高速鐵路線路條件對列車追蹤間隔時間的影響分析

李 棟，彭其淵

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 611756)

0 引言

近年來，我國高速鐵路干線運(yùn)輸供需矛盾逐漸凸顯。列車追蹤間隔時間直接影響發(fā)車頻率，對其進(jìn)行壓縮能顯著提高高速鐵路的通過能力[1]。

相關(guān)學(xué)者分析高速鐵路列車追蹤間隔時間的計算因素，結(jié)合列控系統(tǒng)及CTC 的技術(shù)特點(diǎn)，給出高速鐵路列車追蹤間隔時間的計算方法[2]，在此基礎(chǔ)上研究了限速條件下的列車追蹤間隔時間計算方法[3]。高速鐵路列車追蹤間隔時間的影響因素主要包括線路條件、咽喉區(qū)長度、咽喉區(qū)限速、動車組性能、閉塞分區(qū)長度及信號系統(tǒng)等[4-5]。

在我國中西部地區(qū)高速鐵路的建設(shè)中，由于地形限制較大，越來越多的長大坡度線路投入使用，如西成客運(yùn)專線(西安北—成都東)在秦嶺地帶設(shè)計了25‰的大坡度線路，并且長度累計達(dá)到46 km；建設(shè)中的鄭萬客運(yùn)專線(鄭州東—萬州北)沿線共使用了12 個30‰的坡段，合計長度達(dá)到85.5 km。復(fù)雜的線路條件對列車的運(yùn)行以及追蹤間隔時間有明顯的影響，對其進(jìn)行研究具有理論和實際意義，張守帥等[6-7]研究了長大下坡對區(qū)間通過能力和追蹤間隔時間的影響，但長大下坡只是線路條件對列車追蹤間隔時間產(chǎn)生影響的情況之一，尚缺乏全面系統(tǒng)性的研究。文中將探討線路條件的各方面對列車追蹤間隔時間的影響，以期為列車追蹤間隔時間的優(yōu)化措施提供思路及研究基礎(chǔ)，也為新線建設(shè)以及線路改造時對線路的設(shè)計提供參考。

1 列車追蹤間隔時間計算及影響因素分析

在各類列車追蹤間隔時間中，列車區(qū)間追蹤間隔時間(I追)、列車出發(fā)追蹤間隔時間(I發(fā))以及列車到達(dá)追蹤間隔時間(I到)是最典型也是較大的3 類，以這3 類追蹤間隔時間為對象，在分析計算方法的基礎(chǔ)上，找出相關(guān)影響因素。

1.1 列車追蹤間隔時間計算方法

（1）高速鐵路列車區(qū)間追蹤間隔時間如圖1 所示，I追的計算公式為

式中：L制為ATP 監(jiān)控制動距離，m；L防為列車安全防護(hù)距離，m；L閉為閉塞分區(qū)長度，m；L列為列車長度，m；V運(yùn)為列車區(qū)間運(yùn)行速度，km/h；t附加為附加作業(yè)時間，s。

（2）高速鐵路列車出發(fā)追蹤間隔時間如圖2 所示，I發(fā)的計算公式為

圖1 高速鐵路列車區(qū)間追蹤間隔時間Fig.1 Train section tracking interval of high speed railway

圖2 高速鐵路列車出發(fā)追蹤間隔時間Fig.2 Train departure interval of high speed railway

圖3 高速鐵路列車到達(dá)追蹤間隔時間Fig.3 Train arrival interval of high speed railway

1.2 影響因素分析

由公式(1)—(3)可知，各類列車追蹤間隔時間的影響因素包括L制，V出發(fā)，V到達(dá)，V運(yùn)，L閉，L咽喉，咽喉區(qū)限速和各項作業(yè)時間，咽喉區(qū)長度及限速由站場配置確定，作業(yè)時間由列控系統(tǒng)確定，L制，V出發(fā)和V到達(dá)這些取值經(jīng)牽引計算得到。

在牽引計算中，列車牽引力與制動力由動車組自身技術(shù)條件確定，坡道附加阻力與曲線附加阻力則由線路平、縱斷面決定，不同平、縱斷面產(chǎn)生不同的附加阻力，使得列車加速度發(fā)生變化，進(jìn)一步影響到牽引或制動的距離和時間，因而線路條件對列車追蹤間隔時間會產(chǎn)生影響。

此外，由于受到地形限制等原因，存在不良線路區(qū)段(小半徑曲線、橋隧等)，導(dǎo)致列車經(jīng)由時限速運(yùn)行，如京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)上海虹橋站至黃渡線路所區(qū)間存在2 500 m 的小半徑曲線，列車限速180 km/h 運(yùn)行，此時列車的運(yùn)行過程發(fā)生了變化，在考慮附加阻力影響的基礎(chǔ)上，還需要考慮限速運(yùn)行的影響。

