孫怡平,葉軼淳,羅仕杰,孫浩楠,潘姿延,彭其淵
(西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,四川 成都 611756)
目前,我國正在發(fā)展400 km/h高速鐵路成套技術(shù),其建設(shè)與投入運(yùn)營在工程建設(shè)、技術(shù)裝備、運(yùn)輸組織等方面帶來許多新的問題。其中,實(shí)現(xiàn)高速鐵路3 min 列車追蹤間隔時(shí)間是提升運(yùn)輸組織水平的關(guān)鍵[1]。400 km/h 高速鐵路實(shí)現(xiàn)3 min 追蹤間隔時(shí)間將充分發(fā)揮其運(yùn)營的作用與效益。
在高速鐵路列車追蹤時(shí)間間隔方面,相關(guān)專家和學(xué)者進(jìn)行了大量研究,在高速鐵路追蹤間隔時(shí)間計(jì)算方法和影響因素等方面取得了一定的成果。石先明[2]通過對(duì)我國350 km/h 區(qū)間、接車及發(fā)車3 類的列車追蹤運(yùn)行間隔時(shí)分計(jì)算,分析了其與列車加減速度、咽喉區(qū)長度和道岔號(hào)碼等因素的關(guān)系,從而對(duì)列車的加減速性能、車站咽喉區(qū)布置等提出要求。針對(duì)移動(dòng)閉塞條件下列車追蹤間隔,劉文慧[3]利用時(shí)間帶重疊法進(jìn)行計(jì)算方法的設(shè)計(jì)并對(duì)影響追蹤間隔的要素進(jìn)行定量分析,得到了列車相關(guān)性能及進(jìn)路鎖閉和解鎖方式等因素對(duì)列車追蹤間隔的影響規(guī)律。李棟等[4]通過探究線路條件對(duì)列車追蹤間隔時(shí)間的影響機(jī)制,得到線路附加阻力和因線路條件導(dǎo)致的限速運(yùn)行是線路條件影響列車追蹤間隔時(shí)間的2 個(gè)方面,并結(jié)合不同線路附加阻力與限速運(yùn)行下的各類列車追蹤間隔時(shí)間的檢算結(jié)果,得到線路條件對(duì)列車追蹤間隔時(shí)間的影響規(guī)律。
上述關(guān)于列車間隔時(shí)間的文獻(xiàn)研究主要針對(duì)350 km/h及以下的運(yùn)行速度,缺乏對(duì)400 km/h高速鐵路列車追蹤間隔時(shí)間的研究。同時(shí)上述研究在縮短追蹤間隔時(shí)間改進(jìn)要求上更多地闡述了運(yùn)營管理方面,而兼顧運(yùn)營管理和技術(shù)條件2 方面的現(xiàn)有研究較少。雖然前人的研究工作取得了顯著的進(jìn)展,但目前對(duì)間隔時(shí)間影響因素主要還是采用單一因素的逐一分析的方式,現(xiàn)有模型較為單一,條件局限,缺少多因素耦合追蹤時(shí)間間隔的定量研究。因此,為了克服上述不足,以400 km/h高速鐵路為研究對(duì)象,在分析列車出發(fā)、區(qū)間和到達(dá)3 類追蹤間隔的影響因素的基礎(chǔ)上,以400 km/h高速鐵路實(shí)現(xiàn)3 min 追蹤間隔為目標(biāo),結(jié)合線路實(shí)際設(shè)計(jì)、運(yùn)營情況和敏感性分析篩選出具有優(yōu)化價(jià)值的關(guān)鍵影響因素,通過計(jì)算機(jī)仿真建立多因素列車追蹤運(yùn)行仿真模型,運(yùn)用控制變量法分析實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的技術(shù)條件。
高速鐵路追蹤間隔時(shí)間影響因素理論分析階段,首先根據(jù)我國高速鐵路目前采用的閉塞防護(hù)技術(shù),將列車追蹤間隔時(shí)間分為出發(fā)、到達(dá)、區(qū)間追蹤間隔3 類并分別確定計(jì)算方法;其后基于簡化假設(shè),將3 類追蹤間隔時(shí)間的計(jì)算公式進(jìn)一步細(xì)化,采用控制變量法逐一分析各因素對(duì)列車追蹤間隔時(shí)間的影響;最后對(duì)各因素進(jìn)行敏感性分析并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,篩選得到具有優(yōu)化價(jià)值的關(guān)鍵影響因素。
