（计算机应用技术专业论文）基于gpss的编组站仿真系统的研究与设计.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 随着铁路的几次大提速，客运列车的优先对编组站运营系统造成 了不小的影响，其中最主要的就是导致了货车到达的不均衡，容易产 生密集到达的时间段。为此我们需要采取一些新的调整策略，以保证 编组站能保质保量的完成运输生产任务。基于此，本文运用计算机仿 真的方法将计算机操作系统中的进程调度算法来对编组站作业系统 进行优化，以提高编组站的通过能力。 论文以计算机仿真相关理论和技术为手段，主要研究了编组站作 业系统领域相关流程、仿真模型以及实现技术。在仿真方法和模型构 建方面，针对传统模型未能很好解决编组站作业复杂多变的问题，在 排队论的基础上，结合采用进程调度算法来解决这一问题。在仿真过 程中，将编组站仿真系统分为到解和编发两个子系统进行模拟，核心 思想是如何缩短列车等待时间、提高设备利用率，同时兼顾降低运营 成本。基于该仿真系统的特点，论文运用g p s s 仿真语言来实现，充 分发挥了此语言在仿真程序设计上的优势。最后对仿真结果进行统计 分析，可得出在不同条件下的较优决策方案。 论文从实际出发，结合理论分析，运用计算机仿真方法，在编组 站作业系统相关指标的计算和评价方面起到了重要作用；为编组站作 业系统的优化提供了有力依据和科学的方法，对提高编组站运营能力 有着非常重要的现实意义。 关键字：编组站，仿真模型，到解子系统，编发子系统，g p s s 硕士学位论文 a b s t r a ( ? r a b s t r a ct w i t hs e v e r a lm a j o rs p e e di n c r e a s i n gi nr a i l w a y , t h ep r i o r i t yo f p a s s e n g e rt r a i n sh a sm a d eg r e a ti n f l u e n c e so no p e r a t i n gs y s t e mo f m a r s h a l l i n gs t a t i o n t om o s ti m p o r t a n t ，i th a sc a u s e dt h el o r r y sa r r i v i n g u n e v e n ，a n dc a ne a s i l yl e a dt ot h ea r r i v i n gt i m ei n t e n s i v e s o ，w en e e dt o t a k es o m en e wa d j u s t m e n t si no r d e rt oe n s u r et h eq u a l i t ya n dq u a n t i t yo f m a r s h a l l i n gs t a t i o n st a s k s b a s e do nt h i s ，w eu s eac o m p u t e rs i m u l a t i o n m e t h o dw h i c ha d o p tp r o c e s ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nc o m p u t e ro p e r a t i n g s y s t e m st oo p t i m i z et h ee f f i c i e n c yo fm a r s h a l l i n gs t a t i o n ，a n dt oi m p r o v e t h ec a p a b i l i t yo ft h em a r s h a l l i n gs t a t i o n t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h em e t h o d s ，s i m u l a t i o nm o d e la n dr e a l i z i n g t e c h n i co ft h es i m u l a t i o ni nm a r s h a l l i n gs t a t i o nb a s e do nt h et h e o r yo ft h e c o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h es i m u l a t i o nm e t h o da n dm o d e la r e a ，i tb r o u g h t an e ws i m u l a t i o nm e t h o d ：p r o g r e s s s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h en e w s i m u l a t i o nm e t h o dc o u l ds o l v et h ep r o b l e mt h a tt h em a r s h a l