張 博

張 博:中鐵通信信號勘測設(shè)計(北京)有限公司 工程師100036 北京

近年來，鐵路的發(fā)展速度很快，很多線路采用了區(qū)間自動閉塞的方式，相關(guān)信號技術(shù)也越來越成熟。對于速度最高值不大于160 km/h的線路，采用自動閉塞制式需要設(shè)置區(qū)間通過信號機(jī)，設(shè)計時需要根據(jù)列車制動距離和牽引電算軟件仿真計算結(jié)果，分析確定閉塞分區(qū)長度，實(shí)現(xiàn)區(qū)間信號機(jī)布點(diǎn)。中鐵通信信號勘測設(shè)計(北京)有限公司為了滿足鐵路信號設(shè)計生產(chǎn)工作的需要，開發(fā)了《牽引計算與區(qū)間信號布點(diǎn)軟件》，本文將討論該軟件的功能需求與關(guān)鍵技術(shù)，介紹如何利用該軟件完成區(qū)間通過信號機(jī)的設(shè)計工作。

1 軟件需求

區(qū)間通過信號機(jī)布點(diǎn)軟件的功能是實(shí)現(xiàn)區(qū)間信號機(jī)里程的自動設(shè)置，同時確定各閉塞分區(qū)的長度。

為了實(shí)現(xiàn)這個功能，需要進(jìn)行機(jī)車車輛及編組情況分析、線路情況分析、列車運(yùn)行速度及時間分析，計算制動距離和閉塞分區(qū)長度等。因此，軟件需要實(shí)現(xiàn)以下幾個目標(biāo):①繪制線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖，包括坡度，曲線等;②在線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖上，繪制運(yùn)行速度曲線及時間曲線;③計算制動距離、起動坡度、牽引定數(shù)等;④通過輸入條件，對區(qū)間信號機(jī)進(jìn)行自動布置;⑤對輸入的區(qū)間信號機(jī)或者自動布置的信號機(jī)進(jìn)行追蹤間隔時間的驗算。

2 軟件功能與結(jié)構(gòu)

區(qū)間通過信號機(jī)布點(diǎn)軟件主要包括輸入功能、設(shè)置功能、計算功能、輸出功能等。其基本功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．輸入功能。需要輸入的參數(shù)可以提前以規(guī)定的數(shù)據(jù)存儲格式保存，然后通過軟件讀取輸入，包括以下內(nèi)容:① 線路數(shù)據(jù)，由坡度數(shù)據(jù)(含長短鏈)、曲線數(shù)據(jù)、標(biāo)記數(shù)據(jù)(橋梁、隧道、站名、站中心里程、進(jìn)出站信號里程、限速條件)3個部分組成;②列車編組數(shù)據(jù)，包括選取的機(jī)車、車輛類型及編組數(shù)量等;③機(jī)車參數(shù)(備選機(jī)車的性能參數(shù));④車輛參數(shù)(備選車輛的性能參數(shù));⑤數(shù)據(jù)檢查(檢查是否符合數(shù)據(jù)輸入格式的要求)。

2．設(shè)置功能。每次運(yùn)行時，在設(shè)置界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括以下內(nèi)容:①列車運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置(設(shè)計范圍和初速度、停站設(shè)置、列車最高速度、計算精度、自動控制參數(shù)等);②顯示參數(shù)設(shè)置;③打印參數(shù)設(shè)置;④ 保存設(shè)置(讀入設(shè)置、設(shè)置保存等)。

圖1 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

3．計算功能。對輸入的參數(shù)按用戶需要進(jìn)行計算分析，包括以下內(nèi)容:①信號布點(diǎn)，包括信號機(jī)坐標(biāo)輸入、閉塞分區(qū)長度輸入、自動布點(diǎn)等3個部分;② 牽引計算，包括繪制運(yùn)行速度及時間曲線、計算制動距離、計算追蹤間隔、計算起動坡度、計算牽引重量、驗算等6個功能模塊。

4．輸出功能。根據(jù)用戶的需要，可以分別輸出對應(yīng)的計算結(jié)果，內(nèi)容包括:①繪制線路條件(即線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖);② 運(yùn)行時分(列車運(yùn)行速度及時間曲線圖);③ 顯示編組數(shù)據(jù);④保存結(jié)果。

3 軟件數(shù)據(jù)處理及流程

軟件數(shù)據(jù)處理包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理和計算功能部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理，如圖2所示?；A(chǔ)數(shù)據(jù)要先進(jìn)行處理并繪制圖形，再根據(jù)輸入的列車運(yùn)行參數(shù)和需要實(shí)現(xiàn)的功能，進(jìn)行對應(yīng)的計算，最終輸出數(shù)據(jù)文件和圖形文件。

圖2 數(shù)據(jù)處理過程

軟件處理流程如圖3所示。主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、計算功能、驗算功能、輸出結(jié)果等。

圖3 軟件處理流程

4 實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)間通過信號機(jī)布點(diǎn)軟件的核心是自動計算區(qū)間通過信號機(jī)里程。除此之外，還要具有列車牽引性能的分析、列車制動距離計算、線路對列車運(yùn)行狀態(tài)影響的分析、繪制列車運(yùn)行速度及時間曲線、追蹤間隔時間計算等功能。其中的關(guān)鍵技術(shù)包括:繪制運(yùn)行速度及時間曲線、計算閉塞分區(qū)長度、驗算追蹤間隔時間、長短鏈的處理等。

