張守帥，張雨潔，閆海峰，田長海，駱泳吉

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611576；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

近年來我國中西部地區(qū)高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)發(fā)展迅速,西成高鐵、成貴高鐵等骨干線路相繼通車,同時中西部地區(qū)高鐵的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也越來越高,成渝高鐵提速后運(yùn)行速度達(dá)350 km/h,未來還將有大量設(shè)計(jì)速度為350 km/h的高鐵開通,如渝昆高鐵、成自高鐵、成達(dá)萬高鐵、西渝高鐵等。中西部地區(qū)高鐵線路條件更為復(fù)雜,其最主要的特點(diǎn)是具有較多長大下坡道。動車組列車在長大下坡道運(yùn)行時,由于重力沿列車運(yùn)行方向的分力作用以及列控系統(tǒng)的冗余處理,導(dǎo)致其車載監(jiān)控制動距離大大延長,進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段影響到閉塞分區(qū)長度,且在運(yùn)營階段給列車運(yùn)行速度、追蹤間隔時間帶來不利影響。

針對閉塞分區(qū)的設(shè)置問題,近年來國外專家已取得諸多成果。Hua[1]將高速鐵路閉塞分區(qū)劃分問題抽象為多目標(biāo)優(yōu)化模型,并采用混沌粒子群算法進(jìn)行求解。Egidio[2]結(jié)合追蹤間隔時間和運(yùn)營成本,通過設(shè)計(jì)列車運(yùn)行仿真系統(tǒng),對閉塞分區(qū)布局進(jìn)行優(yōu)化。Burdett[3]從數(shù)學(xué)模型角度分別以通過能力最大、建設(shè)成本最小為目標(biāo)優(yōu)化鐵路閉塞分區(qū)布置并求解。Gao等[4]設(shè)計(jì)了基于牽引計(jì)算的高鐵閉塞分區(qū)劃分軟件,在保證行車安全的同時提高通過能力。然而,由于國內(nèi)外運(yùn)營設(shè)備和線路設(shè)計(jì)情況不同,國外學(xué)者大多未綜合考慮列控模式與線路縱斷面因素,如坡度、曲線等對閉塞分區(qū)劃分的影響。

國內(nèi)方面,高國隆等[5]利用遺傳算法對長大下坡道條件下高速鐵路區(qū)間閉塞分區(qū)分界點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化,在不改變信號機(jī)個數(shù)的情況下提高線路通過能力。王杰[6]重點(diǎn)研究長大下坡地段不同車載設(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)長度和列控車載設(shè)備參數(shù)等措施,有效提升運(yùn)輸效率。另外,文獻(xiàn)[7-9]針對CTCS-2級列控系統(tǒng)、200～250 km/h速度級高鐵在長大下坡地段列車運(yùn)行相關(guān)問題也進(jìn)行了研究。但目前尚未有人提出在長大下坡地段設(shè)置閉塞分區(qū)時,綜合考慮CTCS-3級和后備CTCS-2級2種列控系統(tǒng)分別對列車運(yùn)行安全及行車密度、速度的約束影響。

隨著列車在長大下坡道制動距離的增加,后備CTCS-2級列控系統(tǒng)要求閉塞分區(qū)長度較長,如在原設(shè)計(jì)鄭萬高鐵興山站—巴東北站間連續(xù)14.4 km坡度-30‰的長大下坡道中,部分閉塞分區(qū)長度甚至達(dá)到了5.75 km。但當(dāng)列車在類似地段以CTCS-3級模式運(yùn)行時,出現(xiàn)了行車許可突然回縮并引發(fā)列車緊急制動的問題。綜上,在長大下坡地段,如何合理設(shè)置閉塞分區(qū),以兼顧C(jī)TCS-3級和CTCS-2級模式下的列車運(yùn)行速度,成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

1 閉塞分區(qū)對列車運(yùn)行速度的影響分析

高速列車采用目標(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)行示意見圖1。圖1中,L附加為附加時間范圍內(nèi)列車運(yùn)行距離;L制為車載監(jiān)控制動距離;L防為安全防護(hù)距離;L閉為閉塞分區(qū)長度;L列為列車長度。在完全監(jiān)控模式下,后行列車以行車許可終點(diǎn)為追蹤目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算出監(jiān)控速度曲線,列車實(shí)際運(yùn)行速度不得超過監(jiān)控速度曲線[8]。