l i n gs t a t i o ni s c o m p l e x i nt h es i m u l a t i o n ，t h em o d e li sd i v i d e di n t od e c l a s s i f i c a t i o n s u b s y s t e ma n dc l a s s i f i c a t i o n - d e p a r t u r es u b s y s t e m h o wt or e d u c et h e w a i t i n gt i m eo ft r a i n s ，i m p r o v ee f f i c i e n c yo fe q u i p m e n ta n do p e r a t i o n e f f e c ti st h em o s ti m p o r t a n ti d e a g p s sl a n g u a g e sb a s i cf o r m a t ，b a s i c c o m p o s i t i o n ，o u t p u ta sw e l la sf e a t u r e ss u i tt h es y s t e m ，i ti sa d o p t e di n s y s t e ms i m u l a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tp r e s e n t s t h ea d v a n t a g e so fd y n a m i c p r o g r a m m i n gm o d e l i nt h i sp a p e r h 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rt h a tp r o c e e d e sf r o mr e a l i t y ，c o m b i n e st h e o r e t i c a la n a l y s i s a n du s e st h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nh a si m p o r t a n tf u n c t i o ni nt h ei n d e x c a l c u l a t i n g i t a l s oh a sp r o v i d e das c i e n c em e t h o df o r m a r s h a l l i n g s t a t i o n sm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：m a r s h a l l i n gs t a t i o n ，s i m u l a t i o nm o d e l ，d e c l a s s i f i c a t i o n s u b s y s t e m ，c l a s s i f i c a t i o n d e p a r t u r es u b s y s t e m ，g p s s 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：赵盆是日期：型年上月土日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：盘查圣导师签名幽日期：业年月立日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 仿真技术是以相似原理、信息技术、数学建模及其应用领域相关的专业技术 为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的 系统进行试验研究的一门综合性技术n 1 。该技术综合了计算机、网络技术、图形 图像技术、多媒体、软件工程、信息处理和自动控制等多个高新技术领域的知识， 它不仅仅应用于产品或系统集成后的性能测试试验，而且可应用于产品研制的全 过程。 随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术已发展为一门利用计算机软件 模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可 多次重复使用的优点，已经成为许多复杂系统( 工程的，非工程的) 进行分析、设 计、试验、评估的必不可少的手段。计算机仿真的应用开始于航空航天、原子反 应堆等造价昂贵、设计建造周期长、危险性大、难于实现实际系统试验的少数领 域，逐步发展到应用于电力系统、石油工业、化工工业、冶金工业、机械制造等 一些主要的工业领域，到现在已经进一步扩展到社会系统、经济系统、交通运输 系统、生态系统等一些非工业领域，计算机仿真技术已经成为任何复杂系统特别 是高技术产业在论证、设计、生产试验、评价和检测产品时不可缺少的手段，已 经成为研究大规模、复杂系统的有力工具，应用领域越来越广，技术手段越来越 先进。 