡度。当前在上坡道上，坡度值越大， 实际能取得的减速度值愈大，坡度愈小，取得的减速度愈小，因为坡道阻 力一般是与列车运行方向相反的：相反，在下坡道上，线路阻力与列车运 行方向相同，故下坡道值愈大，能取得的减速度应愈小，下坡道愈小，能 取得的减速度值愈大。 这种模式下，速度控制是“撞墙式”的，旦列车因超目标速度而进 入制动模式，列车速度即呈递减趋势。一般情况下可按表11 来确定减速 度值。 表1 1 减速度取值例 i 速度差、加算坡度6 及以上6 o 2 o 2 2 2 及以下 ik k m h 以上 05 m s s- 03 m s s - 0 2 m s s- 0l m s s 上述减速度的取值，考虑了坡道的影响。例如在上坡道上，阻力与列 车前进方向相反，可实现的制动减速度会稍大一些；在下坡道上，阻力与 北方交通大学硕士学位论文 车前进方向相反，可实现的制动减速度会稍大一些；在下坡道上，阻力与 列车前进方向相同，制动减速度的取得应较小一些。 一般地，在列车实际运行中，列车速度达到目标速度或超过目标速度 某一较小值如| ，时，列车将先采用惰行策略，若列车处在下坡，速度继 续增加，则其速度大于某一值k 2 时，进行制动，这种制动是最终的。 在下坡道上，为防止列车频繁地在惰行脯0 动间徘徊，可将制动工况 后的惰行条件确定为低于目标速度某一值m 。这样，列车以制动工况运 行到速度m ，时再改为惰行，若列车速度又回升，则有m ，k 1 的惰行空间； 若列车速度继续下降，则下降到m ：时再实施牵引策略，惰行空间为m ， i t l ，。这一情况如图1 2 所示。 妇 k 1 0 m l i 遭剜 新”4 1 。k ，+ + ” 陪开4 、 i 鲁*l 环 4 l 一 7 一 、一浩静 ， 图1 2 无级调速控制机车工况转换模式 换言之，图1 2 中，i 2 与m ：是惰行转其他手柄位的阀值，而k l 是牵g 力终止阀值，m ，是制动终止阀值。 上述各阀值的确定可由用户决定。具体格式下表所示。 表1 2 各阀值输入表 【值类k lk 2m l m 2 i值 5225 | 由于不考虑线路阻力，减速度一经取定( 负值) ，列车速度将不再上升； 故这种情况适合于线路坡度变化不大、列车重量较轻、机车制动力较强的 铁路。 类型2 ：考虑线路条件的计算模式。此时，减速度值决定于列车的制 动力b ，列车最终速度的确定要考虑环境即列车阻力，即： 1 6 北方交通大学硕士学位论文 b = 母+ g 1 g a ( 1 - 3 1 ) 由于减速度决定于列车制动力，当列车处于长大下坡道时，机车在采 用减速度工况下仍会加速，从而导致列车速度离目标速度愈来愈大。此时， 列车应继续加大制动力，直到速度开始递减并回到目标速度附近。这种情 况下，速度越大，制动力应当越大；其速度特性曲线应如图1 3 所示。 这里，减速度取值有两种模型，一是利用牵引制动特性曲线；一般 无级调速情况下，列车有唯一一条牵引制动特性曲线。其次，列车 通过一定的减速度来取值；具体来说，减速度取值模型可描述如下。 口r w j 2 。瓦v - - v 1 a q e t ( 1 3 2 ) 其中，a m 。为制动系统所能实现的最大减速度 店匀，矿二则为列车最 大允许速度( k m h ) 。 加壤度a 弋 加速奁 惰f区 ii 、 目椅遽自k弼车i 蠡 减速区 图1 3 无级控制制动加速度取值一例 无级调速时，可以在每一步长根据速度情况计算一次减速度。当制动 力不够、列车仍在目标速度之外加速时，它导致的减速度也相应增大。这 里，最大减速度a 一与列车最大允许速度可由用户在模拟开始时指定。 总的来说，无级调速大致适用于列车牵引$ 1 动力较大、列车重量较 轻或坡度变化不大的轨道运输系统。这种情况下，驾驶员对列车的操纵比 较容易实现，但是，这种系统一般是客运系统，对最大加、减速度一般有 一定限制，计算时需要予以考虑。 