在采用調(diào)度集中(CTC)行車指揮方式和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)控車條件下,高速鐵路列車3 類追蹤間隔時(shí)間計(jì)算方法如表1所示。
表1 3類追蹤間隔時(shí)間計(jì)算方法Tab.1 The calculation methods of three types of tracking interval time
其中,I發(fā)為列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間,s;L標(biāo)為列車停車標(biāo)至出站信號(hào)機(jī)之間的距離,m;L閉為車站咽喉區(qū)長度和第一離去閉塞分區(qū)長度之和,m;L列為列車長度,m;v出發(fā)為列車發(fā)車過程的運(yùn)行速度,km/h;t為車站辦理列車發(fā)車作業(yè)時(shí)間,s;I到為列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間,s;L制為列車制動(dòng)距離,m;L防為防護(hù)距離,m;L咽喉為車站咽喉區(qū)長度,m;v到達(dá)為列車到站過程的運(yùn)行速度,km/h;為車站辦理列車到達(dá)作業(yè)時(shí)間,s;I追為列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間,s;v區(qū)間為列車在區(qū)間的運(yùn)行速度,km/h;t附加為列控系統(tǒng)附加作業(yè)時(shí)間,s。
基于簡化假設(shè),對(duì)上述公式進(jìn)行細(xì)化,運(yùn)用控制變量法逐一分析各列車追蹤間隔時(shí)間的影響因素。
1.2.1 列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算方法簡化
在理論分析部分,基于列車運(yùn)行過程中加(減)速度恒定的簡化假設(shè),可得到3 類追蹤間隔時(shí)間的簡化公式。
對(duì)于列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間,首先將列車加速的過程簡化為勻加速過程,不考慮站坪范圍內(nèi)的線路坡度及一離去閉塞分區(qū)內(nèi)限速條件。簡化計(jì)算公式為
式中:v咽喉為咽喉區(qū)限速,km/h;a為列車牽引加速度,m/s2;L一離去為第一離去閉塞分區(qū)長度,m。
同理可得,列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間計(jì)算公式在簡化條件下,由基本計(jì)算公式簡化為
式中:v0為列車運(yùn)行速度,km/h;vc為道岔區(qū)段限速,km/h;a為常用制動(dòng)平均減速度,m/s2。
列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間計(jì)算公式在簡化條件下,由基本計(jì)算公式簡化為
1.2.2 列車追蹤間隔時(shí)間影響因素以及單因素分析
基于簡化公式⑴至⑶,逐一分析各因素對(duì)3 類追蹤間隔時(shí)間的影響。對(duì)某一因素進(jìn)行分析時(shí),認(rèn)為其他影響因素取值不變,按步距調(diào)整該因素的取值,代入簡化公式得到對(duì)應(yīng)的追蹤間隔時(shí)間,從而分析該因素對(duì)追蹤間隔時(shí)間的影響方向與影響強(qiáng)度。
(1)列車牽引啟動(dòng)性能。列車出站時(shí),由于受到咽喉區(qū)限速的限制,分多個(gè)階段進(jìn)行加速或勻速運(yùn)動(dòng),牽引啟動(dòng)性能直接影響列車啟動(dòng)加速度,從而對(duì)列車的出發(fā)追蹤間隔時(shí)間產(chǎn)生影響。
由公式⑴對(duì)其進(jìn)行單因素分析可知,出發(fā)追蹤間隔時(shí)間隨列車啟動(dòng)加速度增大而減小。
(2)咽喉區(qū)長度和道岔側(cè)向限速。列車在通過咽喉區(qū)時(shí)是在道岔限速的條件下運(yùn)行的。列車在出站時(shí),需要先加速至道岔限制速度,以該速度勻速運(yùn)行至出清咽喉區(qū),再繼續(xù)加速。同樣,列車由區(qū)間駛?cè)胲囌镜臏p速過程中,也需按照道岔限速條件通過咽喉區(qū)。
