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驼峰仿真系统Hump Simulation System(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培 养 单 位 ：计算机与科学技术系工 程 领 域 ：计算机技术申 请 人 ：赵 秀 全指 导 教 师 ：冯 建 华教 授联合指导教师：丁 昆高级工程师二八年五月关于学位论文使用授权的说明本人完全了解清华大学有关保留、使用学位论文的规定，即：清华大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包括：（1）已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；（2）为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内容；（3）根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法，向国家图书馆报送可以公开的学位论文。本人保证遵守上述规定。（保密的论文在解密后遵守此规定）作者签名： 导师签名： 日 期： 日 期： 摘要摘要本文作者具有十多年从事驼峰自动化控制研究的经验，基于实际工作中的需要提出一种新型的基于和驼峰控制系统信息共享的驼峰自由溜放的仿真系统的设计方法。在查阅有关该领域内的研究文献后，密切结合现场的实际应用，提出了自己的分析方法。对于线路、车辆、调速设备、气象等对象实体建立起相应的对象模型，建模更多从实际应用入手，考虑理论和应用的密切结合，这些模型比起以往的一些论文具有很大的突破性。由于能够和实际控制系统联机，得到更多的实际应用数据，使得模型具有自我修正功能。论文的重点是对于处于自由溜放状态的车辆，利用模型化分析建立受力质点，从质点受力分析入手，结合经典的自由溜放公式，逐步推导出符合与现场情况的修正后溜放公式。与以往仿真系统的比较，该仿真系统密切结合实际应用，具有更大的适应性。随后就仿真实现过程做出了说明，特别强调了仿真系统与控制系统的信息共享方法，为以后修正模型中的参数确定提供了基础。作为仿真系统能够尽可能逼真实际应用情况，对于需要修正的参数、修正的方法也出了详细的论述。从工程应用角度出发，指出了目前控制系统调速控制中所存在的控制盲区问题，提出了对于控制系统调速参数（定速、放头拦尾）修正及反馈的方法。关键词：驼峰仿真实时数据模型修正优化控制AbstractAbstract With more than 10 years experience of humping automatic control study, this article advanced a series of new methods about cut free rolling models in hump simulation. It builds some new models different from foregone research, including hump line, speed control device, cut, car and Weather, etc. Because of the models combining theory and application of practice, communicating with humping control system, the parameters of Models can be modified in application.The emphases of this article is the power analysis of cars in free rolling status. Based on old formulas, It digs out the shortcoming of old formulas and points some parameters to be improved. Then it advanced new free rolling model formulas and methods to amending the parameters. About simulation system realization, this article describes the data structures of some new models and system structure.According the data