花 偉，齊向春，李 博

HUA Wei, QI Xiang-chun, LI Bo

（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

高速鐵路列車追蹤間隔分析與仿真研究

花 偉，齊向春，李 博

HUA Wei, QI Xiang-chun, LI Bo

（中國鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

由于受到很多條件變化的影響，目前鐵路通過能力的計(jì)算方法在很多時(shí)候很難準(zhǔn)確反映實(shí)際情況，因而利用仿真技術(shù)從微觀角度分析高速鐵路上動(dòng)車組列車對線路的時(shí)空占用過程。在給定研究邊界的基礎(chǔ)上，分析列車單點(diǎn)占用、閉塞分區(qū)和接發(fā)車進(jìn)路占用、安全占用及追蹤占用的過程和計(jì)算公式，最后使用 OpenTrack 軟件對不同編組形式動(dòng)車組列車的單點(diǎn)占用、不同線路參數(shù)下的列車占用、列車安全占用及追蹤占用過程進(jìn)行仿真和分析，得出動(dòng)車組列車在各種組合工況下的追蹤間隔，以及低等級列車對高等級列車運(yùn)行的影響程度。

高速鐵路；通過能力；仿真；列車追蹤間隔

我國鐵路在新線設(shè)計(jì)、運(yùn)力安排與調(diào)整、運(yùn)營統(tǒng)計(jì)分析時(shí)均需要計(jì)算運(yùn)輸能力，因而運(yùn)輸能力一直是鐵路運(yùn)輸組織研究的核心問題，它涉及區(qū)間通過能力、車站通過能力、樞紐通過能力、路網(wǎng)運(yùn)輸能力等。其中，區(qū)間通過能力是最重要的運(yùn)輸能力之一，計(jì)算方法主要有圖解法、扣除系數(shù)法、平均最小列車間隔法、直接計(jì)算法等[1-2]。目前，鐵路通過能力的計(jì)算主要還是沿用扣除系數(shù)法[3]，該方法的計(jì)算前提是貨物列車數(shù)量占絕對優(yōu)勢，而目前部分客貨混運(yùn)線路的有些區(qū)段旅客列車比例已經(jīng)超過 50%；另外，受客貨列車速度和種類變化、信號顯示制式改變等因素影響，現(xiàn)行扣除系數(shù)表難以滿足通過能力計(jì)算的要求[4]。圖解法是運(yùn)行圖編制人員根據(jù)運(yùn)行圖參數(shù)鋪畫出最大列車對數(shù)(即圖定通過能力)，能夠反映各區(qū)段的通過能力，因其工作量大，并且只反映結(jié)果不反映過程，一般只用于能力利用程度接近飽和或個(gè)別特殊情況下的圖解驗(yàn)算[5]。在運(yùn)輸生產(chǎn)中，因運(yùn)行圖參數(shù)的取值存在裕量，同時(shí)經(jīng)各專業(yè)的緊密協(xié)作與有序組織，實(shí)際運(yùn)行列車對數(shù)往往超過圖定列車對數(shù)。

通過能力問題實(shí)質(zhì)上是研究列車對車站及區(qū)間在時(shí)間上的最大可能占用比例。各種計(jì)算方法都存在均值成份，對高速鐵路通過能力的精細(xì)計(jì)算存在不足。與采用計(jì)算方法檢算高速鐵路列車追蹤間隔時(shí)間不同[6]，利用仿真技術(shù)從微觀角度可以分析動(dòng)車組列車對線路的時(shí)空占用過程，以秒和米級精度分析高速鐵路上列車在出站、進(jìn)站和區(qū)間 3 種工況下的追蹤間隔，以及低等級列車對高等級列車運(yùn)行的影響程度等問題。

1　研究邊界

（1）線路等級。目前在高速鐵路上主要開行 D和 G 字頭 2 種等級列車，因而細(xì)化研究 CTCS-3 級線路上 300 km/h 和 250 km/h 2 種等級列車開行對通過能力的占用問題，此時(shí)列車進(jìn)站停車無需辦理延續(xù)進(jìn)路。

（2）運(yùn)行速度。根據(jù)目前我國高速鐵路上動(dòng)車組列車的運(yùn)營速度，選定 250 km/h (D 字頭) 和 300 km/h (G 字頭) 2 類列車進(jìn)行研究。在道岔區(qū)，12 號道岔側(cè)向允許通過速度為 50 km/h，18 號道岔側(cè)向允許通過速度為 80 km/h，列車在部分監(jiān)控模式下運(yùn)行時(shí)的允許速度為 45 km/h。

（3）列車編組。高速鐵路上運(yùn)行的動(dòng)車組列車主要有 3 種編組形式：短編組、長編組和重聯(lián)動(dòng)車組。選擇以 CRH380A 8 輛短編組 (6M2T)、CRH380AL 16 輛長編組 (14M2T) 和 CRH380A 重聯(lián)動(dòng)車組 (12M4T) 為研究對象。

