高速鐵路長大下坡道閉塞分區(qū)自動化布置研究

石修路,于汝濱

(1.中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,重慶 401120； 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司交通規(guī)劃研究院,成都 610031)

引言

隨著我國西南地區(qū)高速鐵路建設(shè)進程不斷加快，長大坡道條件下的列車追蹤檢算及閉塞分區(qū)設(shè)置等問題日益受到重視。為充分提升線網(wǎng)運輸效率、發(fā)揮線路能力，針對西南地區(qū)獨特的地形條件，進行長大坡道下的閉塞分區(qū)設(shè)置研究有著極其重要的意義及作用。

目前，相關(guān)學(xué)者及專家針對長大坡道下的閉塞分區(qū)設(shè)置已取得了諸多成果。其中，高國隆[1-2]等構(gòu)建了長大坡道條件下的高速鐵路閉塞分區(qū)布置優(yōu)化模型，并采用遺傳算法求解，實例驗證顯示：優(yōu)化模型較傳統(tǒng)布置方法能夠有效縮短行車間隔、提高區(qū)間通過能力；崔衍渠[3]從區(qū)間通過能力影響因素入手，重點分析了長大坡段下的列車追蹤間隔，論證了不同坡度、不同坡長對列車追蹤間隔的影響程度；王杰[4]以寶蘭高鐵為例，重點研究了不同車載設(shè)備下的列車制動距離及追蹤間隔，通過優(yōu)化閉塞分區(qū)長度和列控參數(shù)等措施，有效提升了運輸效率；張博[5]針對閉塞分區(qū)設(shè)置需求及原理，從軟件開發(fā)角度，對功能架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進行了論述；全宏宇[6]立足于區(qū)間信號自動設(shè)計需求，提出了軌道電路自動分割理念及應(yīng)答器自動布置算法，研發(fā)了區(qū)間信號自動設(shè)計軟件。

既有研究成果在一定程度上彌補了規(guī)范空白，但對于長大坡道下的閉塞分區(qū)設(shè)置依然存在諸多問題[7-9]：從安全角度分析，高速鐵路成網(wǎng)運行，列車制動的初始速度應(yīng)取制動距離最長的列車車載設(shè)備所限定的最高運行速度(考慮上浮)；為有效提升閉塞分區(qū)設(shè)置精度及效率，相關(guān)理論依據(jù)應(yīng)整合利用，從而簡化設(shè)計流程；為突出理論研究的優(yōu)越性，應(yīng)選取合理的對比對象進行分析論證。

考慮到現(xiàn)有工程應(yīng)用中閉塞分區(qū)劃分的理論體系、規(guī)范規(guī)程尚不完善，針對既有理論的不足，從高速鐵路閉塞分區(qū)計算原理入手，優(yōu)化了閉塞分區(qū)算法，并通過軟件開發(fā)實現(xiàn)了長大坡道下的閉塞分區(qū)自動布置，通過實例檢算與手動布置相對比，突出了軟件設(shè)計的適用性、精準(zhǔn)性及高效性。

1 閉塞分區(qū)設(shè)置原則

1.1 線路條件

TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(條文說明)》第5.3.3條規(guī)定：動車組于大坡道上的運行速度不低于設(shè)計時速的80%～85%時，最大坡段長度于15‰坡度不宜大于10 km，于20‰坡度不宜大于6 km，于25‰坡度不宜大于4 km，于30‰坡度不宜大于3 km，于35‰坡度不宜大于2 km[3]。受地形條件限制，西南地區(qū)高速鐵路線路長大坡段較多，如西成高鐵(西安—成都)使用25‰大坡度累計長度達(dá)46 km[10]；大西高鐵(大同—西安)部分區(qū)段平均坡度達(dá)27.6‰，長度達(dá)15.6 km；鄭萬高鐵(鄭州—萬州)使用30‰大坡度累計長度達(dá)85.5 km。因此，閉塞分區(qū)設(shè)置過程中受長大坡段影響較大。