from TW-2 Humping Control System, the emulator can improve some parameters of cut free rolling model. Of course, by Data Mining and Mathematics analysis methods, it will send more accurate speed control coefficients to TW-2 System, improve control precision. Anyway, the behavior of this emulator to others is communication to hump control system and get real time data. Its the base of amending parameters of itself in application. Key Words: simulation real time data amending improve control目录目录第1章引言11.1 铁路编组站及驼峰自动化系统介绍11.2驼峰业务的主要术语21.3目前驼峰仿真的研究成果31.4本论文的研究内容和实现功能41.5论文主要的数学模型5第2章基础数据说明72.1线路数据72.2减速器数据72.3减速顶数据92.4车辆数据92.5气象数据102.6调车计划单数据10第3章建立仿真模型113.1基础设备的建模113.1.1车辆、勾车建模113.1.2计划、线路建模123.1.3模型间关系143.2分勾点算法153.3自由溜放车辆的受力分析163.3.1车辆溜放的基本阻力173.3.2车辆溜放的风阻力193.3.3车辆溜放的曲线阻力203.3.4减速设备的制动功213.4自由溜放模型建模223.4.1传统的自由溜放模型223.4.2修正的自由溜放模型24第章仿真系统实现264.1系统架构264.2与驼峰控制系统的协议274.2.1从控制系统传来的数据284.2.2反馈控制系统的数据284.3相关物理模型的数据结构和表结构294.3.1质点、车辆、勾车、计划结构294.3.2线路单元结构304.4仿真实现324.4.1仿真流程图324.4.2基于质点的Demo33第章仿真修正与控制优化355.1仿真修正355.1.1走行距离的修正355.1.2走行速度修正375.1.3仿真修正时机模型375.1.4减速器单位制动能高参数模型优化385.1.5车辆基本阻力与重量模型415.2控制系统优化415.2.1当前控制系统的盲区415.2.2放头拦尾参数计算435.2.3定速参数计算44第章总结与展望47参考文献49致谢与声明50个人简历51IV第1章引言第1章引言1.1 铁路编组站及驼峰自动化系统介绍中国铁路编组站调车设备的发展，从50年代后期开始，较短的时期内实现了三次飞跃。1989年，郑州北站上行场建成驼峰溜放车辆速度微机分布式点连式自动控制系统、驼峰溜放进路微机自动控制系统、驼峰作业过程自动控制系统和峰尾微机集中控制系统及编组站现车管理信息系统等，建成中国第一个调车作业综合自动化的编组站。2007年，计算机集成编组管理系统(CIPS)系统在成都北编组站正式运行，该系统的开通使成都北编组站的日编组车辆数量达到9000辆以上，最高达到了11000辆，提高了铁路的运行效率。CIPS系统是将车站编组自动化控制系统和综合管理信息系统有机融为一体，实现管理、决策、优化、调度、控制一体化。参考文献1编组站是铁路运输的枢纽，驼峰是编组站中最关键的环节，往往驼峰的安全和效率就是编组站能力的风向标。目前国内驼峰已经基本实现自动化，驼峰自动化系统已经是比较成熟的控制系统。驼峰自动化系统在路内投入使用的有多家，主要有：参考文献2n TW系列驼峰自动化系统。实现了溜放进路、驼峰连锁、间隔调速和目的调速等自动化功能。该系统曾经率先将计算机联锁技术应用到驼峰上，并且在下峰整理调车进路、推送进路、场联等功能与溜放作业自动化结合方面有较大的创新；率先在驼峰自动化更改中甩掉继电自动集中和半自动调速而独立应用；率先在具有间隔制动位的站场实现全场集中操纵；率先实现了双推双溜的自动化作业。n TBZKII型驼峰系统。系统将驼峰推峰机车控制、驼峰进路控制和驼峰溜放速度控制纳入计算机控制和管理，实现了驼峰作业的自动化。实现了机车遥控和驼峰进路、速度控制的整合。n TYWK型驼峰自动化系统。该系统是由全电子模块构成的驼峰推送进路控制、调车进路控制、溜放进路控制和溜放速度控制的集散式自动控制系统。1.2驼峰业务的主要术语n 峰下减速器：安装在交叉渡线后，主要用于间隔调速的车辆减速器。