列车编组计划研究综述

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国外编组计划优化模型并不完全适合我国的实际情况，但是其研究思路值得借鉴。

各类建模方法综述：

1、动态规划法

该类方法将ＴＦＰ（ＴｒａｉｎＦｏｒｍａｔｉｏｎＰｌａｎ）抽象为一个多阶段决策网络图，一个车站对应一个阶段，每个阶段的点代表后方车站通过该阶段的车流的所有组合情况，然后根据Ｂｅｌｌ－ｍａｎ最优化原理求解。该方法能够获得全局最优解，但也摆脱不了车流组合指数增长的固有缺陷。

2、网络流方法

该类建模方法将各个车站视为点，各编组去向视为弧，各开行方向的集结耗费视为弧的固定耗费（每个站所有去向的集结耗费相同），改编中转额外耗费视为该弧的长度，从而将车流组织问题转化为具有固定耗费的网络流模型。

3、数学规划模型

该类模型采用数学规划方法求解，该类建模方法可以追溯到文献。根据决策变量的类型，可分为０－１规划模型（还可细分为线性０－１规划模型和非线性０－１规划模型、混合整数规划模型、二次０－１规划模型。在处理含有径路选择的问题时，０－１规划模型的改编变量相当于车流在某站是否进行首次改编，这意味着技术车流量为递推形式，因此其模型的具体化将导致高次项出现。与之不同，混合整数规划模型以车流在途各站的改编量代替。其中二次０－１规划模型非常巧妙，将编组方案归结为车流“独立的作业方式”的组合，通过排除非独立的作业方式减少变量数目，建立线性紧约束，系数矩阵的元素均为０或１且分布具有稀疏性和分块对角特点。

编组计划数学规划建模特点总结

对于编组计划优化问题的求解，早期的研究者们主要根据铁路运输组织的实践提出各种近似处理的方法和技术，尤以２０世纪７０年代的筛选法为代表；而后期的研究者们则以模型和算法并重，在对该问题的模型化描述基础上采用各种启发式算法求解。

1、传统求解方法

传统求解方法具体包括绝对计算法、表格计算法等。其中，绝对计算法实质上是穷举法。该类方法主要原理是，筛除不利方案之后，对所有的编组方案逐一计算车小时消耗，方案值最小的即为最优方案。该方法的算法思想简单，但计算工作量很大。当支点站数较多时，其选优难以实现。表格计算法，首先通过一定的判别条件删除或者排除部分不利方案达到精简方案的目的，其次对保留方案采用绝对计算法比选择优。根据直达列车集结车小时消耗和无改编通过节省，提出诸如绝对条件、必要条件和充分条件的判别条件。该方法直观、简便，在支点站数不多而且基本呈直线方向上，能够方便地找出最优或者接近最优的方案，应用较为普遍。

2、现代优化算法

从数学上描述ＴＦＰ，模型的规模将随车流和路网结构的复杂性而变得非常庞大。因此，编组计划编制问题属于超大规模的组合优化问题，是ＮＰ－ｈａｒｄ（Ｎｏｎｄｅｔｅｒ－ｍｉｎｉｓｔｉｃＰｏｌｙｎｏｍｉａｌ－ｈａｒｄ）问题，求解非常困难，应用传统的分支定界或者逐步寻优方法进行求解时，在精确性和可靠性方面都不能完全保证。在采用启发式算法求解ＴＦＰ方面有：

蚁群算法（ＡｎｔＣｏｌｏｎｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＡＣＯ）

模拟退火算法（ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎｎｅａｌｉｎｇ，ＳＡ）

遗传算法（ＧｅｎｅｔｉｃＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＧＡ）

禁忌搜索算法（ＴａｂｕＳｅａｒｃｈ，ＴＳ）

神经网络算法（Ｂａｃｋ－ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ，ＢＰＮＮ）

通过运输组织优化，特别是区域路网车流组织优化以减少运营成本和各种相关费用，提高运输效率和经济效益，一直是国外铁路系统规划与优化领域研究的热点之一。２０世纪８０～９０年代是研究的高峰期，来自美国、加拿大等铁路货运发达国家的研究者们深入研究取得许多成果。国外编组计划优化模型并不完全适合我国的实际情况，但仍有一定的借鉴作用。为了便于与国内ＴＦＰ研究特点进行对比，现也从研究对象和范围、建模方法以及求解算法３个方面分别介绍国外相关成果。

该领域的文献基本都从战术层规划角度建立混合整数规划（ＭｉｘｅｄＩｎｔｅｇｅｒＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ＭＩＰ）模型，其中决策变量为０－１型的编组去向方案和实数型的车流改编量，一般都考虑组织要求（车流平衡约束）和物理限制（车站的改编能力、调车线数量）两大类约束。

（１

）编组去向方案优化

编组去向方案优化问题（ＲａｉｌｒｏａｄＢｌｏｃｋｉｎｇＰｒｏｂ－ｌｅｍ，ＲＢＰ），其目标是确定每个站编组的去向以及每支车流的径路和接续方案。ＲＢＰ以车流ＯＤ作为考虑对象而非列车，这不同于其他研究问题。ＲＢＰ的求解结果为ＴｒａｉｎＢｌｏｃｋｉｎｇＰｌａｎ（ＴＢＰ），作为车站的Ｂｌｏｃ－ｋｉｎｇＰｏｌｉｃｙ。ＴＢＰ确定编组站的改编负荷和网络中车站作业分工。

列车运行方案优化问题，其研究目标是确定列车的径路、开行数量以及编组去向分配方案（Ｂｌｏｃｋ－ｔｏ－ＴｒａｉｎＡｓｓｉｇｎｍｅｎｔ，ＢＴＡ），也即是列车的编组内容。ＴＢＰ作为该问题的输入或者给定条件。

