（交通信息工程及控制专业论文）闭塞分区设计软件的研究及实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 摘要 目前，我国正在大力建设客运专线和既有线的改造，在设计施工中首 先考虑的、最重要的是保证列车行车的安全，其次要注意提高列车运行的 效率。闭塞分区的设计的目的就是在保证列车安全的前提下，尽可能大的 提高列车的效率。由于闭塞分区的设计涉及以线路条件、机车、车辆及列 车编组等特性数据为基础的列车牵引计算；速度等级的划分：闭塞分区长 度的确定：区间通过信号机的布置等内容，计算工作量十分繁重，非常容 易出错，因此，开发一套自动闭塞分区设计集成软件，能够完成上述相关 工作，使工程人员减少工作量，提高工作效率，是很有现实意义的。 本文通过研究列车牵引计算理论、区间追踪间隔模型、站场追踪间隔 模型、列车速度等级划分、软件工程等相关知识，进行了闭塞分区设计的 需求分析及功能，并设计完成全部软件功能。本软件分为数据管理子系统、 显示子系统、区间划分子系统，实现了现场数据的智能化处理：自动绘制 各种列车速度一距离曲线，时间一距离曲线，区间图；闭塞分区长度的确定 及信号机的布置和位置的调整。 最后，对全文的研究工作进行了总结，并展望了自动闭塞分区设计中 进一步还要研究的课题。 关键词：闭塞分区；客运专线；牵引计算；软件设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c h i n ai si nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep a s s e n g e rs p e c i a ll i n ea n dt h e r e c o n s t r u c t i o no ft h e e x i s t i n gl i n e i nt h ep r o j e c td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，t h e f i r s tc o n s i d e r a t i o na n dt h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st og u a r a n t e et h es a f e t yo f t r a i no p e r a t i o n ；s e c o n d l y , t h ei m p r o v e m e n to ft h e e f f i c i e n c yo ft h et r a i n o p e r a t i o ns h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o n u n d e rt h es a f e t yo ft r a i no p e r a t i o n ， i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h et r a i no p e r a t i o na sm u c ha sp o s s i b l e ，t h a t st h e p u r p o s eo fb l o c ks e c t i o nd e s i g n d u et ot h ed e s i g no ft h eb l o c ks e c t i o ni n v o l v e s t h et r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o nw h i c hb a s e do nt h ed a t ao fm o t o r c y c l e s ，c a r sa n d t r a i nf o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；s p e e dl e v e l p a r t i t i o n ；t h el e n g t ho fb l o c k p a r t i t i o n ，t h ea r r a n g e m e n to ft h es i g n a lm a c h i n e si na ni n t e r v a l t h ec o m p u t i n g w o r k l o a di st o oh e a v yt oc a u s ee l t o r s s o ，i ti sar e a l i s t i cm e a n i n gt od e v e l o pa s e to fa u t o m a t i cb l o c kp a r t i t i o nd e s i g ni n t e g r a t e ds o f t w a r ew h i c hc a nf i n i s ht h e r e l a t e dw o r kt or e d u c et h ew o r k l o a da n di m p r o v ew o r ke f f i c i