朱中毅，彭其淵，魯工圓

（1 西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院 碩士研究生，四川 成都 611756；2 西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院 教授，四川 成都 611756；3 西南交通大學(xué)交通運輸與物流學(xué)院 副教授，四川 成都 611756）

1 背景意義

隨著高速鐵路發(fā)展的日新月異，傳統(tǒng)的固定閉塞信號系統(tǒng)在高速鐵路系統(tǒng)中早已無法有效滿足運行效率要求。 為提高高速鐵路行車效率，準(zhǔn)移動閉塞信號系統(tǒng)目前已得到普遍應(yīng)用[1-2]，不久的將來具有更高效率的移動閉塞信號系統(tǒng)也將在我國高速鐵路實施推廣[1][3][4]。 眾所周知準(zhǔn)移動閉塞在效率方面優(yōu)于固定閉塞， 而移動閉塞又比準(zhǔn)移動閉塞更勝一籌， 而不同閉塞方式在列車追蹤間隔時間方面性能的具體定量對比分析并無確切結(jié)論。 本文旨在通過計算機(jī)仿真的方法，建立智能體仿真模型，分析在不同區(qū)間運行速度條件下的不同閉塞方式到達(dá)追蹤間隔、 區(qū)間追蹤間隔和出發(fā)追蹤間隔時間具體表現(xiàn)，從而得出各類追蹤間隔時間的定量對比結(jié)論。

近年來，國內(nèi)在高速鐵路列車追蹤間隔時間方面的研究有了一定成果。 對于列車追蹤間隔時間計算方法方面的研究，文獻(xiàn)[5]提出了高速鐵路列車間隔時間的定義及其計算方法，為規(guī)范高速鐵路列車間隔時間的計算奠定了理論基礎(chǔ)。 文獻(xiàn)[6]在此基礎(chǔ)上提出了計算公式中各參數(shù)的取值，并檢算了我國高速鐵路可實現(xiàn)的高速列車追蹤間隔時間。 文獻(xiàn)[7]在間隔時間分類的基礎(chǔ)上，考慮了前后列車加減速性能差異，提出了更加精細(xì)化的列車追蹤間隔時間計算方法。 文獻(xiàn)[8]利用時間帶重疊法提出了移動閉塞條件下列車追蹤間隔計算方法，并對影響追蹤間隔的要素進(jìn)行了定量分析。 對于不同閉塞方式下列車追蹤間隔的研究，文獻(xiàn)[9]對城軌列車在固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞、移動閉塞方式下的追蹤運行進(jìn)行模擬， 分析了不同閉塞方式下列車追蹤運行的效果， 為列車追蹤運行仿真系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[10]在此基礎(chǔ)上將不同閉塞方式的追蹤列車間隔算法應(yīng)用到CBTC 仿真系統(tǒng)中，并對最小追蹤列車間隔時間進(jìn)行了驗算。 文獻(xiàn)[11]根據(jù)閉塞分區(qū)長度和司機(jī)反應(yīng)距離這兩個因素，分析列車在移動閉塞和準(zhǔn)移動閉塞方式下列車追蹤間隔的差異。 對于列車追蹤運行仿真方法和仿真系統(tǒng)方面的研究，文獻(xiàn)[12]在車站、線路等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合列車牽引計算方法，開發(fā)了可以實現(xiàn)列車運行曲線與間隔時間計算的仿真系統(tǒng)。文獻(xiàn)[13-16]分別利用改進(jìn)Event-B、著色Petri 網(wǎng)、元胞自動機(jī)等方法，建立了移動和準(zhǔn)移動閉塞條件下列車追蹤運行仿真模型，對高速鐵路列車追蹤運行過程進(jìn)行仿真分析。

總的來說，現(xiàn)有的研究成果大部分是在列車正常運行情況下進(jìn)行研究的， 且大部分是定性分析，缺乏對不同閉塞方式下列車追蹤間隔的定量分析。本文利用計算機(jī)仿真手段，根據(jù)不同信號閉塞方式及追蹤列車間隔時間的計算方法，設(shè)計出相應(yīng)的列車追蹤運行算法，建立高速鐵路列車追蹤運行仿真模型。 通過列車在不同閉塞方式下的追蹤運行仿真模擬，定量分析了不同閉塞方式下列車追蹤間隔時間，對比了不同閉塞方式的追蹤間隔性能，為高速鐵路閉塞方式的選擇提供參考。