根據(jù)物理學(xué)原理分析可知，當(dāng)列車于上坡段運行時，列車動能將轉(zhuǎn)化為勢能，速度降低，利于制動；當(dāng)列車處于下坡段時，列車勢能將轉(zhuǎn)化為動能，速度提升，不利于制動。因此，閉塞分區(qū)布設(shè)時，應(yīng)結(jié)合列車速度、坡度條件及坡段長度合理調(diào)整，如圖1所示。

圖1 閉塞分區(qū)布設(shè)示意

1.2 制動要求

受軌道電路傳輸距離限制，裝備列控車載設(shè)備的動車組應(yīng)在任意7個閉塞分區(qū)內(nèi)滿足目標(biāo)速度制動至零要求[11-13]，制動過程如圖2所示。

圖2 列車制動示意

由于高速鐵路和城際鐵路均采用準(zhǔn)移動閉塞，設(shè)計過程中考慮CTCS-3列控系統(tǒng)故障，采用CTCS-2列控系統(tǒng)降級運行時，為保證運行安全，任意7個閉塞分區(qū)總長應(yīng)滿足305 km/h(考慮上浮)制動至0 km/h并留有一定安全距離；反向運行時，任意7個閉塞分區(qū)總長應(yīng)滿足255 km/h(考慮上浮)制動至0 km/h并留有一定安全距離。

1.3 追蹤間隔

TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(條文說明)》第3.4.9條規(guī)定：區(qū)間通過能力一般按最小追蹤間隔3 min設(shè)計，按最小追蹤間隔4 min檢算能力。因此，閉塞分區(qū)設(shè)置時應(yīng)滿足最小追蹤間隔3 min要求，即使受客觀條件限制無法滿足時，也應(yīng)盡可能縮短追蹤間隔。追蹤間隔計算公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，I追、I到、I發(fā)、I通分別為區(qū)間追蹤間隔、到達(dá)間隔、出發(fā)間隔、通過間隔，min；t附加、t到達(dá)、t出發(fā)、t通過分別為區(qū)間追蹤附加時間、到達(dá)作業(yè)時間、出發(fā)作業(yè)時間、通過作業(yè)時間，s；v運為追蹤距離內(nèi)平均運行速度，km/h；L制為列控車載設(shè)備監(jiān)控制動距離，m；L防為安全防護距離，m；L閉為閉塞分區(qū)長度，m；L列為列車長度，m；L咽喉為車站進站信號機(或出站信號機)至股道反向出站信號機(或反向進站信號機)間的距離，m；L標(biāo)為列車停車標(biāo)至出站信號機間的距離，m。

由公式(1)～公式(4)可知，制動距離對追蹤間隔影響較大。閉塞分區(qū)設(shè)置以追蹤間隔最小為約束，即閉塞分區(qū)總長在保證安全余量的前提下應(yīng)盡可能接近制動距離。

2 線路平均坡度

平均坡度是指一定長度內(nèi)線路坡度的平均。受線路平縱斷面影響，不同坡度的坡長各異，設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)實際需求，于一定距離內(nèi)計算線路平均坡度，以支撐閉塞分區(qū)設(shè)置。

2.1 理論研究成果

通過對各列控車載設(shè)備監(jiān)控制動距離進行研究，CRH380BK為CTCS3-300T車載設(shè)備中制動性能最差車型[3]。為保證線網(wǎng)運輸安全，設(shè)計過程中應(yīng)按最不利車型設(shè)置閉塞分區(qū)。

通過牽引仿真，CRH380BK車型于CTCS-2模式下制動距離與平均閉塞分區(qū)長度對應(yīng)關(guān)系如表1所示[3]。

表1 平均坡度與閉塞分區(qū)對應(yīng)長度

2.2 平均坡度計算

受線路縱斷面影響，各坡段坡度、坡長均不相同，為實時計算列車所處位置的高程，將列車抽象為二維坐標(biāo)點，將線路擬合為二元一次函數(shù)。受線路長短鏈影響，擬合函數(shù)并不連續(xù)，為保證信號點位置的唯一性，重置線路坐標(biāo)系使得里程與高程一一對應(yīng)，去除長短鏈后的擬合公式如下

(5)

式中，y為高程，m；x為里程，km；γT為坡度矩陣，‰；hT為高程截距矩陣，m。

列車高程實時計算公式如下

(6)