e n c yf o re n g i n e e r s t h i s p a p e rs t u d i e dt h et r a i n t r a c t i o nc a l c u l a t i o nt h e o r y , t h em o d e lo f s e c t i o n ，t r a c k i n g i n t e r v a la n ds t a t i o n t r a c k i n gi n t e r v a l ，t r a i ns p e e dl e v e l s ， s o f t w a r ee n g i n e e r i n ga n dr e l a t e dk n o w l e d g e ，c a r r i e do u tt h ea n a l y s i so fd e s i g n r e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o n f o rb l o c kp a r t i t i o n ，a n d c o m p l e t e da l l s o f t w a r e f u n c t i o n s t h i ss o f t w a r ec a l lb ed i v i d e di n t od a t am a n a g e m e n ts u b s y s t e m ， ，d i s p l a ys u b s y s t e m ，i n t e r v a lp a r t i t i o ns u b s y s t e m i td e a l sw i t ha c t u a ld a t ab y i n t e l l i g e n c e ，d r a w ss p e e d d i s t a n c ec u f v e so ft r a i n s ，t i m e - d i s t a n c ec u r v e so f t r a i n sa n dt h es e c t i o n sa u t o m a t i c a l l y , p a r t i t i o n st h eb l o c ks e c t i o na n dl a y o u t st h e p o s i t i o no ft h es i g n a l f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e sac o n c l u s i o no ft h er e s e a r c hw o r ki nt h ep a p e ra n d p r o s p e c t sf u r t h e rr e s e a r c hw o r ki na u t o m a t i cb l o c kr a n g ep a r t i t i o n k e y w o r d s ：t r a c i n gi n t e r v a l ；p a s s e n g e rs p e c i a ll i n e ：t r a c t i o nc a l c u l a t i o n ：s o f t w a r e d e s i g n ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密留矗用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作言翥妻三二稻、指导老师签言二：日期：乙1 彳峰、7 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 通过研究牵引计算理论，闭塞分区理论，区间追踪间隔模型，提出了 基于既有线和纯客运专线的闭塞分区划分方案，并编制了一套闭塞分区设 计软件。该软件能够根据现场数据，进行分析，得出一套闭塞分区设计方 案。从而极大的降低了工程设计人员的劳动强度，提高了工作效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 近年来，我国铁路建设飞速发展，在新建高速铁路的过程中，首先要 解决的是选线设计和闭塞分区的设计，这些设计必须要进行列车的牵引计 算。由于列控列车牵引计算工作量大，计算单调、繁琐，费工费时，容易 出错。随着电子计算机技术的迅猛发展，牵引计算的许多工作已为电算所 代替。目前我国的牵引计算电算软件很多，如铁科院和西南交大推出的电 算软件。此类电算软件是计算列车运行速度和运行时分，并附带计算列车 能耗量的系统软件。对于信号设计人员来说，此类软件不易快速地确定划 分闭塞分区时的速差等级，不易快速地由列车制动距离选定闭塞分区的长 度，对闭塞分区设计作用不大。同时，此类软件开发时间较早，针对的主 要是货车和普通客运列车以及提速客运列车的计算，对高速列车的计算很 少涉及。再次，由于我国运输情况比较特殊，许多线路都是客货混跑的运 输模式，对于很多新设计的高速铁路的闭塞分区，不仅要满足高速列车的 需求，还要满足普通旅客列车和货车的需求。