2 閉塞方式及追蹤間隔計算方法

根據(jù)有無固定劃分的閉塞分區(qū)，可以把鐵路系統(tǒng)閉塞方式分為3 類：固定閉塞方式、準(zhǔn)移動閉塞方式和移動閉塞方式[3]。

2.1 固定閉塞方式

固定閉塞是根據(jù)列車運行和有關(guān)閉塞分區(qū)狀態(tài)自動變換信號顯示，而司機(jī)憑信號行車的閉塞方法。 固定閉塞按信號機(jī)顯示制度可以分為二顯示、三顯示和四顯示，差別在于其可以預(yù)告的閉塞分區(qū)數(shù)量。 二顯示固定閉塞的通過信號機(jī)具有2 種顯示，能預(yù)告前方一個閉塞分區(qū)的狀態(tài)，三顯示固定閉塞的通過信號機(jī)具有3 種顯示，能預(yù)告前方兩個閉塞分區(qū)的狀態(tài)。 四顯示固定閉塞在三顯示的基礎(chǔ)上增加了一種黃綠顯示，能預(yù)告前方三個閉塞分區(qū)的狀態(tài)。 固定閉塞方式下，追蹤列車間隔時間由閉塞分區(qū)長度和閉塞分區(qū)速度等級決定，其中閉塞分區(qū)長度則由列車制動距離和信號反應(yīng)時間等因素確定。 由于三顯示的閉塞方式已無法適應(yīng)鐵路全面提速的安全要求，四顯示固定閉塞已逐漸取代三顯示固定閉塞，因此本研究只討論四顯示的固定閉塞方式，圖1 為四顯示方式下列車追蹤運行間隔三個閉塞分區(qū)的示意圖。

圖1 固定閉塞追蹤列車間隔示意圖

其追蹤列車間隔可以表示為[10]

2.2 準(zhǔn)移動閉塞方式

準(zhǔn)移動閉塞是采用軌道電路來判斷閉塞分區(qū)占用狀態(tài)并傳輸信息，告知后行列車可以繼續(xù)前行的距離，而后行列車根據(jù)這一距離合理地采取制動措施的行車閉塞方法[11]。準(zhǔn)移動閉塞方式下，后行列車追蹤的目標(biāo)點為前行列車所占用閉塞分區(qū)的起點并附加一定的安全防護(hù)距離，如圖2 所示。

圖2 準(zhǔn)移動閉塞追蹤列車間隔示意圖

其追蹤列車間隔時間按下式確定[10]

準(zhǔn)移動閉塞在控制列車的安全間隔上比固定閉塞具有更高的效率，但準(zhǔn)移動閉塞中后行列車的目標(biāo)制動點仍然和閉塞分區(qū)位置相關(guān)，因此它依然受到閉塞分區(qū)的限制。

2.3 移動閉塞方式

移動閉塞是一種區(qū)間不分割，根據(jù)連續(xù)監(jiān)測先行列車位置和速度，進(jìn)行列車間隔控制，確保后行列車不會與先行列車發(fā)生沖突的行車閉塞方式[17]。移動閉塞系統(tǒng)不受閉塞分區(qū)的限制，消除了以信號機(jī)分隔的固定閉塞區(qū)間，通過列車的精確定位來提高安全性和列車運行密度。 通過車載和地面安全設(shè)備之間快速連續(xù)的雙向數(shù)據(jù)通信，信號系統(tǒng)可以根據(jù)列車的實時速度、位置、線路和前行列車情況，動態(tài)計算列車的最大制動距離。

移動閉塞方式下，列車追蹤間隔由后行列車的制動距離和前后列車之間的安全距離決定， 如圖3所示。

圖3 移動閉塞追蹤列車間隔示意圖

移動閉塞方式的列車追蹤間隔時間表示為[10]