2 線路條件對列車追蹤間隔時間影響分析

2.1 線路附加阻力的影響

2.1.1 坡道附加阻力影響分析

由《列車牽引計算規(guī)程》[8]可得單位坡道附加阻力wi與線路坡度i的關(guān)系為

不同的線路縱斷面對應(yīng)著線路的坡度不同，產(chǎn)生的坡道附加阻力不同。下坡道上產(chǎn)生的坡道附加阻力為負(fù)，相比平直道上，列車啟動加速度增大，制動加速度減小，有利于列車啟動，不利于列車制動，故下坡道上出發(fā)追蹤間隔時間會減小，區(qū)間追蹤間隔時間與到達(dá)追蹤間隔時間會增大；上坡道上相反。坡道附加阻力的大小與坡度值的大小呈正相關(guān)。

2.1.2 曲線附加阻力影響分析

不同曲線半徑R的曲線附加阻力wr不同，經(jīng)驗公式為

式中：600 為經(jīng)驗常數(shù)。

相比列車在直線線路上運(yùn)行，列車在曲線線路上會受到額外的運(yùn)行阻力，列車制動加速度增大，啟動加速度減小，有利于列車制動，不利于列車啟動，故出發(fā)追蹤間隔時間會增大，區(qū)間追蹤間隔時間與到達(dá)追蹤間隔時間會減小。曲線附加阻力的大小與曲線半徑呈負(fù)相關(guān)。

2.2 限速運(yùn)行的影響

限速時列車的運(yùn)行過程發(fā)生變化，列車追蹤間隔時間的計算不能按照正常運(yùn)行時的方法直接求解，需要進(jìn)一步推導(dǎo)。為便于表述，推導(dǎo)公式中將變加速過程表達(dá)為勻變速運(yùn)動形式。

2.2.1 限速下的區(qū)間追蹤間隔時間

當(dāng)存在限速區(qū)段時，前行列車的制動會迫使后行列車減速，為避免這種情況的發(fā)生，相鄰追蹤列車之間需要在正常追蹤運(yùn)行的基礎(chǔ)上預(yù)留出額外的追蹤距離，這就使得區(qū)間追蹤間隔時間增大，增大的區(qū)間追蹤間隔時間包括以下2 個部分[9]。

圖4 限速條件下列車區(qū)間追蹤間隔時間IFig.4 Train section interval under speed limit condition I

圖5 限速條件下列車區(qū)間追蹤間隔時間IIFig.5 Train section interval under speed limit condition II

圖6 限速條件下列車出發(fā)追蹤間隔時間Fig.6 Train departure interval under speed limit condition

式中：L追為正常條件下的區(qū)間追蹤間隔，m；I追為正常條件下的區(qū)間追蹤間隔時間，s。

2.2.2 限速下的出發(fā)追蹤間隔時間

2.2.3 限速下的到達(dá)追蹤間隔時間

經(jīng)研究相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)不同限速值下，到達(dá)追蹤間隔時間需要分別討論。王超宇[9]提出在列車限速進(jìn)站過程中存在2 個速度臨界值Vvalid和Vmax，兩者分別為限速起點(diǎn)P限處所對應(yīng)的列車正常運(yùn)行時進(jìn)站信號機(jī)開放前后模式曲線的速度值，易知，不同位置處的臨界值不同。

（1）當(dāng)V限>Vmax時，由于列車正常進(jìn)站過程中在P限處的速度最高為Vmax，因而V限對列車運(yùn)行不造成影響，到達(dá)追蹤間隔時間不變。間得到壓縮，并且隨著V限的減小而減小。

圖7 限速條件下列車到達(dá)追蹤間隔時間情況(2)Fig.7 Train arrival interval under speed limit condition (2)

綜上所述，到達(dá)追蹤間隔時間隨著限速值的減小，先不變，再增大，然后減小。

圖8 限速條件下列車到達(dá)追蹤間隔時間情況(3)Fig.8 Train arrival interval under speed limit condition (3)

3 檢算結(jié)果及分析

為驗證理論分析結(jié)果，構(gòu)造理想化列車運(yùn)行場景借助牽引計算軟件對各類列車追蹤間隔時間進(jìn)行檢算：①列車運(yùn)行在長坡段或長曲線上；②僅考慮坡度、曲線或限速中的某一項對列車追蹤間隔時間的影響。檢算中的線路坡度與曲線半徑的取值根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》確定[10]。

3.1 參數(shù)取值

選用CRH380BL 型動車組，采用16 輛編組，車長400 m，該動車組ATP 參數(shù)如表1 所示。

表1 CRH380BL 動車組ATP 參數(shù)Tab.1 CRH380BL EMU ATP parameters

3.2 不同線路附加阻力的檢算結(jié)果及分析

3.2.1 不同坡度下區(qū)間追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

為驗證線路坡度對I追的影響，設(shè)置了0‰ ～ 25‰的上下坡道，基于公式(1)，利用牽引計算軟件計算不同區(qū)間運(yùn)行速度與不同坡度下的I追，將結(jié)果繪制得到不同坡度值下的列車區(qū)間追蹤間隔時間如圖9 所示。