编组计划的编制都具有分阶段特点，但是却又有差别。国外是从问题的逻辑上进行分层：一般先生成编组去向方案，确定每个车站的编组去向和每支车流的径路和接续方案；然后确定列车运行方案，包括列车的径路、开行数量以及编组去向分配方案ＢＴＡ，其中ＢＴＡ确定了列车的编组内容；最后确定列车营运方案，以前两者为基础，安排列车运行的始发终到时刻等调度问题，实现编组计划与列车运行图之间的衔接和协调。

而国内则是根据车流的性质在编组计划的内容上进行分阶段考虑：先确定装车地直达和空车直达列车编组计划，未被其吸收的直达车流向就近的技术站集中，然后编制技术站列车编组计划，最后对剩余的车流再确定区段管内列车编组计划。处理方式的差异主要是由于管理体制的不同。国外铁路多为公司性质，而我国铁路以国有为主，采用铁道部、铁路局、站段三级管理体制。

编组计划的构成内容

国外的列车并不区分装车地直达和技术直达，列车编组内容以编组去向（车流组号）为单元，每列车允许挂有多个组号，在组号到达其终到站之前，整个组号的编组内容不会发生变化，这同于我国的分组列车。但是在模型中没有体现换挂车组（部分改编）与改编费用消耗的差别。另外，我国的编组计划优化过程中，一般不涉及开行列车数量，而是在其内容编制完后的确定与检查阶段，根据吸收的车流量和列车编成辆数计算。我国编组计划不涉及时刻表，这另由列车运行图确定。其中，编组计划中确定的列车始发终到站、运行径路、行车量等信息以及相关作业时间标准都是其编制的条件和参数。国外研究列车营运方案时，考虑了列车调度问题，有些类似我国的基本运行图，以此为基础周期循环。根据其研究时间范围，调度方案有ｄａｉｌｙ第２期货物列车编组计划国内外研究综述ｐｒｏｂｌｅｍ和ｗｅｅｋｌｙｐｒｏｂｌｅｍ之分，其中后者一般研究１～２周的时间，称之为ｓｃｈｅｄｕｌｅｌｅｎｇｔｈ或者ｐｌａｎｎｉｎｇｈｏｒｉｚｏｎ，前者结果的简单复制是后者的特殊方案（不一定最优甚至可行），相比前者，后者的规模更大也更复杂。同时时间维的引入，能够方便刻画重空状态转换以及列车接续等组织过程，使得车流和货车流成为名副其实的动态流。为了解决该问题，国外学者借鉴了动态交通分配中的离散时间时空网络法构建时空网络

第二篇：列车运行控制综述报告《列车运行控制系统》课程设计

学

院：交通运输学院

指导老师：张喜

姓

名：张建磊

学

号：12251202

班

级：运输1208

列车运行控制系统技术方案设想

磁悬浮列车运行控制系统技术方案设想

摘要。高速磁悬浮列车作为一种新型交通工具，具有快捷、安全、舒适、无磨擦、低噪声、低能耗易维护、无污染等优点.高速磁悬浮运行控制系统就如同人的大脑，负责安排整个交通系统安全可靠有效的运转，使磁悬浮列车的特点充分展现出来.目前，仅日德对高速磁悬浮运行控制系统的研究技术比较成熟，分别建立了山梨试验线（yamanashi）和埃姆斯兰特（enslard）（简称tve）试验线，并取得了试验成功.在国内，随着上海磁悬浮试验线的建立，对高速磁悬浮ocs的研究则刚刚起步。本文仅对列车运行控制系统的设计方面进行简单的研究。

关键词：磁悬浮列车、列车运行控制、速度防护、车地传输技术、测速定位技术

1.磁悬浮列车的特点

由于磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点，因此前景十分广阔。常导磁悬浮列车可达400至500公里/小时，超导磁悬浮列车可达500至600公里/小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比最先进的高速火车省电30%。在500公里/小时速度下，每座位/公里的能耗仅为飞机的1/3至1/2，比汽车也少耗能30%。因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘，从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。

磁悬浮列车虽然具有这么多的好处，但到为止，世界上只有上海浦东磁悬浮铁路真正投入商业运营。尽管日本和德国已经有了实验路线，尽管2005年上海浦东机场到市区30公里长的线路将投入正式运营，但磁悬浮列车还是不能普及到日常生活中来。由于磁悬浮系统必须辅之以电磁力完成悬浮、导向和驱动，因此在断电情况下列车的安全就不能不是一个要考虑的问题。此外，在高速状态下运行时，列车的稳定性和可靠性也需要长期的实际检验。还有，则是建造时的技术难题。由于列车在运行时需要以特定高度悬浮，因此对线路的平整度、路基下沉量等的要求都很高。而且，如何避免强磁场对人体及环境的影响也一定要考虑到。

基于磁悬浮列车的特点，磁浮列车运行控制系统的基本功能应该包括：操作与显示、自动操纵列车、驾驶序列控制、列车防护、进路防护、道彷防护、列车安全定位、速度曲线监控和牵引安全切断等功能。以德国为例，德国的高速磁浮列车系统可分为线路、牵引、车辆和运行控制四大系统。运行控制系统采用了3层结构：位于控制中心的中央运行控制系统；位于牵引变电站和轨道旁的分区运行控制系统；位于列车的车载运行控制系统。这3个系统之间的连接和数据传输是通过一个通信网络系统实现的，包括地面的光纤网，地面和列车之间的无线通

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列车运行控制系统技术方案设想

信系统。

2.磁悬浮列车运行控制系统及速度防护方式

2.1列车运行控制系统的类型

ctcs是（chinesetraincontrolsystem）的英文缩写，中文意为中国列车运行控制系统。ctcs系统有两个子系统，即车载子系统和地面子系统。ctcs列控系统是为了保证列车安全运行，并以分级形式满足不同线路运输需求的列车运行控制系统。ctcs系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置按功能划分为以下5级：