1 7 北方交通大学硕士学位论文 1 2 组织与控制原理 1 2 1 单列车与多列车 毫无疑问，列车在区段移动的目标是要以最少的代价安全、迅速、平 稳地抵达终点。因此，列车移动过程中有两个显而易见的矛盾体：即能耗 与时间。事实上，它们代表了技术和经济两个不同方面。由于所有机车都 存在一个与设计和制造相关的经济速度( 与机车构造相关联的机车运行费 用较节省时的速度) ，因此，将机车潜力发挥到最大无疑并不总是最经济 的；这种经济主要通过能耗来体现。从前述能耗计算模型中可以直观地看 出：要节能，就应当减少列车移动过程中的制动次数和制动时间，因为制 动无疑是对能源的浪费。但事实上，由于列车移动过程中受力变化情况很 复杂，因素间的影响大多是多重、非线性的。对这种减少的控制是非常困 难的。 因此，在某种意义上，对于单列车牵引计算来说，寻求最少的列车运 行时分可能是最重要的目标。通过模拟方法求出给定机车条件下可能的最 小运行时分，再在此基础上确定列车的区间标准运行时分以作为运行图铺 画的依据。这种时分般是大于前述模拟所得到的区段最少运行时分的， 因为要给日常运输组织工作留有余地，而且，限于经验和注意力，实际上 在非自动驾驶条件下，机车驾驶员并不总是可以实现理想的操纵方案。可 以说，节能问题研究的意义体现在运行图( 时刻表) 给定以后，即在给定运 行图条件下的节能操纵方法的选择才是具有实际意义的。 7 双列车运行的实际就是在计算第二列车运动过程时，要考虑前行列车 对它的约束。在固定闭塞条件下，这种要求或约束是通过地面信号来体现 的；而在移动闭塞条件下则是通过由列车间隔与前行列车速度共同决定的 对后行车的限速来体现。 多列车运行通常需要全面检验铁路运输系统的性能，包括机车牵引、 信号控制、电力供应等。因此，多列车运行不同于单列车运行与双列车运 行，前者是着眼于计算列车区间运行时分，后者则着眼于各种列车之间的 最小运行间隔。在城市铁路中，列车种类相对较少，列车速度大致相同， 北方交通大学硕士学位论文 模拟的重点是列车运行过程中的能耗、最小运行间隔时分的计算等。一般 说来，多列车模拟器的目标包括： ( 1 ) 模拟不同信号模式条件下列车运行过程； ( 2 ) 模拟一定运行图条件下的列车运行轨迹，结论可用于分析运行图 性能( 如抗干扰性能、动态实施可行性、晚点恢复方案等) ； ( 3 ) 模拟不同设备改造( 信号、牵引动力、车站与线路改造) 方案下的 列车运行效果( 时分、能耗) ； ( 4 ) 模拟给定条件下列车最大牵引重量( 困难条件下的列车牵引计 算) ： ( 5 ) 不同条件列车运行组合模拟； ( 6 ) 城市铁路不同运行图方案的节能效果； ( 7 ) 城市铁路折返站最少折返时分、不同折返方案下的列车运行模拟 分析； ( 8 ) 与列车运行相关的系统运营指标的计算。 不难看出：多列车运行过程更加复杂。 1 2 2 列车运行控制的有级与无级 列车运动方程是列车运行轨迹计算的关键。本模拟器设计了两种调速 方式，一是有级调速，适用于城市问铁路运输过程的模拟计算；我国生产 的大功率铁路机车大多是有级的。二是无级调速，多用于牵引重量较少的 铁路，如城市铁路或地铁的牵引计算。 ( 1 ) 有级调速方式 在有级调速条件下，列车牵引力的确定要按照机车运行级位来进行， 而运行轨迹与许多其他环境因素。由于列车的受力取决于列车的状态催 置及速度、机车操纵状态) 及列车所处的环境条件( 线路状况、信号显示等) ， 列车运行计算过程既有静态的因素，又有动态的因素。例如，牵引力、制 动力乃至阻力的取值均与速度有关，以何点的速度为计算依据，涉及到计 算精度。 有级调速时，列车重量较大，机车牵引力一般难以使列车达到线路限 速甚至信号限速。在这种情况下，要充分考虑具体的线路状况及运行要求。 北方交通大学硕士学位论文 大，会导致较大的误差。