4.1 繪制運(yùn)行速度及時間曲線

繪制運(yùn)行速度及時間曲線的關(guān)鍵有4點(diǎn)，一是確定計算起點(diǎn)，這是保證計算準(zhǔn)確性的基本;二是分析列車運(yùn)行狀態(tài)，列車的運(yùn)行狀態(tài)決定了列車牽引力的使用狀況，是整個計算過程中最重要的部分;三是計算列車的實(shí)際加速度;四是確定計算步長。

1．確定計算起點(diǎn)。在已繪制出的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖上，首先通過計算范圍和初速度模塊輸入的里程，由軟件推導(dǎo)計算出起點(diǎn)的橫坐標(biāo)x;然后再通過計算范圍和初速度模塊輸入的初速度，計算起點(diǎn)的縱坐標(biāo)y。

2．列車的運(yùn)行狀態(tài)分析。其目的是計算列車在不同工況下的受力情況，從而確定列車的加速度a'。加速度a'的取值受列車牽引力的總和影響(F總=a'm，其中m為列車總重量，根據(jù)列車編組數(shù)據(jù)確定)。列車一般有3種運(yùn)行狀態(tài):①牽引運(yùn)行，F(xiàn)總=F牽引+F阻力;② 惰性運(yùn)行，F(xiàn)總=F阻力;③制動運(yùn)行，F(xiàn)總=F阻力+F制動力。通過用戶輸入的機(jī)車、車輛數(shù)據(jù)，可分別得到 F牽引(大于0)，F(xiàn)阻力(小于0)和F制動力(小于0)，則加速度a'=F總/m。

3．計算列車的實(shí)際加速度。由于在計算列車的運(yùn)行速度時，還要考慮列車的回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)r，所以列車的實(shí)際加速度由公式a=a'/(1+r)計算得出。

4．確定計算步長。單位步長既可以采用時間的變化值，也可以采用距離的變化值。當(dāng)采用距離的變化值s為單位步長時，可以利用公式:

其中初速度V1和加速度a為已知量，計算出列車下一狀態(tài)的速度值V2，并最終計算出連續(xù)的速度曲線。

4.2 計算閉塞分區(qū)長度

影響閉塞分區(qū)長度的主要因素為:制動距離、追蹤間隔、顯示制式及安全余量。它們實(shí)際上影響了閉塞分區(qū)長度的最大值和最小值，在實(shí)際工作中，需要根據(jù)它們之間的相互制約進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，確定每一個閉塞分區(qū)的長度，最終確定通過信號機(jī)的位置。

布置通過信號機(jī)的流程一般為先確定閉塞分區(qū)長度，然后根據(jù)各影響因素對通過信號機(jī)位置進(jìn)行調(diào)整。這些影響因素分為影響閉塞分區(qū)長度的因素和影響信號機(jī)位置的因素2類。

影響通過信號機(jī)布置的決定性因素包括:制動距離、通過能力、安全余量、附加走行距離等。次要因素包括:軌道電路極限長等。

另外一類因素因為影響信號機(jī)位置的設(shè)置而間接影響了閉塞分區(qū)長度。這類因素中有的可以提前根據(jù)資料考慮一定的余量，例如起動坡度等。

通過對各類影響因素的分析，并確定其影響的數(shù)值，最終確定了閉塞分區(qū)長度。

4.3 驗算追蹤間隔時間

在確定了閉塞分區(qū)長度后，可以計算出通過信號機(jī)的里程，并驗算追蹤間隔時間。以四顯示自動閉塞為例，四顯示區(qū)段列車在區(qū)間運(yùn)行時按4個閉塞分區(qū)追蹤，追蹤間隔時間為列車在4個閉塞分區(qū)加一個列車長的距離內(nèi)通過所需要的時間。利用運(yùn)行速度及時間曲線圖，及通過信號機(jī)的里程，可以計算出每一個通過信號機(jī)的追蹤間隔時間。

4.4 長短鏈的處理

對于既有線的區(qū)間通過信號機(jī)布置，可能會存在線路長短鏈的問題，當(dāng)信號機(jī)處于長鏈時，正常情況下軟件無法識別，需要特殊處理。

為了讓軟件能夠正確識別。對坡度長度進(jìn)行累加，重新建立坐標(biāo)系。然后通過計算，找出新坐標(biāo)系與公里標(biāo)坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系，將各類數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)進(jìn)行換算，再進(jìn)行其他功能的計算。

5 結(jié)束語

區(qū)間通過信號機(jī)布點(diǎn)軟件主要用于自動閉塞區(qū)段的設(shè)計工作。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)間通過信號機(jī)的布置、追蹤間隔時間驗算、制動距離檢算等功能，具有計算速度快、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。區(qū)間通過信號機(jī)的計算結(jié)果輸出時，可以與信號區(qū)間設(shè)計的輔助軟件接口，提高設(shè)計工作效率。自2011年底開發(fā)完成以來，該軟件已在中鐵通信信號勘測設(shè)計(北京)有限公司的多個工程設(shè)計中使用，效果良好。

［1］饒忠．列車牽引計算［M］．第2版．北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部．TB1407－1998．列車牽引計算規(guī)程［S］．1998．

［3］張博，錢偉．自動閉塞區(qū)段通過信號機(jī)布置方法探討［J］．鐵道通信信號，2009(11):1－4．