针对以上问题，为了使信号 设计人员能快速地完成设计高速铁路闭塞分区长度，合理布置行车信号机， 检算列车追踪间隔等任务，根据牵引计算理论哺1 专门研究划分闭塞分区时需 考虑的问题：如列车追踪间隔模型、速度等级划分优化算法、闭塞分区划 分的优化算法，并开发出一套集成化软件是非常有必要的。这对提高信号 设计人员的工作效率具有很大的现实意义。 1 2 国内外研究现状 目前闭塞分区设计软件方面主要分为牵引计算用的电算软件、地铁、 ，轻轨用的运行计算软件、既有线的信号机布局辅助系统。 第一种牵引计算用的电算软件在我国应用比较广泛，主要由铁科院开 发，该类软件主要用于计算不同型号的列车的运行速度，运行时间以及列 车功耗、性能等。这种软件一般只能用于普通的计算，没有体现出列车的 运行情况和线路的路况分布情况，不能够用于分析列车追踪间隔模型，也 无法计算新式动车组的相关牵引数据。 第二种地铁、轻轨用的运行计算软件主要是北方交通大学交通运输系 ，统模拟实验室开发的城市列车运行计算系统。该系统能够比较好的满足城 市列车的基本运行计算需求，但是由于高速铁路与城市轨道交通的区别， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 它对动车组的运行计算是不支持的。 第三种是既有线的信号机布局辅助系统，丁正庭在区间信号自动控 制一书中介绍了在列车运行速度时分曲线上手工布置信号机的方法啼) 。刘 海东、刘剑锋盯1 等人在已开发的通用列车运行模拟系统的基础上，研制了信 号机布局辅助系统u 0 。1 3 1 ，并采用遗传算法对区间通过信号机布局进行了优 化，但其针对的是既有线的闭塞分区的划分，不能满足高速铁路的需要。 目前国内外对信号机布局问题的研究和应用存在的主要不足有： 1 国内外学者针对城市轨道交通系统的信号机布局优化进行过研究，编 制了相关的模拟软件，而没有涉及干线铁路：由于干线铁路的影响因素的多 样性，更加需要相关软件辅助设计。 2 目前还比较缺乏对高速铁路闭塞分区设计问题的研究，缺乏对客运专 线信号机布置的研究。 1 3 论文研究目标及主要研究内容 1 3 1 研究目标 根据最新的列控规程n 羽，编制闭塞分区设计软件。实现各种列车，各 种路段，各种闭塞制式下的闭塞分区的自动设计。 1 3 2 主要研究内容 在研究目标的基础上，论文主要内容分为6 章来进行阐述，安排如下： 第1 章主要分析了本文的研究背景、意义及目标和国内外研究现状。 第2 章介绍闭塞分区设计软件的需求分析和系统结构，首先分析本软 件的适用范围、要完成的功能、要求的精度等等。然后概述本软件的系统 结构，介绍列车牵引计算理论、速度等级划分算法、列车追踪间隔模型。 阐述了各子系统的主要功能，子系统间的信息流。 第3 章介绍数据处理和计算的实现，实现了现场实际数据的智能读取 和存储，完成列车的多质点模型的分析，以及牵引力、制动力、阻力、加 速度、速度、位移的计算。 第4 章介绍信号机位置的全线显示，本章提出了速度距离曲线、时间 距离曲线的优化绘制方法，并绘制了区间路况图，直观的显示区间的坡度、 弯道、道桥隧等情况和里程数。 第5 章介绍区间划分子系统，本子系统根据既有线和客运专线分别提 出了一种信号机的布置方法，最后讨论了信号机布置的不合理位置。 第6 章对系统进行仿真运行，得到了较好的解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 最后，对全文的研究工作进行了总结，并展望了自动闭塞分区设计中 进一步还要研究的课题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章闭塞分区软件总体设计 。2 1 概述 闭塞分区设计软件n 3 1 是一款能够按照客货混跑或纯客运专线的运输模 式，在参考机车和动车组的相关运行参数和区间线路实际情况，进行区间 通过信号机的布置，适用范围广泛。 2 2 需求分析 本系统要求在现场采集的线路坡度数据、曲线度数据、道路桥梁分布情 况数据的基础上，结合列车的性能，包括列车的牵引力，制动力，阻力等 等。布置出合理的信号机位置，布置好后可以进行调整和修改，系统给出 相应的提示。 主要功能有： 现场线路数据表的读取 各种列车性能数据的读取 各种列车速度一距离曲线的绘制 各种列车时间一距离曲线的绘制 信号机的布置 列车追踪时间间隔的计算 列车的起动检算，制动检算 2 3 数据流分析 根据需求分析，本系统中主要的输入数据来源是区间的线路数据和列 车的性能数据，输出数据为该区间通过信号机的位置。输入数据首先要进 行牵引计算，得到列车的速度一距离曲线( 以下简称v - s 曲线) 和时间一 距离曲线( 以下简称t - $ 曲线) 。然后通过闭塞分区长度优化算法的计算， 得到初步的信号机布置位置，最后通过布置检算，得到最终结果。本系统数 据流如图2 1 所示。 一西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 4 系统功能 图2 - 1 系统数据流 肛_ 三弓 现场数据采集后，一般归档在e x c e l 表格当中，软件中要将数据加以处 理，首先从e x c e l 表中提取相关数据并把线路信息读入线路数据库中，列车 信息读入列车数据库中。考虑到线路上的运输模式包含既有线、客货混跑、 客运专线，因此线路上运行的列车可选为：动车组，货车，客车。