式中，yi為第i個坐標(biāo)點高程，m；xi為第i個坐標(biāo)點里程，km；γi→m為第i個坐標(biāo)點對應(yīng)坡段m的坡度，‰；hi→m為第i個坐標(biāo)點對應(yīng)坡段m的起點高程截距，m。

平均坡度計算公式如下

(7)

由表1可知，平均閉塞分區(qū)長度最大為6.4 km，為保證平均坡度能夠有效支撐閉塞分區(qū)設(shè)計，計算步長不應(yīng)小于6.4 km；同時，為保證平均坡度準(zhǔn)確性，計算步長不宜過大。綜上，此次研究計算步長取值7 km。

3 閉塞分區(qū)設(shè)計

3.1 理論前提

閉塞分區(qū)設(shè)計作為一項系統(tǒng)工程，需結(jié)合進出站信號機及電分相所在閉塞分區(qū)統(tǒng)籌考慮。設(shè)計過程中，隨著設(shè)計深度的不斷深入，為避免閉塞分區(qū)設(shè)計方案頻繁返工，電分相設(shè)置方案應(yīng)優(yōu)先確定[14-15]。

“關(guān)于印發(fā)《電分相設(shè)計工作會議紀(jì)要》的通知”中規(guī)定：電分相應(yīng)避免設(shè)置在6‰以上大坡道上；TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》第11.5.5節(jié)第2條規(guī)定：電分相不宜設(shè)置在連續(xù)大坡道、變坡點、大電流及出站加速區(qū)段，列車過分相斷電區(qū)距最近信號機不宜小于550 m；《軌道交通客運列車斷電過分相系統(tǒng)相互匹配準(zhǔn)則》第5.2條規(guī)定：正常運行時，分相區(qū)的“斷”標(biāo)前的入口行駛速度不宜低于100 km/h，以保證列車斷電過分相后“合”標(biāo)前的出口行駛速度不低于40 km/h，從而滿足正常運輸時旅客舒適度的要求；《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(高速鐵路部分)》中第411條規(guī)定：動車組列車反方向運行時，在CTCS-3級區(qū)段，CTCS-3級列控系統(tǒng)最高允許速度為300 km/h，CTCS-2級列控系統(tǒng)最高允許速度為250 km/h。綜而言之，動車組正向行車及反向行車狀況下，電分相位置、相鄰信號機與“斷”“合”標(biāo)距離以及動車組出口速度，都應(yīng)滿足具體要求，因此，電分相所處閉塞分區(qū)應(yīng)優(yōu)先檢算確定[16-19]。

以進出站信號機及電分相所處閉塞分區(qū)穩(wěn)定為理論基礎(chǔ)，以區(qū)間一般閉塞分區(qū)為主要研究對象展開研究。

3.2 計算原理

閉塞分區(qū)設(shè)計過程中，考慮正向運行與反向運行兩種工況。正向運行工況，CTCS-2模式下動車組最高運行速度可達(dá)305 km/h(考慮上浮)，為保證行車安全，閉塞分區(qū)長度在制動初始速度300 km/h(正常運行)前提下與線路平均坡度匹配；同理，反向運行工況，CTCS-2模式下動車組最高運行速度可達(dá)255 km/h(考慮上浮)，閉塞分區(qū)長度在制動初始速度250 km/h(正常運行)前提下與線路平均坡度匹配。

起終點信號機作為計算起點與終點，計算過程僅在起終點范圍內(nèi)進行。各站進出站信號機與電分相前后信號機將線路劃分為若干區(qū)段，各區(qū)段范圍內(nèi)分別計算區(qū)間信號機位置，具體如圖3所示。

圖3 區(qū)間信號機計算范圍示意

3.3 計算公式

根據(jù)主要計算原理，閉塞分區(qū)自動布設(shè)計算公式如下

(8)

(9)

3.4 電算邏輯

根據(jù)計算原理及各計算公式，閉塞分區(qū)設(shè)計過程中存在較強的規(guī)律性，為簡化設(shè)計流程，提升設(shè)計質(zhì)量及效率，本次研究基于VBA平臺開發(fā)了閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)運算邏輯如圖4所示。