1、ctcs—0级为既有线的现状，由通用机车信号和运行监控记录装置构成。

2、ctcs—1级由主体机车信号+安全型运行监控记录装置组成，面向160km/h以下的区段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实现列车运行安全监控功能。

3、ctcs—2级是基于轨道传输信息的列车运行控制系统，ctcs—2级面向提速干线和高速新线，采用车—地一体化计，ctcs—2级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

4、ctcs—3级是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统；ctcs—3级面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信的固定闭塞或虚拟自动闭塞，ctcs—3级适用于各种限速区段，地面可不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。

5、ctcs—4级是基于无线传输信息的列车运行控制系统，ctcs—4级面向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞，ctcs—4级由rbc和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查，ctcs—4级地面不设通过信号机，机车乘务员凭车载信号行车。中国新建200km/h～250km/h，客运专线采用ctcs—2级列控系统，300km/h～350km/h。

2.2列车运行控制系统的速度防护方式

列控系统按照系统控制模式分成速度码阶梯控制方式和速度-距离模式曲线控制方式。

（1）速度码阶梯控制方式

速度码阶梯控制方式，在一个闭塞分区内只控制一个速度等级。在一个闭塞分区中只按照一种速度判断列车是否超速。阶梯控制方式又可分为：出口检查方式（滞后式控制）；入口检查方式（提前式控制）

出口检查方式要求司机在闭塞分区内将列车运行降低到目标速度，atp车载设备在闭塞分区出口检查列车运行。如果司机按照允许速度操纵列车，atp设备不干预司机正常操作，当司机违章操作或列车运行超过允许速度时，列控设备将自动实施制动。在每个闭塞区段的速度含义中存在允许速度/目标速度的意义，本区段的允许速度为该区段的入口速度，本区段的出口速度就是下个闭塞分区的允许速度，这种控制模式属于滞后控制，列车制动后需要走行一段距离才能减速（或停车），因此，在禁止信号后方需要设置一段防护区段用着过走防护。法国tvm300就采用这种控制方式。

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列车运行控制系统技术方案设想

入口检查方式就是列车在闭塞分区入口处接收到允许速度后立即依此速度进行检查，没有目标速度指示，一旦列车速度超过允许速度，则列控设备自动实施制动使列车运行降低到目标速度以下。入口检查方式中本区段的入口速度就是本区段的允许速度。日本新干线atc就用这种方式。在该种控制方式下，需要在列车停车前设置一个地面环线或应答器设备，用于防止列车冒进信号，该点式设备的布置要求列车以30km/h的速度紧急停车后能在危险点停车。这种控制方式较滞后式控制方式间隔能力将提高不少。

速度码阶梯控制方式的系统主要优点是简单，需要地车传输的信息量小，不需要知道列车的准确位置，只需要知道列车占用哪个区段即可。但是缺点也是明显的，铁路运输系统的行车能力受到了限制。

（2）速度-距离模式曲线控制方式为了缩短列车间的间隔距离，采用速度－距离模式曲线方式实现列车间的安全速度和间隔控制。速度-距离模式曲线控制是根据目标速度、线路参数、列车参数、制动性能等确定的反映列车允许速度与目标距离间关系的曲线，速度－距离模式曲线反映了列车在各点允许运行的速度值。列控系统根据速度距离模式曲线实时给出列车当前的允许速度，当列车超过当前允许速度时，设备自动实施常用制动或紧急制动，保证列车能在停车地点前停车。因此，采用这种控制方式的列控系统不需要设置安全防护区段。在这样的控制系统中又分成以下两种方式：分段速度-距离模式曲线控制；一次速度-距离模式曲线控制

分段速度控制模式是将轨道区段按照制动性能最差列车安全制动距离要求，以一定的速度等级将其划分成若干固定区段。一旦这种划分完成，每一列车无论其制动性能如何，其与前行列车的最小追踪距离只与其运行速度、区段划分有关，这对于制动性能好的列车其线路通过能力将受到影响，tvm430就采用这种控制方式。

分段速度控制模式列车最大安全制动距离为：Ｓ＝（Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４）

（１－１）

其中：

Ｓ——列车最大安全制动距离

Ｓ１——车载设备接收地面列控信号反映时间距离Ｓ２——列车制动响应时间距离Ｓ３——列车制动距离Ｓ４——过走防护距离

ｎ——列车从最高速度停车制动所需分区数；

速度-距离模式曲线控制的制动模式是根据目标距离、目标速度的方式确定的速度－距离模式曲线，该方式不设定每个闭塞分区速度等级，采用一次制动。以前方列车占用闭塞分区入口为目标点，通过地车信息传输系统向列车传送目标速度、目标距离等信息。该方式能减少闭塞分区长度对列车运行间隔时分的影响。一次连续速度－距离模式曲线方式更适于高中速混跑的线路。

一次连续速度控制模式列车最大安全制动距离为：Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４

（１－２）

Ｓ——列车最大安全制动距离

Ｓ１——车载设备接收地面列控信号反映时间距离

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列车运行控制系统技术方案设想

Ｓ２——列车制动响应时间距离Ｓ３——列车制动距离Ｓ４——过走防护距离

ｎ——列车从最高速度停车制动所需分区数；

式（１－２）中，Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４与式（１－１）基本相同，在计算一次连续速度模式最大安全制动中由于为一次制动，因此在制动过程中它们只考虑一次。而在分段模式中由于在整个制动过程中要多次制动、缓解，这三个参数要考虑ｎ次。另外，连续速度控制模式列车最大安全制动距离Ｓ３采用的是每一列车的实际最大安全制动距离，列车制动性能好的列车Ｓ３的数值小，性能差则Ｓ３的数值就大。因此，在连续速度控制模式中，列车的运行间隔距离，各尽其能，有助于提高运行效率。同时其所具有的一次性制动的性能也与列车实际制动方式相吻合。一次连续速度距离模式是各国铁路尤其是高速铁路列车运行控制系统的发展主流。