由公式⑴、公式⑵分別對(duì)咽喉區(qū)長度以及道岔側(cè)向限速進(jìn)行單因素分析,分析可知列車出發(fā)、到達(dá)追蹤間隔時(shí)間隨咽喉區(qū)長度增大而增大;出發(fā)、到達(dá)追蹤間隔時(shí)間隨咽喉區(qū)限速減小而增大。
(3)第一離去閉塞分區(qū)長度。計(jì)算出發(fā)追蹤間隔時(shí)間的確定條件是前行列車出清第一離去閉塞分區(qū)后才辦理后行列車的發(fā)車作業(yè)、開放出站信號(hào)。
由公式⑴對(duì)其進(jìn)行單因素分析可知,出發(fā)追蹤間隔時(shí)間隨第一離去閉塞分區(qū)長度減小而減小。
(4)列控系統(tǒng)。列車追蹤間隔時(shí)間與列控系統(tǒng)有極大關(guān)系。由公式⑴至⑶對(duì)其進(jìn)行單因素分析可知,追蹤間隔時(shí)間隨列車出發(fā)、到達(dá)、附加作業(yè)時(shí)間減小而減小。
(5)線路坡度、曲線附加阻力。由于鐵路線路條件并不是一直是平穩(wěn)的,會(huì)因曲線以及線路坡度產(chǎn)生附加阻力。這里取坡度附加阻力wi=i(N kN),曲線附加阻力wr=(N kN),R為曲線半徑[5],m。
對(duì)于到達(dá)追蹤間隔時(shí)間來說,帶入公式⑵,可得
式中:W為附加阻力,N/kN,W=wi+wr。
由公式⑷對(duì)其進(jìn)行單因素分析可知,坡度越小,半徑越大,I到越長。
對(duì)于區(qū)間追蹤間隔時(shí)間,帶入公式⑶,可得
由公式⑸對(duì)其進(jìn)行單因素分析可知,坡度越大,半徑越小,附加阻力越大,I追時(shí)間越短。
(6)列車制動(dòng)性能。列車在進(jìn)站時(shí),制動(dòng)性能越好,列車的制動(dòng)減速度越大,減速至規(guī)定速度所需要的時(shí)間越短。同樣,列車制動(dòng)性能也會(huì)影響區(qū)間追蹤間隔時(shí)間。所以列車制動(dòng)性能對(duì)列車到達(dá)以及區(qū)間追蹤間隔時(shí)間都有重要影響。
由公式⑵、公式⑶對(duì)其進(jìn)行單因素分析可知,列車的制動(dòng)性能越高,制動(dòng)減速度越大,所需制動(dòng)時(shí)間則越短,到達(dá)、區(qū)間追蹤間隔時(shí)間越小。
(7)列車運(yùn)行速度。在列車進(jìn)站時(shí),列車運(yùn)行速度越大,列車所需的制動(dòng)時(shí)間越長,使得到達(dá)追蹤間隔時(shí)間變長。同時(shí),速度越大,列車通過車站咽喉區(qū)、列車安全防護(hù)距離、列車制動(dòng)距離等的時(shí)間也就越短。所以,列車進(jìn)站過程的運(yùn)行速度對(duì)列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間有極大影響。區(qū)間同理。
由公式⑵、公式⑶進(jìn)行單因素分析可知,該因素對(duì)追蹤間隔時(shí)間的影響并非線性變化。
(8)到發(fā)線運(yùn)用。公式⑴中L咽喉受到發(fā)線運(yùn)用方案的影響。不同到發(fā)線運(yùn)用方案下的列車在咽喉區(qū)的走行距離不同。一般來說,前車發(fā)車股道離正線較近時(shí)列車在咽喉區(qū)的走行距離較短,列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間也越短。
(9)解鎖方式。在運(yùn)輸組織中對(duì)到發(fā)線的運(yùn)用和列車進(jìn)站解鎖方式的不同將會(huì)使得防護(hù)曲線的追蹤點(diǎn)產(chǎn)生差異;此外到發(fā)線的運(yùn)用還通過控制到發(fā)線的數(shù)量間接影響咽喉區(qū)長度。以上將在仿真中加以考慮。
對(duì)追蹤間隔時(shí)間產(chǎn)生影響的因素眾多,但并非所有的因素都具有優(yōu)化價(jià)值,需要進(jìn)一步結(jié)合線路實(shí)際設(shè)計(jì)、運(yùn)營情況和敏感性分析篩選出具有優(yōu)化價(jià)值的關(guān)鍵影響因素。