圖1 高速列車追蹤運(yùn)行示意(單位:m)

CTCS-3級控車模式的行車許可生成方式與后備CTCS-2級不同,導(dǎo)致列車在不同模式下的允許運(yùn)行速度也不同,下面分別對2種控車模式的運(yùn)行場景進(jìn)行分析。

1.1 CTCS-3級模式下列車運(yùn)行速度

在CTCS-3級列控系統(tǒng)中,行車許可由RBC根據(jù)前方32 km內(nèi)線路空閑情況計(jì)算確定,并通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅锌剀囕d設(shè)備中,車載設(shè)備依照接收到的行車許可實(shí)時生成目標(biāo)-距離速度控制曲線實(shí)現(xiàn)安全控制。為避免黑客和病毒惡意破壞干擾GSM-R網(wǎng)絡(luò),向車載設(shè)備發(fā)送錯誤的行車許可,影響列車運(yùn)行安全[10],原中國鐵路總公司研究并下發(fā)了TJ/DW 200—2018《CTCS-3級ATP行車許可結(jié)合軌道電路信息暫行技術(shù)條件》[11],提出將CTCS-3級ATP行車許可與軌道電路信息結(jié)合在一起,在進(jìn)一步完善提高CTCS-3級系統(tǒng)安全性的同時,也有效實(shí)現(xiàn)CTCS-3級系統(tǒng)與CTCS-2級系統(tǒng)的資源整合。

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式中:n為列車當(dāng)前所在閉塞分區(qū)編號;Gn為第n個閉塞分區(qū)坡度;Ln為第n個閉塞分區(qū)長度。

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圖2 CTCS-3級行車許可回縮場景示意

1.2 CTCS-2級模式下列車運(yùn)行速度

列車以后備的CTCS-2級模式運(yùn)行時,根據(jù)軌道電路的發(fā)碼信息判斷前方空閑情況,且最多接收到L5碼,即列車最多只能獲取前方7個閉塞分區(qū)的空閑情況[3]。若前方7個閉塞分區(qū)的長度之和小于車載監(jiān)控制動距離,即便前方有更長的空閑區(qū)間,列車也無法實(shí)現(xiàn)后備CTCS-2級的最高速度。因此閉塞分區(qū)長度應(yīng)滿足

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2 各要素之間的關(guān)系分析

2.1 長大下坡道列車運(yùn)行各要素的關(guān)系

在長大下坡道列車運(yùn)行各要素中,線路坡度、動車組性能、列控系統(tǒng)是基礎(chǔ),閉塞分區(qū)長度取值是關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)列車按線路允許速度運(yùn)行并保證追蹤間隔時間在合理范圍內(nèi)是目的,其中保證動車組列車在CTCS-3級列控系統(tǒng)下可按正常速度運(yùn)行是最基本目標(biāo)。

長大下坡地段,坡度會大大增加動車組的車載監(jiān)控制動距離[12]。不同型號動車組的制動性能不同,不同列控系統(tǒng)的控車曲線計(jì)算方法以及對坡度的處理方法也不同,這都會影響到車載監(jiān)控制動距離。閉塞分區(qū)長度影響列車運(yùn)行速度,當(dāng)閉塞分區(qū)較短,與車載監(jiān)控制動距離的關(guān)系不滿足式( 5 )時,會導(dǎo)致列車在CTCS-2級模式下的運(yùn)行速度受限;但閉塞分區(qū)較長,又有可能導(dǎo)致列車在CTCS-3級模式下發(fā)生行車許可回縮并觸發(fā)緊急制動的問題。車載監(jiān)控制動距離、閉塞分區(qū)長度、列車運(yùn)行速度都會影響列車的追蹤間隔時間。

2.2 閉塞分區(qū)設(shè)置優(yōu)化原則

從列車運(yùn)行速度的角度,CTCS-3、CTCS-2級列控系統(tǒng)對閉塞分區(qū)長度的要求是相反的:在一定范圍內(nèi),閉塞分區(qū)越長,對CTCS-2級列控模式下的運(yùn)行速度越有利;閉塞分區(qū)越短,對CTCS-3級列控模式下的運(yùn)行速度越有利。為權(quán)衡列車速度與行車密度,同時兼顧不同車型、不同列控模式下的運(yùn)行需要,本文提出以下閉塞分區(qū)設(shè)置原則,各原則的優(yōu)先級逐次降低。