2.3磁悬浮列车运行控制系统选择

磁悬浮列车速度快，制动性强，整体性能好，对列车运行控制系统要求很高，属于ctcs4级列车运行控制系统。在速度防护方式上，采用速度—距离模式曲线控制方式。

3磁悬浮列车运行控制系统的关键技术与设备

3.1列车运行控制系统的车地传输技术

地面信息传递到车上的方式目前有两大类，一类是点式传递方式，另一类是连续式传递信息方式。点式传输方式常用的有查询应答器和点式感应环线；连续式传输方式常用的有轨道电路、轨道电缆以及无线传输等方式。

1.点式传递方式

点式传递方式是在地面某些固定点，如闭塞分区分界点处，从地面向车上传递信息。点式传递方式常采用查询/应答器来实现或点式环线两种方法。其中查询/应答器应用较为广泛。

2.连续式信息传输方式2.1轨道电路

轨道电路是信号的关键基础设备之一，借助它可以监督列车在线路上的运行情况，并利用它可以连续传递与行车有关的各种信息，是一种传统的地－车信息传输方式。在列车运行控制系统中应用较广泛。法国、日本列车运行控制系统都采用轨道电路来传递行车信息。

2.2轨道电缆

德国lzb系统采用轨道电缆实现列车地面信息的双向传输。lzb系统由地面控制中心、轨道传输电缆、车载设备3部分组成。地面控制中心根据地面存储的各种信息，结合联锁设备的信息实时计算列车的最大允许速度，通过轨道电缆传输给车载设备，实现列车速度的控制。

2.3无线移动通信

基于gsmphase2+标准的gsm-r技术，是国际铁路联盟（uic）和欧洲电信标准化协会（etsi）为欧洲新一代铁路通信设计的无线移动通信系统。uic通过欧洲综合铁路无线增强网络（eirene）对各种数字移动通信系统进行了较，

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列车运行控制系统技术方案设想

最后决定gsm-r为新一代欧洲铁路无线移动通信基本制式。欧洲列车运行控系统etcs2级及etcs3级技术标准明确确定利用gsm-r无线系统进行列控信息车-地双向传输。

3.2列车运行控制系统的测速定位技术

列车自动控制atc系统的一般原理是，检测列车的位置、速度等信息，并将这些信息汇集到控制中心；控制中心根据线路上列车流的情况，生成对车流中各个列车和地面设备的控制命令；地面设备接受到控制命令后实现动作；列车根据控制命令，结合自身列车的位置信息、速度信息及线路情况、列车状况等信息，对列车各种设备实施具体的控制。目前，列车自动控制atc系统存在多种列车定位、测速技术方法。

一、脉冲转速传感器方式（里程计）

脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，这样脉冲的频率就与轮轴的转速成正比。输出脉冲经过隔离和整形后，直接输入到微处理器进行频率测量并换算成速度和走行距离。

二、无线测速方式

无线测速定位方式抛开轮轴旋转产生的速度信息，利用外加信号直接测量车体的速度和位置，因此又称为外部信号法。目前提出的有雷达测速方式和卫星定位方式等。由于这类方法不由轮旋转获得信息，因此能有效地避免车轮空转、滑行等产生的误差，但精度受到无线电波的传播特性等素的影响。这一类方法包括雷达测速方式、gps测速定位方式等。

三、交叉感应回线（loop）定位

在轨道铺设的感应电缆，通过车载感应线圈和感应电缆的电磁偶合完成信号和数据的传输，地面控制中心系统通过轨道电缆与车载列控设备联系，可以实现列车的闭环控制。通常采用的方法是将轨间电缆每隔一定距离作一次交叉。而利用这一交叉回线列车可以知道自己的位置。

四、轨道电路绝缘节定位方法

前面所述的脉冲转速传感器方法可以获得列车位置信息，但是由于列车的车轮空转、滑行等因素，不可避免的会产生累积误差，因此，一般列车自动控制atc系统采用地面固定安放的设备来对累积误差进行校正，这些地面固定安放的设备称为地面绝对信标，可以作为地面绝对信标的定位方法包括：轨道电路定位，计轴器定位，信标定位，查询一应答器定位

3.3磁悬浮列车运行控制系统的关键技术与设备

针对于磁悬浮列车的各个特点，车地信息传输选择gsm-r连续式无线移动信息传输技术。定位测速由无线测速定位方式来完成。

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第三篇：列车撞击综述0前言

近年来，随着轨道交通广泛采用诊断、监测、通信、失效保护制动、现代化的列车控制系统等主动安全防护系统，发生重大交通事故的可能性越来越小。许多国家对轨道车辆的结构进行抗撞击设计与分析，提高了列车的耐碰撞性。耐碰撞性列车结构设计是在车体的特定部位设置一定的变形区域，或安装能量吸收装置和防爬装置，尽可能多地吸收列车碰撞时的动能，从而降低碰撞作用力，防止列车交叠事故发生，从而最大限度地减少人员伤亡。对轨道车辆耐碰撞性的研究使列车产品的耐碰撞性能得以提高，新的研发思路突破既有设计、技术瓶颈，提高列车被动安全防护技术，使其在碰撞事故发生时损失降到最小，对提高列车运营安全性具有重要的现实意义。

