陳柯添，馮向南，韓 梅，陳書雨

（北京交通大學 交通運輸學院 ，北京 100044）

超限貨物是指貨物裝車后，在平直線路上停留時，貨物任何部位的高度或?qū)挾瘸^機車車輛限界基本輪廓者，以及車輛在半徑為300 m的曲線時，貨物的計算寬度超出機車車輛限界基本輪廓者，其主要特點是外形復雜、尺寸和重量較大[1]。

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，冶金、電力、石化等事業(yè)呈現(xiàn)出了高速發(fā)展的新局面，一些大型設備的高效運輸也發(fā)揮著越來越重要的作用，如發(fā)電設備、石油冶煉設備、化工機械、橋梁構件、大型車輛以及航天設備等[2]。

本系統(tǒng)基于現(xiàn)行的鐵路超限貨物運輸理論及管理，通過計算機對超限貨車運行進行可視化仿真，實現(xiàn)超限貨物運輸條件的輔助決策，從而達到提高超限貨物運輸效率和安全性的目的。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)主要是基于現(xiàn)行的鐵路超限貨物運輸理論及管理，通過應用編程軟件Visua l Basic對三維繪圖軟件Sol idWorks進行二次開發(fā)，制作相關的實體模型，編寫出計算相關參數(shù)的程序，將兩者結(jié)合，研發(fā)鐵路超限貨物運輸條件輔助決策系統(tǒng)。

建立仿真系統(tǒng)的核心是構建貨物模型、車輛模型、軌道及限界模型、貨物與車輛裝配體，將貨物的特性、外形尺寸及裝載方案可視化。通過建立數(shù)據(jù)庫，存儲模型的相關數(shù)據(jù)，并通過輸入?yún)?shù)來選擇構建貨物的模型及尺寸，以達到仿真的目的，實現(xiàn)在直線及不同半徑曲線線路上貨物各計算點超限情況的計算和直觀顯示，最后通過仿真運行及數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)的處理，直觀準確地了解貨物的超限情況、判定超限貨物運輸條件，提高超限貨車運行條件判定的準確性，從而提高鐵路超限貨物運輸?shù)陌踩院托省?/p>

2 設計原理

2.1 設計工具介紹

So l i dWo r ks是一個三維的CAD系統(tǒng)，通過So l idWo r ks，可以實現(xiàn)對草圖的繪制、實體模型的編輯以及裝配體的配置等功能。通過運用So l idWorks的三維繪圖功能來構建貨物、貨車以及限界環(huán)境的模型，從而實現(xiàn)超限貨物運輸?shù)姆抡妗?/p>

2.2 設計技術路線

本系統(tǒng)的主要研究技術路線是在對So l i d-Wor ks二次開發(fā)的基礎上進行仿真，通過Visual Basic與Microsof t Of f ice Access數(shù)據(jù)庫之間進行數(shù)據(jù)調(diào)用與處理。

2.2.1 圖元建立

通過分析貨物、車輛、限界及軌道的外形結(jié)構，利用Sol idWor ks定義其相關圖元，并制作成相關插件。在程序運行的時候，選擇貨物的外形、車輛的車型及限界種類，系統(tǒng)可通過對圖元的調(diào)用與組合，得到所需要的貨物、車輛、限界及軌道的模型。

2.2.2 二次開發(fā)

通過應用Sol idWorks的API編程接口，Sol id-Works將全部的Ac t iveX對象暴露給VB，實現(xiàn)VB和Sol idWorks之間的通信，這樣用戶只需要提供貨物的相關信息及裝載方案，在VB界面進行相關操作，VB就可以像使用自身的對象一樣來操縱So l idWor ks暴露給它的對象，從而控制So l i d-Works完成相關的工作，達到通過VB界面進行直觀顯示與操作將Sol idWorks復雜的建模工作簡單化的目的。[3]

貨物的模型建立完成后，利用貨物與車輛的坐標之間的關系，可將貨物按照裝載方案要求的位置裝載到貨車上，建立貨物與車輛的裝配體并實現(xiàn)在軌道上的仿真運行，同時可以選擇通過不同半徑曲線的建筑限界環(huán)境。通過貨車在軌道上的仿真運行，用戶可清晰地看出貨物與限界之間的位置關系。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

通過VB與Mic rosof t Of f ice Access之間的通信，在Sol idWor ks構建出貨物以及貨物與車輛的裝配體的同時，自動將貨物的各個計算點相對于軌面中心的坐標存入數(shù)據(jù)庫中。

仿真運行之后，要對貨物的超限情況進行檢測，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已存入的各個計算點的坐標信息，計算各超限部位的計算寬度，與《鐵路超限超重貨物運輸規(guī)則》（以下簡稱《超規(guī)》）附件4進行比較，通過相應計算，自動確定貨物各超限部位的超限情況，并判定超限貨車的運行條件。

2.3 設計流程圖

本系統(tǒng)的設計流程如圖1。

圖1 設計流程圖

2.4 主要功能

（1）貨物模型構造功能。根據(jù)貨主提供的貨物外形三視圖及尺寸，通過系統(tǒng)界面的貨物外形選擇以及尺寸輸入等相關操作，即可構造出所需貨物模型；貨物模型確定后，根據(jù)裝載方案對貨物添加相應尺寸的橫墊木或鞍座。

