CN102393885B - 一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统及方法，涉及铁路交通管理技术，旨在针对现有计算方法数据录入量大及计算流程复杂的缺陷，提出一种新的计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法，及包含该方法的算法系统。本发明中算法系统包括牵引曲线模块、线路曲线模块、运行时分计算模块。其中运行时分计算模块中计算列车运行的速度和时间的方法为：先预设一个线路分段的末速度，根据该末速度、已有的初始速度直接计算线路分段长度，根据计算得到的线路分段长度与实际差距调整末速度，直到根据末速度和初始速度计算得到的线路分段长度与实际相同，此时的末速度便为所求的值。本发明避免了复杂的运算，且计算精度较高。

Description

一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统及方法

技术领域

本发明涉及铁路交通管理技术，尤其是一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法。

背景技术

现有技术中，还没有专用于计算内燃机牵引列车运行速度和时间的软件，大部分列车的运行速度和时间计算均需要将线路数据按点直接在软件中输入，数据录入费时费力。计算方法采用距离倒推速度的方法计算。

现有技术存在的不足之处主要表现在数据录入量大及采取的距离倒退法计算流程复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统及方法。

本发明采用的技术方案是这样的：一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统，包括：

牵引曲线模块，用于输入起动牵引力、起动速度、持续牵引力、持续速度、最高速度、内燃机车质量与列车质量；

线路曲线模块，用于输入线路分段长度、坡度与限速；

运行时分计算模块，用于计算内燃机车牵引列车运行完每段线路分段的末速度和运行完每段线路分段所用的时间。

优选地，所述运行时分计算模块中计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法包括以下步骤：

步骤201：读取一个线路分段长度                                                ；

步骤202：将内燃机车与列车看成一个整体，并求出两者在初始速度时受到的合外力；利用公式计算单位合力，其中为内燃机车质量，为列车质量；

步骤203：判断内燃机车与列车在初始速度为，其单位合力是否为正，若为正，为所述线路分段长度预设末速度，；若单位合力为负，为所述线路分段长度预设末速度，；之后判断是否大于所述最高速度与限速这两个参数中的较小的那个参数：若是，则将所述最高速度与限速这两个参数中的较小的那个参数作为，若均小于所述最高速度与限速，则不变；

步骤204：计算当内燃机车与列车在速度为时受到的合外力及单位合力；

步骤205：判断是否成立：若成立，则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度，内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的时间，之后转到步骤207；若不成立，则计算，，之后转到步骤206；

步骤206：判断是否成立，其中为设定值；若成立：当前的末速度与时间则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度和时间，之后转到步骤207；

若不成立，则进一步判断是否成立，若成立，则将作为内燃机牵引列车行驶完所述线路分段长度的新的末速度，并重新执行步骤204~206；

也不成立，则将所述末速度作为新的初始速度，将作为新的线路分段长度，然后重新执行步骤202~206；

步骤207：再判断是否所有的线路分段均计算出运行速度与运行时间：若还有未计算的线路分段，则重新执行步骤201~206，直到计算出列车在每段线路分段终点的末速度与行驶完每段线路分段所需要的时间。

优选地，所述牵引曲线模块还输入内燃机车单位基本阻力计算参数、、与列车单位基本阻力参数、、。

优选地，在所述步骤202中将内燃机车与列车看成一个整体时在初始速度时受到的合外力，式中，为内燃机车与列车的速度为时内燃机车牵引力；为内燃机车与列车的速度为时内燃机车的单位基本阻力，； 为内燃机车与列车的速度为时列车的单位基本阻力，；为坡度；为内燃机车质量；为列车质量。

优选地，在所述步骤204中，内燃机车与列车看成一个整体时在速度时受到的合外力，式中，为内燃机车与列车的速度为时内燃机车牵引力；为内燃机车与列车的速度为时内燃机车的单位基本阻力，； 为内燃机车与列车的速度为时列车的单位基本阻力，；为坡度；为内燃机车质量；为列车质量。