习惯称为第一制动位。n 线束减速器：安装在线束前，主要用于间隔调速的车辆减速器。习惯称为第二制动位。n 调车线始端减速器：安装在调车线始端，主要用于目的调速的车辆减速器。习惯称为第三制动位。n 调车线内减速器：安装在调车线内适当位置，用于目的调速的车辆减速器。习惯称为第四或以上的制动位。n 安全连挂：运动中的车组以不超过允许连挂的速度与停留车连挂，或与前方动车组以不超过允许连挂速度的相对速度连挂。n 安全连挂率：安全连挂的车组数占总测试车组数的比率。n 天窗: 调车线内溜放车组途停时与前方停留车之间的间隙3m。天窗的长度以前、后车车钩中心之间的距离来计量.n 定速：人工设定的车组离开减速器时应有的速度。n 减速器出口速度：车组最后轮对出清减速器时所具有的实际速度。n 间隔制动位：主要用于调整车组溜放间隔的减速器制动部位。通常指峰下减速器和线束减速器。n 目的制动位：主要用于调整车组速度，以实现目的安全连挂的减速器制动位。通常指调车线始端减速器和调车线内减速器。n 溜放进路：自峰顶至调车场调车线车组溜放所经过的进路。n 追钩：前后两个车组同时占用同一分路道岔绝缘区段或减速器轨道电路区段。n 途停：车组在溜放途中，未能到达其目的地就停止运动。n 打靶控制：利用减速器对车组溜放速度进行调整，使受控车组离开减速器后，自由溜行，与前方停留或正在行进中的车组安全连挂的一种速度控制方法。n 放头拦尾：减速器控制的一种方法。当车组实际需要降低的能高明显低于减速器制动能高时，车组进入减速器时不立即制动，待减速器剩余制动能高稍大于车组实际需要降低的能高时才开始制动，使车组出清减速器区段时，达到计算出口速度的要求。n 点连式：在调车线始端安装目的调速减速器，对溜放车组实现打靶控制，在打靶控制区后，安装连续调速设备，对车组溜放速度进行连续调整，实现全线安全连挂的一种目的调速制式。n 减速器单位制动能高：车组全部轮对经过一米长减速器制动后消耗的能高。n 减速器缓解时间：自系统发出减速器缓解命令到车组速度停止下降所经历的时间。n 空线：调车线有效控制范围内没有任何机车、车辆。n 满线：调车线内空闲长度不足以存放被控车组而部分失去控车能力。n 侧撞防护：前车尾部尚未通过道岔警冲标，后车头部可能追上前车尾部，发生侧面冲突情况的预计和防护。1.3目前驼峰仿真的研究成果到目前国内没有一套对于自动化驼峰系统进行功能性自动测试的有效方法，系统的评测往往是通过实际应用中用户的口碑来模糊地进行度量，具有非常大的片面性。各系统所搭建的模拟环境仅仅是对于系统本身静态特征的调试，没有紧密结合车辆的动态溜放模型进行逼真的仿真。另一方面作为用户对于设备的验收环节中由于许多功能由于涉及到行车安全问题，一旦试验失败可能面临几十万甚至上百万的损失，因此无法彻底试验系统所提供的性能；对于开发人员由于没有相应的环境许多软件的逻辑合理性也被迫在使用中进行验证，不仅增加了开发周期，也增加了系统风险；驼峰自动溜放的一些经典公式仅仅是独立地完成静态地计算的功能，目前没有任何方式能够综合地考虑多项公式同时发生时彼此间的影响，因此在实际应用中往往需要人工对于公式的一些参数进行修正。目前存在的所谓驼峰仿真系统分为3类：n 教室中使用的离线演示系统。是一种提前设计完毕的演示系统，没有任何的工程结合，和实际的工程计算或者控制系统的提高完全脱钩。参考文献3n 单方面的数学模型的推导计算。这类仿真没有与控制系统发生联系，其主要应用于线路设计。具体设计完毕后控制系统是否适应于设计无有效的验证手段。n 各控制系统自身的仿真。这类仿真为了满足验收单位联锁实验使用，在室内模拟阶段往往不具备自由溜放的仿真功能，完全不能满足现场使用需求。参考文献4n 非基于自由溜放数学模型的逻辑仿真。该仿真虽然基于控制系统基础之上，也参考相关的站场数据，但是没有考虑车辆、车型、气象等因素，也没有利用车辆自由溜放的公式，仅仅是基于逻辑上的模拟。参考文献51.4本论文的研究内容和实现功能n 本论文研究的意义： 用于自动化驼峰系统功能调试，避免现场调试的风险和组织难度，缩短开发调试周期。 用于自动化驼峰系控制统的使用、维修人员的培训，能够仿真低概率、高风险的作业情况。 用于自动化驼峰功能的调试、验收，充分展示控制系统的各个功能，提高验收的质量和进度。 通过仿真系统的自学习功能，修正相关的控制参数，优化控制系统的控制精度，提高作业效率。 用于站场设计的验算，能够对于不满足使用条件的线路报警，提前进行维护，从而规避由于线路变化造成的作业风险。n 本论文的研究内容： 基础的数据录入：建立相关的资料库（包括线路、车辆、道岔、减速器、减速顶等），采用SQLServer2005。 