（2）仿真模擬運行功能。用戶根據(jù)貨物裝載方案選擇需要的車型以及貨物的裝載位置，將貨物與車輛進行裝配，建立裝配體。裝配體建立完畢，即可讓裝配體在具有限界的軌道上仿真運行，用戶可以通過各個視角來對貨物的超限情況進行觀察。

（3）超限等級判定功能。在構建貨物以及裝配體的同時，系統(tǒng)自動將貨物的各個計算點相對于軌面中心的坐標存入數(shù)據(jù)庫中，通過相關計算，得出超限部位的計算寬度，自動判定貨物的超限等級。

（4）運輸條件輔助決策功能。根據(jù)貨物的各計算點的超限情況以及仿真運行，能夠更直觀地看到貨物與限界之間的距離變化，可以更直觀地了解貨物突出部位的超限情況，從而對運輸條件最終決策提供輔助作用。在自動優(yōu)化方面，可通過自動檢測，在一定程度上提供優(yōu)化裝載方案，并可根據(jù)不同的裝載方案對貨物進行運行仿真和檢測。

（5）限界信息管理功能。通過數(shù)據(jù)的整理，可通過系統(tǒng)直接查看《超規(guī)》附件4中相關限界數(shù)據(jù)。

（6）車輛參數(shù)管理功能。用戶可根據(jù)所需要的車種及車型，進行貨車相關參數(shù)的查詢與管理。

（7）規(guī)章管理功能。通過本系統(tǒng)可實現(xiàn)對《超規(guī)》的查詢。

2.5 應用流程圖

系統(tǒng)的應用流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)應用流程圖

3 仿真實現(xiàn)

3.1 仿真運行及檢測

為了驗證本系統(tǒng)的可靠性，本文以一件實體貨物為例，如圖3，通過對此貨物的仿真模擬運行及檢測，分析其仿真結(jié)果。

圖3 貨物實體圖

3.1.1 構建貨物

根據(jù)貨物三視圖以及貨物各個部位的尺寸，選擇貨物外形為圓柱體并輸入其尺寸，根據(jù)各個法蘭（已制作為圖元）位置關系及尺寸，將其進行組合，實現(xiàn)貨物模型的構建。構建的貨物三視圖。

3.1.2 裝載貨物

貨物裝載方案如表1。

根據(jù)裝載方案，為貨物添加鞍座，選擇所需要的車輛，并根據(jù)裝載方法，進行貨物裝載。系統(tǒng)通過調(diào)整貨物重心與車輛中心間的坐標關系，將坐標擬合，實現(xiàn)貨物與車輛裝配體的構建。

表1 貨物裝載方案

3.1.3 仿真運行

根據(jù)需要仿真的線路環(huán)境，設定線路的曲線半徑及長度，選定限界種類，建立仿真的運行環(huán)境。

最后，將貨物和車輛的裝配體與運行環(huán)境相結(jié)合，并根據(jù)車輛輪對與軌道間配合條件的不斷變化，使車輛相對于軌道以固定的速度向另一端移動，實現(xiàn)車輛在軌道上的仿真運行。仿真運行如圖4。

圖4 仿真運行圖

3.2 仿真分析

系統(tǒng)依據(jù)《超規(guī)》中寬度的計算方法，確定超限貨物的計算寬度，判定貨物超限等級。通過仿真運行，系統(tǒng)自動根據(jù)線路設定的曲線半徑，實現(xiàn)超限貨車在具有一定建筑限界的線路上運行的三維立體仿真，直觀判斷貨物突出部位的超限情況、貨物與限界間的距離。

最終，系統(tǒng)將得出該貨物各超限部位的超限情況以及判定車輛運行條件，如表2。從檢測的結(jié)果可以得出，此貨物為超級超限貨物，且在編組時禁止溜放。

該貨物為圓柱體貨物，系統(tǒng)通過自動檢測判定貨物旋轉(zhuǎn)至一定的角度后可降低貨物的超限等級，并根據(jù)新的裝載方案，再次進行仿真與檢測，得到如表3所示仿真結(jié)果。通過對仿真結(jié)果的分析與對比，可以看出通過優(yōu)化裝載方案后，該貨物的超限等級從原來的超級超限降為了一級超限，從而實現(xiàn)了優(yōu)化裝載方案的目的。

表2 初次裝載后仿真結(jié)果

表3 優(yōu)化裝載后仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟及運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，鐵路超限貨物安全、經(jīng)濟、高效運輸也將成為日益重要的問題。本系統(tǒng)的設計能夠結(jié)合鐵路線路實際，根據(jù)不同的線路情況，對其進行仿真模擬并檢測超限情況，對于直觀、準確地了解貨物超限情況、判定超限貨物運輸條件、保證超限貨物運輸安全具有重要的實際意義。

本系統(tǒng)目前還處于實驗室階段，鐵路超限貨物運輸?shù)墓ぷ鬏^為復雜，需對系統(tǒng)進一步完善，提高系統(tǒng)的應用價值，使得最終能夠應用于現(xiàn)實的鐵路超限貨物運輸安全技術與管理領域，對超限貨物運輸條件決策具有較大的輔助作用，從而提高鐵路超限貨物運輸安全性與效率。

責任編輯 徐侃春

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵路超限超重貨物運輸規(guī)則[S]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

[2] 韓 梅.鐵路貨運技術[M]. 北京：中國鐵道出版社，2010.

[3]（美）SolidWorks公司. Solid Works API 二次開發(fā)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.