原則1確保所有車型在CTCS-3級列控模式下的正常運(yùn)行?？紤]到速度為350 km/h高速鐵路上的列車日常以CTCS-3級列控模式運(yùn)行,只有少量情況下才降級為后備的CTCS-2級模式,因此應(yīng)當(dāng)盡量保證CTCS-3級列控模式下行車許可不回縮,運(yùn)行速度不突降。由于我國高速鐵路存在大量跨線列車,因此線路上閉塞分區(qū)的設(shè)置必須能夠滿足所有車型在CTCS-3級列控模式下的運(yùn)行需要。

原則2盡量保證CTCS-2級列控系統(tǒng)下的正常運(yùn)行速度。當(dāng)線路或列車的列控設(shè)備發(fā)生故障時,列車會降級運(yùn)行,閉塞分區(qū)設(shè)置應(yīng)能盡量保證常用車型在CTCS-2級列控系統(tǒng)下按速度300 km/h運(yùn)行而不受影響[13]。但當(dāng)因CTCS-3級列控系統(tǒng)對閉塞分區(qū)長度的要求導(dǎo)致無法兼顧C(jī)TCS-2級列控系統(tǒng)時,可在線路上設(shè)置限速以保證在CTCS-2級列控模式下不會因行車許可超出前方7個閉塞分區(qū)長度而導(dǎo)致速度突降,當(dāng)然此時應(yīng)盡量保證較高的限速值。

原則3兼顧動車組反向運(yùn)行需要。若閉塞分區(qū)設(shè)置過短,則當(dāng)列車在該線路反向運(yùn)行(上坡)時,也會存在制動距離不夠的情況。

原則4盡量壓縮追蹤間隔時間。我國高速鐵路的追蹤間隔時間普遍為5 min,部分線路可實(shí)現(xiàn)3～4 min[14-15]。閉塞分區(qū)長度不僅會直接影響追蹤間隔時間,還會通過影響列車運(yùn)行速度進(jìn)而間接影響追蹤間隔時間,因此追蹤間隔時間與閉塞分區(qū)的關(guān)系較為復(fù)雜,考慮到列車在下坡道的制動距離較長,因此其追蹤間隔時間主要取決于車載監(jiān)控制動距離,閉塞分區(qū)長度屬次要因素。

以上原則中,原則1要求閉塞分區(qū)長度越短越好,原則2和原則3要求閉塞分區(qū)長度越長越好,由于列車在下坡時的制動距離遠(yuǎn)長于反向運(yùn)行上坡,因此若滿足原則2則基本就滿足了原則3,若原則1～原則3均滿足,則以原則4為原則進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)合上文分析得出的閉塞分區(qū)設(shè)置優(yōu)化原則,建立長大下坡地段閉塞分區(qū)優(yōu)化模型:選取信號機(jī)的坐標(biāo)位置為決策變量,兩信號機(jī)間的距離即閉塞分區(qū)長度為中間變量;滿足所有車型均能于CTCS-3級列控模式下正常運(yùn)行(運(yùn)行速度不突降)為硬性約束,列車在CTCS-2級列控系統(tǒng)下的限制速度值最大為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化目標(biāo)為限制速度值越高越好。

3 典型坡度下閉塞分區(qū)取值與各要素的關(guān)系分析

按照上述優(yōu)化原則,對典型坡度下閉塞分區(qū)取值及各要素的關(guān)系進(jìn)行分析,一方面可對現(xiàn)場設(shè)計(jì)工作提供取值建議,另一方面可掌握閉塞分區(qū)取值與各要素的變化規(guī)律,為后續(xù)相關(guān)算法的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

不同型號的動車組制動能力不同,進(jìn)而對閉塞分區(qū)的長度要求也不同?，F(xiàn)場一般按照車載監(jiān)控制動距離最長的動車組型號來設(shè)置閉塞分區(qū)。本文以常見的CRH380BL型及制動力相對較差的CRH380BK型2款動車組為例(均裝備CTCS3-300T列控系統(tǒng)),分析坡度、閉塞分區(qū)長度、車型等與列車運(yùn)行速度、追蹤間隔時間的關(guān)系,其中車載監(jiān)控制動距離相關(guān)數(shù)據(jù)均來自列控廠家[8]。