由圖9 可知，與平直道相比，不同坡度下區(qū)間追蹤間隔時間的變化情況如下。

（1）I追在上坡道上會減小，并隨坡度值的增大而減小，在下坡道上會增大，并隨坡度值的增大而增大，且速度越高，不同線路坡度對應(yīng)的I追之間的差距就越大。

（2）速度為300 km/h 時，25‰的下坡道使I追增加50 s 左右，25‰的上坡道使I追減小20 s 左右，可見下坡道對I追的影響程度比上坡道更大。

（3）在某一確定的線路坡度上，I追的變化不是單調(diào)的，而是隨著運(yùn)行速度的增加，I追先減小再增大。

3.2.2 不同坡度下出發(fā)追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

I發(fā)受站坪范圍內(nèi)線路坡度(主要是咽喉區(qū)坡度)與一離去范圍內(nèi)線路坡度的共同影響。設(shè)置一離去區(qū)間為0‰ ～ 25‰的上下坡道，咽喉區(qū)為0‰ ～ 6‰的上下坡道，基于公式(2)，利用牽引計算軟件計算每一坡度值下的I發(fā)，將結(jié)果繪制得到不同坡度下的列車出發(fā)追蹤間隔時間如圖10 所示。

圖9 不同坡度值下的列車區(qū)間追蹤間隔時間Fig.9 Train section tracking interval under different slope values

由圖10 可知，與平直道相比，不同坡度下出發(fā)追蹤間隔時間的變化情況如下。

（1）I發(fā)在下坡道上較小，且坡度值越大，列車啟動及出站過程就越快，I發(fā)越小；上坡道的影響情況相反。

（2）站坪坡度對I發(fā)的影響在8 s 左右，一離去坡度對I發(fā)的影響在12 s 左右，這是由于站坪范圍內(nèi)線路坡度較小，一離去范圍內(nèi)走行距離較短，I發(fā)所受影響均較小，線路條件不是I發(fā)的主要制約因素。

3.2.3 不同坡度下到達(dá)追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

與出發(fā)追蹤間隔時間相同，到達(dá)追蹤間隔時間受站外線路坡度及站坪范圍內(nèi)坡度的共同影響，但根據(jù)圖10 結(jié)果，站坪坡度的影響不明顯，故主要探討站外線路坡度對I到的影響。同樣設(shè)置0‰ ～ 25‰的上下坡道，基于公式(3)利用牽引計算軟件計算并繪制得到不同坡度下的列車到達(dá)追蹤間隔時間如圖11 所示。

由圖11 可知，與平直道相比，不同坡度下到達(dá)追蹤間隔時間的變化情況如下。

（1）I到在上坡道上較小，并且坡度值越大，I到越小，下坡道上相反；速度越高，不同線路坡度對應(yīng)的I到之間的差距就越大。

（2）速度為300 km/h 時，25‰的下坡道使I到增加75 s，25‰的上坡道使I到減小30 s 左右，下坡道對I到的影響程度較上坡道更大。

（3）I到隨著速度的增加而增加，可考慮進(jìn)站前減速以壓縮I到。

圖10 不同坡度下的列車出發(fā)追蹤間隔時間Fig.10 Train departure interval under different slope values

圖11 不同坡度下的列車到達(dá)追蹤間隔時間Fig.11 Train arrival interval under different slope values

3.2.4 不同曲線下列車追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

取區(qū)間運(yùn)營速度為300 km/h，基于公式(1)—(3)利用牽引計算軟件計算了平直道上和半徑分別為5 000 m，7 000 m，9 000 m 的曲線上正常運(yùn)行時不同曲線半徑下的列車追蹤間隔時間如表2 所示。

表2 正常運(yùn)行時不同曲線半徑下的列車追蹤間隔時間Tab.2 Train tracking interval under different curve radii in normal operation

由表2 可知，正常運(yùn)行時不同半徑的曲線對各類列車追蹤間隔時間基本無影響，原因是產(chǎn)生的曲線附加阻力較小。

3.3 限速運(yùn)行下的檢算結(jié)果及分析

3.3.1 限速下區(qū)間追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

由公式(8)—(9)可知，限速下的I追與限速值相關(guān)，為分析相關(guān)性，在區(qū)間運(yùn)營速度為300 km/h，設(shè)置80 ～ 280 km/h 的限速值，利用牽引計算軟件分別計算對應(yīng)的I追并繪制得到不同限速值下的列車區(qū)間追蹤間隔時間如圖12 所示。為便于分析其突變性，同時計算了不同限速值下前車需出清的閉塞分區(qū)數(shù)量，即公式(9)中的