移動閉塞方式下，由于保證了列車前后的安全距離，兩個相鄰的移動閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時前進(jìn)，這使列車能以較高的速度和較小的間隔運行，從而提高運營效率。

3 不同閉塞方式下列車追蹤間隔時間差異性分析

根據(jù)《高速鐵路列車間隔時間查定辦法》，高速鐵路列車追蹤間隔時間可以分為7 種[18]，本文主要討論3 種常見的列車追蹤間隔時間：區(qū)間追蹤間隔時間、到達(dá)追蹤間隔時間和出發(fā)追蹤間隔時間。 并且針對3 種類型的追蹤間隔時間，在不同閉塞方式條件下進(jìn)行對比分析。

3.1 區(qū)間追蹤間隔時間

區(qū)間追蹤間隔時間是指在滿足目標(biāo)制動距離條件下，后行列車正常運行而必須與前行列車間隔的最短距離范圍內(nèi)的走行時間。

由前文區(qū)間追蹤間隔的計算方式可知，在固定閉塞方式下，列車以閉塞分區(qū)為最小行車間隔進(jìn)行追蹤運行，根據(jù)前行列車所占閉塞分區(qū)的位置確定目標(biāo)停車點以及各閉塞分區(qū)的速度等級，因此后行列車的追蹤目標(biāo)點為前車所在位置后方若干個閉塞分區(qū)的入口處；在準(zhǔn)移動閉塞方式下，后行列車的追蹤目標(biāo)點為前行列車所在閉塞分區(qū)入口附加一定安全防護(hù)距離的位置；移動閉塞方式與準(zhǔn)移動閉塞方式的區(qū)間追蹤間隔時間相似，但移動閉塞的目標(biāo)追蹤點可以延伸到前行列車車尾附加一定安全防護(hù)距離的位置。 因此，可以得出固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞和移動閉塞條件下區(qū)間追蹤間隔是依次減小的。

3.2 到達(dá)追蹤間隔時間

到達(dá)追蹤間隔時間是指前行列車到達(dá)車站時起，至同方向后行列車到達(dá)該站時止的最小間隔時間[19]，包括辦理后行列車到達(dá)作業(yè)時間和后行列車由正常運行速度降至規(guī)定速度完全進(jìn)入站內(nèi)股道的時間。 如圖4 所示。

圖4 到達(dá)追蹤間隔時間

從上圖可以看出，在計算列車到達(dá)追蹤間隔時間時，前行列車進(jìn)站后，不管是哪種閉塞方式，后行列車的目標(biāo)追蹤點都是進(jìn)站信號機(jī)前附件一定安全防護(hù)距離的位置。 但是在列車進(jìn)站前的減速階段，后行列車會受到前行列車減速的影響，且受影響的大小與后行列車的目標(biāo)追蹤點有關(guān)， 因此，根據(jù)對區(qū)間追蹤間隔時間的分析可以得出， 固定閉塞、準(zhǔn)移動閉塞和移動閉塞條件下列車到達(dá)追蹤間隔是依次減小的。

3.3 出發(fā)追蹤間隔時間

出發(fā)追蹤間隔時間是指自前行列車由車站發(fā)出時起，至由該站同方向再發(fā)出另一列車時止的最小間隔時間[19]，它包括前行列車從車站出發(fā)至出清—離去時間和辦理后行列車出發(fā)作業(yè)時間。 如圖5所示。

圖5 出發(fā)追蹤間隔時間

根據(jù)出發(fā)追蹤間隔的方式，前行列車在出清—離去時，后行列車開始辦理出發(fā)作業(yè)。 這一過程中，前后列車的發(fā)車間隔受到車站咽喉區(qū)長度以及列車在站內(nèi)運行速度的影響，而與后行列車的目標(biāo)追蹤點并無關(guān)系，因此，不同閉塞方式下列車出發(fā)追蹤間隔時間是相同的。