3.1 滿足正常運(yùn)行速度

1)滿足CTCS-3級正常運(yùn)行速度

表1 CTCS-3模式下CRH380BL閉塞分區(qū)長度需求(制動初速度350 km/h) m

表2 CTCS-3模式下CRH380BK閉塞分區(qū)長度需求(制動初速度350 km/h) m

由表1可知,CRH380BL以速度為350 km/h在-20‰～-30‰的長大下坡道運(yùn)行時,接收到L3碼時估算的軌道電路信息許可始終大于車載監(jiān)控制動距離,此時從CTCS-3的角度對閉塞分區(qū)長度無要求;接收到L2～LU時估算的軌道電路信息許可小于車載監(jiān)控制動距離,閉塞分區(qū)長度有上限要求。由表2可知,CRH380BK在-20‰～-30‰的長大下坡道運(yùn)行時,接收到L3～LU時估算的軌道電路信息許可均小于車載監(jiān)控制動距離,閉塞分區(qū)長度均有上限要求。

2)滿足后備CTCS-2級正常運(yùn)行速度

2款動車組在采用后備的CTCS-2級列控系統(tǒng)時,閉塞分區(qū)的設(shè)置應(yīng)能滿足其以速度300 km/h運(yùn)行的需要。由式( 5 )可知CTCS-2級列控系統(tǒng)對閉塞分區(qū)長度有下限要求,見表3。

表3 CTCS-2模式下閉塞分區(qū)長度要求(速度300 km/h)

由表3可知,不同型號的動車組在不同坡度下,其對閉塞分區(qū)長度的要求不同。制動能力越差、下坡的坡度越大,要求閉塞分區(qū)越長。若要滿足CRH380BK以速度300 km/h在-30‰的長大坡道上運(yùn)行的需求,閉塞分區(qū)的平均長度要達(dá)到5 600 m。

由于閉塞分區(qū)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡量兼顧不同型號列車,同時兼顧C(jī)TCS-3級和后備CTCS-2級模式下的運(yùn)行要求,因此將CRH380BL、CRH380BK在CTCS-2、CTCS-3級模式下分別對閉塞分區(qū)長度的下、上限要求統(tǒng)一考慮。CRH380BL和CRH380BK在不同列控模式下的閉塞分區(qū)長度限制見圖3。

圖3 CRH380BL和CRH380BK在不同列控模式下的閉塞分區(qū)長度限制

由圖3可見,隨著坡度的增加,CTCS-3級列控系統(tǒng)閉塞分區(qū)上限值和CTCS-2級列控系統(tǒng)閉塞分區(qū)下限值均越來越高,上、下限之間的范圍可同時滿足原則1～原則3;但隨著坡度的增大,上、下限構(gòu)成的可行域越來越小,甚至由于制動能力相對較差的CRH380BK對閉塞分區(qū)上、下限的要求均更為嚴(yán)苛,在超過-25‰的坡度時已經(jīng)無法兼顧C(jī)TCS-2、CTCS-3級模式下正常運(yùn)行的需要。因此,在后續(xù)算法中,只需檢算制動力最差車型即可;CTCS-2、CTCS-3級列控系統(tǒng)需要的上、下限存在可行解時,應(yīng)取CTCS-2級列控系統(tǒng)的下限值,以盡量實(shí)現(xiàn)更小的追蹤間隔時間;當(dāng)不存在可行解時,應(yīng)取CTCS-3級列控系統(tǒng)的上限值,這樣即滿足CTCS-3模式下正常運(yùn)行的需求,又將閉塞分區(qū)設(shè)置的盡可能長,以使得CTCS-2級模式下限速值較高。

3.2 不同閉塞分區(qū)長度下的追蹤間隔時間

根據(jù)上文計(jì)算出的可確保列車不同模式下運(yùn)行速度的閉塞分區(qū)合理取值區(qū)間,分別計(jì)算其追蹤間隔時間[9],以分析坡度對追蹤間隔時間的影響。最不利車型CRH380BK不同閉塞分區(qū)的追蹤間隔時間I追計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 CRH380BK車型不同閉塞分區(qū)的追蹤間隔時間