在铁路的不断提速和车辆增多的前提下，可将计算机仿真技术应用到编组站 系统的设计和优化中来满足编组站的一系列实际需求口，。编组站仿真系统的研究 就是以数学仿真模型为依据，结合具体的数据和要求，利用计算机仿真技术来提 高编组站的通过能力、设备利用率和降低运营成本，这对国民经济的发展起着举 足轻重的作用。 1 1 系统仿真概述 仿真是指通过试验的方法去研究一个已经存在的，或者是正在研究设计中的 某个具体问题。在计算机出现以前，人们只能采用物理仿真，那时的仿真技术附 属在其他有关的学科之中；随着计算机的问世及其技术的不断发展，在仿真领域 也出现了大量的理论、方法和技术，仿真也逐渐形成了一门独立的学科曲。 1 1 1 计算机仿真 数学仿真的基本工具是计算机，通常又将数学仿真称为计算机仿真。按照所 硕士学位论文 第一章 绪论 使用的计算机种类不同，可以将计算机仿真分为模拟计算机仿真、数字计算机仿 真和混合计算机仿真。 目前各个研究领域的仿真大多是指计算机仿真，计算机仿真是根据被研究真 实对象的系统模型，利用计算机进行实验研究的一种方法。而计算机系统仿真过 程就是建立系统仿真模型并通过模型在计算机上的运行来对模型进行检验和修 正，使模型不断趋于完善的过程，其实质就是建立仿真模型和进行仿真实验的技 术，作为一种研究方法和实验技术直接应用于系统研究，计算机仿真也是一种利 用相似与类比的关系来间接研究事物的方法h 1 。 仿真是一种利用相似原理进行间接实验的有效方法，在解决问题时有着费用 低、限制少、便于推广、可重复性高及易于进行真实系统难以实现的各种实验等 独特的优越性，但不是任何问题的一开始都要选择仿真的方法来解决，在选择时 必须根据问题本身的负责性，结合仿真自身的特点加以综合考虑。在难以建立用 解析方法求解的数学模型时，根据系统的特定情况，分析对于该系统使用仿真方 法的利弊，从而做出是否使用系统仿真方法的结论。 仿真方法，即模型研究方法，是一种基于相似原理的模型研究方法，经历了 从直观的物理模型到抽象的形式化模型( 数学模型) 的发展过程喁3 。2 0 世纪计算机 的出现导致了现代仿真技术，即系统仿真技术的产生。一个被广泛认同的系统仿 真定义是：在计算机上建立系统模型，通过运转和实验这个模型以研究一个现存 的或虚拟的系统1 。 现代仿真技术包括两大特点，一是将研究对象视为一个系统，二是以计算机 作为系统模型的载体。因此，系统仿真的方法论是与系统学和计算机科学紧密相 联的。系统论的先驱者贝塔朗菲认为“不同领域中表现出结构上的相似性或同构 性可以看作一般系统论形成的重要依据。系统仿真方法的基本原理正是基于客 观世界中系统之间的相似性或同构性，基于这一系统属性来建立系统模型并通过 研究模型达到研究系统的目的。模型也是一个系统，它与原型系统之间具有相似 性或同构性。计算机技术的发展对于现代科学工程方法的发展是一次革命，对仿 真而言，计算机的应用使模型研究的复杂性和灵活性都获得了质的飞跃口1 。 组成系统仿真的三个要素是系统、模型、计算机。而将三个要素结合在一起 的相应研究过程是系统建模、模型程序化及仿真实验和分析。在这一基础上形成 了系统仿真方法学的三个分支：仿真建模方法学，包括演绎推理、归纳推理；仿 真语言构造方法学，包括连续系统仿真方法和语言c s s l ，离散事件仿真方法和语 言d e s l ，混合仿真语言h c s l 随1 ；仿真试验支撑环境构造方法学，包括集成化仿真 环境( i s e ) 、分布式仿真环境( d s e ) 、虚拟仿真环境( v s e ) 和互联网仿真环境( w s e ) 。 传统的系统仿真方法学主要是面向工程系统，如航空、航天、电力、化工等， 2 硕士学位论文第一章绪论 一般说来，这类系统具有良好定义和良好结构，具有充分可用的理论知识，可以 采用演绎推理的方法建模。而复杂系统仿真主要是面向社会、经济、生态、生物 等这些十分复杂的非工程系统，或者是交通运输等人为干扰因素大的工程系统。 仿真这些复杂系统的难点主要在于系统的病态定义和病态结构，以及没有充分可 用的理论和先验知识。传统系统仿真方法中的建模，其侧重点是对形式化模型进 行演绎推理、实验和分析，这显然具有工程技术的特点。而在复杂系统仿真方法 中，研究的侧重点是解决如何建立系统的形式化模型，建立一种抽象的表示方法， 以获得对客观世界和自然现象的深刻认识嗍。 1 1 2 系统的特点与分类 系统就是由多个相互依赖、相互作用、共同配合实现预定功能的要素组成的 有机集合体，具备集合性、关联性、目的性和环境适用性等特点h 们。一个系统由 两个或两个以上的有效工作环节( 子系统) 组合而成，各子系统具有一定的独立 性，同时又相互关联和影响，实现特定的功能。在复杂的管理系统中，我们可以 在科学的定性分析和定量分析的基础上，抽象为与之对应的数学逻辑模型，并且 依据管理决策的具体目的和任务，确定系统优化的目标函数，然后运用现代数学 方法和计算机仿真技术，求出最优解或者次优解，得出系统的决策方案。 按照系统状态的变化与时间的关系，可以将系统划分为连续性系统和离散性 系统。前者是指系统状态随时问呈连续性的、光滑性的变化；后者是指系统状态 随时问呈间断性的变化，也即系统状态仅在有限的时间点发生跳跃性的变化。 按照系统某时刻状态的确定性与否，可以将系统划分为确定性系统与随机性 系统。