浅析地铁列车牵引系统
刘大伟++马子奕
摘 要：列车牵引计算系统的构成，可根据系统数据的处理流程，将系统分为数据库管理模块、数据处理模块、显示界面模块，对各个模块的功能做了详尽说明，并针对各个模块的功能特点作了进一步分析设计。
关键词：牵引计算；数据库管理；数据处理
中图分类号：S662 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）19-0335-02
列车牵引计算是针对有轨交通运输中列车在外力（包括机车牵引力、列车阻力、列车制动力）的作用下沿轨道运行及其有关问题的科学计算。它以力学为基础，以科学实验和先进操纵经验为依据，分析列车运行过程中的各种现象和原理，并用以解算轨道交通运营和设计上的一些主要技术问题和技术经济问题。
列车牵引计算系统是一个复杂的综合系统，涵盖范围广，计算公式繁多，而本文利用系统的观点，将牵引计算看成一个求解多元问题的方法论。在牵引计算系统需求分析的基础上，对系统的功能进行详细设计，将系统划分为三大模块：数据管理模块，数据处理模块和显示界面模块。本设计的目的在于框定列车牵引计算系统的层次结构，定义各个模块的功能、原理及相互关系。
1.列车牵引计算软件发展及现状
1.1 列车牵引计算的含义
“列车牵引计算”是研究列车在外力作用下沿轨道运行及有关问题的实用学科。它以力学为基础，以科学实验和先进操纵经验为依据，分析列车运行过程中的各种现象和原理，并用以解算轨道交通运营和设计上的一些主要技术问题和技术经济问题。例如，机车牵引重量、列车运行速度和运行时间、列车制动距离、制动限速、制动能力以及机车能耗（燃油耗或电耗）等等。列车牵引计算的用途有多方面，在铁路运输方面，为了使铁路运输做到提速、重载、安全、高效，在每年修改列车列车运行图时都需要进行大量的牵引计算，并且在列车运行或车站调车过程中发生事故时，用于分析事故原因；在机车运用方面，除了配合运输方面做好工作之外，為了做到“节能”，还可以通过牵引计算，寻找最佳操纵方案；在选线设计方面，为了计算铁路的通过能力和输送能力、确定线路纵断面和机车交路，在进行选线设计时必须要进行牵引计算；在通信信号方面，为了合理地布置轨道信号设备，也要进行牵引计算；在运输经济方面，为了计算设备投资和运营支出，进行各种方案的经济比较等等，也要进行牵引计算n，。
1.2 国外研究现状
国外的轨道交通系统发展的较早，牵引计算的理论和实践的成果也比较多。因为牵引计算理论可作为列车操纵模拟、列车运行仿真、列车自动停车、列车自动驾驶的基础理论，所以在这些领域中，牵引计算理论都得到了发展。对于列车牵引计算与操纵仿真领域，国外比较成熟的系统有北美的TPC（Train Performance Calculator）系统和RAILSIM系统（铁路模拟系统），欧洲的TrainStar系统，日本的UTRAS系统等。TPc系统是根据线路平纵断面以及列车编组，计算列车运行时分，评价机车牵引性能，评价各因素如列车编组、线路条件等变化后产生的效果；RAILSIM系统是北美铁路常用的一套铁路牵引计算与运行模拟软件，它以TPC为基础，可以更精确地模拟许多铁路系统中多种列车的运行：TrainStar系统是一个机车工程师辅助系统，其目标是改善机车操纵，降低能耗，增加安全性，关键技术是提供了自适应的列车行为预测，可在当前运营条件下预测列车的运动行为，包括牵引和制动能问题；UTRAS系统从研究新干线的交通控制系统出发，
可进行列车牵引计算、列车模型对运营的影响分析、延误恢复及分析和多列车运行能力及效果评价等。可见国外对于牵引计算的研究，除了应用于列车优化操纵外，现在更多地应用于列车的自动控制和列车自动驾驶的研究中嘲。
1.3 国内列车牵引计算软件发展历史及现状
国内对于牵引计算的研究相对落后于国外，总的来说，国内牵引计算理论与应用可以分为人工计算和图解法、单质点列车模型的电算方法和多质点列车模型的详细电算方法3个发展阶段。
1.3.1 早期的牵引电算程序
自从20世纪80年代起，我国曾先后由济南、呼和浩特等铁路局和各设计院编制、使用了第一代列车牵引计算软件。早期的程序多采用勘峪IC、FORTRAN等计算机语言编写，按计算流程将有关的计算公式编制成电算程序，在286微机DOS环境下运行。该方法只是在计算方式上以电算代替了手工计算，在列车牵引和制动计算方面大体上相当于国外20世纪60年代的简单牵引计算水平，例如美国的TPO铂程序。随着我国铁路现代化事业的迅速发展，第一代程序已经不能适应新形势的要求，主要体现在以下几方面：①计算所得的速度曲线呈折线状，与列车实际运行时连续渐变的速度曲线严重不符。②受DOS环境限制，缺乏良好的用户界面，无法形象模拟列车牵引、制动操纵，而且“退回操作功能有限，控制不够灵活。③数据接口少且功能单一，只能通过修改源程序才能增补新型机车和车辆数据，导致进行新增车型牵引计算难度较大，而且要求人工输入线路数据并按特定规则进行线路断面化简，不仅工作量大而且容易参数输入错误。④受计算机和输出设备性能限制，计算结果处理功能差，用于绘制列车操纵示意图费时费力。
