高速鐵路長大下坡道地段信號系統(tǒng)研究與應用

王 杰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

高速鐵路具有運行速度快、輸送能力大、乘車環(huán)境舒適和能源消耗低等特點，對促進沿線區(qū)域經(jīng)濟、相關(guān)產(chǎn)業(yè)和城鄉(xiāng)協(xié)調(diào)發(fā)展具有深遠意義[1]。高速鐵路為滿足省會城市之間快速到達的要求，往往需要通過“穿越隧道”和“以橋代路”等方式盡量取直線路，達到動車組列車運行高速度、高密度和舒適性[2-3]的目標。尤其是在西北和西南地區(qū)修建的高速鐵路，長大隧道較多，并且連續(xù)、密集布置成為其主要特點[4]。寶蘭高鐵正線長401 km，隧道占到全線長度的78%，連續(xù)長大坡道(大于20‰)最長超過14 km。在這樣的工況條件下，會對區(qū)間閉塞分區(qū)設(shè)置、軌道電路分割及區(qū)間應答器設(shè)置帶來一系列問題，同時也會引起長大坡道地段的限速問題[5]。

寶蘭高鐵正線采用CTCS-2級列車運行控制系統(tǒng)，根據(jù)原鐵道部科學技術(shù)司、原鐵道部運輸局《關(guān)于印發(fā)CTCS-2級列控系統(tǒng)應答器應用(V2.0)的通知》(科技運[2010]136號文)的要求，本工程區(qū)間無源應答器組按間隔1個閉塞分區(qū)設(shè)置[6]的原則考慮。但是本工程長大下坡道和隧道密集區(qū)段較多，若按間隔1個閉塞分區(qū)設(shè)置1組無源應答器，則會因無源應答器組軌道區(qū)段包容量不足而出現(xiàn)溢出的情況。因此針對長大坡道隧道密集地段按原有的技術(shù)標準不能滿足實際運用需求，需對信號系統(tǒng)的適應性問題進行研究。

2 隧道及連續(xù)長大下坡道設(shè)置情況

2.1 隧道設(shè)置及分布情況

寶雞至蘭州高速鐵路位于陜西、甘肅兩省。線路東起陜西省寶雞南站，西至甘肅省蘭州西站高速場[7]，寶蘭高鐵全線隧道設(shè)置及分布詳見表1。從表1可以看出，寶蘭高鐵全線共設(shè)置隧道73座，其中長大隧道密集地段5處。

表1 寶蘭高鐵隧道設(shè)置及分布情況匯總

2.2 連續(xù)長大下坡道地段分布情況

寶蘭高鐵工程(甘肅段)上、下行線下坡地段大于20‰坡道的線路起終點里程、坡度及坡長分別詳見表2和表3。

表2 上行下坡地段大于20‰坡道起終點里程、坡度及坡長

表3 下行下坡地段大于20‰坡道起終點里程、坡度及坡長

3 區(qū)間閉塞分區(qū)設(shè)置方案

3.1 制動距離計算采用的標準

(1)制動距離計算原則

寶蘭高鐵最大坡度為25‰，本線最高設(shè)計速度為250 km/h，要保證在長大下坡地段采用不限速設(shè)計方案時，計算從最高速度制動至0 km/h的常用制動距離[8]。

(2)制動距離參考值

根據(jù)2010年12月原鐵道部科學技術(shù)司、原鐵道部運輸局頒發(fā)的關(guān)于《列控中心技術(shù)規(guī)范》的通知(科技運[2010]138號)(以下簡稱“138號文”)，采用的限速目標距離參考值見表4。

表4 限速目標距離參考值[9]

注：制動距離含120 m的安全防護距離。

由表4可知，雖然原鐵道部發(fā)布的“138號文”未規(guī)定坡度為25‰時的制動距離參考值，但寶蘭高鐵在閉塞分區(qū)劃分時制動距離應參考并采用“138號文”規(guī)定的數(shù)值，且應留有一定的余量，按照較保守的原則，制動距離宜取20‰(8756 m)和30‰(19450 m)數(shù)值的平均值，即14.1 km。

3.2 閉塞分區(qū)劃分的原則

根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(高速鐵路部分)中第70條之規(guī)定：高速鐵路閉塞分區(qū)的劃分，應滿足動車組列控車載設(shè)備按照目標距離模式控車和未裝備列控車載設(shè)備的列車按四顯示自動閉塞行車的要求[10-11]。

寶蘭高鐵正線采用CTCS-2級列車運行控制系統(tǒng)，區(qū)間閉塞分區(qū)劃分應滿足四顯示自動閉塞行車要求，任意連續(xù)7個閉塞分區(qū)須滿足動車組由250 km/h制動至0 km/h的常用制動距離、安全防護距離、空走距離之和，并留有一定的富余量。