如果是 既有线的运输模式，则选择货车和客车：如果是客货混跑，就选择动车组、 货车、客车；如果是客运专线，就只选动车组。为了直观的表示出列车的 性能，要绘制出选定的列车的v s 曲线，t - s 曲线，v t - s 曲线。然后布置 信号机，最后以e x c e l 文件的格式输出布置结果，另外还可实现所见即所得 的图像打印。另外软件还有两个功能t 计算列车追踪时间间隔( 四显示自 动闭塞列车追踪间隔，动车组列车追踪间隔) ，对已布置的信号机位置的检 算( 制动检算，起动检算，追踪间隔时间检算，线路条件的检查) 。系统功 能如图2 2 所示。软件的基本功能部分如下： 1 ) 画v - s 曲线 2 1 画t - s 曲线 3 ) 信号机的布置 4 1 计算追踪时间间隔 ，5 ) 启动检算，制动检算，追踪时间间隔检算 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 圈一圈 2 5系统结构 ， ， 囤一悃 囤一怔固 图2 - 2 系统功能图 本软件总体结构框图如下图2 3 所示： 圜 图2 - 3 系统总体功能框图 ，。 、 ， 园网网圈 曰团 围困团圆园圉 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 本系统包含以下子系统 1 1 数据处理子系统： 将机车参数，车辆参数等数据从e x c e l 读入数据库，同时将所要划分 区间的线路数据- 如：曲线半径、桥梁长度，隧道长度，坡度等也读入数 据库，作为划分区间的基础数据条件。 进行列车的牵引计算，可计算列车的牵引力、阻力、制动力等。同时 计算出列车的速度、加速度、位移等。为区间划分提供计算支持。还根据 用户给定的已知数据算出区间运行时分，列车追踪间隔，区间通过能力， 制动距离。 2 ) 显示子系统： 根据线路数据画出线路图：线路里程，区间坡道、弯道、道桥隧分布 情况；根据机车参数，车辆参数可画出v = s 曲线、t = s 曲线；显示信号机 的布置位置。 3 ) 区间划分子系统； 根据既有线、客货混跑、客运专线的不同运输模式划分闭塞分区，计 算分区的长度和信号机的位置，并进行信号机布置的检算。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第3 章数据处理和计算的实现 数据处理子系统含数据管理和计算子系统两大部分，它是闭塞分区设 计软件中直接进行数据处理的系统，前者的主要功能是读取现场相关数据 并存储，后者的主要功能是进行牵引计算。二者都是为闭塞分区的划分作 准备工作，其系统功能框图如图3 1 所示： 臣堕圃 r 一l 一一” 臣匣 叵 图3 - 1 数据处理子系统功能框图 3 1 数据管理部分的设计 3 1 1 列车相关数据的处理 冈 列车数据即列车的性能参数是列车性能的重要反映，对于动车组而言， 列车的相关参数由动车组生产厂家提供，主要包括动车组的车型、牵引和 制动特性、编组长度、常制空走时间、紧制空走时间、定员总重、列车基 本阻力参数等等，定义的数据结构如下： t y p e d e fs t r u c te m u s s t r u c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 l o e o m o t i v e e n u r l li o ； d o u b l ed b g r o u p l e n ；编组长度 d o u b l ed b u s u a l b r e a k t i m e ；常制空走时间 d o u b l ed b e m e r g e n c y b r e a k t i m e ；紧制空走时间 d o u b l ed b t t u n w e i g h t p a r a m ；回转质量系数 d o u b l ed b a f f o r d w e ig h t ；定员总重 d o u b l ed b p a r a m a ；系数a d o u b l ed b p a r a m b ；系数b d o u b l ed b p a r a m c ；系数c e m u s s t r u c t ； 对于普通机车而言，机车是提供动力的部分，其性能不仅仅与其本身 的参数相关，还与其负载的车辆的性能相关，机车参数包括：机型( 即其 牵引和制动性能) ，机车数量，补机数量，计算重量，机车全长等等。车辆 参数包括：列车换长，列车管减压量，列车换算制动率，车辆总数，常用 制动系数，牵引重量，制动材质，列车基本阻力参数等等，定义的数据结构 如下： t y p e d e fs t r u c tl o c o m o t i v e s t r u c t l o c o m o t i v e e n u m1 0 ； i n tn l o n u m ；# 机车数量 i n tn a s s i s t l o n u m ；_ j 机数量 d o u b l ed b c a l w e i g h t ； , - i - 算重量 d o u b l ed b l o l e n i # 机车全长 d o u b l ed b p a m m a ；系数a d o