（4）線路參數(shù)。①閉塞分區(qū)長度：參考高速鐵路閉塞分區(qū)設(shè)置，取最小閉塞分區(qū)長度為 1 100 m，最大閉塞分區(qū)長度為 3 500 m。②接觸網(wǎng)電分相區(qū)：接觸網(wǎng)電分相前方設(shè)斷電標(biāo)，在接觸網(wǎng)電分相后方設(shè)合電標(biāo)，動(dòng)車組列車以惰行方式通過接觸網(wǎng)電分相區(qū)，參考《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(高速鐵路部分)[7]規(guī)定及高速鐵路實(shí)際電分相設(shè)置，取最小斷合標(biāo)距離為 350 m，最大斷合標(biāo)距離為 700 m。③坡度：參考《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020—2009)[8]及高速鐵路實(shí)際線路條件，區(qū)間正線最大坡度取 25‰。

（5）時(shí)間取整?！缎陆〞r(shí)速 200～250 公里客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè) [2005] 140 號)[9]規(guī)定：“列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間應(yīng)采用牽引計(jì)算結(jié)果，并以 15 s 為單位”，即列車運(yùn)行時(shí)間以 15 s 為一檔取整，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間落入?yún)^(qū)間 (1，15] s 內(nèi)，取整為 15 s，落入?yún)^(qū)間 (15，30] s 內(nèi)，取整為 30 s，落入?yún)^(qū)間 (30，45] s 內(nèi)，取整為 45 s，落入?yún)^(qū)間 (45，60] s內(nèi)，取整為 60 s。

2　列車占用線路的過程分析

2.1單點(diǎn)占用

單點(diǎn)占用是指列車完整通過線路上某個(gè)位置的過程，主要與列車速度、列車長度等因素有較大關(guān)系。在軌道電路區(qū)段的末端分界點(diǎn)處，即刻占用的時(shí)長在很大程度上決定著該軌道電路區(qū)段的釋放時(shí)間。單點(diǎn)占用在移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中是決定列車追蹤間隔的關(guān)鍵要素之一，也直接影響到線路通過能力的利用程度。單點(diǎn)占用時(shí)間的計(jì)算公式為

式中：t單點(diǎn)為單點(diǎn)占用時(shí)間，s；l列為列車長度，m；v運(yùn)為列車平均運(yùn)行速度，km/h。

2.2 閉塞分區(qū)和接發(fā)車進(jìn)路占用

（1）閉塞分區(qū)占用。1 個(gè)區(qū)間閉塞分區(qū)通常由1 個(gè)軌道電路構(gòu)成，如果閉塞分區(qū)內(nèi)包含有接觸網(wǎng)電分相區(qū)，列車在電分相區(qū)內(nèi)惰行一般會(huì)延長對該閉塞分區(qū)的占用過程。列車占用閉塞分區(qū)的時(shí)間為

式中：t閉塞為列車實(shí)際占用閉塞分區(qū)的時(shí)間，s；l區(qū)為閉塞分區(qū)長度，m；l電為接觸網(wǎng)電分相區(qū)斷合標(biāo)間的長度，m；v運(yùn)為列車通過閉塞分區(qū)(不含接觸網(wǎng)電分相區(qū))的平均運(yùn)行速度，km/h；v電為列車通過接觸網(wǎng)電分相區(qū)的平均運(yùn)行速度，km/h；t釋放為閉塞分區(qū)釋放時(shí)的電氣動(dòng)作時(shí)間，s。如果閉塞分區(qū)內(nèi)不包含接觸網(wǎng)電分相區(qū)，則 l電= 0。

（2）接車進(jìn)路占用。接車進(jìn)路包括從進(jìn)站信號機(jī)至接車線末端警沖標(biāo)或出站信號機(jī)間的一系列軌道電路區(qū)段。實(shí)際運(yùn)營中，列車進(jìn)站要求對標(biāo)停車。由于聯(lián)鎖設(shè)備采用分段解鎖的控制技術(shù)，當(dāng)列車尾部車輪出清線束道岔 (后行同向列車所接入到發(fā)線的線束) 后的警沖標(biāo)，即可為后行的同向列車辦理接車進(jìn)路。接車進(jìn)路占用的時(shí)間為

式中：t接車為列車實(shí)際占用接車進(jìn)路的時(shí)間，s； l咽為從進(jìn)站信號機(jī)至線束道岔內(nèi)方警沖標(biāo)或絕緣節(jié)間的長度，m；v運(yùn)為列車通過 l咽的平均運(yùn)行速度，km/h；t釋放為接車進(jìn)路釋放時(shí)的電氣動(dòng)作時(shí)間，s，一般小于 5 s。

（3）發(fā)車進(jìn)路占用。發(fā)車進(jìn)路包括從出站信號機(jī)至反向進(jìn)站信號機(jī)間的一系列軌道電路區(qū)段。實(shí)際運(yùn)營中，列車一般從停車標(biāo)處出發(fā)。發(fā)車咽喉進(jìn)路占用的時(shí)間為