国际上对机车车辆碰撞的深入研究始于２０世纪８０年代中后期，英、法、德、美等发达国家相继对列车碰撞进行了大规模、长时间的研究。近２０年来，英、德、法、奥地利、比利时等国通过对列车碰撞事故的广泛调查、统计及对多次发生的典型列车事故类型进行的还原研究，率先出台了轨道车辆被动安全防护的技术规范和应用标准，如文献［１－２］及欧洲铁路互联互通技术规范中的有关标准［３］。美国也在联邦铁路局（ＦＲＡ）安全法规中建立了有关规范［４］。

我国在列车被动安全防护技术方面的研究起步较晚。上世纪９０年代开始，随着我国铁路事业的发展以及国际交流合作的常态化，我国铁路行业的各科研院所和机车车辆制造工厂开始着手这方面的研究。由于实车试验费财费力，且可重复性差，加上计算机仿真技术的不断发展，因此国内研究人员大多致力于对车辆碰撞大变形的仿真模拟，欠缺对机车车辆碰撞的试验研究。

1.列车碰撞研究的主要研究方法

列车碰撞研究的主要方法包括试验和仿真两大类。其中，试验方法借助先进的测试手段，既可得到几乎所有所需特征参数，又可在三维空间模拟列车碰撞时可能发生的各种姿态，是最为有效、最具说服力的研究手段。但是，由于碰撞试验破坏性大，试验过程出现不可控因素，需要尖端测试手段才有可能对试验全程进行监测。所以试验分析所需经费巨大，可重复性很差，且具有很大的危险性。

由于铁路列车的类型、碰撞障碍物以及列车碰撞事故的类型多种多样且不断更新，加上产品设计的周期越来越短，将设计初期的实物制造出来用于试验费时费力也不经济。所以，对我国这样经济基础相对薄弱的发展中国家来说，目前试验方法仅停留在对小部件的研究上，尚未有实车碰撞试验的报道。

计算机仿真是研究列车碰撞的另外一种方法，经济便捷、操作性强，可解决上述试验方法存在的诸如大耗费、重复性差、周期长等缺点，可在设计初期对列车模型进行有效评估，便于设计师及时修改方案，大大缩短设计周期，节省设计经费，又可对现有列车产品进行耐撞性评估。同时，借助现有成熟的商业软件，仿真方法无需其他外界系统的辅助就可得到试验方法可得到的所有数据。通过人为控制计算时间步长，所采集的具有时间历程的数据甚至比试验方法所得更加详细。随着计算机软硬件技术的发展和高度非线性有限元技术的逐渐成熟，计算机模拟仿真已基本能够应对列车大系统碰撞中的难题，目前可用于碰撞分析的非线性有限元软件有ＬＳ－ＤＹＮＡ、ＭＡＤＹＭＯ、ＲＡＤＩＯＳＳ、ＭＳＣ.ＤＹＴＲＡＮ、ＰＡＭ－ＣＲＡＳＨ等，可用于动力学分析的商业软件有ＡＭＡＭＳ、ＳＩＭＰＡＣＫ等。目前，国内学者大多采用非线性有限元对列车碰撞进行模拟，由于列车结构复杂且尺寸巨大，对其进行网格离散后的有限元计算模型规模太大，计算耗时长且需占用非常多的计算机资源，难以满足企业在车辆概念设计和方案设计方面快速、有效的要求。多体动力学在列

车系统运动学和动力学分析上有较强的优势，但却无法精确地对弹性体碰撞接触部位的变形及其非线性刚度等参数进行计算。为了解决这个问题，部分学者建议采用有限元与动力学混合仿真的方法对列车碰撞进行模拟。这种方法的主要思想是首先通过有限元方法得到列车端部结构的非线性特性，再将此特性引入多刚体动力学中模拟列车的端部结构，列车的其余部分则用刚体模拟。这种方法可节省大量计算机资源，但是，即使列车碰撞中各位置车钩、各相邻车端配置及结构完全相同，其碰撞相对速度在同一碰撞事故中并不相等，甚至相差较大。这些结构在不同速度等级的碰撞中有着截然不同的力学特性，如气液车钩装置、应变率敏感材料的使用，都使得其力学特性具有速度敏感性，而各车端的相对碰撞速度在数值仿真之前是无从获得的。所以，用在某一速度等级下得到的车端结构的力学特性在动力学中赋予所有车端显然不够合理，况且碰撞速度的增加不能保证车体的其他部分保持刚体运动，用刚体来代替它们就无法考证这些结构自身可能发生的大变形。

综上所述，在耐碰撞车辆设计的不同阶段，可采用不同的研究方法。在进行车钩设计（包括缓冲器、压溃管）时，研究列车端部、中部能量吸收区域的载荷和吸能水平时，研究列车碰撞过程的动态响应、碰撞过程中的力、速度和加速度时，可采用多体动力学的研究方法；在进行能量吸收元件设计、列车端部和中部能量吸收区域设计以及研究列车碰撞过程中各车辆详细的变形特性、加速度等时，可采用非线性有限元分析的研究方法；对于能量吸收元件的验证、列车碰撞过程中的动态响应、各车辆的变形特性和加速度等的验证，可采用准静态或动态试验的研究方法。

5我国轨道车辆耐碰撞性研究的展望

在轨道车辆的耐碰撞性研究领域，我国与发达国家存在较大的技术差距。今后应在以下几方面进行深入研究：

（１）从多体系统动力学理论出发，研究列车中车辆之间、车体与走行部之间科学有效连接的多体动力学模型，利用碰撞力学理论和统计理论，研究列车多体模型在发生不同碰撞类型、不同速度等级、不同能量吸收比例、不同车体结构刚度等级所产生的碰撞响应类型，建立列车在各速度等级下每种碰撞类型所要求的车体结构纵向刚度和车体结构安全性指标体系，构建列车车体前端和中部能量吸收的比例关系。掌握列车碰撞过程的规律、碰撞动态响应、车体结构安全性的要求，为减少碰撞事故造成的损失提供科学依据。