3.3 列車追蹤間隔

(1)計算公式

根據(jù)列車追蹤示意圖(圖1)，列車區(qū)間追蹤間隔可按公式(1)計算[12]。

圖1 列車追蹤示意

式中l(wèi)列——列車長度，按16輛編組，列車長按420 m考慮；

l分區(qū)——閉塞分區(qū)長度；

l防——列車防護距離，按110 m考慮；

l制——列車制動距離；

t附加——附加運行時分，指在人控優(yōu)先的駕駛模式下，空閑檢查、軌道反應及司機確認等附加時間，按15 s考慮；

v運——列車運行速度。

(2)長大下坡道追蹤間隔時間檢算

按照中國鐵路總公司《關(guān)于明確新建鐵路客運專線大于20‰坡道區(qū)段列車限速有關(guān)問題的通知》(鐵總辦函[2014]584號)的要求，原則上在長大坡段上采用不限速方案[13]。當速度目標值為250 km/h時，參照“138號文”規(guī)定的常用制動距離計算，在25‰的長大下坡地段制動距離按保守原則應不超過14.1 km，列車區(qū)間追蹤間隔根據(jù)公式(1)計算，寶蘭高鐵在25‰的長大下坡地段制動距離對應的列車追蹤間隔可滿足5 min的要求[14]。

4 車載設(shè)備技術(shù)參數(shù)符合性驗證及信號系統(tǒng)配套調(diào)整方案

4.1 車載設(shè)備技術(shù)參數(shù)符合性驗證

根據(jù)中國鐵路總公司《關(guān)于明確新建鐵路客運專線大于20‰坡道區(qū)段列車限速有關(guān)問題的通知》相關(guān)要求，對寶蘭全線高速鐵路設(shè)計的閉塞分區(qū)長度，采用仿真系統(tǒng)[15]分別組織對200C、200H、300S、300H和300T進行車載設(shè)備技術(shù)參數(shù)的符合性進行驗證，驗證結(jié)果分述如下。

(1)200C型列控車載設(shè)備

對CTCS2-200C型列控車載設(shè)備的驗證測試結(jié)論為：速度250 km/h時，在30‰的長大下坡道常用制動距離為9 821.3 m，小于參照“138號文”規(guī)定計算的常用制動距離(14.1 km)，設(shè)計的閉塞分區(qū)長度滿足CTCS2-200C型列控車載設(shè)備要求。

(2)200H，300S，300H型列控車載設(shè)備

針對200H，300S，300H型列控車載設(shè)備，選用制動距離最長的300H進行試驗，驗證測試結(jié)論為：速度250 km/h時，在30‰的長大下坡道常用制動距離為16 562.5 m，小于“138號文”規(guī)定的常用制動距離(在30‰下坡道常用制動距離19 450 m)，在CTCS-2模式下對本線閉塞分區(qū)布點合理性進行模擬驗證，設(shè)計的閉塞分區(qū)長度均能滿足其300H的列控車載設(shè)備要求。

(3)300T型列控車載設(shè)備

對CTCS3-300T型車載設(shè)備，采用車載設(shè)備裝備最不利(制動距離最長)車型CRH380BK進行模擬驗證，其驗證測試結(jié)論如下。

①寶雞南站至蘭州西站(高速場)正線正向相鄰7個閉塞分區(qū)長度均不滿足車載CTCS3-300T動車組運行時速達到250 km的控車制動距離要求的閉塞分區(qū)，下行線有2處，上行線有6處。

②采用車載設(shè)備CTCS3-300T，速度目標值為250 km/h時，在25‰的長大下坡道常用制動距離為19.422 km，不能滿足制動距離14.1 km的要求。

綜上所述，寶蘭高鐵區(qū)間閉塞分區(qū)的劃分雖然能滿足200C、200H、300S和300H列控車載設(shè)備制動距離要求，但在部分區(qū)段不能滿足300T列控車載設(shè)備制動距離的要求[16]，因此需要研究具體方案進行解決。

4.2 信號系統(tǒng)配套調(diào)整原則和方案

4.2.1 閉塞分區(qū)調(diào)整及車載軟件優(yōu)化方案

根據(jù)列控車載設(shè)備技術(shù)參數(shù)符合性驗證結(jié)果，CTCS3-300T車載設(shè)備在25‰的長大下坡道常用制動距離為19.422 km，不能滿足制動距離14.1 km的要求。不符合區(qū)段下行線有2處，集中在K1 322+716至K1 337+035區(qū)段內(nèi)；上行線有6處，分別集中在K1 493+616至K1 476+561及K1 322+327至K1 294+442區(qū)段內(nèi)。

解決上述問題的方案有兩個，方案1：對不符合要求的閉塞分區(qū)，重新進行牽引計算和行車布點，然后根據(jù)調(diào)整后的閉塞分區(qū)設(shè)置情況，再次對三家列控車載設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進行驗證，達到滿足三家列控廠家車載設(shè)備制動距離要求即可；方案2：優(yōu)化修改列控車載設(shè)備技術(shù)參數(shù)，修改優(yōu)化車載設(shè)備軟件，使其能滿足制動距離的要求[17]。