确定性系统是指系统在某一时刻的新状态完全由系统的以前状态以及相应 的活动所决定，它的输出结果可以预知。随机性系统是指在既定的条件和活动下， 系统从一个状态转换成另一个状态，不是确定性的，而是带着一定的随机性质。 大多数的管理系统都属于随机性系统，但它们还是会遵循一定的统计分布规律， 我们可以运用数理统计和随机过程的理论对其进行研究1 。 一般说来，对于随机性系统尤其是复杂的管理系统，运用数学解析法非常困 难，甚至根本就解决不了，而计算机系统仿真在这方面则可以显示出优越性与可 靠性n 2 】。 1 2 编组站仿真系统研究现状 如何建立仿真模型、构造仿真模型算法，以及如何使仿真结果能够在运输生 产现场发挥作用是铁路运输领域仿真研究的关键问题，国内外在这些方面都有大 量的研究。 3 硕十学位论文第一章绪论 1 2 1 国内外相关研究现状 目前国内关于编组站系统的研究现状主要涉及编组站运营影响因素分析n 羽、 利用模拟方法确定车场线路3 、编组站模拟培训系统等领域n 引。国外在铁路仿真 领域的研究工作主要集中在铁路路网能力仿真n6 | 、客运线网优化仿真n 、车辆结 构仿真n 盯、轮轨关系仿真等专题仿真研究方面n9 1 ，并且取得了一定的成果和较大 的经济效益啪1 。比较成功的铁路仿真系统有英国i n c o n t r o l 研究所和r a i l i n e d 等铁路部门合作研究的s i m o n e 铁路路网能力仿真系统、s y s t r a 公司开发的 r a i l s i m 铁路线路能力优化仿真系统、a e a t e c h n o l o g yr a i l 公司开发的v a m p i r e 轮轨关系仿真系统等。 在编组站仿真研究领域，国外已有一定的基础，在欧美及日本等国，其编组 站仿真研究主要是为测试编组站自动化系统服务。由于国外铁路运输能力与运输 需求矛盾并不像我国这么突出，而且其铁路运输客货分线，规律性较强，因此其 研究侧重于各类实际应用中自动化软件系统的研制与开发口。比较成功的软件系 统有瑞士的o p e n t r a c k 、斯洛伐克的v i r t u o s 、英国的v i s t a 等。而在前苏联这 方面的研究起步较早，上世纪六七十年代前苏联已有理论阐述编组站运营系统仿 真问题，然而由于欧美及前苏联的铁路运力强大，因此该领域的研究对于实际的 铁路运输生产来说产生的作用不如我国明显嘲。 1 2 2 既有研究存在的问题 通过国内外研究现状分析可以发现，国外研究成果主要侧重于实际自动化系 统的研究开放啪1 ，相关的仿真系统与国外的铁路运输实际情况吻合，对于我国编 组站复杂的运营环境而言不能很好的适应。这些研究都是基于统计性能层次的， 研究内容相对而言比较理想化。在上述研究现状中，尚存在如下问题：研究未涉 及或者未能很好解决编组站运营环境复杂多变问题；仿真结果与运营实绩数据存 在差距；编组站运营过程中的各类信息在仿真中的未能很好地加以利用。 对于编组站运营系统这样个带有一定复杂性的离散事件系统而言，如何建 立仿真模型、构造仿真模型算法，以及如何使仿真结果能够在运输生产现场发挥 作用是铁路运输领域仿真研究的关键问题。 1 3 计算机仿真在编组站作业系统中的作用与特点 在铁路日常运输工作中，由于车流的经常变化和列车的不均匀性，使得在编 组站的到发列车车次、各次列车达到时刻、车列集结完了时刻等都具有一定的随 机性嘲1 ；同时，由于每- - y , 车编成车数、车辆技术状态和编组要求等不尽相同， 列车的到、发作业，解体和编组作业等时间，每列也不完全相同，因此编组站系 4 硕士学位论文第一章绪论 统就具有一定的复杂性。我国编组站作业计划长期以来，都是依靠调度人员手工 编制，近年来，随着列车车次的增多，车速的提高，给编组站手工作业方式带来 了很大的难度，大量数据的处理必须借助计算机来完成。因此，利用计算机技术 来仿真编组站作业系统具有重大的现实意义：有利于提高编组站作业计划的速 度，减轻计划编制人员的负担，增强计划的市场适用性，有利于实现铁路列车调 度指挥的科学化、现代化，同时，也能对我国铁路智能化发展起到积极引导和推 动作用踊1 。计算机仿真技术在铁路编组站作业中的实质体现为以下几点： 计算机仿真是一种对问题求数值解的技术：在系统研究中，我们常常给出一 系列关于系统如何工作的假设，并把用数学公式或逻辑关系描述的这些假设构造 成模型，然后利用这种模型进行实验以取得对系统行为的了解。如果构成模型的 关系比较简单，那么就有可能用各种数学方法( 如代数、微积分、概率论与排队 论等) 来得到问题的解析值，然而，由于大多数编组站作业系统太复杂，不允许 分析计算实际模型值，因而这些编组站通常要用模拟方法来研究，由数字计算机 在所研究的时间范围内从数值上来估量模型，并依据得到的数据估算模型各种期 望的真实特性。 计算机仿真是一种人造的实验手段：通过仿真我们能够对所研究的系统进行 各种实验。它和在现实系统中进行实验的主要区别在于仿真实验依据的是系统的 模型以及相应的人造环境。比如说：在随机服务系统的研究中，特别是对于系统 运行受到系统组织者不断调整( 控制) 的一类排队系统，计算机仿真处理这类问题 采用的是一种全新的思想，力图充分发挥人和计算机各自的优势。