圖4 閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)運算邏輯框圖

閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)受限于牽引仿真軟件的不同，數(shù)據(jù)輸出形式需與牽引仿真軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)類型相匹配。為提升系統(tǒng)兼容性，數(shù)據(jù)輸出過程中留有開放式接口，以便于針對特定類型、版本的牽引仿真軟件使用。

4 實例驗證

4.1 項目概況

渝湘高鐵黔江至吉首段，起于重慶市黔江站，終到吉首市吉首北站，正線全長210.02 km，設(shè)計速度350 km/h，設(shè)站5座，平均站間距52.43 km。

全線累積爬升高度超過1 500 m，25‰及以上長大坡道累計共37.17 km，最大連續(xù)下坡達(dá)13 km，具有典型的長大坡道線路特征。

由于線路較長，全線范圍的閉塞分區(qū)設(shè)置較為繁瑣，因此，本次研究選取其中典型區(qū)段進行閉塞分區(qū)設(shè)計與檢算，以驗證閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)的適用性及準(zhǔn)確性。通過分析，秀山北站至花垣站區(qū)間較為典型，故以此區(qū)段為例。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

秀山北至花垣區(qū)段全長52.83 km，線路坡度較為均勻，無特殊限速。車站進出站信號機、電分相及相鄰信號機位置分布如圖5所示。

圖5 渝湘高鐵秀山北至花垣區(qū)段線路縱斷面示意(單位：m)

閉塞分區(qū)及追蹤間隔檢算時，采用CRH380BK-300T型車16輛編組，CTCS-2運營模式。由于高速鐵路成網(wǎng)運營，各線路區(qū)段均有可能達(dá)到最高運行速度，為保證行車安全，閉塞分區(qū)檢算時，一律按最高運行速度上浮5 km/h考慮制動；追蹤檢算時，則根據(jù)牽引仿真V-S曲線實時計算[20-21]。

4.3 對比分析

為驗證系統(tǒng)適用性、準(zhǔn)確性及便捷性，對秀山北至花垣區(qū)段閉塞分區(qū)分別進行系統(tǒng)布置與手動布置，詳細(xì)方案及設(shè)計效果如表2、表3所示。

表2 渝湘高鐵秀山北至花垣區(qū)段閉塞分區(qū)對比分析

表3 渝湘高鐵秀山北至花垣區(qū)段其他追蹤間隔對比 s

如表2所示，在保證列車安全制動的前提下，系統(tǒng)布置方案較手動布置方案信號機數(shù)量更為接近理想狀態(tài)，分區(qū)占用數(shù)更為均勻、合理，富余量得以有效壓縮，最大追蹤間隔有效縮短40 s，且工作效率取得大幅提升。

其他追蹤間隔如表3所示。系統(tǒng)布置方案相較于手動布置方案，于車站出發(fā)間隔及通過間隔均有所縮短，且效果明顯。

綜上所述，閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)能夠更為精確、更為高效的適用于高速鐵路閉塞分區(qū)設(shè)計工作，在保證列車運行安全的前提下，能夠有效縮短追蹤間隔，提升線路通過能力。

5 結(jié)論

(1)在總結(jié)各項標(biāo)準(zhǔn)及既有研究成果的基礎(chǔ)上，高速鐵路閉塞分區(qū)自動化布設(shè)公式具有較強的精準(zhǔn)性、規(guī)律性及系統(tǒng)性，能夠有效指導(dǎo)閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用。

(2)與手動布置相比，閉塞分區(qū)設(shè)計輔助系統(tǒng)能夠在優(yōu)化閉塞分區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，極大程度的簡化設(shè)計工作，提升設(shè)計效率。該系統(tǒng)為高速鐵路閉塞分區(qū)設(shè)計工作提供了一種可靠性高、兼容性強的輔助工具。

(3)本文研究成果適用于高速鐵路閉塞分區(qū)設(shè)計，但受牽引仿真軟件限制，不同的內(nèi)置數(shù)據(jù)類型需與系統(tǒng)匹配方可使用，為進一步提升系統(tǒng)兼容性，下一步將針對國內(nèi)不同類型的牽引仿真軟件開發(fā)特定接口。