为避免这种情况出现所导致的可能误差，本模拟 器对每一步长采用三循环计算法，如图1 4 所示。 三循环计算模型虽然计算速度稍慢，但它可以保证在任何步长条件下 均能保证较好的计算精度要求。 有级控制时由于要精确到操纵手柄位，这里有一个问题需要注意：即 列车手柄位的提升速度问题。这是一个实际问题，在加速过程中，列车不 能迅速将手柄位从较低大幅度地快速推至高位。本系统在这里设计了一个 手柄位提升的过渡时间，即提升过程中每一手柄位的滞留时间，该值可由 用户根据情况及偏好自行设定，默认值为1 秒。 当手柄位推至( 局部) 较高位时，驾驶员实际上不能立即将手柄位再降 下来，否则将造成手柄位频繁调整，不符合实际操纵情况。若手柄位提升 后时间很短就迫于限速必须要降手柄位时，则说明原来提升手柄位时不能 提到那个级位水平。本系统设定了一个( 当次) 最高手柄位最少持续运行时 间，该值可由用户自行设定，默认值则设定为2 分钟。 上述两个参数限制了手柄位频繁调整的可能性，从而使模拟计算过程 更接近列车运行的实际情况。 以步长初时列车状态v ，取计算参数 包括牵引力、阻力、制动力 p 计算步长末列车状态，得到v 。值 山 以v = ( v ，+ v 2 ) 2 为基准取值 藿新步长末计算列车位置v 。 山 以v = ( v 。+ 2 ”) 2 为依据取值 再计算步长末列车位置 第一次计算 第二次计算 第三次计算 图1 ，4 等步长中的三循环计算法 由于采用等步长法推进模拟时钟，为防止列车计算过程中不满足下 限速而导致重算，本模拟器的正式开始模拟前要进行模拟过程的初始化工 北方交通大学硕士学位论文 作，从而提高计算过程的效率。 ( 2 ) 无级调速方式 无级调速方法是指通过加( 减) 速度来控制列车运行的方法。这种方法 比较简单，因为无须花很大力气去考虑各种制动参数，如闸瓦类型、制动 系数、充气时间等。 如前所述，无级调速有几种不同类型的调速模型：一是将给出的) j n 减速度直接作为列车运动的最终a n 减速度，不具体考虑列车运行过程中 所处线路的阻力大小；其取值情况如前表1 1 所示。实际上，这种情况下 也简略地考虑了线路条件的状况。二是将给出的i n 减速度仅作为确定列 车牵引制动力的条件，列车运动模型还需考虑阻力等因素。这种情况前 面也已有分析，其制动力取值有两种典型模式。 ( a ) 与线路条件无关的无级调速 在这种无级调速方式下，列车的运行状态( 加速度) 取决于列车速度、 列车所在位置的目标速度以及前方信号状况，它与线路条件变化关系不 大。这种情况一般适合于列车重量较少、牵引力足够用的城市铁路系统。 无级控制时，列车运行状态( 即位黄与速度) 由加速度决定，而加速度 的取值则由列车当前速度与列车运行的目标速度决定。 不难看出，无级牵引时按牵引曲线计算牵引力。惰行时列车的速度变 化0 j n 速度) 则取决于列车当时所受的阻力情况。在实际运用中，用户可根 据需要更改上述设置。一般地，主要是调整速度设置范围。 根据牛顿力学原理，有： f=ma(1-33) 口：兰当 ( 1 3 4 ) t 2 一t ， 当加速度为已知时，列车在下步长的速度可按下式计算： v ，= v + 3 6 口a t( 卜3 5 ) 其中a 为加速度( 米，秒2 ) ，4 t 为步长( 秒) ；v ，、v ：分别为列车在该步 长初、末点的运行速度( k 耐m 。 惰行时，列车牵引力与制动力为零，列车运行速度变化取决于线路条 2 l 北方交通大学硕士学位论文 件。 ! 制动时的情况则如前所述，由所取减速度值来确定，此时，也不再考 虑线路阻力的变化，只是在选择减速度值时参考线路坡道情况。 ( b ) 与线路阻力有关的无级调速 这种情况下，列车的运动还取决于线路条件，即列车运行阻力情况。 