由表4可見,CRH380BK在CTCS-3級模式下,坡度在-20‰以內(nèi)時,追蹤間隔基本可實(shí)現(xiàn)5 min;在CTCS-2級模式下,坡度在-25‰以內(nèi)時,追蹤間隔可實(shí)現(xiàn)5.5 min。

由于CRH380BK在-30‰的坡道運(yùn)行時已不存在可行解,因此閉塞分區(qū)設(shè)置時應(yīng)當(dāng)以滿足CTCS-3級列車正常運(yùn)行為前提,盡量兼顧C(jī)TCS-2級列車運(yùn)行需求,即閉塞分區(qū)長度選擇4 000 m。此時CRH380BK可在CTCS-3級模式下正常運(yùn)行,追蹤間隔為637 s,已超過10 min;在CTCS-2級模式下,列車需限速270 km/h運(yùn)行,追蹤間隔為409 s,接近7 min。

可見,坡度對列車追蹤間隔時間影響極大,尤其是超過-20‰后追蹤間隔時間急劇上升,部分場景下甚至超過10 min,必然成為全線能力瓶頸。相比之下閉塞分區(qū)長度對追蹤間隔時間的影響較小。

4 長大下坡道閉塞分區(qū)優(yōu)化設(shè)置算法

在實(shí)際線路中,坡度隨里程而變化,且各閉塞分區(qū)長度之和還需滿足區(qū)間長度等限制,導(dǎo)致閉塞分區(qū)的潛在方案極多,需借助啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。此外,根據(jù)前文提出的閉塞分區(qū)設(shè)置原則以及典型坡度下檢算掌握的規(guī)律,可對閉塞分區(qū)設(shè)置的算法進(jìn)行優(yōu)化,提高檢算效率。

4.1 模擬退火算法設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的閉塞分區(qū)設(shè)置方法是對各閉塞分區(qū)逐個檢算其能否滿足列車正常運(yùn)行時制動距離的需求。但軌道電路信息許可結(jié)合RBC行車許可后,對每個閉塞分區(qū)還需檢算其能否滿足CTCS-3級模式下接收到不同軌道電路發(fā)碼時列車正常運(yùn)行的需求,每次檢算都涉及不同軌道電路碼序的場景,檢算結(jié)果還需測算CTCS-2級模式下的限速值,可見問題規(guī)模已遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)閉塞分區(qū)設(shè)置優(yōu)化問題的規(guī)模。因此,有必要設(shè)計(jì)一種可提高檢算優(yōu)化效率、嵌套檢算環(huán)節(jié)計(jì)算的優(yōu)化算法。

模擬退火算法是一種可隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)全局最優(yōu)解的串行結(jié)構(gòu)啟發(fā)式算法,且在搜索中結(jié)合概率突跳特性,可避免陷入局部最優(yōu)解。嵌套列車在該閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案下的檢算模塊,應(yīng)涉及列車在接收L3～LU碼時,對CTCS-3級列控模式下行車許可不回縮、運(yùn)行速度不突降約束的檢算,以及對CTCS-2級模式下限速值的測算。為進(jìn)一步壓縮求解空間,提高求解效率,提出以下優(yōu)化策略:

1)考慮到實(shí)際閉塞分區(qū)長度及軌道電路長度的限制,合理設(shè)置閉塞分區(qū)上下限。

2)根據(jù)前文分析,最不利車型對CTCS-2、CTCS-3級模式下的上下限要求更為嚴(yán)苛,因此只需考慮最不利車型即可。

3)無論是否存在可行解,合理的閉塞分區(qū)長度取值均為CTCS-2、CTCS-3級模式對應(yīng)上下限的最小值,因此本算法從閉塞分區(qū)長度最短、個數(shù)最多的場景開始優(yōu)化,這樣優(yōu)化出的結(jié)果為最優(yōu)解的概率較大。