（２）对于目前国内外采用的各种列车防碰撞措施，仅在相碰撞的列车仍位于轨道上且一列车未爬上另一列车的情况下才有效［９］。这就需要研究列车碰撞导致爬车和脱轨的机理。防爬装置已在我国的轨道车辆中得到应用，还需研制列车发生碰撞事故时限制车辆脱轨的装置。在对轨道车辆进行动力学性能研究时，通常采用Ｎａｄａｌ公式判断列车的脱轨安全性，将该公式直接用于碰撞过程中车辆脱轨的判断显然是不合理的。这就需要根据列车碰撞后发生脱轨的机理，研究相应的判断标准。

（３）我国轨道车辆行业目前缺少可用于整车碰撞试验的装备，列车碰撞试验标准和试验装备还处于空白，从客观上让机车车辆的被动安全性研究停留在计算机仿真等模拟层面。到目前为止，国外进行了大量的列车碰撞试验，但其试验大都在室外进行，且为临时性试验，未形成相关的试验装备专利和试验规范，一般是根据客户的要求进行。这种试验组织难度大，成本高，且缺乏系统性。

鉴于以上情况，我国迫切需要开展在试验室内可进行的车体结构碰撞安全性、乘员生命安全性、物品安全性的等效碰撞试验方法和试验设备的研究。其技术和装备可用于所有类型的轨道车辆整车结构碰撞特性测试，可研究不同碰撞物体以及空间位置的车体的碰撞特性。

为碰撞车体模型、碰撞刚度模型、质量等效模型等的仿真研究提供验证平台，并提出碰撞时的车体设计准则和乘员安全标准，制定碰撞试验方法、碰撞试验设备、碰撞试验运行、碰撞试验评估的相关标准体系。基于碰撞测试手段的应用，对轨道车辆碰撞特性理论进行研究。

（４）到目前为止，我国还未正式颁布列车碰撞吸能规范和标准。为了提升我国轨道车辆，特别是高速动车组的国际竞争力，迫切需要制定适合我国国情并在国际上认可的轨道车辆碰撞安全性标准。

第四篇：研究综述研究综述

国内基于gis功能作物（植物）分布时空

变化的研究综述

摘要。基于对gis观念和功能有所阐述的基础上，系统全面的阐述了gis应用功能中的资源管理功能。通过对资源管理功能系统分析，发现资源管理功能中的数据查询与显示、统计与制图，以及提供多种组合条件的资源分析等各个部分有一定的关联性。所以应用其统计与制图的相关性与实用性，探讨XX县区的特色经济作物——金钱橘的近年来种植面积的变化及其空间分布。为了解金钱橘在惠水的种植面积和空间分布表现形式等提供依据。

关键词：时空变化、gis、地物

1gis的概念

gis（geographicinformationsystem，地理信息系统）是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，具有以下三个方面的特征[10]：具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性;以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息;由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统;而其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统

[11]。

2关于gis功能的研究

有关gis功能[15]的介绍：gis的功能包括基本功能和应用功能，其中基本功能主要有空间数据采集、空间数据处理、空间数据管理和空间分析等四大部分。而应用功能主要有资源管理、区域规划、国土监测和辅助决策等四部分。gis资源管理功能方面的研究利用，是目前趋向于成熟的研究领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源利用评价、以及水资源的时空分布特征研究等。这种功能可直接对数据进行查询显示、统计、制图、以及提供多种组合条件的资源分析，为资源的规划和合理开发提供依据。应用功能中的区域规划：把影响城市规划的多种因素（如资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、金融等）进行筛选，转化成可用形式，帮助政府部门完成规划、分区，现有土地利用，分区一致性，空地、开发区设计位置等分析工作，是实现区域科学规划和满足城市发展的重要保证。应用功能中的国土检测：应用地理信息系统功能和遥感相结合，可以有效用于森林火灾的预测警报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。辅助决策功能：利用拥有的数据和英特网传输技术，可以深化电子商务的应用，满足企业决策多为的需求，例如企业的分布、客货源、市场的地域分布规律、原料、运输、夸过销售等。

2.1关于gis区域空间分析方面的研究

主要是对gis采集来数据进行分析、系统处理和管理后，对空间对象建立的多种空间关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。主要有徐

映雪，邵景力等（2006年）基于rs和gis的鸭绿江口滨海湿地分类及变化的研究，以遥感影像资料为基础，结合gis技术对鸭绿江口滨海湿地进行定量化研究，查明湿地的类型分布、面积，分析其1989--2000年期间土地利用的变化。结果表明：虾田、居民地、滩涂面积增加;芦苇沼泽、水田、浅海水域面积减少;湿地生态环境遭到破坏。这些主要是由城市扩张和经济增长所致。天然湿地的减少，使依赖于湿地生存的动、植物种类大大减少。为保护湿地生态环境，应严禁毁苇开荒，逐步退耕还苇，加强管理，合理开发利用，使本区可持续发展[7]。郭泉水，郭志华等研究的我国以梭梭属植物为优势的潜在荒漠植被分布，以我国最新出版的《中国植被图集》为基础，应用地理信息系统gis软件arc/info（nt版）和数字化仪，提取以梭梭属植物为优势的现存荒漠植被地理分布信息，制作地理分布专题图;在生态信息系统（green）软件支持下，定义地理气候适应参数区间，生成以梭梭属植物为优势的潜在荒漠植被分布图;将现存和潜在的分布图叠加并对照比较，揭示以梭梭属植物为优势的潜在荒漠植被分布特征，预

[8]测适宜以梭梭属植物为优势的荒漠植被发展的地理空间。杨金对gis空间分析在森林

防火信息系统中的应用研究，介绍了gis技术的概念及其发展概况，论述了森林防火信息系统总体设计及其系统功能划分，并对gis空间分析在森林防火信息系统中的应用进行了探讨[9]。