如前所述，有两种确定列车力学方程的典型情况，一是按无级列车的牵引 制动曲线取值，此时加，减速度取决于列车当前速度v ，即佰与b 二者取 一) ： 口r v ，：f - b - w( 1 3 6 ) m 根据有级条件下列车阻力的计算模型及前述无级条件下列车牵引， 制动力的计算模型，列车运动方程可描述为： 2 啪+ 口m t ( 卜3 7 ) 二是取定一定的加减速度来决定列车运动方程，即： 坳2 坳+ 【d n w j 一0 r t , ) l 。t ( 卜3 8 ) 其中，_ ，表示步长序号。w 为单位阻力。u i 为列车在j 步长内车长范 围内各段i 的折算坡道，1 l 为列车长度。这里，a ( v , v t a r g e t ) 的取值方法类 似于图2 3 所描述的情形。 具体计算流程仍是前述三步法。这种无级条件下，参数a 的值实际上 已不是一般的加减速度，它的值要较前述无级情形下的值要大。 1 2 3 固定闭塞与移动闭塞 固定闭塞信号系统的概念是在控制系统的发展中由于信号工程的技术 限制而出现的。固定闭塞的概念也有一个漫长的逐渐演变过程：从一百年 前的臂板信号机和分区电报到轨道电路控制的自动闭塞和目前在伦敦地铁 的v i c t o r i a 线及d o c k l a n d s 轻轨上已安装的自动控制系统。在这个发展的 过程中很多系统都已发生重大的修改，并且在安全运行上对人工输入的依 赖也大大减小，但是固定闭塞的概念却保留了下来。因此，固定闭塞系统 成为一种安全、可靠和成熟的铁路运行控制方式。 北方交通大学硕士学位论文 赖也大大减小，但是固定闭塞的概念却保留了下来。因此，固定闭塞系统 成为一种安全、可靠和成熟的铁路运行控制方式。 固定闭塞系统是采用地面固定信号机将铁路线路分成若干个闭塞分 区，每个闭塞分区只能被一列车占用；而且闭塞分区的长度不得小于司机 确认信号和制动停车所需要的距离之和。在所有的固定闭塞系统中列车位 置是通过它所占用的闭塞分区的长度来确定的，因此闭塞分区的长度和数 量就决定了线路的能力。 固定闭塞系统在多年的应用中取得了良好的效果，但是和更先进的系 统相比还存在这很多缺点： ( i ) 因为相邻列车之间的间隔距离通常是多个闭塞分区的长度，这样 就造成了铁路线路设备的空闲程度很大。 ( 2 ) 闭塞分区长度的确定必须按照最不利的列车来考虑，这对许多性 能好的列车是一种浪费。 ( 3 ) 随着科技的发展，列车牵引重量增加和机车车辆性能改善，闭塞 分区的长度可以相应缩小，但是闭塞分区长度的调整却比较困难。 ( 4 ) 运行调整弹性小。尤其在繁忙干线，线路能力利用率较高，而司 机无法确定其前行列车的工况、速度和位置等数据，驾驶完全根据地面信 号的显示，运行调整很困难。 移动闭塞是目前线路能力利用效率更高的列车闭塞方式。与固定闭塞 方式相比，移动闭塞相当于将区间分成了无数个细小的、连续的闭塞分区， 它使得列车间的安全信息传递得更为频繁、及时和详细。因为移动闭塞系 统能够比固定闭塞更优地确定列车的位置和传输列车信息，所以移动闭塞 系统可以根据列车的动态运行确定更小的列车间隔。同样，取消固定闭塞 所需的轨道设备也可以减少维修费用，并且利用列车和路边设备的传输信 息通道也可以传输与列车实时运行有关的操纵信息以提高管理能力和诊断 故障设备。因此，采用移动闭塞系统能够更好的满足铁路的需要。 北方交通大学硕士学位论文 2 列车运行固定闭塞理论及其发展 2 1 固定闭塞 如前所述，固定闭塞系统是采用地面固定信号机将铁路线路分成若干 个闭塞分区，在同一时间点上每个闭塞分区只能被一列车占用；而且闭塞 分区的长度不得小于司机确认信号和制动停车所需要的距离之和。在通常 情况下，地面信号机显示为绿灯，列车才能占用，某些情况当地面信号机 显示为黄灯时，也可以占用，但是在地面信号机显示为红灯时是绝对不能 再前进而占用该闭塞分区的。 固定闭塞的实现主要是靠铁路地面信号系统实旅的。铁路信号系统为 其有效