張守帥，田長海

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，研究生部，北京　100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081)

1　問題的提出

近年來我國高速鐵路迅猛發(fā)展，到2016年底營業(yè)里程已突破2.2萬 km，占世界高速鐵路總營業(yè)里程的60%以上，高速鐵路已成為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的1張靚麗名片。隨著我國高速鐵路從東部地區(qū)向西部地區(qū)延伸，建設(shè)所面臨的自然環(huán)境更加復(fù)雜，出現(xiàn)了較多的長大坡道地段，導(dǎo)致高速列車在長大下坡道地段無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度和追蹤間隔時間。例如設(shè)計(jì)速度等級為250 km·h-1的大西高鐵有多處坡度超過-20‰，其中下行方向坡度達(dá)-30‰的地段就有3處，長度分別為6 700，5 050和8 447 m。大西高鐵最困難的連續(xù)長大下坡地段線路的長度為15.947 km，平均坡度為-27.6‰(見圖1)；開通運(yùn)營后上下行各有2處限速，上行限速分別為235和220 km·h-1，下行限速分別為230和205 km·h-1；根據(jù)列控設(shè)備廠家提供的最困難地段坡度下列控車載設(shè)備的監(jiān)控制動距離計(jì)算，不限速時的列車區(qū)間追蹤間隔時間甚至無法實(shí)現(xiàn)5 min。

圖1　大西高鐵下行最困難長大下坡地段線路縱斷面示意圖

此外，我國西部正在建設(shè)的其他高鐵，如寶蘭、西成等也存在長大下坡道導(dǎo)致列車限速的問題，另外在將來我國承建的國外高鐵(如印尼雅萬高鐵)中也會出現(xiàn)此類問題。為探究長大下坡道導(dǎo)致列車限速的原因，本文通過檢算長大下坡地段的列車追蹤間隔時間，分析長大下坡地段列車運(yùn)行速度、監(jiān)控制動距離、追蹤間隔時間和閉塞分區(qū)長度之間的相互關(guān)系，提出為實(shí)現(xiàn)高速鐵路的設(shè)計(jì)速度和列車追蹤間隔時間目標(biāo)的改進(jìn)建議。

2　高速鐵路長大下坡道限速原因分析

我國高速鐵路采用CTCS-2/3級列控系統(tǒng)，其中CTCS-2級列控系統(tǒng)的車載設(shè)備由于只能獲取前方7個閉塞分區(qū)的空閑信息[2]，更易引起列車限速，因此本文主要針對采用CTCS-2級列控系統(tǒng)的高速鐵路進(jìn)行研究。

2.1　列車運(yùn)行速度

高速列車的列控系統(tǒng)采用目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式監(jiān)控列車運(yùn)行，前后兩列高速列車追蹤運(yùn)行時，在完全監(jiān)控模式下，后行列車以前行列車占用閉塞分區(qū)的入口附加一定的安全防護(hù)距離為追蹤目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算控車模式曲線，后行列車只要在控車模式曲線下運(yùn)行就是安全的，如圖2所示。因此，后行列車只要滿足式(1)就可以正常速度運(yùn)行，無需降速。

圖2　高速列車追蹤運(yùn)行間隔示意圖

L檢測空閑≥L防+L制+L附加

(1)

式中：L檢測空閑為后行列車檢測到的運(yùn)行前方實(shí)際空閑距離，m；L防為安全防護(hù)距離，區(qū)間取110 m，車站取60 m；L制為列控車載設(shè)備監(jiān)控制動距離，m；t附加為列車區(qū)間追蹤運(yùn)行附加時間，一般取12 s[1]；L附加為t附加時間內(nèi)列車的運(yùn)行距離，m。

由于CTCS-2級列控系統(tǒng)通過軌道電路及點(diǎn)式應(yīng)答器傳輸行車許可信息，列車最多可接收到前方7個閉塞分區(qū)的空閑信息，因此當(dāng)列車運(yùn)行前方下坡地段線路的坡度越大、越長，列車需要的L制就越長，式(1)右側(cè)的計(jì)算值也就越大，當(dāng)其超過列車前方7個空閑閉塞分區(qū)長度之和時，列控車載設(shè)備就會自動使列車降速運(yùn)行。