在初步得到各類列車追蹤間隔時(shí)間各項(xiàng)因素單因素分析數(shù)據(jù)后,采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法,消除量綱,將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化表示。
在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,考慮到影響因素對(duì)列車追蹤間隔時(shí)間的影響存在線性和非線性2 種情況,對(duì)此分別進(jìn)行考慮。
對(duì)線性影響因素采取直接求導(dǎo)方式來判斷其影響重要程度,對(duì)非線性影響因素按步距分別求斜率后取其平均值作為其影響的強(qiáng)弱。
線性因素影響重要性大小為
式中:k為單一影響因素分析公式對(duì)影響因素w的導(dǎo)數(shù)。
非線性因素影響重要性大小為
式中:ki為單一影響因素分析公式在第i階段對(duì)影響因素w求導(dǎo)的導(dǎo)數(shù)值;N為總階段數(shù);kˉ為平均值。
根據(jù)得出的各項(xiàng)因素的重要性數(shù)值來進(jìn)行排序,去除實(shí)現(xiàn)困難或成本較大的影響因素,優(yōu)先考慮重要性較大的因素,最后得到3 類追蹤間隔的關(guān)鍵影響因素。追蹤間隔時(shí)間關(guān)鍵影響因素如表2所示。
表2 追蹤間隔時(shí)間關(guān)鍵影響因素Tab.2 Key influencing factors of tracking interval time
為進(jìn)一步研究各因素對(duì)追蹤間隔的影響,需要進(jìn)一步建立高速鐵路列車追蹤運(yùn)行仿真模型,以定量的方法進(jìn)行分析。本次實(shí)驗(yàn)單車運(yùn)行的仿真模型以1 m距離為步距,列車區(qū)間追蹤運(yùn)行仿真模型建立邏輯思維圖如圖1 所示。在搭建單車運(yùn)行仿真模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行2 列車追蹤運(yùn)行的仿真實(shí)驗(yàn),利用前后2 列追蹤列車通過同一坐標(biāo)的時(shí)間差確定追蹤間隔時(shí)間。
圖1 仿真模型建立邏輯思維圖Fig.1 Simulation model logic diagram
本實(shí)驗(yàn)選取成渝高速鐵路(成都東—重慶)區(qū)間線路為仿真線路,以CR400AF 復(fù)興號(hào)作為仿真模型,實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值如表3所示。
表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值Tab.3 Experimental parameter value
線路曲線、坡度等線路條件信息通過Excel 表格導(dǎo)入到仿真程序中。
為了探究實(shí)現(xiàn)3 min 追蹤間隔的技術(shù)條件,對(duì)追蹤間隔時(shí)間的影響因素進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。將上述理論分析得出的一套初始技術(shù)條件輸入仿真模型,按圖1 所示的流程模擬列車運(yùn)行過程,從而分別計(jì)算出列車出發(fā)、區(qū)間、到達(dá)追蹤間隔時(shí)間,根據(jù)初步結(jié)果,進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。
從初始條件出發(fā),依據(jù)各因素的影響重要程度確定其調(diào)整順序,對(duì)各影響因素按步距進(jìn)行調(diào)整,直到3 類追蹤間隔時(shí)間均滿足3 min 條件,記錄結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析,最終得出實(shí)現(xiàn)追蹤間隔時(shí)間3 min的技術(shù)條件。