5)CTCS-3級模式下RBC行車許可長度大于軌道電路信息許可長度,且持續(xù)5 s后,才會將RBC行車許可向軌道電路信息許可回縮。其本質(zhì)是5 s的冗余時間,以等待前一列車出清前方閉塞分區(qū),使后方列車的RBC行車許可和軌道電路信息許可再次更新,降低行車許可回縮的頻率。但若5 s內(nèi)2個許可都發(fā)生了更新,則相當(dāng)于新碼序的場景。由于本文的檢算方法已經(jīng)對任一閉塞分區(qū)全部可能出現(xiàn)的軌道信息碼均進(jìn)行檢算,且各碼序下均不允許出現(xiàn)行車許可回縮或突然降速的情況,因此該5 s冗余可不予考慮。

4.2 算法流程

在長大下坡地段閉塞分區(qū)優(yōu)化問題中,選取信號機(jī)的坐標(biāo)位置為決策變量,兩信號機(jī)間的距離為閉塞分區(qū)長度。

1)輸入、輸出參數(shù)

輸入?yún)?shù):線路條件,閉塞分區(qū)的最大、最小長度范圍,列車長度,在不同速度坡度下的車載監(jiān)控制動距離表,不同控車模式下最大運(yùn)行速度,區(qū)間安全防護(hù)距離,區(qū)間運(yùn)行附加時間,以及模擬退火算法中涉及到的相關(guān)參數(shù)等。

輸出參數(shù):經(jīng)全局優(yōu)化后的閉塞分區(qū)劃分方案及該方案在CTCS-2級控車模式下的限速值。

2)算法步驟

Step1輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。

Step4設(shè)置模擬退火算法的控制參數(shù),包括初始溫度T0、終止溫度TZ、降溫系數(shù)α、內(nèi)循環(huán)迭代次數(shù)L,并令當(dāng)前溫度為T=T0、當(dāng)前內(nèi)循環(huán)次數(shù)l=0。

Step5對本次生成的閉塞分區(qū)解方案進(jìn)行檢算。列車位置S自區(qū)間起點(diǎn)開始,至最后一架信號機(jī)結(jié)束,以變坡點(diǎn)和信號機(jī)為檢算點(diǎn),逐個檢算。

Step5.4檢驗(yàn)當(dāng)前閉塞分區(qū)設(shè)置方案是否滿足CTCS-2級控車模式下的正常運(yùn)行要求,若滿足則轉(zhuǎn)Step5.5;若不滿足,則重新根據(jù)CTCS-2級列控模式下的相關(guān)制動數(shù)據(jù)推算該位置限速值。

Step5.5更新列車位置至下一臨近信號機(jī)位置,并轉(zhuǎn)入Step5.1;若下一位置為檢算結(jié)束點(diǎn),則轉(zhuǎn)Step 5.6。

Step5.6將計(jì)算得到的全部CTCS-2級控車模式下限速值的最小值記為當(dāng)前閉塞分區(qū)設(shè)置方案下限速值,然后轉(zhuǎn)入Step6。

Step6利用Metropolis準(zhǔn)則判斷是否接收新解。比較仿真中計(jì)算出的CTCS-2級列控限速值,并選取其中最低值作為該閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案下的限速值obj(Ic)。計(jì)算Δobj=obj(Ih)-obj(Ic)得到目標(biāo)增量,其中Ih為歷史最優(yōu)的閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案,Ic為當(dāng)前閉塞分區(qū)的設(shè)置方案。若目標(biāo)增量Δobj小于0,則接收當(dāng)前解obj(Ih)=obj(Ic),否則在(0,1)中產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)ε,并判斷是否滿足exp(Δobj/T)>ε條件,若滿足則接受當(dāng)前閉塞分區(qū)劃分方案。

Step7內(nèi)循環(huán)檢查更新。若l

Step8隨機(jī)擾動產(chǎn)生新解。即從m個閉塞分區(qū)中隨機(jī)選出p(1≤p≤m)個進(jìn)行隨機(jī)擾動?？紤]到線路長度固定,故在變化過程中要保證總增大值與總減小值之和為0,且變化幅度隨溫度降低而變小。對新解進(jìn)行邊界處理和可行性判別調(diào)整后,轉(zhuǎn)入Step5。