2.2　列車追蹤間隔時間

為了避免列車降速運(yùn)行，可在后行列車仍舊接收前方7個閉塞分區(qū)空閑信息的條件下通過延長各閉塞分區(qū)的長度，以滿足式(1)的要求。針對大西高鐵等已建設(shè)完成的實(shí)際情況，最簡單的解決辦法是在最困難地段移除1架或幾架信號機(jī)，將相鄰2個閉塞分區(qū)合并成1個閉塞分區(qū)，從而起到延長閉塞分區(qū)的效果，滿足式(1)，就可避免列車降速。但延長閉塞分區(qū)長度會導(dǎo)致列車追蹤間隔時間的增大。列車區(qū)間追蹤間隔時間I追可表示為[3-4]

(2)

式中：L閉為閉塞分區(qū)長度，m；L列為列車長度，m；v區(qū)間為列車在區(qū)間的運(yùn)行速度， km·h-1。

延長閉塞分區(qū)后列車不再需要降速運(yùn)行，但由于列車運(yùn)行在長大下坡地段的線路上，因此L制明顯增加，再加之L閉的延長，使得I追也會增大，從而導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)按照設(shè)計(jì)的列車追蹤間隔時間行車。

由此可見，要同時實(shí)現(xiàn)列車在高速鐵路長大下坡地段有較高的運(yùn)行速度v區(qū)間和較短的追蹤間隔時間I追是一個兩難問題。當(dāng)v區(qū)間較低時，I追相對較短；而提高v區(qū)間后，I追也相應(yīng)增加。這2種情況下往往都沒有完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此需對長大下坡道上列車的v區(qū)間，L制，I追和L閉等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析，以尋求該兩難問題的解決方案。

3　各參數(shù)間關(guān)系的分析

在v區(qū)間，L制，I追以及L閉等參數(shù)中，v區(qū)間和I追是目標(biāo)參數(shù)，而L制及L閉則是為達(dá)成目標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)。在列車及其列控系統(tǒng)一定的條件下，v區(qū)間和線路條件決定L制，而L閉的設(shè)置則要符合式(1)的要求才能滿足與v區(qū)間對應(yīng)的L制的要求，I追則取決于v區(qū)間，L制及L閉。反之，當(dāng)L閉或I追一定時，也要求v區(qū)間滿足相應(yīng)要求。相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

下面以我國某種典型動車組A為例，借鑒UIC相關(guān)規(guī)定，以及根據(jù)理論計(jì)算得到的監(jiān)控制動距離，定量分析高速列車在長大下坡道上的運(yùn)行速度v區(qū)間、閉塞分區(qū)長度L閉、追蹤間隔時間I追的相互關(guān)系[5-6]。監(jiān)控制動距離L制是在動車組A以250 km·h-1的正常運(yùn)行速度條件下為安全計(jì)按制動時列車的初速度為255 km·h-1計(jì)算得到的。

圖3　各參數(shù)之間關(guān)系示意圖

3.1　滿足正常運(yùn)行速度

可由下式計(jì)算典型坡度下動車組A以250 km·h-1的正常速度運(yùn)行時其監(jiān)控制動距離對應(yīng)的L閉，然后再由式(2)可計(jì)算得到I追。計(jì)算結(jié)果見表1。

L閑≥(L防+L制+L附加)/7

(3)

表1運(yùn)行速度滿足250km·h-1的L制，L閉和I追檢算表

坡度/‰(L制+L防)/mL閉/mI追/s-1579581258148-2095611487174-25118731818211-30159642402277

從表1可以看出，按照動車組A以250 km·h-1速度運(yùn)行的條件計(jì)算，在不超過-20‰的長大下坡道上，L閉不超過1 500 m，I追不超過3 min；在-25‰的長大下坡道上，L閉不超過2 000 m，I追不超過4 min。

3.2　閉塞分區(qū)長度固定

對于建設(shè)完成的高速鐵路由于其閉塞分區(qū)長度已經(jīng)固定，若連續(xù)7個閉塞分區(qū)長度之和不滿足要求，則列車需限速運(yùn)行。假設(shè)各閉塞分區(qū)的平均長度為2 000 m，采用試湊的方法檢算動車組A在不同坡度下允許的最高運(yùn)行速度(限速)及可實(shí)現(xiàn)的列車追蹤間隔時間，檢算結(jié)果見表2。

表2　L閉固定條件下不同坡度的限速和I追檢算表

檢算結(jié)果表明，在CTCS-2級控車條件下，當(dāng)閉塞分區(qū)的平均長度為2 000 m時，在-26‰及以內(nèi)的下坡道上，高速列車無需限速，均可按250 km·h-1的正常速度運(yùn)行；在-27‰～-30‰的下坡道上，列車限速在249～235 km·h-1間；在-28‰及以內(nèi)的下坡道上，I追不超過4 min。