前文通過對(duì)高速鐵路列車追蹤間隔時(shí)間的理論分析,得到了3 類追蹤間隔時(shí)間的簡化計(jì)算公式及追蹤間隔時(shí)間隨各影響因素變化的趨勢。將現(xiàn)有技術(shù)條件代入計(jì)算公式,并根據(jù)各因素對(duì)追蹤間隔時(shí)間的影響方向和影響程度,不斷調(diào)整各因素取值使追蹤間隔時(shí)間接近3 min,從而得到一套初始技術(shù)條件。初始技術(shù)條件參數(shù)列表如表4所示。
表4 初始技術(shù)條件參數(shù)列表Tab.4 Parameter list of the initial technical condition
將理論分析得到的初始技術(shù)條件輸入仿真模型,得到該條件下對(duì)應(yīng)的3 類追蹤間隔時(shí)間,初始技術(shù)條件對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間如表5所示。
表5 初始技術(shù)條件對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間 sTab.5 Tracking interval time under the initial technical condition
可以看出,初始技術(shù)條件對(duì)應(yīng)的區(qū)間追蹤間隔時(shí)間可以滿足3 min,但出發(fā)、到達(dá)追蹤間隔時(shí)間不能滿足。此時(shí),追蹤間隔時(shí)間主要受到達(dá)追蹤間隔時(shí)間的限制,需要通過調(diào)整技術(shù)條件參數(shù)取值壓縮到達(dá)追蹤間隔時(shí)間。根據(jù)理論分析結(jié)果可知,咽喉區(qū)技術(shù)條件對(duì)到達(dá)追蹤間隔時(shí)間影響重要程度最大。逐步調(diào)整咽喉區(qū)技術(shù)條件參數(shù)(包括咽喉區(qū)限速與車站咽喉區(qū)長度),咽喉區(qū)技術(shù)條件及對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間仿真結(jié)果如表6 所示。其中,未說明的影響因素取值同初始技術(shù)條件。
表6 咽喉區(qū)技術(shù)條件及對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間仿真結(jié)果Tab.6 Simulation results of tracking interval under technical conditions of the throat area
隨著咽喉區(qū)限速不斷增大、車站咽喉區(qū)長度不斷縮短,出發(fā)與到達(dá)追蹤間隔時(shí)間逐步減小,對(duì)區(qū)間出發(fā)追蹤間隔時(shí)間的影響不大。修改2 技術(shù)條件下,列車出發(fā)與區(qū)間追蹤間隔時(shí)間皆可以滿足3 min,到達(dá)追蹤間隔時(shí)間較初始條件有明顯縮減,但仍不能滿足3 min。
在調(diào)整車站咽喉區(qū)技術(shù)條件的基礎(chǔ)上,對(duì)動(dòng)車組的制動(dòng)性能與牽引啟動(dòng)性能進(jìn)行調(diào)整,得到修改3、修改4、修改5這3套技術(shù)條件,動(dòng)車組性能技術(shù)條件及對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間仿真結(jié)果如表7 所示。其中,CR400AF 制動(dòng)性能指根據(jù)CR400AF 的制動(dòng)性能在熱負(fù)荷極限的情況下調(diào)整設(shè)計(jì)為400 km/h制動(dòng)性能。
表7 動(dòng)車組性能技術(shù)條件及對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間仿真結(jié)果Tab.7 Simulation results of tracking interval time under technical conditions of EMU performance