4 仿真模型及仿真實驗

4.1 建立仿真模型

根據(jù)上文分析，可以定性地分析出不同閉塞方式下列車追蹤間隔時間的大小關(guān)系。 為進(jìn)一步研究不同閉塞方式對追蹤間隔的影響，需要進(jìn)一步建立高速鐵路列車追蹤運行仿真模型，以定量的方法對比不同閉塞方式下的列車追蹤間隔時間，從而研究不同閉塞方式的追蹤間隔性能。

列車區(qū)間追蹤運行仿真的邏輯過程可以表述如下。

第一步：輸入線路數(shù)據(jù)以及列車基本數(shù)據(jù)；

第二步：更新各閉塞分區(qū)信息以及列車位置信息；

第三步：根據(jù)對應(yīng)的閉塞方式計算后行列車的制動距離；

第四步：根據(jù)后行列車的制動距離以及前行列車的位置判斷列車當(dāng)前應(yīng)該做出的決策（減速或加速/勻速）；

第五步：推進(jìn)仿真時鐘，列車根據(jù)當(dāng)前的決策以及仿真步長運行；

第六步：判斷仿真過程是否結(jié)束，如果是，則跳轉(zhuǎn)到第七步，如果否，則跳轉(zhuǎn)到第二步；

第七步：仿真過程結(jié)束，輸出仿真結(jié)果。

結(jié)合以上仿真邏輯過程，提出如圖6 所示的干擾場景下高速鐵路列車不同閉塞方式追蹤運行仿真模型。 同時利用Anylogic 軟件對該模型進(jìn)行建模，如圖7 所示，以此實現(xiàn)列車追蹤運行仿真。

圖6 干擾場景下高速鐵路列車不同閉塞方式追蹤運行仿真模型

圖7 Anylogic 環(huán)境下高速鐵路列車不同閉塞方式追蹤運行仿真模型

4.2 實驗數(shù)據(jù)

本實驗選取的仿真線路為京滬高鐵滬寧段南京南站至鎮(zhèn)江南站的區(qū)間線路，線路曲線、坡度、閉塞分區(qū)等信息通過Excel 表格的形式寫入到仿真程序中；并選取CRH380BL 型動車組作為列車追蹤運行仿真主體， 其采用16 節(jié)編組方式， 列車長度為400 m，最高運行速度為380 km/h。

其他與列車追蹤間隔有關(guān)的實驗參數(shù)設(shè)定：司機(jī)制動反應(yīng)時間t附加設(shè)為 16 s， 出發(fā)作業(yè)時間 t出發(fā)作業(yè)

設(shè)為51 s， 到達(dá)作業(yè)時間 t到達(dá)作業(yè)設(shè)為 40 s， 車站限速為 80 km/h，前后車安全防護(hù)距離設(shè)為110 m。

4.3 實驗方案及流程

為了探究不同閉塞方式下的列車追蹤間隔時間，本文對涉及的三種列車追蹤間隔時間分別進(jìn)行實驗，針對每一種類型的追蹤間隔時間，利用仿真模型計算出列車在不同閉塞方式下的追蹤間隔時間，從而進(jìn)行定量分析。 同時，為了更全面地對比三種閉塞方式的差別，本文將列車區(qū)間運行速度作為變量，從100 km/h 開始，以10 km/h 為實驗步長，逐步提升列車區(qū)間運行速度至350 km/h，并計算不同閉塞方式在不同區(qū)間運行速度下的追蹤間隔時間，從而對比不同閉塞方式的列車追蹤運行效果。 由于固定閉塞無法應(yīng)用在運營速度大于160 km/h 的線路，因此在實驗過程中，當(dāng)列車區(qū)間運行速度大于160 km/h 時，將不考慮固定閉塞方式的列車追蹤間隔時間。 實驗流程如圖8 所示，對不同閉塞方式下的不同類型的追蹤間隔時間進(jìn)行仿真實驗，記錄結(jié)果并進(jìn)行對比分析。

圖8 實驗流程示意圖

4.4 實驗結(jié)果及分析

4.4.1 區(qū)間追蹤間隔時間

根據(jù)實驗方案，先對列車區(qū)間追蹤間隔時間進(jìn)行仿真實驗，得到不同區(qū)間運行速度下的區(qū)間追蹤間隔時間（I區(qū)），如表 1 所示。