人具有直觉， 思维方式非常灵活，在寻找复杂的因果关系时可以凭直觉与经验暂时去掉一些枝 节，比较敏锐的给出一个模型结构的框架。而计算机比较机械、死板，它要按一 定的程序办事，如果关系比较复杂，有很多可能的结构时，它要试遍所有的结构 之后才会判断出合乎实际的结果。但是，人也具有局限性，如果系统涉及的方面 很多，或者在运动变化着，人脑便不易于同时顾及到系统的各个方面，或者跟踪 系统变化的每一细节。而计算机的内存很大，又有高速运算与逻辑判断能力，所 以它能同时顾及到系统各个方面的结构和易于展现系统动态变化的具体细节。因 此，解决这类有控随机系统的仿真，主要是凭借人们自己的直觉、思维与推理， 利用数学逻辑关系一块的构造包含决策过程的系统仿真模型，然后将模型程序 化，通过计算机中运行程序来直接模拟系统的动态进程。从某种意义上来说，计 算机仿真必然要利用人工智能所取得的成果，并朝着智能化的方向发展哺1 。与其 它一些定量分析方法相比，计算机仿真技术在编组站作业系统中还具备以下几个 方面的特点。 仿真时间的可伸缩性：使用仿真技术可以把几个月甚至几年的客观系统的活 硕士学位论文第一章绪论 动在几分钟甚至几秒内模拟出来。另外，通过适当的安排，仿真也可以对真实系 统中变化的细微情节“放宽时间 进行研究。 仿真运行的可控性：在仿真模型运行过程中，可以根据需要随时暂停模型的 运行，并得到暂停运行时的各项统计数据，以取得系统发展中任一阶段的有关信 息，并且不会影响最终的试验结果。 仿真试验的优化性：仿真可以在不同条件下多次重复一项试验。在运行当中， 除决策变动外其它一切不变，从而得出相对的最佳决策。这种只改变相关因素而 其它条件保持不变的试验优化性，在比较分析系统的相关因素时能发挥极大的作 用。当然，仿真技术也有着其它的局限性，主要表现为：仿真结果只是针对各个 不同的具体决策，通过反复试验比较得出的一个较好的结论，但不能保证是最优 的；仿真仅仅是一种评价性的技术，不能自己产生决策，产生方案；在仿真试验 运行中，通常要使用大量的随机数，这些随机抽样也会造成结果的误差，这种误 差在其它定量分析技术中是不存在的。 1 4 本文的主要方法与创新点 本文通过对编组站作业流程的分析，挖掘出编组站具有动态变化的复杂性， 为此建立编组站仿真模型来实现作业系统的优化；在兼顾编组站设备利用率和运 营成本的前提下，重点研究了c p u 进程调度算法在编组站仿真系统中的应用，从 而实现仿真模型的求解；在仿真系统实现过程中，充分利用了g p s s 仿真语言在 仿真时的优越性：如多种随机变量函数的直接调用、模块的实时检测、输出的标 准化、语言结构简单等。 1 5 本文的主要工作与组织 本文重点研究了编组站仿真系统的作业流程和仿真模型，并利用计算机仿真 技术与数学建模来解决系统中一些复杂的问题。全文共分六章，各章内容简介如 下： 第一章：描述了系统仿真的特点与作用，编组站仿真系统的研究现状以及本 文的主要方法、创新点和全文的组织工作。 第二章：介绍了编组站基本理论、设备特点和系统仿真的基本方法。 第三章：针对编组站仿真系统的复杂性，研究了编组站作业流程和输入流特 点，对编组站仿真模型的建立和求解过程进行了全面的分析。 第四章：介绍了计算机仿真语言g p s s 和排队理论。 第五章：完成基于g p s s 的编组站仿真系统的设计与实现。 第六章：对编组站仿真系统的结果进行统计分析，比较不同决策方案的优劣 性，以及对未来研究工作的展望。 6 硕士学位论文第二章编组站作业原理及其系统仿真 第二章编组站作业原理及其系统仿真 编组站仿真系统是根据车站的设备状况、作业组织方式、车辆作业过程、编 组计划等条件下进行的模拟，实现一定的目标。要使仿真系统与编组站实际情况 尽可能的保持有效性与可靠性，需要清楚编组站的基本理论和作业原理，同时运 用科学的系统仿真方法。 2 1 编组站基本理论和作业原理 2 1 1 编组站的作用及任务 编组站是铁路网上办理大量货物列车解体和编组作业，并设有比较完善调车 设备的车站。编组站是按照列车编组计划的要求，编解各种类型的列车，而且多 数是直达列车和直通列车，为合理的车流组织服务，从这个意义上讲，编组站实 际上就是一个编组列车的工厂。归纳起来，编组站在路网上和枢纽中的主要任务 和作用如下1 ： 1 解编各种类型的货物列车； 2 组织和取送本地区的车流小运转列车； 3 设在编组站的机务段，还需供应列车动力，以及整备、检修机车； 4 设在编组站的车辆段及其下属单位( 站修所、列检所) 还要对车辆进行日 常维修和定期检修等。 2 1 2 编组站作业设备的特点 编组站的作业是指办理列车的接发、解编，机车的供应或换挂，列车的技术 检查及车辆的检修等，其主要作业环节是大量办理列车的解体和编组。为了完成 编组站的作业任务，编组站应配备的主要设备如下啪3 ： 1 调车设备，包括调车驼峰、调车场、牵出线、辅助调车场等几部分，用以 办理车列的解体和编组作业。该项设备是编组站的核心设备，无论在数量上和技 术装备上，规模都比较大和更为完善。 2 行车设备，即接发货物列车的到发线，用以办理货物列车的到达和出发作 业。根据其作业量的大小和不同的作业性质，可设置到发场或到达场、出发场。 3 机务设备，即机务段。编组站一般应设机务段，且规模比较大，供本务机 车和调车机车办理检修和整各作业。