对象的模型化分析：对于这些基础设备进行模型化分析，建立系统模型。采用数值分析方法把有关的数学模型用Newton插值多项式的函数表达，实现自由溜放模型中的所有公式都能够用高次多项式实现。 建立数据结构：对于基础数据建立相应的数据结构采用OOP的方法构造相应的设备对象，所有的开发在VisualStudio2005平台下进行。 建立和驼峰控制系统的接口：能够接收控制系统相关的计划，根据计划内容在线进行仿真；接收控制系统的相关控制指令和控制设备的状态，把这些参数用于仿真系统，作为模型中有关参数是否有效的开关。 仿真调优：统计比较仿真数据和控制数据的差异，采用非线性回归的方式优化仿真模型的参数。通过仿真进一步优化控制系统的有关控制参数，通过控制系统的控制精度。1.5论文主要的数学模型车辆的溜放实际是把车辆由峰顶平台溜放至相应股道时动能转换为势能的过程，其中为了保证溜放车辆与股道内的车辆安全连挂又经过相应的调速设备控制车辆的速度。n 车辆的自由溜放模型（引用后修正）n 车辆速度到勾车速度的模型（创新）n 车辆溜放基本阻力模型（引用后修正）n 车辆溜放空气阻力模型（引用）n 目的打靶减速器定速模型（引用）n 仿真速度修正模型（创新）n 勾车走行距离的积分模型（引用）n 减速器制动能高修正参数模型（创新）(Q为自重加载重)(为雨量)在实际的应用中由于传统行业分工原因，驼峰作业被划分为自身带动力的机车遥控系统和摘勾后处于自由溜放状态下的驼峰自动化系统，所以在本仿真研究的内容不包含机车遥控系统的仿真。在国内所有的大中能力驼峰都是采用点连式结构，因此本仿真也针对于点连式驼峰系统。52第章 基础数据说明第2章基础数据说明在仿真系统中涉及大量具体的铁路设备，需要实现能够把这些基础设备的数据转换为需要的数据格式。2.1线路数据从峰顶平台开始，一直到股道内停车器的位置，需要描述出线路的所有平、纵断面参数，基本的点连式驼峰溜放部分线路断面见图2.1：图2.1驼峰溜放线路断面以郑州北下行驼峰为例，根据仿真模型的需要，节选其中的一股道提取其中的相关数据如表2.1。2.2减速器数据目前国内一般应用都是钳夹式减速器，分为气动、液压、电动等类型，一般大中型驼峰采用气动减速器。气动又分为重力式和非重力式两类，目前国内减速器一般采用重力式，生产厂商主要的铁道部科学研究院和天津通信信号厂。本仿真都是基于重力式减速器,常见型号参数见表2.2。参考文献6表2.1郑州北道的线路数据线路中区段名称长度m高差m坡度/1000经过道岔级数曲线转角()布顶数量峰顶平台250.0000峰顶平台至一分路12.50.43200一分路到一部位57.51.5527226.9一部位250.1400一部位到二部位80.070.749.2113.17二部位250.36.400二部位至警冲标3326警冲标至三部位100-0.03-0.300三部位250000打靶区1500.500第一布顶区1562.60066第二布顶区3151.80074无顶区1500.8000停车区100-0.6000表2.2典型的减速器性能指标名称有效长单位制动能高(m/m)制动能高(m)制动时间(s)缓解时间(s)最大入口速度(m/s)TJK27.2m0.120.860.60.57TJK2A60.60.47TJK3A8.40.1251.050.80.47TJK3B90.60.47对于减速器的控制仿真是根据控制系统下达的控制指令，根据车辆在减速器的位置，仿真减速器对于车辆的动能的影响，进一步可以求得勾车的动能。2.3减速顶数据减速顶是安装在股道内的由于调节溜放勾车速度的设备。对于勾车速度如果超过临界速度则会其制动作用，相反则起缓解作用。与线路断面共同作用保证了车辆在告诉时在股道内是减速运动，在低速时表现为加速运动。减速顶主要生产厂商是上海减速顶中心（TDW系列）和哈尔滨减速顶中心（TDJ系列），参数见表2.3参考文献7表2.3典型的减速顶性能指标名称临界速度(km/h)制动功(J)阻力功(J)备注TDW9014.5=750=950=870=152.4车辆数据n 驼峰溜放车型分类在通常经验中，对于车辆大致分为以下3类： 易行车：经驼峰溜放时，基本阻力与风阻力之和最 小的车辆，规定采用满载的60t敞车(C62A)，总重80t; 中行车：经驼峰溜放时，基本阻力与风阻力之和较小的车辆，规定采用满载的50t敞车(C50)，总重为70t; 难行车：经驼峰溜放时，基本阻力与风阻力之和较大的车辆，规定采用不满载的50t棚车(P50)，总重30t。n 几种车型与仿真相关的参数见表2.4。实际在应用中由于车型不断增加，车辆的性能也在不断变化采用简单的车型分类的方法确定车辆的自身阻力系数进行仿真与实际的情况往往产生较大的误差，因此在本文中将就此问题建立一数学模型从而可以更逼真地描述车辆自身的走行中阻力。