2.1.1gis资源管理功能中关于统计、制图方面的研究

主要对现实的某种资源进行调查、数据统计后，对数据处理成图。将空间地物以数据形式在图上直观表现出来。例如张秀英，冯学等应用gis制作coringa红树林物种分布图的研究，：coringa野生保护区是印度东海岸第二大红树林保护区。采用pcqm（pointcenteredquartermethod）方法获取了该区红树林树木底面积数据arcinfo

8.1制作物种密度分布图，结果显示，该区红树林植物有15种，分属8个科10个属，动物则包括7个门（arthropda，mollusca，pisces，amphibia，reptiles，avesandmammals）。在15种红树林植物中，avicenniamarina，a.officinalis和excoecariaagallocha是保护区中分布最广泛的种类，他们的分布密度随盐度的变化而变化，rhizophoraapiculata和r.mucronata则被限制在该区沿海边缘地带[5]。另外还有王春艳，李德智等为代表的基于遥感和gis方法的千岛湖库区集合植物群落宏观格局初步分析的研究为代表，运用遥感和gis对千岛湖库区植物的宏观格局特征进行初步分析，探讨了不同岛屿面积的归一化植被指数及不同等级岛屿斑块的景观格局[6]。除此之外，在运用gis制图方面的研究还有很多，但多数都是在自然的基础上，采用gis的制图处理技术，将其在空间的分布形式表现出来。田自强，陈王月等就神农架龙门河地区的植被制图及植被现状分析。依据龙门河地区所处位置的植被地理分布规律性，绘制了该地区1b50000的植被复原图。并在野外调查、资料搜集的基础上，辅以全球定位系统（gps）、gis软件及tm影像数据，绘制了该地区1b50000的植被类型图。结果表明：1）植被海拔分布由低至高依次为常绿阔叶林（海拔900m以下），硬叶常绿阔叶林（海拔900~1300m）、常绿落叶阔叶混交林（海拔1300~1600m）以及落叶阔叶林（海拔1600~2200m）。2）龙门河地区林地面积4419.2hm2，占该地区总面积的

93.71%，共计8个植被型65个群系。其中常绿落叶阔叶混交林面积最大，为1674.09hm2，占林地面积的37.88%。另外，果园（3种类型）和农田两种农业用地面积228.12hm2，占总面积的4.84%。3）由植被复原图与现状植被类型图叠加分析可知，干扰后增加了针叶林、针阔混交林、灌丛、草地4种植被类型，占龙门河地区总面积的34.6%。其中针阔混交林所占面积最大，996.79hm2[14]。

2.1.2关于gis资源管理功能中的提供多种组合条件资源分析的研究

地区性的某类地物的分布往往是多种因素共同作用的结果，主要表现为自然因素对

生物分布适宜性的影响因子，这方面的研究内容丰富，有代表性的有黄伟娇基于gis的XX市特色经济作物土地适宜性评价，本研究基于地理信息系统和数学模型集成技术，以XX市为研究区域，以50mx50m栅格为评价单元，首先根据XX市茶叶、山核桃和香榧对自然环境条件的要求，建立包括气候条件、地形条件、土壤条件等三方面的特色经济作物土地适宜性评价因子体系；再借助回归逆距离权重法、回归普通克里金法、回归样条法和回归趋势面分析法插值等混合插值方法对XX市气候要素空间分布进行模拟，并进行空间精度比较分析；最后采用模糊综合评价法对XX市特色经济作物土地适宜性进行评价[3]。郭兆夏，贺文丽等基于gis的XX省烤烟气候生态适宜性区划的研究，掌握XX省烤烟种植气候适宜性地域分布，通过对气象条件影响烤烟生长的研究，确定XX省烤烟气候区划指标，利用gis技术对指标各气象因子进行空问分布模拟，结合区划指标制作出精细化的烤烟气候适宜性区划图。结果表明：陕南汉江支流海拔300—700m的平原、缓坡地和XX市南部海拔1000m以下的川道、浅山区为XX省烤烟适宜区，

[4]此区光、热、水气候资源满足烤烟的生长需求，可作为陕西烤烟生产基地。

3基于gis作物时空变化的研究

这里的作物包括农作物和经济作物，随时间、三农政策等变化和出台，农村粮食作物、经济作物种植面积逐渐发生变化，所以自21世纪以来，研究该领域的文章逐渐增对，区域丰富。

运用gis的空间分析功能和数理统计等结合，分析作物时空变化的特征。例如张莉，吴文斌等研究的XX省XX县区农作物格局时空变化特征分析[9]。通过分析XX县区乡镇尺度农作物格局的时空变化特征，为农作物种植结构变化机理机制研究提供依据。基于XX省XX县区1996—2010年乡镇级统计数据，运用数理统计和gis空间分析等方法，分析XX县区过去1996—2010年XX县区农作物总播种面积增加22.86%，主要是由粮食作物播种面积变化引起。粮食作物播种面积增加32.80%，经济作物减少52.84%，粮经比从88﹕12调整到96﹕4。玉米种植面积大幅增加73.82%，种植比例不断提高，大豆种植面积减少1.05%，水稻种植面积减少29.78%。主要粮食作物空间变化呈现较强的规律性，即玉米种植在全县范围内分布较均衡，大豆种植中心向东南部集中，水稻种植集中到XX县区北部和西部地区。过去15年XX县区农作物格局时空变化明显，分析掌握其变化特征，有助于进一步探究其变化的原因，为科学调整县域农作物种植结构、提升农业综合生产能力提供科学依据。张应龙，谢永生[12]研究的gis支持下的XX省粮食生产时空变异研究。综合应用变异系数、重心迁移模型、比较优势模型以及统计学和gis分析方法，探讨了1980－2009年XX省粮食生产时空格局演进过程。结果表明：XX省粮食生产总体变化显著，粮食产量呈波动增长趋势，但粮食种植面积不断减少将危及区域粮食安全;根据粮食产量高低和生产稳定性特征，将XX省分为高产低变型（宝鸡、咸阳、渭南、汉中）、低产低变型（安康、商洛）、高产高变型（西安）、低产高变型（榆林、延安、铜川）四个粮食类型区;各地区人均粮食产量差异较大，铜川、西安和商洛粮食紧缺，宝鸡、咸阳、渭南和榆林粮有盈余，延安、汉中和安康粮食基本自给;粮食生产总体分布不均衡，南北差异较大，重心移动的阶段性明显，总体呈"北上东进"的移动趋势;各类粮食作物具有比较优势的区域分布具有一定规律，小麦、玉米和大豆、稻谷生产具有优势的地区分别在关中、陕北、陕南。研究结果以期为粮食安全背景下的区域粮食生产宏观布局与优化以及农业的结构调整提供较为科学的决策依据。