為更直觀地體現(xiàn)不同閉塞方式下區(qū)間追蹤間隔的差別，將實驗結(jié)果整理成折線圖的形式，如圖9所示。

圖9 不同閉塞方式區(qū)間追蹤間隔時間

對折線圖進(jìn)行橫向?qū)Ρ瓤梢钥闯?，隨著區(qū)間運行速度的增大，固定閉塞方式的區(qū)間追蹤間隔時間在減小，準(zhǔn)移動閉塞方式的區(qū)間追蹤間隔時間先減小后增大，移動閉塞方式的區(qū)間追蹤間隔時間在增大。 對于固定閉塞方式，列車受到閉塞分區(qū)的限制，區(qū)間追蹤間隔受區(qū)間運行速度（V區(qū)）和閉塞分區(qū)長度（L閉）的影響，當(dāng) L閉不變時，隨著 V區(qū)增大，因此區(qū)間追蹤間隔則會減小； 對于準(zhǔn)移動閉塞方式，當(dāng)V區(qū)較小時，區(qū)間追蹤間隔受閉塞分區(qū)的影響較大，因此I區(qū)會有減小的趨勢，當(dāng)V區(qū)較大時，列車的制動距離（L制）隨列車運行速度增大，成了主要的影響因素，因此I區(qū)會呈增大趨勢；而移動閉塞不受閉塞分區(qū)的限制，隨著列車運行速度增大，L制也會增大，因此I區(qū)呈現(xiàn)增大的情況。

表1 列車區(qū)間追蹤間隔時間實驗結(jié)果

再把不同閉塞方式的區(qū)間追蹤間隔進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋梢钥闯?，?dāng)區(qū)間運行速度相同時，固定閉塞方式下的列車區(qū)間追蹤間隔時間最大，準(zhǔn)移動閉塞次之，移動閉塞最小，與前文的分析結(jié)果一致。 但是隨著區(qū)間運行速度的增大，移動閉塞方式與準(zhǔn)移動閉塞方式間列車區(qū)間追蹤間隔時間的差距縮小。 對于準(zhǔn)移動閉塞方式，列車運行依然受到閉塞分區(qū)的限制，當(dāng)區(qū)間運行速度增大時，前行列車可以更快地駛出閉塞分區(qū)，后行列車的目標(biāo)制動點則可以更快地向前推移，而對于移動閉塞方式，后行列車的目標(biāo)制動點推移只和前行列車的尾部位置有關(guān)，不受閉塞分區(qū)的影響。 可以想象，如果區(qū)間運行速度無限大，則前車駛離閉塞分區(qū)所用的時間幾乎可以忽略不計，此時準(zhǔn)移動閉塞方式和移動閉塞方式可以看成是相同的。 因此，區(qū)間運行速度越大時，兩種閉塞方式的區(qū)間追蹤間隔時間差距越小。

4.4.2 到達(dá)追蹤間隔時間

假設(shè)每次實驗前后列車到達(dá)同一條車站到發(fā)線，對列車到達(dá)追蹤間隔時間進(jìn)行仿真實驗，得到不同區(qū)間運行速度下的到達(dá)追蹤間隔時間（I到），如表2 所示。

為更直觀地體現(xiàn)不同閉塞方式下區(qū)間追蹤間隔的差別，將實驗結(jié)果整理成折線圖的形式，如圖10 所示。

表2 列車到達(dá)追蹤間隔時間實驗結(jié)果

圖10 不同閉塞方式到達(dá)追蹤間隔時間

從圖10 可以看出， 到達(dá)追蹤間隔時間的仿真結(jié)果與區(qū)間追蹤間隔時間的仿真結(jié)果有類似的變化規(guī)律，可以把列車到達(dá)追蹤過程分為列車進(jìn)站前和列車進(jìn)站后兩部分來分析：在列車進(jìn)站前，后行列車會受到前行列車減速的影響，且受影響的大小與后行列車的目標(biāo)追蹤點有關(guān)，這個過程中固定閉塞方式和準(zhǔn)移動閉塞方式依然受到閉塞分區(qū)的限制，而移動閉塞不受閉塞分區(qū)的限制，因此這個過程與列車區(qū)間追蹤過程類似； 在列車進(jìn)站之后，列車的走行時間與車站咽喉區(qū)長度、車站限速以及目標(biāo)到發(fā)線有關(guān)， 而這些因素在實驗中都是不變的。因此，綜合兩個過程來看，三種閉塞方式的到達(dá)追蹤間隔時間的變化規(guī)律與區(qū)間追蹤間隔時間類似。