1.3.2 第二代列车牵引计算软件
针对第一代牵引计算程序普遍存在的计算精度低、使用不方便等缺陷，伴随着铁道部新《牵规》“1的颁布实施，第二代列车牵引计算软件应运而生。由铁道部科学研究院研制完成的牵引计算软件已经通过了铁道部的技术鉴定并被铁路运营单位广泛使用。
2 系统结构体系
列车牵引计算系统要解决的不是单一问题，而是多个问题组成的集合。它包括：机车、车辆、线路数据的管理；结算列车牵引特性、运行时分、起动加速、机车能耗、制动距离等，并将结果简单明确的显示出来。根据列车牵引计算系统要解决的问题以及要完成的功能的不同，将列车牵引计算系统细分为若干个子模块。每个子模块完成一个相对独立的功能，解决特定单独的问题，然后将所有子模块集合成一个完整的具备所有功能的牵引计算系统。
3 数据库管理模块
数据库管理是指对数据库中的信息进行建立、存取和修改等管理的工作。随着计算机硬件和软件的发展，数据库管理经历了人工管理、文件系统和数据库管理这3个发展阶段。由于采用数据库管理具有数据结构化、数据冗余小、独立性高等特点，可以实现数据的安全性、完整性管理以及实現并发控制和数据恢复的能力。采用数据库管理可以很好的适应牵引计算数据规模大，数据量多的特点。根据牵引计算所需数据类型的不同又可将其细分为机车数据管理、车辆数据管理、线路数据管理以及列车编组管理。
3.1 机车数据管理
机车数据管理模块是从触摸屏、键盘等输入设备，输入机车的车型、机车的牵引特性等列车牵引计算的原始数据，并通过该模块生成相应的机车数据存储在磁盘中供以后计算时调用。
机车数据是牵引计算系统中必不可少的基础数据，它包含两方面即机车基本数据（不随速度变化而改变的数据）和特性数据（随速度变化而改变的数据，包括牵引特性数据、能耗特性数据、制动数据特性和阻力特性等）。
3.2 车辆数据管理
车辆不存在特性数据，在牵引计算中所需车辆数据有：车辆类型、基本阻力计算参数、车辆自重、标记载重、轴承类型、制动机型号、制动闸瓦材料的类型等。对车辆数据的操作不需要考虑其他关联因素，只需要查找相关资料即可。
3.3 线路数据管理
所谓线路数据管理，就是从各种输入设备，输入某条线路或某区间的原始线路数据，并在磁盘中生成相应的线路数据库，供以后计算或反向计算时使用。线路数据管理包含三类，即坡度数据管理、曲线数据管理和标记数据管理。坡度数据包括线路名、线路代码、坡度、坡长等；曲线数据包括线路名、线路代码、曲率半径、曲线长、曲线方向等；标记数据包括线路名、线路代码、标记类型、线路方向等。
3.4 列车编组数据管理
列车编组数据包括机车、车辆的型号及数量，车辆的实际载重量等等。对列车编组数据管理包括列车编组的添加、修改、删除和查询等基本操作。
4 数据处理模块
有了列车牵引计算的原始数据，便可根据要求进行数据处理。
4.1 牵引质量计算
根据线路的坡道限制条件，在给定牵引质量的情况下进行验算是否满足条件。依据满足条件的牵引质量作为该线路的列车牵引质量或采取其他措施提高牵引质量。
4.2 运行时分计算
根据线路条件和列车牵引质量，在机车不同运行工况下，计算出列车在此段线路区间的耗时以及各个时段所在该线路的位置。
4.3 起动加速计算
列车的起动过程是一个复杂的随机过程，列车的起动阻力维持时间短，只能通过多次试验的办法，提出一些计算公式。列车在实际运行中一旦起动，列车阻力就从起动阻力回落到基本阻力，是一个从静态到动态的瞬变过程。
4.4 机车能耗计算
机车能耗是关系到运输成本和机车运用效率的关键参数。对不同工况下的能耗做出精确的计算，有利于安排机车的运用、检修和对运费的核算，合理计算机车的能耗是牵引计算系统中的重点。
4.5 制动性能计算
机车车辆的制动性能是关系到车辆运行安全与否的一个重要因素。机车车辆的制动性能除了要考虑牵引电机、传动系统和制动系统之外，还要考虑轮轨接触的影响。
5 显示界面模块
显示界面模块主要功能是接受外界数据并输入数据处理模块以及将数据处理模块计算后的结果具体形象的表现出来。一个系统的所有人机交互过程都是通过显示界面开始的，因此设计布局合理、功能清晰的显示界面很有必要。
显示界面模块可分为数据库管理界面和牵引计算输出界面。其中数据库管理界面的作用是增加、修改、删除或查询机车车辆数据，牵引计算输出界面则是将各种计算所得的结果数据以屏幕显示、打印输出或网络输出的形式传达给使用者。
6、结语
本文以牵引计算理论为基础，结合基本需求进行了改进，设计了列车牵引系统。通过对多条实际线路进行测试，该系统能较好地适应各种不同平纵断面的计算。
参考文献
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