4关于作物（粮食作物和经济作物）种植面积时空变化的研究

4.1多种因素影响下作物在一定时期内种植面积、空间分布变化的研究

一个区域内种植某类作物会随着时间变化而在种植面积、种植分区上发生相应的变化。而这一变化受到自然原因和人为因素的影响。关于作物时空变化方面的研究一直以来都

是个重点和热点领域，研究成果丰富。富有典型代表性的有佴军[13]（2013）以近30年XX省水稻生产的时空变化与效益分析为切入点，基于大量的统计数据和调研数据，运用因素分析法、小波分析法、比较优势指数法、gis技术分析法和比较分析法等研究方法，研究了XX省水稻生产的时空变化特征及其影响因素，同时研究了XX省水稻增产的效果，提出了XX省水稻水稻生产的发展路径和对策建议。利用同样的研究思路和研究方法的还有张应龙、谢勇生等基于gis支持下的XX省粮食生产时空变异研究[12]。此外，张莉，吴文斌等[16]（2013）研究的XX省XX县区农作物格局时空变化特征分析。基于XX省XX县区1996—2010年乡镇级统计数据，运用数理统计和gis空间分析等方法，分析XX县区过去15年玉米、大豆、水稻3种主要粮食作物和经济作物播种面积数量变化及空间变化特征。

4.作物时空面积变化驱动力的研究

由于今年农业产业结构的调整、政府政策的引导、有限耕地资源的束缚和农民意识的觉悟和素质的提高，是的原本单一的农业结构日趋多样化，农民种植作物的单一性也倾向于丰富，所以各种作物的种植面积也随之发生变化。王云[17]（2013）关于耕地条件约束下浙江粮食与经济作物种植面积变化研究。以XX省种植户为例，假定耕地面积一定，在种植粮食和蔬菜的配置耕地中，通过构建系统动态模型，模拟XX省粮食和蔬菜种植面积的变化，以十年为模糊期限，观察十年后在市场自我调节性粮食和蔬菜种植面积变化及产量发展趋势，在次基础上，考察政府干预政策的影响，观察干预政策影响下粮食和蔬菜种植面积的变化趋势，寻找一定保证粮食安全和保障粮食生产的适合干预方式和力度。

5关于金钱橘的研究

有关金钱橘的研究并不是很对多，由于金钱橘是是生长于亚热带的一种高价值水果，对自然条件要求较高，受环境条件的影响较大，所以有关金钱橘的研究主要在于研究影响其种植生长的条件方面：张明生、王素英等就nahso3对惠水金钱橘叶片光合速率的影响的研究，他们用不同浓度的nahso，及其与kcl和6一ba配合对贵州惠水金钱橘叶表进行喷施，研究其对叶片光合作用的影响。结果表明：较低浓度（3～9mmoi／l）的nahs03对叶片光合速率有明显促进作用，作用效果长达6d之久；当nahs03浓度较高（≥12mmol／l）时对光合作用不利；低浓度的nahs03分别与1mmol／lkcl和5mmol／l6一ba配合施用，对叶片光合速率的促进效果更显著[1]。另外王建军、王社英以XX县区金钱橘为例，探讨了XX县区金钱橘主要虫害及其防治措施[2]。

5总结

有关gis在时空分布、面积变化方面的研究内容丰富，技术趋于成熟。鉴于gis的功能的多样强大，而且各种功能之间可以相互渗透，交叉使用；而在作物分布、种植面积变化方面，探讨其变化原因是多样的，在分析其变化原因的技术时用到了gis的分析功能、制图功能等；另外，目前关于XX县区特色经济作物——金钱橘种植面积变化方面的研究几乎为零；所以，鉴于以上三方面的原因，可以运用gis的制图与数据分析功能相结合，直观表现XX县区金钱橘种植区域的同时，分析近十年来种植面积变化的趋势及原因，为今后XX县区经济作物种植发展提供依据。

参考文献：

[1]张明生，王素英等.喊红兵等.nahso3对惠水金钱橘叶片光合速率的影响[j].种子，2004，23（6）20-21.[2]王建军，王社英.XX县区金钱橘主要虫害及其防治措施[j].植物医生，2004，（4）

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[3]黄伟娇.基于gis的XX市特色经济作物土地适宜性评价[d].福建：福建林

大学.

[4]郭兆夏，贺文丽等.基于gis的XX省烤烟气候生态适宜性区划[d].XX省气象科学研究所.

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[6]王春艳，李德智等.基于遥感和gis方法的千岛湖库区集合植物群落宏观格局初步分析.华东师范大学学报，2011，2，89-99.

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[12]张应龙，谢永生等.g