u b l ed b p a r o m b ；系数b d o u b l ed b p a r a m c ；系数c l o c o m o t i v e s t r u c t ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 t y p e d e f s t r u c tc a r s t r u e t c a r e n u mc a ；车辆类型 d o u b l ed b c a r i ，e n ；h 车辆长度 d o u b l ed b d e c o m p r e s s ；列车管减压量 d o u b l ed b b r e a k r a t i o ；# 0 车换算制动率 d o u b l e d b b r e a k p a r a m ；列车制动系数 d o u b l ed b c a r w e i g h t ；车辆重量 i n tn c a r n u m ；车辆数日 b r e a k m a t e r i a l e n u mb r ；h 制动材质 d o u b l ed b p a m m a ；f l 系数a d o u b l ed b p a r a m b ；h 系数b d o u b l ed b p a r a m c ；h 系数c ) c a r s t m c t ； 图3 - 2 系统读入列车牵引特性 由图3 2 可见。在读入这些相关的牵引特性数据后，数据处理子系统就 要对其进行处理，首先是绘制出列车的牵引力速度曲线，直观的展示列车 的牵引特性：对数据库方面，可以进行数据的增、删、改和查询，系统能 够根据数据库的变化调整列车的牵引特性，并应用在后续计算处理中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 - _ - l _ l _ _ - _ _ _ l _ - _ _ i _ _ _ l l _ _ - _ - l - _ _ l _ _ - _ _ i l - l m m 一m m m _ l _ _ l l i _ _ _ _ l - _ _ - 列车的阻力计算参数和制动力特性同理读入数据库中存储以备后面的 计算。 通过上述数据的录入，系统可以取得牵引计算中必须的相关列车数据 信息。 3 1 2 线路相关数据的处理 线路数据主要包括该区间线路上的坡道，曲线，隧道等分布情况，它 们主要影响列车运行中的附加阻力，它们的数据结构定义如下： t y p e d e fs t r u c ts l o p e s t r u c t d o u b l e s l o p e ；坡度大小 d o u b l e l e n g t h ；坡度长度 d o u b l e e n d m i l e ；坡度里程 s l o p e s t r u c t , * p s l o p e s t r u c t ； t y p e d e fs t m c tc u e v e s t r u c t d o u b l ec u r v e b e g in ；i 挂l 线里程 d o u b l ec h i v er ；曲度 d o u b l ec u r v e _ l e n g t h ；i 曲线长度 b o o l c u r v e _ d i r e c t i o n ；l 抽线方向 c u r v e s t r u c t ；， t y p e d e fs t r u c te s t a b l i s h m e n t s t r u c t c s t r i n ge s t a b l i s h m e n t _ n a m e ；道桥隧名 d o u b l ee s t a b l i s h m e n t _ b e g i n m i l e ；道桥隧里程 d o u b l ee s t a b l i s h m e n t _ l e n g t h ；道桥隧长度 e s t a b l i s h m e n t s t r u c t ； 由图3 - 3 所示，线路的相关数据一般是现场采集并归档在e x c e l 表格中的， 坡度表、曲线表、线路设施表反映了区间线路的基本情况，速度表反映了区 亘要塞耍查兰翌主竺塞兰兰堡丝塞兰! ：要 间的限速情况，而车站信息表反映了车站的进站信号机位鹭、出站信号机位 置、站房中心位置、侧线道岔限速侧线接车岔区长度等车站信息。系统能够 根据这些e x c e l 表的格式，自动取出相关的数据并保存在数据库中以供计算 用。 图3 - 3 系统读入e x c e i 表数据 数据管理系统对线路数据的主要是工作就是将e x c e l 表中的数据读取到 相关的数据结构中，以便显示子系统和区间划分子系统调用此数据进行处 理。 3 2 列车牵引计算 根据自动闭塞分区辅助软件的需要，本节探讨了普通货车、客车、动 车组的牵引计算”“”1 ，包括了列车的牵引力、运行阻力、制动力、加速度、 速度、位移的电算方法。为软件的后续工作做好准备。 3 21 列车运行的多质点模型 对于普通列车来说，由于其长度较长，且编组的方式灵活，车辆的长 度和数量都不一定，所以一般采用多质点模型。