表2.4典型车辆参数列表车型自重(t)最大载重(t)换长11m车厢高(m)C6423611.21.7C64A23.4611.31.7C6221601.21.7P6424601.52.1P6224601.52.1P64A25.9601.52.1N6020601.30.3G7019.7601.11.6G620501.11.6NX702070气象数据气象也是影响勾车溜放速度的重要参数，在实际使用中用到的数据如下：n 风向（）：描述风向与车辆溜放方向的夹角。n 风速（m/s）：实际的风速。n 温度（C）：指华氏摄氏度。n 雨量（Kg/m2/s）：指每秒内单位面积内的降雨量。2.6调车计划单数据调车单计划是对解体车列计划的说明，是仿真的基础性数据，其中包含了该计划使用的勾车组车。具体格式如表2.5表2.5典型调车单列表勾序场别股道方式辆数等级注释001BZ11-4K按顺序记录每辆车的车型002BZ13-1Z003BZ32-12X004BZ15-5X第章 建立仿真模型第3章建立仿真模型在本章中就前面提到的物理设备建立基础数学描述模型，从而进一步建立整个仿真模型。3.1基础设备的建模3.1.1车辆、勾车建模以往的仿真对于车辆都是直接地作为质点建模，实际这是比较粗略的方式，由于减速设备（减速器或减速顶）是通过对车辆的轮对施加阻力来调节勾车速度的，因此勾车的走行在一段距离内并不是平滑地加、减速，其运动轨迹具有突变性。从速度曲线上将存在拐点，如下图：图3.1车辆在调车线内的走行速度曲线从上图可以看出，车辆的速度变化是不平滑的。那么要更逼真地仿真车辆的走行情况，需要对于车辆重新建立模型。当然在一般的仿真模型中对于勾车长度的考虑也往往比较简单，在本文中也会则建立增强型模型。n 车辆的等效2质点模型货车的一般都是由前后2个转向架，每个转向架4各轮对组成。每个转向架轮对的中心轴距为1.7m。（该参数作为以后仿真的重要参数）。前后转向架的距离随着车型而不同。在此我们采用等效2质点的车辆模型方法来仿真车辆。对于1辆车，其每个转向架为一个质点，该质点承担车辆重量的1/2，这两个质点总是具有完全一致的速度、其相对距离也保持不变，每个质点内部包含2个受力点。采用2质点的好处是更方便于分析实际车辆运行中的受力情况。假设车辆为C，其包含W1和W2 2个质点，每个质点2个受力点。我们可以建立如下的车辆模型： CW1W2C车辆模型，W1，W2前后质点 W12N，W22NN为受力点 WID,ID_PARENT（车辆ID），质点类型（前后），重量，当前速度，上一速度，当前加速度，在线路位置，当前状态 CID，ID_PARENT（勾车ID），车辆顺序（在勾中的自然顺序），重量，当前速度，前一速度，当前加速度，当前状态，前后质点在线路位置，车辆正面积，车辆侧面积n 勾车的增强型模型勾车是由m辆车组成的m个车辆模型的集成，这m个C是一个整体，具有相同的速度，相互间的距离保持不变。但是在移动过程之中其受力又都是相互独立的，通过对于每个质点受力情况的分析，可以计算出每个质点在都行走行一段距离后动能的变化，最后叠加到一起就是勾车整体的动能的变化，自然可以得到勾车新的速度。 GC1C2Cm G：勾车模型，C1Cm：车辆模型 GID，ID_PARENT（计划ID），勾顺序（勾在计划内的自然顺序），重量，当前速度，前一速度，当前加速度，当前状态，第一、最后车辆所在的线路位置，勾车受力的有效面积（风力）3.1.2计划、线路建模计划是由n勾勾车信息构成，一般一份计划对应一个车列，计划中除了溜放车辆外还包括取送车、禁溜、迂回调车等作业。在实际用于中除溜放作业外的这些作业都是由机车动力控制速度，因此这些内容不在本仿真的范围内。n PG1G2+Gnn P=车次，总车数，总勾数，每勾的信息n 线路建模根据2.1线路数据中的举例可以知道，对于一勾车走行的线路实际是由峰顶平台到股道内停车点多段的线路单元组成。线路单元间的连接成为变坡点。应该来将线路单元划分的越详尽应该越逼近于实际的线路情况，但是考虑到钢轨的实际特性和线路设计的实际情况，本文的线路单元划分采用2.1线路数据中举例的划分模式。线路单元的重要属性： ID：线路单元的编号； 上级线路单元ID： 下级线路单元ID： 长度（m）：线路单元的长度 平均坡度（1/1000）：可计算质点在该线路单元移动后其势能的变化 曲线转角（）：线路单元平均的平面曲线角度，计算质点移动的阻力。 那么根据以上参数可以确定从峰顶平台到股道内的线路描述 LL1L2L3Ln LiID, 上级线路单元ID，下级线路单元ID，长度，平均坡度，曲线转角，线路单元类型，线路单元的基本阻力，线路单元阻力点的分布n 减速器模型作为点连式驼峰，减速设备是最重要的调速手段。