寶蘭高鐵工程閉塞分區(qū)重新調(diào)整后，經(jīng)北京全路通信信號研究設(shè)計院二次驗證，可滿足CRH380BK車型采用車載設(shè)備CTCS3-300T，按250 km/h不降速控車的要求。但面臨的現(xiàn)實問題是現(xiàn)場室外設(shè)備安裝調(diào)試已經(jīng)完成，并且列控系統(tǒng)軟件也已經(jīng)調(diào)試完成，區(qū)間閉塞分區(qū)的調(diào)整將引起軟件修改、試驗和二次調(diào)試。為確保工程按期完工，最后采用了方案2，即修改車載軟件優(yōu)化車載參數(shù)的方案。為有效控制列車最大常用制動和緊急制動距離引起的區(qū)間閉塞分區(qū)過長、列車運行時分過多的問題，采用六段制動曲線方式實現(xiàn)列車現(xiàn)有車輛參數(shù)的特性優(yōu)化，有效減少在長大坡道地段列車運行的制動距離，保證列車追蹤時間間隔，挺高運行效率，同時滿足與不同列控車載廠家的列控車載設(shè)備參數(shù)性能的匹配要求。

4.2.2 區(qū)間應答器設(shè)置方案

(1)應答器布置原則及存在問題

寶蘭高鐵工程正線采用CTCS-2級列車運行控制系統(tǒng)，區(qū)間長大下坡道和隧道密集區(qū)段較多，根據(jù)原鐵道部科學技術(shù)司、原鐵道部運輸局《關(guān)于印發(fā)CTCS-2級列控系統(tǒng)應答器應用(V2.0)的通知》(科技運[2010]136號文)的要求，若按間隔1個閉塞分區(qū)設(shè)置1組應答器，則會出現(xiàn)在長大下坡道和隧道密集地段無源應答器組因軌道區(qū)段包容量不足而出現(xiàn)溢出的情況。因此針對長大坡道和隧道密集地段按原有的技術(shù)標準配置應答器已不能滿足實際運用需求。

(2)應答器設(shè)置優(yōu)化情況

針對該問題，對區(qū)間應答器報文的設(shè)置情況進行了認真分析研究，其用于寫軌道電路信息的CTCS-1包中，軌道區(qū)段的數(shù)量最多可以寫25個，且應答器鏈接方式為向前鏈接兩組應答器[18]。因此本閉塞分區(qū)的無源應答器寫入的軌道區(qū)段信息需鏈接前方的兩組無源應答器范圍內(nèi)的軌道區(qū)段，再加一個最大常用制動距離內(nèi)所覆蓋的區(qū)段數(shù)量總和[19]。通常情況下，設(shè)計速度為250 km/h的線路，非長大下坡道最大常用制動距離為7 km；而在長大下坡道最大常用制動距離為12 km，且在此范圍內(nèi)隧道密集地段軌道電路分割較多，從而導致區(qū)間無源應答器容量不夠。因此需對應答器進行優(yōu)化調(diào)整。

經(jīng)認真分析研究，本著經(jīng)濟適用、減少工程量和維護量的目標出發(fā)，確定的應答器優(yōu)化調(diào)整原則如下。

①在長大下坡道地段，每個閉塞分區(qū)及其前后各一個閉塞分區(qū)均補充設(shè)置無源應答器，并按上下行線里程分開設(shè)置，詳見表5。

表5 長大下坡道地段區(qū)間應答器補充情況

②在隧道密集地段(包括隧道間以短路基和短橋連接的隧道)，閉塞分區(qū)分割兩次及以上的區(qū)段，每5個閉塞分區(qū)增加1組無源應答器，具體示意見圖2。

寶蘭高鐵按照上述應答器“加密”方案及技術(shù)措施實施后，經(jīng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試驗證，圓滿解決了存在的問題。綜上所述，在CTCS-2級高速鐵路線路長大下坡道及隧道密集地段，根據(jù)不同情況分門別類地對區(qū)間無源應答器進行“加密”優(yōu)化布置，既避免了不加區(qū)分在每個閉塞分區(qū)設(shè)置1組區(qū)間無源應答器而引起的工程量及后期維護工作量增加的缺陷，又解決了應答器報文溢出問題，是結(jié)合工程實踐對CTCS-2級線路列控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)置的工程創(chuàng)新。

5 結(jié)論

高速鐵路列車在長大下坡道地段限速運行將直接影響到運行追蹤間隔時分，進而影響到行車效率。結(jié)合寶蘭高速鐵路工程實例，通過優(yōu)化列控車載設(shè)備曲線，結(jié)合軌道電路極限長度合理有效劃分區(qū)間閉塞分區(qū)，可以最大限度滿足不同動車組在連續(xù)長大下坡道地段不限速運行的問題[20]；同時采用對連續(xù)長大下坡道和密集隧道群的區(qū)間無源應答器“加密”方案，可以有效解決長制動距離工況下軌道區(qū)段數(shù)量多引起報文溢出的問題[21]。寶蘭高速鐵路自2017年7月開通運行以來，設(shè)備和系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全，沒有出現(xiàn)因信號系統(tǒng)引起的限速問題，保證了正常運營，提高了行車效率。