Step9外循環(huán)(溫度)檢查更新。若T>TZ,則設(shè)置T=α×TZ后轉(zhuǎn)入Step8;否則轉(zhuǎn)Step10。

5 長大下坡道閉塞分區(qū)設(shè)置實(shí)例計(jì)算

5.1 鄭萬高鐵長大下坡地段基本情況

鄭萬高鐵湖北段線路總長287 km,設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h,是我國“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)重要組成部分。巴東北站至興山站間上行方向存在14.3 km、坡度為-30‰的長大下坡道,其線路條件及初始信號機(jī)布置見圖4。圖4中,考慮到CRH380BK以CTCS-2級模式運(yùn)行的需要,連續(xù)幾個閉塞分區(qū)的長度區(qū)間均設(shè)計(jì)為3.9～5.75 km。

圖4 鄭萬高鐵長大下坡地段示意(巴東北站至興山站間)

列控廠家對線路進(jìn)行詳細(xì)仿真時發(fā)現(xiàn),若興山北站上行方向有列車剛出清一離去,后續(xù)列車在進(jìn)入該坡道前的K599+744信號機(jī)所防護(hù)的閉塞分區(qū)時將接收到L3碼,如圖4所示,此時列車前方平均坡度為-19.02‰,對應(yīng)軌道電路信息許可長度為19 200 m,但實(shí)際RBC行車許可長度為25 025 m,導(dǎo)致后車行車許可突然回縮,列車進(jìn)入緊急制動。因此該閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案需重新調(diào)整。

針對上述問題,設(shè)計(jì)院重新調(diào)整了該區(qū)間的閉塞分區(qū),優(yōu)化后的閉塞分區(qū)設(shè)置方案見圖5。該方案可以保證列車在CTCS-3級模式下以速度350 km/h正常運(yùn)行,避免了允許速度突降的情況。

圖5 設(shè)計(jì)院調(diào)整優(yōu)化后的閉塞分區(qū)設(shè)置方案

5.2 本文優(yōu)化結(jié)果

在不改變原設(shè)計(jì)中興山站進(jìn)出站信號機(jī)位置的前提下,采用本文算法進(jìn)行計(jì)算,優(yōu)化后的信號機(jī)設(shè)置方案見圖6。

圖6 本文優(yōu)化后的閉塞分區(qū)設(shè)置方案

由圖6可知,與優(yōu)化前閉塞分區(qū)方案相比,本文方案中閉塞分區(qū)長度值普遍降低,列車在CTCS-3級模式下可以350 km/h的速度正常運(yùn)行,避免了行車許可回縮導(dǎo)致緊急制動的問題;在不考慮其他約束的前提下,與設(shè)計(jì)院給出的優(yōu)化方案相比,本方案在保證CTCS-3級允許速度不降的同時,提高了CTCS-2級模式下的運(yùn)行速度,并將追蹤間隔時間壓縮到320 s。閉塞分區(qū)優(yōu)化前后方案參數(shù)對比見表5。

表5 閉塞分區(qū)優(yōu)化前后方案參數(shù)對比

6 結(jié)論

本文研究了閉塞分區(qū)長度對CTCS-3級列控系統(tǒng)和后備CTCS-2級列控系統(tǒng)的影響,對行車許可回縮、速度突降等產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,檢算不同車型在典型坡度下的閉塞分區(qū)取值范圍,得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)坡度超過-30‰后將無法同時滿足CTCS-2、CTCS-3級列控系統(tǒng)按正常速度運(yùn)行的要求,且CTCS-3級模式下的追蹤間隔時間將超過10 min。

2)對現(xiàn)場閉塞分區(qū)的設(shè)置給出建議值:在-20‰的坡道上,閉塞分區(qū)長度建議取2 700 m;在-25‰的坡道上,閉塞分區(qū)長度建議取3 600 m;在-30‰的坡道上,閉塞分區(qū)長度建議取2 600 m。

3)考慮到實(shí)際線路上坡度不斷變化導(dǎo)致的復(fù)雜性,本研究還結(jié)合閉塞分區(qū)設(shè)置原則,設(shè)計(jì)了模擬退火算法,應(yīng)用該算法對鄭萬高鐵進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。

需要注意的是,本文在對閉塞分區(qū)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化時,僅從運(yùn)輸組織的角度進(jìn)行考慮,除此之外還有諸多因素如信號機(jī)應(yīng)與接觸網(wǎng)立柱相對應(yīng)、與電分相保持一定距離、列車在長大坡道可順利起停等情況,應(yīng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中協(xié)同考慮。