包括减速器和减速顶2种类型。其中减速器完成间隔和目的调速，而减速顶完成辅助调速。减速器设备是有一定长度的，不能看作质点。一般6+6模式的减速器其长度为1.2*1214.4米。减速器的安装都是安装在直线上，建模时不需要考虑其曲线阻力情况。减速器模型主要有以下参数：R减速器长度，减速器所在的线路坡度，减速器的单位制动能高，减速器的状态在实际应用中，由于减速器是安装在线路上的，且一组减速器只会在一线路单元内，因此把减速器作为线路单元的一种阻力属性。在溜放质点进入该线路单元后，根据减速器状态确定对动能的影响。n 减速顶模型加速度可以视为一个作用质点，对于经过它的移动物体施加阻力，阻力情况要根据减速顶自身的临界速度和物体移动速度决定。减速顶作为一个质点是安装在线路上的，在安装减速顶的一个线路单元内会有n个减速质点，这些质点在该线路单元内是均匀分布的。因此也把减速顶作为线路单元的一种属性，但是该属性是不平滑的，对于速度的影响具有激变特性。D减速顶制动功，减速顶缓解功，减速顶临界速度n 气象建模气象对于自由溜放车辆影响最大的参数是风向、风速，温度会影响车辆自身的走行阻力，雨量会影响减速设备（减速器）的制动效果，因此，在仿真模型中必须考虑气象因素。W风向，风速，温度，雨量3.1.3模型间关系通过前面的模型分析可以看出，实际上模型分为溜放实体模型和线路模型2种。由2个质点构造一个车辆模型，由（1n）个车辆又可以构造一个勾车模型，由（1n）个勾车模型又可以构造一个计划模型。在应用中首先是根据TMIS系统产生的计划进行分析，按照勾情况，结合车种字典，软件自动产生这些模型。对于减速器、道岔等视为一特殊的线路属性，在路径表中描述出的每段线路单元中回指示是否具备这些属性，并回根据基础设备表搜索产生相应的参数特性。实体模型的构建如下图左，线路模型如下图右。模型间的关系是本仿真系统建立数据结构的基础，在后续仿真的实现部分都是根据此结构图建立对象以及对象间关系的描述。从数据结构上是自上而下完成，在具体仿真逻辑中又是自下而上实现。首先对每个质点的作受力分析，根据质点的前一状态质点的当前参数（速度、加速度、距离），完成2个质点的分析后得到一辆车的数据，依次分析，可以整合出本勾车的数据，根据本勾车又可以得到和前序、后续勾车的距离、速度等。 仿真质点W车辆模型C勾车模型G计划模型P受力质点N线路单元模型线路模型减速器模型减速顶模型道岔模型实体在线路的受力分析气象模型自由溜放仿真模型图3.2模型间关系描述图3.2分勾点算法从业务领域划分溜放摘勾判断归属于机车遥控的内容，但是摘勾是自由溜放开始的基础，为了实现溜放仿真，在本论文中将对分勾模型进行讨论。分勾点的计算是一个较复杂的模型，它与车辆的重量、车组的长度和推送坡度的大小都有关系，其最主要的物理解释是：当车组在推送部分的势能小于在加速坡部分的势能时，才能自由分勾。参考文献8图3.3峰顶平台断面示意图通常情况下，摘勾位置在A至B的区域内。设定勾车的长度： 设定峰顶平台的长度：设定摘勾点为：Ps= Pa+Lp-Lc/2确定Ps也就是确定在勾车模型中最后一辆车Ln的后一质点达到Ps。在勾车以指定的推峰速度与推送车辆分勾以后将处于自由溜放状态，可以用自由溜放模型进行仿真了。3.3自由溜放车辆的受力分析图3.4溜放车辆受力分析示意图受力说明：n 车辆本身的重力：Qn 车辆对于钢轨的压力：P=QcosQ（KN）n 车辆所在的坡道：i（ha-hb）/L 1000n 动力（重力的分力）：F=QsinQtgQ i （KN）n 制动阻力： R=为各种阻力之和n 车辆溜放时所受的合力为 FR 0 时，车辆加速运行； FR 0 时，车辆等速运行； FR 0 时，车辆减速运行。对于溜放车辆的阻力来说，其组成是比较复杂的，主要包括：减速设备的阻力，车辆本身的阻力，风力（是否为阻力视风向决定）在下面讨论的阻力模型，实际定义为阻力率模型，单位为N/KN，沿用传统的教法，仍然称之为阻力。在所有能量转换中我们使用能高的概念，即“单位重量的当量能高”单位为m。3.3.1车辆溜放的基本阻力n 产生原因：车轮轴颈与轴瓦间的滑动摩擦或滚柱轴承的滚动摩擦；车轮踏面与轨面间的滚动摩擦；车轮与轨面间的滑动摩擦；车辆溜行中的冲击、震动和摇摆。n 计算公式：（创新）车辆溜放阻力的离散性很大，只能够通过回归的方法通过大量的数据得到更逼近的值。根据理论和实际应用中得到的大量数据有一规律是：重车阻力小，空车阻力大；对于同样的车辆，其阻力随车辆重量的增加而减小基本是线性关系。参考文献9,10,11其中为基本阻力，Q0为该车自重。K为常数项。根据实验回归数据计算得到K0.0168。