为了减少另一方向列车机车出入段走行公 里，必要时，还可修建第二套整备设备。 4 车辆设备，包括列检所，站修所和车辆段。 7 硕士学位论文 第二章 编组站作业原理及其系统仿真 2 1 3 编组站布置图及主要类型 编组站的主要工作，是进行列车的解编作业，而列车的到达、解体、集结、 编组和出发等一系列作业过程，又是在编组站的各个车场上完成的。因此，到达 场、调车场、出发场就成为列车改编作业的主要场地。调车设备是编组站的核心 设备。调车设备的数量与规模及各车场的相互位置，就构成了编组站不同形式的 布置图啪1 。 凡以一套调车设备为核心，配合到、发车场组成的车站图型，称为一个改编 设备系统的布置图。由于它的驼峰调车方向是与主要改编车流运行方向一致，所 以也简称为单向布置图。而设有两个改编系统时，在一般情况下，两个系统的主 要驼峰应顺着各自的主要改编车流运行方向，故这种布置方式又称为双向布置 图。 上、下行到发场与编组场并列配置时，叫做横列式布置图。所有主要车场顺 序排列时，叫做纵列式布置图。部分车场纵列、另一部分车场横列的，叫做混合 式布置图。 我国编组站布置图的基本类型，归纳起来共有六种。即：单向横列式，单向 纵列式，单向混合式；双向横列式，双向纵列式，双向混合式。其他类型都是在 这个基础上派生的，并且数量很少。 我国铁路现场对编组站图型有所谓“几级几场的称呼。“级 是指车场排 列形式，一级式就是车场横列，二级式就是到达场、编组场纵列，而三级式即到 达场、调车场、发车场顺序排列。“场”是指车场，站内有几个车场，就叫几场。 三级三场纵列式编组站是比较常见的。这种编组站在作业上的主要特点是：所有 衔接方向到达的改编列车都接入一个共同的到达场，列车的解编作业集中在一个 共同的调车场，发往各个方向的列车，也是在一个共用的出发场上办理，到达场、 调车场和出发场是顺序配置的。 采用三级三场布置图有许多优点：首先为各方面到达改编的车流创造了良好 的作业条件。列车的到达、解体、编组、出发都是顺序进行的，形成“流水式 作业。因此改编能力较大，另外，全站只有一套调车系统，使车站作业自动化方 案大为简化，有利于实现编组站现代化。其缺点是反向改编车流的走行公里增加； 需要有较长的站坪( 大约6 8 公里) 。 2 1 4 调车设备 铁路编组站的主要任务，是对货物列车进行解体和编组，其运营特征集中反 映在解体和编组的调车作业过程中。而调车作业的效率与安全，除了与调车人员 的技术水平和熟练程度有关外，主要取决于车站所采用的调车设备和技术设施。 硕士学位论文第二章编组站作业原理及其系统仿真 调车工作按使用的设备不同，分为牵出线调车和驼峰调车两种瑚1 。 平面牵出线，基本是设于平道上，调车时，车辆溜放的动力是靠调车机车的 推力。牵出线设于调车场尾部，适合于车列的编组作业。 铁路驼峰，系骆驼的峰背而得名。调车时，车辆溜放的动力以其本身的重力 为主，调车机车的推力为辅。驼峰一般设在调车场头部，适合于车列的解体作业。 驼峰的范围是指峰前到达场( 在不设峰前到达场时为牵出线) 与调车场之间 的一部分线段，如图2 - i 所示。包括推送部分、溜放部分和峰顶平台等。 迂回线 锄一 禁荔芝锄黝 钐么么髟少、蝴罗尹乃 推送线 磷n 当受； _ ，r l 凸 峰 顶 牟洋盘托，c - l 一 了止l c 玎p y j r r 计 算 停 车 点 图2 - i 驼蜂组成图 1 推送部分：是指经驼峰解体的车列其第一钩车位于峰顶时车列全长所在的 线路范围。设置这一部分的目的是为了使车辆得到必要的位能，并使车钩压紧， 便于摘钩。 2 溜放部分：由峰顶至编组场头部各股道警冲标后1 0 0 米( 对机械化驼峰) 或5 0 米( 对非机械化驼峰或简易驼峰) 处的线路范围。这个长度叫做驼峰计算长 度，计算长度的末端叫做驼峰的计算停车点。因为各调车线的警冲标不在同一横 向位置上，所以每一调车线各有一个计算停车点( 该点只是计算的根据，在现场 并无任何标志) 。 3 峰顶平台：推送部分与溜放部分的连接处，设有一段平坦地段，叫做峰顶 平台。 驼峰调车场调速工具，是为了提高驼峰的改编能力，保证作业安全所必需的 设备。目前，我国铁路上常用的调速工具有手闸、制动铁鞋和车辆减速器等。在 机械化驼峰上，除调车场内使用铁鞋制动外，在驼峰溜放部分均采用由驼峰值班 9 硕士学位论文 第二章 编组站作业原理及其系统仿真 员操纵的车辆减速器。而在自动化驼峰上，是根据解体车辆的走行性能、重量、 预定的停车地点以及溜放速度等条件，由自动化装置控制减速器的制动能力。 驼峰自动化是强化铁路编组站最有效的措施之一，也是编组站现代化的主要 内容和重要标志口。驼峰调车作业的自动化，不仅能提高驼峰作业效率和编组站 的改编能力，而且能保证作业安全，改善劳动条件和减轻劳动强度。驼峰自动化 主要包括： 车辆溜放速度的自动调节和自动控制，车辆溜放进路的自动选排和自动控 制；驼峰机车推送速度的自动调节和自动控制；摘解风管和提钩作业的自动化等。 上述几项内容中最主要的和最关键的是车辆溜放速度的自动控制，它是驼峰自动 化的核心内容阳别。 车列在驼峰编组站进行解体作业时，为了保证安全和作业的要求，必须在一 定地点设置调速工具，根据需要对车辆的溜行速度实行调节，使之符合运营要求。 