一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法，包括以下步骤：

步骤601：读取一个线路分段长度；

步骤602：将内燃机车与列车看成一个整体，并求出两者在初始速度时受到的合外力；利用公式计算单位合力，其中为内燃机车质量，为列车质量；

步骤603：判断内燃机车与列车在初始速度为，其单位合力是否为正，若为正，为所述线路分段长度预设末速度，；若单位合力为负，为所述线路分段长度预设末速度，；之后判断是否大于内燃机车最高速度与线路分段的限速这两个参数中的较小的那个参数：若是，则将所述最高速度与限速这两个参数中的较小的那个参数作为，若均小于所述最高速度与限速，则不变；

步骤604：计算当内燃机车与列车在速度为时受到的合外力及单位合力；

步骤605：判断是否成立：若成立，则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度，内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的时间，之后转到步骤607；若不成立，则计算，，之后转到步骤606；

步骤606：判断是否成立，其中为设定值；若成立：当前的末速度与时间则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度和时间，之后转到步骤607；

若不成立，则进一步判断是否成立，若成立，则将作为内燃机牵引列车行驶完所述线路分段长度的新的末速度，并重新执行步骤604~606；

也不成立，则将所述末速度作为新的初始速度，将作为新的线路分段长度，然后重新执行步骤602~606；

步骤607：判断是否所有的线路分段均计算出运行速度与运行时间：若还有未计算的线路分段，则重新执行步骤601~606，直到计算出列车在每段线路分段终点的末速度与行驶完每段线路分段所需要的时间。

优选地，在所述步骤602中将内燃机车与列车看成一个整体时在初始速度时受到的合外力，式中，为内燃机车与列车的速度为时内燃机车牵引力；为内燃机车与列车的速度为时内燃机车的单位基本阻力，，、、为内燃机车单位基本阻力计算参数；为内燃机车与列车的速度为时列车的单位基本阻力，，、、为列车单位基本阻力参数；为坡度；为内燃机车质量；为列车质量。

优选地，在所述步骤604中，内燃机车与列车看成一个整体时在速度时受到的合外力，式中，为内燃机车与列车的速度为时内燃机车牵引力；为内燃机车与列车的速度为时内燃机车的单位基本阻力，，、、为内燃机车单位基本阻力计算参数； 为内燃机车与列车的速度为时列车的单位基本阻力，，、、为列车单位基本阻力参数；为坡度；为内燃机车质量；为列车质量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、实现历史计算数据保存、查询。

2、计算结果图形化显示。

3、易于移植，任何一台装有windows操作系统的计算机均可使用。

4、本发明的计算方法采用了与现有技术计算运行速度与时间相反的思路，具体是先预设一个线路分段的末速度，根据这个预设的速度、已有的初始速度直接计算线路分段，判断计算得到的线路分段长度与实际线路分段长度的差距是好大，再进一步根据所述差距调整该末速度，直到根据末速度和已有的初始速度计算得到的线路分段长度与实际的相同，此时的末速度便为所求的值。本算法避免了复杂的运算，原理及运算流程简单，且计算精度较高。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统的原理框图；

图2是本发明中计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法的流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1，本发明中的计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统包括牵引力曲线模块、线路曲线模块和运行时分计算模块。

本系统牵引曲线模块对内燃机车分为恒功区和非恒功区，牵引曲线模块用于起动牵引力、起动速度、持续牵引力（即为恒功率区起点的牵引力）、持续速度（即为恒功率区起点的速度）、最高速度（即为内燃机车最高行驶速度）和内燃机车质量、列车质量，并将这些数据自动保存到数据库中。

本系统线路曲线模块用于输入为路线分段长度（m）、坡度（‰）、限速（为内燃机车与列车在每个线路分段中运行的最高速度，单位为km/h），并将这些数据以制表符分隔的文本文件格式保存。线路曲线模块中线路数据录入采用从文件读入的方式。

本系统中列车及机车基本阻力公式可以从数据库直接读出，也可以对系统中的阻力公式进行新增或修改。

运行时分计算模块采用单质点列车模型，基于最快速牵引策略计算内燃机牵引列车行驶完所有线路分段的末速度与运行时间。采用单质点列车模型，将列车简化为单个无尺寸的质点，考虑到列车的受力变化时，将所有受力放到质点上进行计算，而不考虑列车内部内燃机车和列车之间的受力情况。最快速策略是要让列车以最短的时间运行完整个区段，尽可能的发挥内燃机车的牵引能力和制动能力，在这种情况下列车的运行能力发挥到最大。