而动车组编组方式固定， 且长度较短，在轨道上的蛇形运动小，但是动车组如果作为一个整体进行 考虑，在计算的精度上面比较欠缺。本文统一采用多质点模型，该模型的 基础是将列车视为多个质点构成的质点链，每一定的长度视为一个质点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 这里的多质点模型将质点间的联系视为刚性的，其运行状态取决于该辆车 受到的合力。 多质点模型相对单质点模型的显著不同在于，多质点模型可以计算机 车以及车辆之间相互作用力，另外，由于多质点构成的质点链对于列车长 度并没有简化，因此可以计算列车经过坡度改变的坡段和曲线段时，列车 受力的渐变情况，而这种渐变在单质点模型中是不考虑的。限于研究的范 围，本文并不关心列车内车辆受力情况，对于多质点列车的模型，主要目 的在于研究当列车长度不可忽视时，对列车整体动力学性能的影响。 对于变坡段，单质点列车模型对附加阻力变化的处理是突变式的，没 有一个渐变的过程，这是不符合列车在逐渐从一个坡段进入另一坡段时， 列车线路附加阻力变化的规律。而多质点列车模型，要考虑了列车长度的 因素，故对于这种附加阻力的变化情况，可以计算得更加精确。列车在变 坡段受到附加阻力变化情况如图3 4 所示。 图3 - 4 列车在变坡段的附加阻力变化 图中可以看出，如果列车长度为l ，跨过变坡点h 的长度为一，变坡 前的计算坡度为j 1 ，变坡后的计算坡度为f 2 ，则此时的计算坡度j ，为： 诤垄坐二盟6 型( 3 1 ) 。 上 同理可以求出变曲线段的曲度，以及变道桥隧段的计算，在后面讨论 附加阻力时，本文将采用这种模型。 3 2 2 牵弓i 力的计算 牵引力由列车机车或动车组的动车产生，与列车运行方向相同、使列 车前行的动力，动力装置产生的机械能( 热力牵引) 或直接由接触网获得 的电能( 电力牵引) ，通过传动装置使动轮轮周上形成切线力，依靠轮轨间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 的粘着产生由钢轨作用于动轮周上的反作用力，从而使列车发生平移运动。 这种由钢轨作用于轮周上的切向外力，即为列车牵引力。列车牵引力的大 小不但取决于牵引电机的功率，机械传动效率，还取决于列车运行速度， 动轮与铁轨间的摩擦系数。列车牵引力的计算一般采用牵引特性曲线进行 查定。 对于设置有多个牵引级位的机车，不同牵引级位对应不同的牵引特性 曲线，牵引力只与列车速度及牵引级位有关。根据手柄位和当前速度，可 以查算牵引力。如机车有，l l 到共m 个牵引级位，动车组构造速度v m a x ， 则机车牵引力计算的离散性模型如下式： 厶= 厂( v ，h ) ( 1 ，一，h ，k 少 仃2 、 ， 式中：v 是当前速度，h 为当前手柄位，枷为牵引力。 对于高速动车，采用接近无级牵引控制方式，在某一速度的牵引力可 以在最小和最大牵引力间连续取值，故可使用连续型控制机车模型。 动车组的牵引特性以牵引单元的外包牵引特性曲线方式给出。我 国动车组提供厂商较多，动车组的牵引特性因生产厂家不同而数据不 同。曲线上任一速度值对应的牵引力即为动车组在固定编组情况下， 牵引电机满负荷时的牵引力，即最大牵引力。c r h 5 型的牵引特性曲线 如图3 5 所示： , m a , u = ；x - t _ 垄e 蛔奎弓辅计幸 、 、 1 、 、 、 o 、 叠耳：田叻- ， ijii 卜i o1 0 2 02 04 06 0 00ro8 0 1 0 01 1 01 2 01 3 01 4 01 6 0 蛳1 1 r o1 8 0 1 9 0 2 0 0 2 1 02 9 02 ：= 1 02 4 02 1 r p o 勒车担t 重t h ，h 图3 - 5c r h 5 型的牵引特性曲线 啪啪鼬狮蛳珊瑚瑚瑚m m卅o 置v r 一 坩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 为了方便计算，外包牵引数据每隔5 k m h 取牵引力值以牵引特性曲线 数据表形式存储。非整数速度的最大牵引力采用差值法求得。假设求速度1 ， 对应外包牵引特性曲线上的最大牵引力，找出，前后两个整数速度值v l ，v 2 ， 则v 【v - ， ，z 】，点( 1 ，z ) 、( 1 ，z ， ) 即为牵引特性曲线上的两个确定点，可使 用线性差值法求速度v 对应的牵引力工： ， 。 = 兰旦石+ = 萼 。 v ，： o 按= 0 计算。 制动空走时间确定后，就可根据制动初速度做等速运动算出空走距离， 即： s r ：! 芷垒 ( 3 一1 5 ) “ 3 6 2 ) 有效距离的计算 制动有效距离是从制动初速度降到零速度所行驶的距离，这时列车作 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 非匀减速运动。将制动过程中的速度变化范围( v 旷0 ) 分成若干速度间隔，按 列车运动方程式求出各速度间隔列车行驶的距离a s ，则各速度间隔行驶距 离的总和，即为列车制动有效距离辽，按式( 3 1 6 ) 进行计算： 瓯摹茄籍蔫 ( 3 - 1 6 ) 3 ) 普通列车制动距离的计算 列车制动距离墨等于制动空走距离& 与制动有效距离最之和，即 即： s 6 = s k + s e 瓯=监+一1。