由圖12 可知，限速條件下的區(qū)間追蹤間隔時間隨著限速值的減小，整體上呈現(xiàn)增大的趨勢，但存在局部的突降。

圖12 不同限速值下的列車區(qū)間追蹤間隔時間Fig.12 Train section tracking interval under different speed limits

3.3.2 限速下出發(fā)追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

經(jīng)計算，正常運(yùn)行時，V出清為139.5 km/h。存在限速時，I發(fā)受限速值以及限速區(qū)段長度的影響，分 別 設(shè) 置80 ～ 140 km/h 的 限 速 值 和500 ～ 1 400 m的限速區(qū)段，基于公式(10)利用牽引計算軟件計算并繪制得到不同限速條件下的列車出發(fā)追蹤間隔時間如圖13 所示。需要說明的是，在計算限速值對I發(fā)的影響時，將限速區(qū)段長度設(shè)為600 m，在計算限速區(qū)段長度對I發(fā)的影響時，將限速值設(shè)為110 km/h。

對于限速值，在一定范圍內(nèi)，出發(fā)追蹤間隔時間隨著限速值的增大而減小，但達(dá)到一臨界值時，出發(fā)追蹤間隔時間不再變化。臨界值為滿足公式(16)的限速值，即列車在限速區(qū)段內(nèi)一直加速運(yùn)行，此時限速區(qū)段的存在不制約出發(fā)追蹤間隔時間。

隨著限速區(qū)段的增長，出發(fā)追蹤間隔時間先保持不變，后逐漸增大，變化的臨界值同樣是滿足公式(16)的限速長度。限速區(qū)段短于臨界值時，列車在其中一直加速運(yùn)行，不受限制；當(dāng)限速區(qū)段長于臨界值時，列車先加速后勻速，速度受到限制，在其中運(yùn)行時間增大，出發(fā)追蹤間隔時間增加。

整體上看，限速區(qū)段越短，限速值越大，出發(fā)追蹤間隔時間越??；限速值對I發(fā)的影響程度更大。

3.3.3 限速下到達(dá)追蹤間隔時間的結(jié)果及分析

限速下的I到與限速值大小相關(guān)，設(shè)置80 ～ 300 km/h 的限速值，同時為驗證在不同的限速位置是否具有相同的規(guī)律，分別設(shè)置了車站一、二、三接近區(qū)間內(nèi)存在限速，基于公式(12)和(15)利用牽引計算軟件計算并繪制得到不同限速條件下的列車到達(dá)追蹤間隔時間如圖14 所示。

圖13 不同限速條件下的列車出發(fā)追蹤間隔時間Fig.13 Train departure interval under different speed limit conditions

圖14 不同限速條件下的列車到達(dá)追蹤間隔時間Fig.14 Train arrival interval under different speed limit conditions

限速位置越接近車站，Vmax與Vvalid越小。3 處限速的結(jié)果曲線均滿足規(guī)律：當(dāng)V限> Vmax時，I到不受影響；當(dāng)Vvalid< V限≤ Vmax時，I到會隨限速值減小而微小增加；當(dāng)V咽喉< V限≤ Vvalid時，I到發(fā)生突降，隨限速值減小而減小，并且相比正常運(yùn)行時減小，驗證了理論分析的結(jié)果。

4 結(jié)論

列車追蹤間隔時間是高速鐵路通過能力的限制因素之一，對列車追蹤間隔時間進(jìn)行壓縮的基礎(chǔ)是研究其影響因素及影響機(jī)制。通過分析線路條件的影響機(jī)制，檢算不同線路條件下的列車追蹤間隔時間，對比分析與總結(jié)出線路條件對各類列車追蹤間隔時間的影響規(guī)律。

（1）線路條件對列車追蹤間隔時間產(chǎn)生影響的原因包括線路平、縱斷面產(chǎn)生的附加阻力以及存在因線路條件導(dǎo)致限速運(yùn)行2 方面。

（2）坡道附加阻力的影響為：相比平直道上運(yùn)行，下坡道上，區(qū)間追蹤間隔時間、到達(dá)追蹤間隔時間增大，隨坡度值的增大而增大，出發(fā)追蹤間隔時間減小，隨坡度值增大而減小；上坡道影響情況相反。由于列車實際受到的曲線附加阻力較小，各類列車追蹤間隔時間基本不受影響。

（3）相比正常運(yùn)行，限速運(yùn)行時，區(qū)間追蹤間隔時間隨限速值的減小而增加，但存在局部的突降；出發(fā)追蹤間隔時間增大，限速值越大、限速區(qū)段越短，則增加越少；到達(dá)追蹤間隔時間隨限速值的減小，呈現(xiàn)先不變，后增大，再減小的規(guī)律。