系统计算结果可以实现图形和数据两种方式输出及保存。

运行时分计算模块中计算内燃机牵引列车的运行速度与运行时间具体步骤是：

步骤1：读取一个线路分段长度；

步骤2：将内燃机车与列车看成一个整体，并求出两者在初始速度时受到的合外力；利用公式计算单位合力，其中为内燃机车质量，为列车质量；

步骤3：判断内燃机车与列车在初始速度为，其单位合力是否为正，若为正，为所述线路分段长度预设末速度，；若单位合力为负，为所述线路分段长度预设末速度，。之后将牵引曲线模块输入的最高速度与线路曲线模块输入的当前线路分段中的限速比较，找出二者中较小的参数，再将末速度与所述较小的参数比较：若末速度大于所述较小的参数，则将该较小的参数作为，若均小于所述最高速度与限速，则不变；这样做的目的是，避免预设的末速度过大，以至于超出最高速度与限速。

步骤4：计算当内燃机车与列车在速度为时受到的合外力及单位合力；

步骤5：判断是否成立：若成立，则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度，内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的时间，之后判断是否所有线路分段的末速度及时间均计算完成，若还有未完成计算的线路分段则重新执行步骤1~6，直到计算出列车在每段线路分段终点的末速度与行驶完每段线路分段所需要的时间；若不成立，则计算，，则继续执行步骤6。需要说明的是：在本步骤中成立的情况只会是在利用公式调整末速度，将其作为新的末速度时出现，即，进一步得到，那么不难得知，当时，内燃机车与列车以匀速行驶当前线路分段，那么行驶完当前线路分段的末速度就应当为，行驶所用的时间为线路分段长度除以速度即，。

步骤6：判断是否成立，其中为设定值；若成立：当前的末速度与时间则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度和时间，之后再判断是否所有的线路分段均计算出运行速度与运行时间：若还有未计算的线路分段，则重新执行步骤1~6，直到计算出列车在每段线路分段终点的末速度与行驶完每段线路分段所需要的时间；

若不成立，则进一步判断是否成立，若成立，则将作为内燃机牵引列车行驶完所述线路分段长度的新的末速度，并重新执行步骤4~6；

也不成立，则将所述末速度作为新的初始速度，将作为新的线路分段长度，然后重新执行步骤2~6。

      作为一种优选的实施方式，上述步骤中将内燃机车与列车看成一个整体时在其行驶过程中任意个速度点受到的合外力的公式是：

，

式中，为内燃机车与列车行驶速度为时内燃机车牵引力；为内燃机车与列车行驶速度为时内燃机车的单位基本阻力； 为内燃机车与列车行驶速度为时列车的单位基本阻力；为坡度；为内燃机车质量；为列车质量。

其中内燃机车牵引力的计算如下：

根据内燃机车牵引特性，机车工作分为恒功率区和非恒功率区。

非恒功率区机车牵引力与速度呈线性关系，根据牵引力曲线模块输入的起动牵引力、起动速度、持续牵引力、持续速度，利用线性插值法计算出非恒功率区某个速度点的牵引力。

恒功率区牵引力计算采用恒功率区起点的牵引力（持续牵引力）和速度（持续速度）的乘积除以当前速度即为当前速度时的牵引力。

列车运行阻力计算如下：

列车的运行阻力包括基本阻力和附加阻力：基本阻力是构成内燃机车和列车的零部件之间的运动阻力、运行中的空气阻力，以及车轮与钢轨的摩擦和冲击等造成的，在列车运行中任何情况下都存在的阻力；附加阻力是由于线路或者桥梁、隧道等原因形成的阻力，包括坡道阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。

其中单位基本阻力计算的方法是：

影响列车基本阻力的因素极为复杂，在实际运用中很难用理论公式在计算，往往都是按照通过大量试验综合总结出的经验公式来进行计算。所有，不同车型的机车、车辆其采用的阻力公式是不一样的。本方法中内燃机车与列车的基本阻力采用列车运行速度的一元二次方程形式表示： ，式中，a、b、c为与内燃机车或列车车辆类型有关的经验常数，为内燃机车或列车行驶速度，具体数值参见TB1407 《列车牵引计算规程》。