4吼1仇7(v屏2-+v2)36w o 可 m )( 3 - 1 7 ) 4 1 0 0 0 吼仇屏+ ， 、7、7 式中：一制动空走时间；一制动初始速度；v l , v 2 一分别为速度间隔 段的初速和末速通常不应超过l o k m h ，j 间隔越小越精确。 仍一换算摩擦系数；魄一列车换算制动率；屐一常用制动系数，紧急制动 时尻= 1 ；一列车运行单位基本阻力；0 一制动地段的加算坡度。 4 ) 高速列车制动距离的计算 高速动车组的制动力一般由生产厂家以制动特性曲线或制动减速度给 出，由此可得高速列车制动距离公式为： 品= 等+ 丽1 与誓_ ( m ) ( 3 1 8 ) a b + ( 1 + r ) 1 0 0 0 式中：气一制动空走时间：一制动初始速度：h ，吃一分别为速度间隔 段的初速和末速通常不应超过l o k m h ，间隔越小越精确。 ，一回转质量系数；口6 一制动减速度( 包括各种制动力、基本阻力引 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 发的减速度) ；0 一制动地段的加算坡度；g 一重力加速度，约为9 8 1 m s 2 。 3 4 运行时间、速度、位移的计算阳1 3 4 1 作用在列车上的合力 在列车运行中j 作用在列车上的总合力c 是机车牵引力c ( c = 以f ，乃 是牵引力使用系数) 、列车总全阻力形和列车总制动力b 的代数和。即 c 2 一形一口( k n ) ( 3 1 9 ) 平均到列车每千牛重力上的合力，称为单位合力c ，其单位是n k n 。 ：cx103=fr-w-b10c 3 ( 3 - z o 一) = 一= 一 i j g xg ，g x g 、7 c = 兀- w - b ( n k n )( 3 - 2 1 ) 式中 、w 、b 分别为列车单位牵引力、单位全阻力、单位制动力，单 位均为n k n 。 3 4 2 速度、位移、区间运行时分的计算 作用在列车上的正向合力使列车加速，此时加速度为正值：而反向合力 使列车减速，此时加速度为负值。由牛顿第二定律可知，物体的加速度与其 正向合力成正比。 自由落体加速度为g 9 8 1 m s 2 ，它所受的加速力为自身的重力，即单 位加速力为l k n k n 。若列车上有1 n k n 的单位合力，其加速度应为g 1 0 0 0 。 当单位合理为c n k n 时，加速度为 m 2 )( 3 - 2 2 ) 。= 上c 2 )( 3 - 1 0 0 0 7 、 由于列车存在着回转质量，对回转质量来说，不仅平移加速度需要消耗 加速力，而且与平移加速度成正比的回转加速度也需要消耗加速力。在同样 的单位合力作用下，列车的实际平移运动加速度a 必然小于口。则 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 口= 亡口 ( 3 2 3 ) 1 + ， ” 一7 式中y 一回转质量系数，即列车回转质量与列车总质量之比。一般计算时， 7 ，取为o 0 6 。 ，按照牵规规1 定，本文采用单位合力方程式解算运行速度及区间运行 时分，首先将速度离散化，然后分别采用动力学公式求解位移和时间。 a v = 屹一v l ( 1 【i a a l )( 3 - 2 4 ) z k s ：蛐( m )( 3 2 5 ) 出：必6 0 ( m i n ) ( 3 - 2 6 ) 式中：m ，吃一分别为速度间隔段的初速和末速，通常不应超过1 0 k m h ， 间隔越小越精确。 3 5 计算子系统的实现 根据上文的分析，系统中关于牵引计算的流程如图3 8 所示，首先从数 据库中读取机车数据和线路数据，然后建立列车的多质点模型，在加速阶段， 首先判断是列车采用牵引级位还是牵引特性曲线给出牵引力，查定列车的牵 引力后；根据机车查取基本阻力公式计算基本阻力，并根据线路情况计算列 车的附加阻力。综合牵引力、阻力得到列车的合力，并以此计算列车的加速 度、速度、位移、和运行时分。在减速阶段，普通列车采用闸瓦制动、高速 列车采用制动特性曲线或制动减速度给出制动特性，算得列车的制动力后： 同上得到阻力。综合制动力、阻力得到列车的合力，同理计算列车的加速度、 速度、位移、和运行时分。由于列车的运行是一个非匀加速( 或非匀减速) 运动，因此在计算出合力之后得到的列车加速度只是一个瞬时加速度，不能 用于反应列车一段时间内的运动情况。本系统中采用速度离散化的方法：假 定速度的一个变化区间( 如从1 0 0 k m h n l 0 1 k i n h ) 当中，加速度保持不变， 即列车遵循匀加速运行。就可以通过式( 3 2 4 卜( 3 2 6 ) 计算出速度、位移和运 行时分。为了保证计算的精度，系统中的速度变化区间采用a v = l k m h 的间 隔。要提高或降低计算的精度，只需要调整此间隔的长短即可。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 ( 至3 一j 图3 - 8 牵引计算的流程 一 法闸力 一一 列动 一 工 算算压 一上 算制力 一 一 换计瓦 一，计车 一 上隧靴t赢憋雳 。