当然这是铁科院在多年前所测得的数据，而在当前铁路大发展的时代，生产工艺等都发生了巨大提高也产生了许多新车型。该系数将必然进行变化，并且可以确定K值应该是趋于减小。在本论文的实现部分将根据现车提供的大量数据，用最小二乘法进行非线性回归，对K值进行修正。车辆的基本阻力随温度的升高而降低成指数关系即其中A、b为常数，t为温度（单位C），根据实验数据得到A2.023 ，b0.0169由于阻力的主要来源在轮对的转动过程中产生，因此，阻力与速度的是二次方程关系。随着速度的增加，其阻力越大。但是回归发现C项对于W的影响是比较弱的因此可以简化为线性关系即：A是车辆自身属性，与辆数无关，根据前述可知当然很多颁布的公式把A定义为差距Q为总重，但根据汤百华老师自动化驼峰调速系统中在南翔编组站的有关实验数据，本文A采用前面公式。M=1.28为离散度，一般取空车为0.07，重车为0.02，空车取正值，重车取负值。由于在溜放区有道岔设备，车辆的走行在经过道岔时为不规则的蛇形运动，因此还要增加一项道岔的影响，根据实验数据其阻力系数大约为0.4 其中E代表是否有道岔根据以上分析，溜放车辆的基本阻力公式为公式说明：n t为温度（单位C）n Q0为该车自重。n Q载为该车载重。n 为离散度n E为道岔数量根据铁科院统计的有关数据一般在夏季车辆溜放的基本阻力0.64.0N/KN，冬季在0.86.0N/KN。3.3.2车辆溜放的风阻力n 产生原因：车辆在溜放过程中与空气的相对运动以及自然风而产生，空气阻力与车重、车速、风向、风速、车组受风面积、温度、气压等因素有关。空气阻力通常由车辆模型风洞实验或现场实测回归建立的经验公式计算，不同部门测试或相同部门不同阶段测试所得到的公式往往存在出入，此处对风阻力作基本分析。参考文献10,11n 受力模型图3.5空气阻力模型示意图n 计算公式（引用）v车：车辆的溜放速度，m/s;v风：计算风速，m/s;：空气密度，由气象站测得。：v风方向与车辆移动方向的夹角：v合方向与车辆移动方向的夹角R风：车辆单位风阻力或推力，N/KN, 当逆风或顺风而v风cos v车时取；Cx：阻力系数；S：正向吹风时车辆的受风面积，m2。表3.1车辆受风面积与阻力系数表车种受风面积（m2）对应各种角的空气阻力系数Cx0102030405070敞车8.51.361.821.961.711.581.180.32篷车21.561.671.321.060.27平板4.11.502.32.272.151.731.360.313.3.3车辆溜放的曲线阻力n 曲线阻力（引用）车辆溜经曲线时，比溜经直线所增加的阻力。曲线单位附加阻力可表示为： R曲8/L曲 （N/KN） 曲线转角，rad; L曲曲线长度，mn 道岔阻力功（引用）由于车轮溜经道岔时撞击尖轨和辙叉而产生的阻力。R道（24N+8）/L曲 （N/KN） ：曲线转角，rad; L曲：曲线长度，m N：道岔级数实际上道岔的阻力公式可以取代无道岔段的公式，仅仅是N的取值为0即可。3.3.4减速设备的制动功n 减速器制动力（创新）参考文献11(m/m)其中：E为减速器的状态（制动1，缓解0）；H减为减速器的单位制动能高，可以由前表的参数查的单位为（m/m）；为减速器制动能高的效率，该参数在以往的模型中是没有的。增加此参数的原因在于：一、在实际运用中由于设备的老化会造成性能的下降，因此简单采用设备出厂实验数据是不够科学的；二、由于天气原因（例如雨雪）减速器的制动能高将受到很大影响，因此也需要考虑此因素。由于减速器是驼峰溜放作业中最重要的调速工具，因此能够更充分地考虑设备作用模型能够大大提高仿真的准确性。对于重力式减速器，其制动力理论是是与重量成正比关系，所以厂家提供的数据对于任何的车辆制动能高都是相同的。但是在实际使用中在减速器处于制动状态下往往表现为空车降速快，重车降速慢。设定车重为Q，车辆在减速器处于制动状态下的平均减速度为Ac，那么Q越大，则Ac的绝对值也越小。根据现场实际经验，雨雪天气都会造成减速器制动能高的下降，最大能够有接近30%的能高损失。但其并不是线性关系，我们将通过现场数据由最小二乘法回归实现模型。其中为雨量，其它为待定系数。n 减速顶的制动功参考文献12(N/KN)其中E代表减速顶的状态（制动1，缓解0），H顶为减速顶的制动功；H缓为减速顶的缓解功；N为减速顶的数量。减速顶的制动力与车重成反比。3.4自由溜放模型建模3.4.1传统的自由溜放模型就是要考虑以分勾速度V分 勾车分勾以后，按照每个质点分别描述勾车在溜放区内的速度变化，并且采用梯形积分的方式计算勾车走行的距离，并进一步计算下一次的勾车速度。采用积分的方法计算勾车走行的距离， 可以近似为其中Si是单位时间段内勾车走行的距离（A点到B点），我们以后统一称为：S。