不难得知在本发明中，内燃机车的单位基本阻力，其中、、可在TB1407 《列车牵引计算规程》查到；列车的单位基本阻力，其中、、可在TB1407 《列车牵引计算规程》查到。所述、、、、、也由牵引曲线模块输入。

附加阻力的计算方法为：

内燃机车、列车的坡道附加阻力为二者运行于坡道上受到的重力沿轨道方向的分力，即，为当前线路分段坡道的坡度千分率，为内燃机车质量，为列车质量。列车上坡时坡道附加阻力取正值，下坡时，则为负值。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统，其特征在于，包括：

牵引曲线模块，用于输入起动牵引力、起动速度、持续牵引力、持续速度、最高速度、内燃机车质量与列车质量；

线路曲线模块，用于输入线路分段长度、坡度与限速；

运行时分计算模块，用于计算内燃机车牵引列车运行完每段线路分段的末速度和运行完每段线路分段所用的时间；

所述运行时分计算模块中计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法包括以下步骤：

步骤201：读取一个线路分段长度S₀；

步骤202：将内燃机车与列车看成一个整体，并求出两者在初始速度V₁时受到的合外力C₀；利用公式计算单位合力，其中M_j为内燃机车质量，M_t为列车质量；g为重力加速度；

步骤203：判断内燃机车与列车在初始速度为V₁，其单位合力c₀是否为正，若为正，为所述线路分段长度S₀预设末速度V₂，V₂>V₁；若单位合力c₀为负，为所述线路分段长度S₀预设末速度V₂，V₂<V₁；之后判断V₂是否大于所述最高速度与限速这两个参数中的较小的那个参数：若是，则将所述最高速度与限速这两个参数中的较小的那个参数作为V₂，若V₂均小于所述最高速度与限速，则V₂不变；

步骤204：计算当内燃机车与列车在速度为时受到的合外力C₁及单位合力 $c_1=\frac{C_1\&times;1000}{(M_j+M_t)\&times;g};$

步骤205：判断V₁＝V₂是否成立：若成立，V₂则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度，内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的时间之后转到步骤207；若V₁＝V₂不成立，则计算 之后转到步骤206；

步骤206：判断|S₁-S₀|<ε是否成立，其中ε为设定值；若成立：当前的末速度V₂与时间t₁则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度和时间，之后转到步骤207；

若|S₁-S₀|<ε不成立，则进一步判断S₁>S₀是否成立，若成立，则将作为内燃机牵引列车行驶完所述线路分段长度S0的新的末速度V₂，并重新执行步骤204～206；

S₁>S₀也不成立，则将所述末速度V₂作为新的初始速度V₁，将S₀-S₁作为新的线路分段长度S₀，然后重新执行步骤202～206；

步骤207：再判断是否所有的线路分段均计算出运行速度与运行时间：若还有未计算的线路分段，则重新执行步骤201～206，直到计算出列车在每段线路分段终点的末速度与行驶完每段线路分段所需要的时间。

2.根据权利要求1所述的一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统，其特征在于，所述牵引曲线模块还输入内燃机车单位基本阻力计算参数a_j、b_j、c_j与列车单位基本阻力参数a_t、b_t、c_t。

3.根据权利要求2所述的一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统，其特征在于，在所述步骤202中将内燃机车与列车看成一个整体时在初始速度V₁时受到的合外力C₀＝F_qy-ω_j×M_j-ω_t×M_t-i×(M_j+M_t)×g，式中，F_qy为内燃机车与列车的速度为V₁时内燃机车牵引力；ω_j为内燃机车与列车的速度为V₁时内燃机车的单位基本阻力，ω_j＝a_j+b_jV₁+c_jV₁ ²；ω_t为内燃机车与列车的速度为V₁时列车的单位基本阻力，ω_t＝a_t+b_tV₁+c_tV₁ ²；i为坡度；M_j为内燃机车质量；M_t为列车质量。