4.4.3 出發(fā)追蹤間隔時間

根據(jù)前文分析，列車出發(fā)追蹤的過程并不涉及閉塞方式以及區(qū)間運行速度，因此出發(fā)追蹤間隔時間是不變化的，假設(shè)每次實驗前后列車從同一條到發(fā)線發(fā)車，得到列車出發(fā)追蹤間隔時間的實驗結(jié)果如表3 所示，三種閉塞方式的出發(fā)追蹤間隔時間都為169 s。

表3 出發(fā)追蹤間隔時間實驗結(jié)果

總的來說，采用移動閉塞方式能有效縮短列車區(qū)間追蹤間隔和列車到達(dá)追蹤間隔，但是隨著區(qū)間運行速度的提高，采用移動閉塞來縮短追蹤間隔的效果逐漸變差。 例如，對于區(qū)間追蹤間隔時間，移動閉塞方式和準(zhǔn)移動閉塞方式相比，在區(qū)間運行速度等于 150 km/h、250 km/h 和 350 km/h 時分別減少了43.1%、22.9%和14.1%。 對于到達(dá)追蹤間隔時間，移動閉塞方式和準(zhǔn)移動閉塞方式相比，在區(qū)間運行速度等于 150 km/h、250 km/h 和 350 km/h 時分別減少了16.0%、8.4%和4.5%。可以看出，在運行速度為350 km/h 時，移動閉塞方式相比于準(zhǔn)移動閉塞方式的優(yōu)勢已經(jīng)很小了。 而在高速鐵路中，高速列車運行速度一般較高，因此，應(yīng)根據(jù)建設(shè)成本以及線路實際的運營速度需求合理地選擇行車閉塞方式。

5 結(jié)論

本文利用計算機(jī)仿真技術(shù)，根據(jù)不同閉塞方式列車追蹤間隔時間計算方法，建立高速鐵路列車不同閉塞方式追蹤運行仿真模型，通過仿真實驗定量分析不同閉塞方式列車追蹤間隔時間的差別。 實驗結(jié)果表明：

1） 對于區(qū)間追蹤間隔時間，在相同的列車運行條件下，固定閉塞方式的追蹤間隔時間最大，準(zhǔn)移動閉塞方式次之，移動閉塞方式最小，但是隨著區(qū)間運行速度的提高，閉塞方式間的追蹤間隔差距越來越小。

2） 對于到達(dá)追蹤間隔時間，與區(qū)間追蹤間隔時間類似，在相同的列車運行條件下，固定閉塞方式的追蹤間隔時間最大，準(zhǔn)移動閉塞方式次之，移動閉塞方式最小， 但是隨著區(qū)間運行速度的提高，閉塞方式間的追蹤間隔差距越來越小。

3） 對于出發(fā)追蹤間隔時間，由于列車出站的過程并不涉及區(qū)間，因此出發(fā)追蹤間隔時間不受閉塞方式的影響。 出發(fā)追蹤間隔與發(fā)車的股道、辦理作業(yè)方式有關(guān)，而這些是固定的，所以不影響。

實際情況中，由于線路數(shù)據(jù)、列車性能以及運營情況不同， 很難準(zhǔn)確地計算列車追蹤間隔時間，利用仿真的方法則可以較為快速準(zhǔn)確地得到所需要的結(jié)果。 因此可以根據(jù)線路實際需要，利用該仿真模型對不同閉塞方式的追蹤間隔時間進(jìn)行定量分析，對比不同閉塞方式的優(yōu)劣勢，從而為線路閉塞方式的選擇提供參考。