3.3　滿足追蹤間隔時間

進(jìn)一步考慮我國高速鐵路閉塞分區(qū)的長度大多為2 000 m的實(shí)際情況，為實(shí)現(xiàn)I追分別不超過3和4 min，通過檢算得出長大下坡地段限速，見表3。

表3L閉為2000m、I追不超過3和4min時不同坡度下的限速檢算表

條件坡度/‰限速/(km·h-1)L制/mI追/sI追≤3min-19≮2509042177-202479099180-252137538180-301806003180I追≤4min-25≮25011763216-27≮25012945235-2824513066239-3023012040238

檢算結(jié)果表明，在CTCS-2級控車條件下，當(dāng)閉塞分區(qū)的平均長度為2 000 m時，在-20‰及以內(nèi)的下坡道上可同時實(shí)現(xiàn)250 km·h-1運(yùn)行速度和3 min追蹤間隔時間的目標(biāo)；若將追蹤間隔時間的目標(biāo)定位在4 min，那么在-27‰及以內(nèi)的下坡道上可同時實(shí)現(xiàn)250 km·h-1運(yùn)行速度和4 min追蹤間隔時間的目標(biāo)。

4　長大下坡道上列車運(yùn)行速度檢算實(shí)例

以圖1所示大西高鐵下行最困難長大下坡地段線路為例，采用動車組A檢算該段線路的限速值(目前該地段實(shí)際限速205 km·h-1)及可實(shí)現(xiàn)的追蹤間隔時間。

根據(jù)線路縱斷面條件，當(dāng)列車的打靶點(diǎn)為通過信號機(jī)S時，在列控車載設(shè)備的監(jiān)控制動距離范圍內(nèi)線路條件最差、監(jiān)控制動距離最長。如果按動車組A以時速250 km運(yùn)行，計(jì)算得到在該段長大下坡道上列車的監(jiān)控制動距離為13 829 m，再加上安全防護(hù)距離和列車區(qū)間追蹤運(yùn)行附加時間內(nèi)的列車運(yùn)行距離，為保證列車常規(guī)制動下停車所需要的安全距離為14 773 m，而在信號機(jī)S后方7個閉塞分區(qū)的長度之和僅為13 697 m，故不能滿足列車安全運(yùn)行的要求，需要將列車在進(jìn)入該坡段時的運(yùn)行速度降至(限速)240 km·h-1(此速度下的監(jiān)控制動距離為11 883 m)，而可實(shí)現(xiàn)的區(qū)間追蹤間隔時間為225 s，即向上取整可實(shí)現(xiàn)4 min的追蹤間隔時間；將目前圖定的實(shí)際限速(205 km·h-1)與計(jì)算所得限速(240 km·h-1)相比，可見按實(shí)際限速行車有較大的安全余量。另外，若要實(shí)現(xiàn)3 min的追蹤間隔時間，則需要將列車運(yùn)行速度控制在185 km·h-1以下(監(jiān)控制動距離6 106 m)。

為解決該處限速問題，曾從延長閉塞分區(qū)的長度考慮，將圖1中的P和Q信號機(jī)移除，使得所對應(yīng)的閉塞分區(qū)與其相鄰的1個閉塞分區(qū)合并成1個閉塞分區(qū)，這樣S信號機(jī)后方連續(xù)7個閉塞分區(qū)(實(shí)際是原來的9個閉塞分區(qū))的長度之和達(dá)到了17 490 m，遠(yuǎn)大于列車以時速250 km運(yùn)行并在常規(guī)制動下停車所需要的安全距離；但是，由于最長的閉塞分區(qū)達(dá)到了3 912 m，使得追蹤間隔時間也隨之增大到275 s，大于4.5 min。

5　監(jiān)控制動距離的計(jì)算分析

由上述檢算分析可知，高速鐵路長大下坡地段的坡度、列車運(yùn)行速度、監(jiān)控制動距離、列車追蹤間隔時間和閉塞分區(qū)長度這5者之間存在十分緊密的關(guān)系：下坡道越大越長、列車運(yùn)行速度越高，監(jiān)控制動距離就越長，要求的閉塞分區(qū)長度也越長；監(jiān)控制動距離及閉塞分區(qū)越長，列車追蹤間隔時間就越長。要滿足高速列車在長大下坡地段不降速運(yùn)行，就需要閉塞分區(qū)長度滿足要求，可這又會導(dǎo)致列車追蹤間隔時間過長；而要縮短列車追蹤間隔時間、實(shí)現(xiàn)3或4 min追蹤間隔時間的設(shè)計(jì)目標(biāo)，往往又需要列車限速運(yùn)行。再分析式(1)和式(2)可知，在高速鐵路長大下坡地段要同時實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行速度和追蹤間隔時間2個設(shè)計(jì)目標(biāo)，關(guān)鍵在于縮短監(jiān)控制動距離。