4.根据权利要求1或2所述的一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的系统，其特征在于，在所述步骤204中，内燃机车与列车看成一个整体时在速度时受到的合外力C₁＝F_qy-ω_j×M_j-ω_t×M_t-i×(M_j+M_t)×g，式中，F_qy为内燃机车与列车的速度为时内燃机车牵引力；ωj为内燃机车与列车的速度为时内燃机车的单位基本阻力，ωj＝aj+bjΔV+cjΔV2；ωt为内燃机车与列车的速度为时列车的单位基本阻力，ω_t＝a_t+b_tΔV+c_tΔV²；i为坡度；M_j为内燃机车质量；M_t为列车质量。

5.一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤601：读取一个线路分段长度S₀；

步骤602：将内燃机车与列车看成一个整体，并求出两者在初始速度V₁时受到的合外力C₀；利用公式计算单位合力，其中M_j为内燃机车质量，M_t为列车质量；g为重力加速度；

步骤603：判断内燃机车与列车在初始速度为V₁，其单位合力c₀是否为正，若为正，为所述线路分段长度S₀预设末速度V₂，V₂>V₁；若单位合力c₀为负，为所述线路分段长度S₀预设末速度V₂，V₂<V₁；之后判断V₂是否大于内燃机车最高速度与线路分段的限速这两个参数中的较小的那个参数：若是，则将所述最高速度与限速这两个参数中的较小的那个参数作为V₂，若V₂均小于所述最高速度与限速，则V₂不变；步骤604：计算当内燃机车与列车在速度为时受到的合外力C₁及单位合力 $c_1=\frac{C_1\&times;1000}{(M_j+M_t)\&times;g};$

步骤605：判断V₁＝V₂是否成立：若成立，V₂则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度，内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的时间之后转到步骤607；若V₁＝V₂不成立，则计算 之后转到步骤606；

步骤606：判断|S₁-S₀|<ε是否成立，其中ε为设定值；若成立：当前的末速度V₂与时间t₁则为内燃机车牵引列车行驶所述线路分段的末速度和时间，之后转到步骤607；

若|S₁-S₀|<ε不成立，则进一步判断S₁>S₀是否成立，若成立，则将作为内燃机牵引列车行驶完所述线路分段长度S0的新的末速度V₂，并重新执行步骤604～606；

S₁>S₀也不成立，则将所述末速度V₂作为新的初始速度V₁，将S₀-S₁作为新的线路分段长度S₀，然后重新执行步骤602～606；

步骤607：判断是否所有的线路分段均计算出运行速度与运行时间：若还有未计算的线路分段，则重新执行步骤601～606，直到计算出列车在每段线路分段终点的末速度与行驶完每段线路分段所需要的时间。

6.根据权利要求5所述的一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法，其特征在于，在所述步骤602中将内燃机车与列车看成一个整体时在初始速度V₁时受到的合外力C₀＝F_qy-ω_j×M_j-ω_i×M_i-i×(M_j+M_i)×g，式中，F_qy为内燃机车与列车的速度为V₁时内燃机车牵引力；ω_j为内燃机车与列车的速度为V₁时内燃机车的单位基本阻力，ω_j＝a_j+b_jV₁+c_jV₁ ²，a_j、b_j、c_j为内燃机车单位基本阻力计算参数；ω_t为内燃机车与列车的速度为V₁时列车的单位基本阻力，ω_t＝a_t+b_tV₁+c_tV₁ ²，a_t、b_t、c_t为列车单位基本阻力参数；i为坡度；M_j为内燃机车质量；M_t为列车质量。

7.根据权利要求5或6所述的一种计算内燃机车牵引列车运行速度和时间的方法，其特征在于，在所述步骤604中，内燃机车与列车看成一个整体时在速度时受到的合外力C₁＝F_qy-ω_j×M_j-ω_t×M_t-i×(M_j+M_t)×g，式中，F_qy为内燃机车与列车的速度为时内燃机车牵引力；ω_j为内燃机车与列车的速度为时内燃机车的单位基本阻力，ω_j＝a_j+b_jΔV+c_jΔV²，a_j、b_j、c_j为内燃机车单位基本阻力计算参数；ω_t为内燃机车与列车的速度为时列车的单位基本阻力，ω_t＝a_t+b_tΔV+c_tΔV²，a_t、b_t、c_t为列车单位基本阻力参数；i为坡度；M_j为内燃机车质量；M_t为列车质量。