修改3、修改4、修改5這3套技術(shù)條件中,咽喉區(qū)限速值取120 km/h,車站咽喉區(qū)長度取1 200 m。對(duì)比修改3 與修改5 可得,提升列車牽引啟動(dòng)性能會(huì)使列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間大大縮短;對(duì)比修改4與修改5 可得,提升列車制動(dòng)性能會(huì)使列車區(qū)間與到達(dá)追蹤間隔時(shí)間縮短。為解決到達(dá)追蹤間隔時(shí)間這一瓶頸,采用修改5 中對(duì)應(yīng)的動(dòng)車組性能,在修改5技術(shù)條件下,追蹤間隔時(shí)間基本能達(dá)到3 min。
最后,對(duì)區(qū)間相關(guān)參數(shù)的取值進(jìn)行調(diào)整,分別將一離去閉塞分區(qū)長度由1 300 m 縮短至1 200 m(修改6),將線路坡度由-19.5‰調(diào)整至15‰(修改7),將坡道長度由1 700 m 縮短至1 000 m(修改8),將曲線半徑由6 000 m 調(diào)整至10 000 m(修改9),僅對(duì)區(qū)間追蹤間隔時(shí)間產(chǎn)生較小影響,對(duì)追蹤間隔時(shí)間影響極小。
各套技術(shù)條件及對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間仿真結(jié)果折線圖如圖2 所示,可以直觀反映出列車追蹤間隔時(shí)間隨技術(shù)條件的改變而逐步趨近于3 min。
圖2 各套技術(shù)條件及對(duì)應(yīng)追蹤間隔時(shí)間仿真結(jié)果折線圖Fig.2 Line chart of the simulation results of the tracking interval under each set of technical conditions
對(duì)初步技術(shù)條件進(jìn)行逐步調(diào)整,通過多組仿真實(shí)驗(yàn)可以得到400 km/h 高速鐵路滿足3 min 追蹤間隔時(shí)間的技術(shù)條件列表如表8所示。
表8 400 km/h高速鐵路滿足3 min追蹤間隔時(shí)間的技術(shù)條件列表Tab.8 List of technical conditions for the 400 km/h high speed railway to meet the 3 min tracking interval time
在對(duì)影響3 類列車追蹤間隔時(shí)間的因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,識(shí)別影響追蹤間隔時(shí)間的關(guān)鍵因素,結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)多因素耦合條件下的列車追蹤間隔時(shí)間分析,得出實(shí)現(xiàn)3 min 追蹤間隔時(shí)間的技術(shù)條件。主要研究結(jié)論如下。
(1)以列車到達(dá)、出發(fā)、區(qū)間3 類追蹤間隔時(shí)間為主要研究對(duì)象,通過理論分析確定追蹤間隔時(shí)間的影響因素包括咽喉區(qū)限速、列車制動(dòng)性能、到發(fā)線運(yùn)用等。通過建立單一因素影響追蹤間隔時(shí)間的理論模型,得到各因素對(duì)追蹤間隔時(shí)間影響的方向和大小。
(2)結(jié)合線路實(shí)際設(shè)計(jì)、運(yùn)營情況和敏感性分析篩選出具有優(yōu)化價(jià)值的關(guān)鍵影響因素,其中重要程度最高的影響因素為咽喉區(qū)技術(shù)條件與列車性能。
(3)建立追蹤間隔時(shí)間計(jì)算仿真模型,在理論分析所得初始技術(shù)條件的基礎(chǔ)上,調(diào)整技術(shù)條件取值并進(jìn)行多組仿真實(shí)驗(yàn),得到400 km/h高速鐵路實(shí)現(xiàn)3 min追蹤間隔時(shí)間的成套技術(shù)條件,為提升400 km/h動(dòng)車組列車行車密度和運(yùn)輸效率提供理論支持。