在高速鐵路長大下坡地段，不同類型動車組(各自裝有不同廠家的列控車載設(shè)備條件下)的監(jiān)控制動距離差別較大。本文再選取國內(nèi)2個主要廠家的列控設(shè)備及對應(yīng)的另外2種典型動車組B和C與動車組A在高速鐵路長大下坡地段制動初速度為250 km·h-1時不同坡度下的監(jiān)控制動距離進(jìn)行對比，結(jié)果見表4。

由表4可知，不同類型動車組采用不同廠家的列控設(shè)備，其在相同坡度長大下坡道上的監(jiān)控制動距離是不一樣的。監(jiān)控制動距離的長短除與動車組制動設(shè)備的性能有關(guān)外，還與列控車載設(shè)備在動車組制動性能基礎(chǔ)上保留的安全冗余有關(guān)。該冗余的大小主要由列控系統(tǒng)的線路坡度取整及監(jiān)控制動距離計(jì)算方法決定。

表4　不同車型的監(jiān)控制動距離對照表

5.1　線路坡度取整

列控系統(tǒng)在根據(jù)線路坡度計(jì)算控車模式曲線時，有2次線路坡度取整[7-8]的過程。

第1次是在將實(shí)際線路的坡度值存儲到地面應(yīng)答器時，以1‰的分辨率[9]對實(shí)際線路的坡度值偏向安全側(cè)取整。以動車組A為例進(jìn)行監(jiān)控制動距離檢算。當(dāng)制動初速度為250 km·h-1時，將-9.1‰的實(shí)際坡度值按-10‰取整后，計(jì)算得到的監(jiān)控制動距離比不取整增加了約270 m；將-19.1‰的實(shí)際坡度值按-20‰取整后，計(jì)算得到的監(jiān)控制動距離比不取整增加了約424 m。即線路坡度越大，坡度取整后導(dǎo)致計(jì)算出的監(jiān)控制動距離比實(shí)際需要增加得越多，即監(jiān)控制動距離的冗余越大。

第2次是在列控車載設(shè)備從地面應(yīng)答器中讀取線路坡度數(shù)據(jù)后，由于受限于列控系統(tǒng)的計(jì)算能力，要以5‰甚至更大的分辨率對讀出的線路坡度數(shù)據(jù)再偏向安全側(cè)取整。以動車組C為例進(jìn)行監(jiān)控制動距離檢算。如果將所有大于-20‰的坡度均按照-35‰取整，則當(dāng)動車組C以250 km·h-1的速度在實(shí)際坡度為-20.1‰的下坡道上運(yùn)行時，按對列控車載設(shè)備從應(yīng)答器中讀取的坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行第2次取整后的-35‰坡度計(jì)算監(jiān)控制動距離，所得到的監(jiān)控制動距離超過動車組實(shí)際需要的制動距離8 630 m。即第2次對線路坡度取整會導(dǎo)致監(jiān)控制動距離的冗余進(jìn)一步增大。

5.2　監(jiān)控制動距離計(jì)算方法

生產(chǎn)廠家提供的動車組制動能力已考慮到了風(fēng)阻、濕軌等情況，因此裸車的制動減速度已經(jīng)留有一定的余量；而不同列控設(shè)備廠家在裸車制動減速度的基礎(chǔ)上又采用各自的計(jì)算模型和算法設(shè)置了更偏安全的列控制動減速度，據(jù)此生成列控車載設(shè)備控車模式曲線。以前述的動車組B和C為例，其裸車制動減速度與列控制動減速度對比分別如圖4和圖5所示。

圖4　動車組B裸車與列控的制動減速度對比

圖5　動車組C裸車與列控的制動減速度對比

由圖4和圖5可見，由于列控設(shè)備廠家根據(jù)動車組的制動性能生成列控車載設(shè)備控車模式曲線的計(jì)算模型和算法缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，使得設(shè)置的制動減速度也不統(tǒng)一，并且還會導(dǎo)致監(jiān)控制動距離的冗余過大。