豳：圜一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 第4 章信号机布置的全线显示 信号机布置的全线显示由显示子系统实现，它包括线路区间情况显示、 列车运动特性显示、信号机位置显示几个模块，主要目的是为了直观的显示 信号机的布置情况。 图4 - 1 显示子系统功能框图 4 1 区间线路情况显示 线路区间情况是反映线路区间上的发车车站，到车车站，坡度，曲线和 道桥隧的分布情况，将这些数据直观的反映出来，有利于用户掌握现场数据， 对今后布置好的信号机进行相应的调整。一般而言，线路区间情况一般归档 在e x c e l 表格中，数据处理子系统已经将e x c e l 表中的数据读入定义的数据结 构中，本系统主要将其显示在视图中即可。 由数据处理子系统分析清楚列车的受力情况后，首先绘制站内和区间 的限速曲线，站内的限速一般为4 5 k m h ，然后画区间内的限速曲线，比较简 单的是该区间的限速是一定的( 如1 6 0 k m h ) ，也有可能是多个限速，但一般 高于站内的限速，所以会形成如图4 2 ，图4 3 的曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 匡刚睫 阴l 枷 医目麟 图4 - 2区间单一限速图4 - 3 区间多级限速 t y p e d e fs t r u c ts t a t i o n i n f o s t r u c t c s t r i n gn a m es t a t i o n ；车站名 d o u b l e s i g n a li n ；进站信号机位置 d o u b l e s i g n a lo u t ；出站信号机位置 d o u b l es t a t i o nc e n t e r ；车站中心位置 d o u b l e l e n g t hc r o s s ；儇l j 线接车岔区长度 d o u b l e l e n g t h _ s i g n a l c r o s s ；t b 站信号机至最外方道衍的距离 i n tl i m i t s p e e dc r o s s ；侧线道岔限速 s t a t i o ni n f os t r u c t ； 图4 - 4 系统显示区间信息 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 图4 4 中所示为胶济线即墨至城阳的区间，纵轴表示列车的运行时间或 运行速度，从图示中的限速曲线可以看到，站内限速为4 5 k m h ，而区间限速 为2 0 0 k m h 。横轴标明了区间上的四项重要数据：坡度( 其中表示上坡， 表示下坡，方格上方的数据为坡度值的大小，下方的数据为坡道的长 度) ，曲线( 向上凸起表示负坡度，向下凹进表示正坡度) ，道桥隧，里程。 4 2 速度一距离曲线的绘制 速度一距离曲线( 以下简称v - s 曲线) 是列车在区间运行情况的重要反 映，本系统不是反映列车实际的运行情况，而是反映列车理论上的速度一距 离之间的关系，列车实际的运行情况曲线应该在此曲线之下以满足安全的需 求。 v - s 曲线的绘制是在列车的牵引计算的基础之上，充分考虑了列车自身 的性能，并结合限速曲线的要求绘制而成的。 由于存在多个限速区间( 站内限速包括在内) ，在画v - s 曲线时，需要 解决的问题是：正向的加速过程什么时候开始制动才能满足限速条件安全 进站，同时不能太早的提前制动以降低运行效率。同时在列车的运行过程 中，列车一般为非匀加速运动，如何确定列车的位移，时间，速度之间的 关系。 本文提出两种全新的方法来解决这两个问题以绘制出比较精确的曲线， 其一是双向同时绘制，即正向曲线和反向曲线同时开始绘制。正向曲线即 在正向合力下的v - s 曲线，体现的是正常的加速运行过程，反向曲线即在 反向合力下的v - s 曲线，体现了列车的制动过程，但在此处模拟为在反向 合力下的反向加速运行过程。两曲线最终趋于相交时，留有一定的安全裕 量，防止列车运行速度过快无法满足制动要求。 其二是速度微元法和时间微元法，在画曲线时，由于列车的动力和阻力 都是跟随速度的变化而变化的，在此期间加速度一直在变化，不便于曲线的 绘制，在此采用速度微元法加以处理，当速度变化一个不大的值时，设在此 1 ，2 1 ，2 变化阶段的加速度是不变的，即匀加速度运动，由公式叠塑，即可算出微 2 x 口 元速度段内走行的距离，然后记录下初速和初始的位移坐标，末速和最终的 位移坐标。 当正向曲线或反向曲线接触到限速线时，必须保持在这个限速之下运 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 行，所以就不能采用速度微元法来绘制此处的曲线，而采用时间微元法， 当时间变化一个不大的值时，设此变化阶段的加速度为0 ，即匀速运动，由 公式s = v t ，即可算出微元时间段内走行的距离，然后记录下初始时间和初 始的位移坐标，结束时间和最终的位移坐标。 正向和反向曲线的相交，意味着列车必须在此时刻进行制动，对此处 进行平滑处理，防止列车加速到最大速度而留有一定的裕量。至此v - s 曲 线绘制完毕，见图4 5 所示。 图4 5v - s 曲线的绘制原理 4 3 时间- - - 足l s 离曲线的绘制 t - s 曲线是基于v - s 曲线的