调速的任务有两个： 1 间隔调速：保证在任何溜放过程中前后钩车之间有足够的间隔，以能安全 转换道岔和减速器，并防止前后钩车进入相邻线路时在警冲标处的侧面冲突，这 种调速功能称之为间隔调速。 2 目的调速：保证各钩车溜到调车场指定地点，或与停留车安全连挂，避免 超速连挂和过大的“天窗”。这种调速功能叫做目的调速。 现代科学技术的成就，特别是电子学、自动控制理论和计算机技术的飞跃发 展，为实现车辆溜放速度的自动调节和自动控制这一目标创造了条件1 。 2 2 仿真模型的建立方法 模型是系统的一种描述，是为研究目的而开发的对真实系统进行模拟的一种 形式。模型应当是有效的，以便使用模型产生的各种判断就像实际系统试验所得 来的判断一样。为了构造一个客观系统的模型，首先要对所研究的系统进行观察， 获得概念，形成认识，然后再将这种认识抽象出来，并用某种信息的形式做出描 述。从这种观点看，模型可以定义为一个系统的信息集合。在物理模型中，信息 具体体现为模型的物理特征。在数学模型中，信息表现为解析式或数值方程的形 式。而在仿真模型中，信息一般表现为逻辑流程图的形式。 借助于流程图或计算机语言，对系统的诸要素及其互作用进行描述，这个过 程称为计算机仿真的模型化。模型化的产物( 逻辑流图或计算机程序) 称为原系统 的仿真模型。为了构造一个有效的仿真模型，有必要根据研究目的，并通过对系 统的分析从以下几个方面对系统进行抽象m 3 。 硕士学位论文第二章编组站作业原理及其系统仿真 2 2 1 确定系统的范围与组成 模拟一个系统时，先要清晰的定义系统的范围或边界。实际上，系统的含义 取决于具体的研究目的。在编组站作业仿真系统中，所研究的范围就是由编组站 的基本任务所决定的：列车的到达、解体和出发就构成了整个系统的框架。我们 称构成系统的要素为实体，实体有永久和临时之分，永久实体在模拟过程中始终 存在，临时实体在模拟过程中可以产生和消除，比如说，编组站中的股道、线路 就属永久实体，到发的各路列车就属于临时实体；实体又有固定与流动之分，在 随机服务系统中，通常表现为服务设施与服务对象两大类。对于比较复杂的系统， 就需要采用分而治之的思想将其分成若干个相互联系的子系统，然后再确定它们 的组成实体。 2 2 2 定义系统的参变量集合 在仿真模型中，定义实体的特性为实体的属性。每一个实体可能有多个属性， 需要根据研究目的确定它们的取舍。属性又可以进一步被划分为参量和变量两大 部分。参量是指在一次模拟试验中不随模拟时间的推进而发生数值变化的一类属 性。对于一个简单的排队系统来说，服务台、队列的数目，以及排队规则都属于 该范畴。在管理类系统的模拟中，参量往往被用来作为决策变量，相应参量的取 值，就构成一个新的决策方案，然后通过计算机仿真试验对该方案做出定量评价。 变量是指在一次仿真试验中随模拟时间推进其取值不断变化的一类属性。如 排队系统中顾客到达的时间间隔，系统的顾客数量，服务台的使用状态等。变量 可以分为外生变量和内生变量。外生变量又称输入变量，它起源或产生于系统的 外部，即由外部原因引起的。内生变量是在系统的内部产生的，即由内部原因所 引起的。内生变量又进一步划分为状态变量和输出变量，分别记录各时间点上系 统状态变化和输出的结果。 2 2 3 确定事件类型及其发生时点 在仿真模型中，通常使用术语“事件来表征使系统状态发生变化的一种行 为或瞬间事变。例如：一辆公共汽车在行驶时，车上的人数是不变的，但只要一 到车站，有上车或下车的行为发生，车内的人数就可能发生变化。出现事件的时 点称为事件时点，模拟的进行就是在这些事件时点上对系统的状态变量值加以改 变，使其由前一种系统映像演变为相继的后一种系统映像。 按照相应事件时点呈现的规律性或事件发生的条件，可以将各种事件划分为 基本、条件和半基本事件三大类嘶1 。所谓基本事件是指独立发生，即不受其它事 件是否发生影响的一类事件，例如简单排队系统中的顾客到达事件，与这类事件 硕：卜学位论文 第二章编组站作业原理及j e 系统仿真 对应的事件时点通常是一个随机变量。条件事件的发生往往要受到其它事件是否 发生制约，如排队系统中顾客开始接受服务事件，只有在前一顾客结束服务事件 已发生，即服务台已空闲的前提下才有可能对下一顾客开始服务。半基本事件亦 称半条件事件，它们的发生时间既要受到其它事件是否发生的影响，又有一定的 独立性。如顾客结束服务事件，其发生时点要受到开始服务事件发生时点的影响， 又因服务时间通常是一个独立的随机变量，因而具有一定的随机性。明确了事件 的类型，在仿真模型中就能有效的确定各种事件时点，进而通过时钟模拟不断安 排和处理相应的事件，对系统的状态进行动态写照，形成仿真过程。 2 2 4 设置模拟时间推进机构 为保证系统仿真持续进行，需要有一个机构把模拟时间从一个时间值拨到下 一个时间值。通常把仿真模型中给出模拟时间当前值的变量叫做模拟时钟，它起 着控制整个模拟进程的作用。模拟时钟的推进有两种主要的方法，即时间步长法 和事件步长法。 a b c d 2 e f ( a ) 0 ab c d = ef j lj ljljljl s 1 s 2s 3s 4 s 5 t 图2 - 2 模拟时间推荐方法 所谓时间步长法，就是以制定时间增量为一个模拟单位时间，并采用它作为 步长，一步一步地推进模拟时钟。