6　結(jié)論與建議

(1)目前動車組列控車載設(shè)備的控車模式曲線計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，各列控設(shè)備廠家采用的標(biāo)準(zhǔn)不一，再加上動車組本身制動性能的差異，導(dǎo)致監(jiān)控制動距離相差很大，而由于閉塞分區(qū)長度、限速等均需根據(jù)最不利的情況設(shè)置，因此留有很大冗余，嚴(yán)重影響高速列車在長大下坡地段按設(shè)計(jì)的運(yùn)行速度和追蹤間隔時間行車，因此有必要統(tǒng)一規(guī)范列控車載設(shè)備的監(jiān)控制動距離計(jì)算方法及參數(shù)取值。同時建議列控設(shè)備廠家公開監(jiān)控制動距離的計(jì)算方法及參數(shù)取值，以便在高速鐵路設(shè)計(jì)階段解決好閉塞分區(qū)布置問題，提高我國高速鐵路的運(yùn)用水平和在國際市場上的競爭力。

(2)列控系統(tǒng)的線路坡度偏安全側(cè)取整及歸檔與動車組制動減速度打折之間存在重復(fù)冗余，有些廠家的列控系統(tǒng)甚至將大于20‰的下坡道均按-35‰處理，使得監(jiān)控制動距離也隨之產(chǎn)生更大冗余。因此，有必要科學(xué)、合理地規(guī)范列控系統(tǒng)的線路坡度偏安全側(cè)取整及歸檔標(biāo)準(zhǔn)，避免重復(fù)冗余。

(3)當(dāng)需要調(diào)整長大下坡地段的閉塞分區(qū)布局時，建議盡量均勻布局，同時進(jìn)行列車運(yùn)行速度和追蹤間隔時間的檢算，不應(yīng)簡單地通過移除部分信號機(jī)的方法增大1個或幾個閉塞分區(qū)的長度，因?yàn)檫@對列車追蹤間隔時間的影響較大。當(dāng)信號機(jī)布局難以更改時，列車只能限速運(yùn)行。

(4)由于不同型號動車組的制動性能不同，加之其安裝的列控車載設(shè)備也不同，導(dǎo)致監(jiān)控制動距離存在較大差異。因此，對于限速嚴(yán)重的車型和列控車載設(shè)備，可限制其在有長大下坡道地段的高速鐵路上運(yùn)用。

(5)對設(shè)計(jì)和新建的高速鐵路，應(yīng)進(jìn)行長大下坡道地段列車限速的檢算，以合理設(shè)置限速；在此基礎(chǔ)上，計(jì)算和確定長大下坡道上高速列車的運(yùn)行速度及追蹤間隔時間。

[1]中國鐵路總公司. 鐵總科技[2014]172號 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]國家鐵路局. TB10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

(National Railway Administration. TB10621—2014 Code for Design of High Speed Railway[S]. Beijing: China Railway Publishing House,2015.in Chinese)

[3]田長海，張守帥，張?jiān)浪?，? 高速鐵路列車追蹤間隔時間研究[J]. 鐵道學(xué)報，2015，37(10)：1-6.

(TIAN Changhai，ZHANG Shoushuai，ZHANG Yuesong，et al. Study on the Train Headway on Automatic Block Sections of High Speed Railway [J]. Journal of the China Railway Society,2015,37(10):1-6.in Chinese)

[4]張?jiān)浪?，田長海，姜昕良，等. 高速鐵路列車間隔時間的計(jì)算方法[J].中國鐵道科學(xué)，2013,34(5):120-125.

(ZHANG Yuesong,TIAN Changhai,JIANG Xinliang, et al. Calculation Method for Train Headway of High Speed Railway[J]. China Railway Science,2013,34(5):120-125. in Chinese)

[5]衛(wèi)和君. 高鐵車載ATP制動控車模式曲線計(jì)算方法的研究[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù), 2013(10):33-38.

[6]袁煥靖. 長大坡道和分相區(qū)設(shè)置對列控系統(tǒng)影響分析[J]. 鐵道通信信號, 2015, 51(1):10-11.

(YUAN Huanjing. Analyze on the Influence of Long Steep Grade and Phase-Separating Section on Train Control System [J]. Railway Signaling & Communication, 2015, 51(1):10-11. in Chinese)

[7]中國鐵路總公司. 鐵總運(yùn)[2014]29號 CTCS-2級列控車載設(shè)備暫行技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[8]中華人民共和國鐵道部. 科技運(yùn)[2010]138號列控中心技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[9]中華人民共和國鐵道部. 科技運(yùn)[2010]136號CTCS-2級列控系統(tǒng)應(yīng)答器應(yīng)用原則(V2.0)[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[10]中華人民共和國鐵道部.TB/T1407—1998列車牽引計(jì)算規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，1998.

(Ministry of Railways of the People’s Republic of China. TB/T1407—1998Regulations on Railway Train Traction Calculation[S].Beijing：China Railway Publishing House,1998. in Chinese)