由于速度计算实际是一个闭环的过程，每次开始的速度设为V初 ，那么：SV初 T，T为系统循环的时间。经过S的走行后的速度为V末。在A点时的动能为：走行到B点后的动能为其中w为转动角速度V/R(半径)，I为转动惯量（一般取值为8.79.6m/s2）。m为质量Q/g。根据能量守恒定律：为了简化计算的方法，一般都采用能高作为计算单位。以1/1000米为单位，能量的变化通常描述为变化多少能高。那么 i为该段的线路坡度，根据前面关于各种阻力的描述那么带入后参考文献11其中：，为质点走行距离，单位米，勾车考虑转动惯量情况下的重力加速度，单位，一般在8.79.6，质点所在的线路坡度，单位1/1000，质点的基本阻力（由勾车决定），风阻力，单位，道岔（或线路）的曲线阻力，单位，勾车在减速器上受到的单位制动力，单位m/m，减速器的状态，1代表制动，0代表缓解，减速顶的制动能高或缓解能高，可以根据勾车的速度决定减速顶状态。3.4.2修正的自由溜放模型上述建立的自由溜放模型是在参考原铁道部公布的有关数学公式的基础上，进行总结选择适合于现场仿真的模型，并且对于其中的有关参数提出了改良想法。在有此模型的情况下，针对于本文建立的车辆模型，进一步分析最终实现的模型。对于前述模型，需要在以后实际应用中进行回归修正的参数包括：n 车辆自身基本阻力离散系数：，在经验值的设定中往往采用重车正值，空车负值的处理方式，但是没有建立与重量的离散关系模型作为本论文将通过实践数据寻找与重量之间的关系。n 车辆自身基本阻力公式中K值的确定。在当前铁路大发展的时代，生产工艺等都发生了巨大提高也产生了许多新车型。该系数将必然进行变化，并且可以确定K值应该是趋于减小，具体值需要根据实践数据计算。n 减速器制动能高。增加参数，根据现场实际经验，雨雪天气都会造成减速器制动能高的下降，将通过现场数据由最小二乘法回归实现模型。利用上述条件我们求得一个质点的速度，每个质点由于其所处的线路位置不同，其表现的加减速情况是不同的，因此可以按照上述公式，逐步求得每个质点的。我们此处的质点为一台转向架。在求得每个质点的后，由于整个勾车是连挂在一起的，其最终为一个同一的速度，可以求得整个勾车的以作为下一次每个质点速度的来继续计算下一次的。根据以上公式可以求出每一个质点离开峰顶的距离并且可以利用站场设计中的静态数据进行详细参数的确定。查阅以前所有的关于仿真方面的资料，基本所有的仿真都容易把勾车作为一个质点看，对于一勾车，该方法还比较接近，对于大组车，由于各车辆所处的线路状态差别很大，仿真将严重偏离实际情况。本论文中较以前仿真模型的创新之处主要表现在：n 质点模型精确。传统的所有仿真都是基于以车辆作为基本单位进行考虑，但是车辆的长度从10多米到几十米不等，其前后转向架在线路的不同地点表现出很大的走行差异，因此建立以前后转向架为质点的模型，从建模阶段将消除由于模型本身所造成的较大误差。n 阻力模型建立阶越点。对于车辆在减速设备上的运动其速度变化并不是均匀的，只有减速设备对质点起作用时才会在只有溜放模型中生效，车辆的速度变化会出现阶越。在本论文中对于减速顶仿真采用建立作用点的方式，没有把其阻力平均到线路上，更逼近实际情况。n 实时数据。本仿真系统实现是基于和控制系统联机，能够实时获得控制系统的指令和室外设备的状态，反映设备在实际使用中的性能，比室内仿真要更接近实际；同时应用中车型等情况实验更充分，比基于室内模拟的情况要全面。所以能够有条件对于其中的有关参数进行修正。n 自学习功能。通过仿真产生的数据和实际数据进行比较，可以修正仿真模型，提高仿真的准确性。高准确的仿真又能够反馈给控制系统，修正控制系统的有关控制参数，提高控制精度。第章 仿真系统实现第章仿真系统实现因为本人一直从事驼峰自动化控制的研究，具有方便的条件在仿真系统和控制系统实现数据共享。在建立完成仿真模型后重点考虑模型的实现以及和控制系统的联机问题。仿真系统在 .NET FrameWork2005平台下开发，采用C#编程语言，数据库采用SQLServer2005。4.1系统架构仿真系统从功能上主要分为仿真逻辑、数据保存、数据挖掘、接口协议、界面展示、数据维护、仿真修正7部分。如图4.1控制系统通信模块基础数据核心仿真逻辑数据挖掘修正仿真界面显示数据维护仿真结果收集现场实际数据图4.1仿真系统结构示意图n 控制系统：驼峰控制系统。n 通信模块：采用TCP/IP协议，接收控制系统的溜放计划、控制指令、设备状态、测量数据等。通过数据挖掘产生的优化控制参数反馈给控制系统。n 核心仿真逻辑：根据控制系统提供的计划单（勾车信息）、作业开始时机，利用仿真模型仿真勾车的溜放，同时根据控制系统对减速器发出的控制指令和减速器状态，确定减速器