模拟时钟每前进一步，对系统的状态按照预定 的规划和目的进行一次考察、分析、计算和记录，一直到预定模拟时间结束为止。 图2 - 2 ( a ) 表示了时间步长法的机理。图中，a 、b 、c 、d 、e 、f 为依次发生的离 散性事件时点，其中d 、e 为同时发生的事件时点，s l 、s 2 、s 3 、s 4 、s s 为模 拟时钟依次推进的时点。显然，s 1 = t ，s 2 - - 2 t ，s 5 = 5 t 。在每次更新模 拟时间之后要检查在相应的步长( t ) 内是否发生了事件，若有，则将在该区间发 生的事件移至该区间终点处理。如将a 移至s 1 处理，b 和c 移至s 2 处理。显然， 1 2 硕士学位论文第二章编组站作业原理及其系统仿真 这样的处理会导致计算误差。缩短步长可以减少误差，但会增加计算机模拟运行 的时间，对此应权衡利弊。 采用事件步长法构造模拟模型时，模拟时钟的推进不是等间隔的步长，而是 不等间隔的事件步长，即以各事件发生时间点相互间隔的时间作为步长。由于系 统的全部状态仅仅在各个事件时点才有变化，系统中不活动期间可以通过模拟时 钟从一个事件时点跳到另一个事件时点而被跳过。图2 - 2 ( b ) 表示了事件步长法 的机理。图中，岛、s 2 、s ”s 4 、黾为模拟时钟依次推进的时间点，即氏= a ， s 2 = b ，s 3 - - c ，s 4 = d ( e ) ，s 5 = f 。为打破多个事件同时发生而出现的僵持局 面，还需要设定这些相互重叠事件处理顺序的规则。一般说来，用事件步长法构 造的仿真模型，计算机运行模型的时间较短。但对大而复杂的系统，因事件发生 过于频繁，用时间步长法则较为方便。 2 2 5 确定各类事件与状态变量的数学逻辑关系 由于系统的状态变化是系统中实体的活动及实体间的相互作用的结果，因而 要建立一个有效的仿真模型就必须对实体的活动及它们之间的相互关联进行科 学的定量和定性分析，揭示它们的数学逻辑关系。为构造方便起见，通常采用的 方法是通过定义事件的发生来描述实体的活动，并构造实体之间的各种关系。显 然，事件的发生来自主动实体的某种行为，它将引起被动实体与系统的某些描述 变量取值的变化。如排队系统中顾客的到达，要引起系统中顾客人数( 系统描述 变量) 的增加，其数量变化表现为一种简单的函数关系。进一步考察到达事件发 生的影响，不难发现，当服务台使用状态( 实体描述变量) 为空闲状态，且系统队 长( 系统描述变量) 为零时，它要引起服务台使用状态取值的变化，否则，要引起 排队长度取值的改变。这种不同条件下相应变量取值的变化表现出一种数学逻辑 关系。对于一个复杂系统的构模，应列出一份反映各类事件与描述变量的逻辑关 系表( 关系矩阵) ，并进一步给出相应的函数或数学逻辑关系表达式，定义它们的 取值范围。这样，在选择好模拟时钟的推进方式之后，就能较好的完成仿真模型 中状态转移函数的描述啪1 。 2 2 6 确定约束条件与目标函数 约束条件体现了对变量数值或可供分配与消耗资源的限制，如生产能力、运 输能力、资金、设备等方面的限制。目标函数是评价系统仿真工作成果的准则。 随着决策策略以及系统仿真目的的不同，目标函数可以是单目标的或多目标的。 通过仿真模型拟定模拟试验，我们能够依据目标函数来获得优化系统的较优解。 比如在一个管理系统中，常用的目标函数可能由以下一些因素来组成：最大利润、 最高生产率、最低产品成本、最小生产费用、生产均衡性等。在编组站仿真系统 1 3 硕士学位论文第二章编组站作业原理及其系统仿真 模型中，在保证设备利用率和运营成本的前提下，主要考虑以车列的停留时间为 目标函数。 1 4 硕士学位论文第三章编组站仿真系统模型研究与分析 第三章编组站仿真系统模型研究与分析 现实生活中列车的到解与编发往往具有某种随机性，编组站仿真系统模型的 构造必须考虑这些不确定因素的影响。为使系统模型最大程度逼近编组站的实际 情况，需要在建立数学逻辑模型的基础上，采用决策优化领域中的约束机制和计 算机科学领域中的进程调度算法来解决问题。 3 1 编组站作业流程分析 编组站作业过程包括到、解、编、发等内容吲，可将其视为一个串、并联混 合式多级随机服务系统，通过建立模型来仿真列车到达编组站所经历的各个作业 过程，但是由于系统的复杂性，单纯的排队论无法解决整个系统的求解过程，所 以将其分割成到解与编发两个子系统分别进行计算分析，利用以局部最优替代整 体最优的方法来进行仿真实验。 3 1 1 编组站到解子系统作业流程 编组站到解子系统通常包括列车进站、检修( y u 检、修理) 、解体( 连挂、推 送、溜放、整理) 等作业嘲。由于仿真是对具体作业过程进行模拟，因此还要对 编组站到解系统流程进行分析。为了使仿真模型具有更好的代表性，我们需要尽 可能全面地描述编组站到解系统的功能。通过分析，得到编组站到解子系统流程， 如图3 - 1 所示，为编组站到解子系统最基本的流程图。 由图可知，建立模型所需要的数据主要有：列车到达时间间隔、列车列检时 间、列车的车辆数、列车的车组数、列车检修的时间、连挂列车时间、推送列车 时间、溜放列车时间和整理列车时间等例。而在实际过程中，推送列车和溜放列 车都是在驼峰中进行的，因此可以将它当作一个过程来处理，这样既可以简化模 型，又不会影响仿真结果。 1 5 硕： 学位论文 第