式中：t發(fā)車為列車實(shí)際占用發(fā)車進(jìn)路的時(shí)間，s； l發(fā)為從停車標(biāo)至反向進(jìn)站信號機(jī)間的長度，m；v運(yùn)為列車通過 l發(fā)的平均運(yùn)行速度，km/h；t釋放為發(fā)車進(jìn)路釋放時(shí)的電氣動(dòng)作時(shí)間，s，一般小于 5 s。

2.3安全占用

安全占用空間是指在目標(biāo)制動(dòng)距離連續(xù)速度控制模式下，為保證行車安全，列車與其前行列車之間的最小距離。安全占用主要與列車速度、分區(qū)長度和列車制動(dòng)性能等因素有較大關(guān)系。安全占用的距離是保證行車安全和舒適駕駛的最小距離，也是列車在區(qū)間追蹤時(shí)的安全間隔。安全占用時(shí)間為

式中：t安全為列車實(shí)際占用安全空間的時(shí)間，s；l安全為安全占用距離，m；l附為列車在信號系統(tǒng)應(yīng)變時(shí)間和車載設(shè)備觸發(fā)常用制動(dòng)前遲滯時(shí)間內(nèi)的空走距離，m；l防為列車安全防護(hù)距離，m；l制為車載 ATP 控車模式下的常用制動(dòng)有效距離，m；v運(yùn)為列車在 l安全內(nèi)的平均運(yùn)行速度，km/h。

2.4追蹤占用

追蹤占用是指同方向列車在行車過程中不受前行列車運(yùn)行影響的最小時(shí)空間隔，追蹤間隔必須滿足安全占用所要求的最小安全距離。追蹤占用主要與列車速度、分區(qū)長度 (包括咽喉區(qū)長度)、進(jìn)路辦理時(shí)間、司機(jī)操縱習(xí)慣等因素有較大關(guān)系。列車追蹤間隔 I追取決于區(qū)間追蹤間隔 I區(qū)、車站發(fā)車間隔I發(fā)、車站到達(dá)間隔 I到和列車通過車站的追蹤間隔 I通中的最大者，即

其中，發(fā)車間隔受發(fā)車進(jìn)路開放時(shí)刻、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間、側(cè)線發(fā)車位置與正線應(yīng)答器組間的距離(列車以部分監(jiān)控模式運(yùn)行)、道岔限速和咽喉區(qū)長度等因素影響，常常制約著列車間的追蹤間隔。當(dāng)存在不同速度等級的列車混行時(shí)，高等級列車追蹤低等級列車還與前行列車的停站避讓方案直接相關(guān)，當(dāng)前行列車不停站的連續(xù)運(yùn)行距離越長時(shí)，2種等級列車間的追蹤間隔越大，此時(shí)，區(qū)間追蹤間隔又制約著列車追蹤間隔。

3　仿真分析

采用 OpenTrack 仿真軟件對各種設(shè)定場景進(jìn)行微觀仿真與分析。

3.1不同編組形式的動(dòng)車組列車對單點(diǎn)占用的仿真與分析

不同編組形式的動(dòng)車組列車在平直道上的加速性能如表1 所示。

表1　不同編組條件下的列車加速性能 　km/h

①由于 CRH380AL 動(dòng)車組的牽引功率大，其加速性能好于其他 2 種編組形式的動(dòng)車組列車，而 CRH380A 重聯(lián)動(dòng)車組的風(fēng)阻略大，其加速性能稍差于 CRH380A 短編組動(dòng)車組。②從 0.0 km/h 加速至 45.0 km/h，3 種編組形式的動(dòng)車組列車所需時(shí)間僅相差 2 s。③從 0.0 km/h 加速至 300.0 km/h，3 種編組形式動(dòng)車組列車所需時(shí)間在 5 min 左右，最大時(shí)間差達(dá)到 34 s；需要運(yùn)行 16 km 左右，最大里程差達(dá)到 2 km。由此可見，不同的動(dòng)車組編組形式對列車運(yùn)行時(shí)分和追蹤間隔產(chǎn)生影響。

整列車以勻速通過線路某一位置的時(shí)分如表2 所示。

表2　不同編組長度對單點(diǎn)占用時(shí)分的影響

①當(dāng)速度在 45 km/h 及以下時(shí)，列車編組長度對列車運(yùn)行時(shí)分有一定影響，如以 45 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，重聯(lián)動(dòng)車組比短編組動(dòng)車組多運(yùn)行 16 s。②對于同樣的編組長度，速度在 80 km/h 及以下時(shí)，列車長度對運(yùn)行時(shí)分有一定影響，如在重聯(lián)方式下，以 45 km/h 速度運(yùn)行比以 80 km/h 速度運(yùn)行多15 s。③當(dāng)速度達(dá)到 250 km/h 及以上時(shí)，列車編組長度對運(yùn)行時(shí)分影響不明顯。

3.2不同線路參數(shù)下的列車占用仿真與分析

CRH380A 短編組動(dòng)車組列車在平直道上通過不同長度閉塞分區(qū) (不含列車長度) 的純運(yùn)行時(shí)分如表3 所示。①當(dāng)列車以 250 km/h 運(yùn)行時(shí)，3 min 可通過 9 個(gè) 1 300 m 長或 7 個(gè) 1 700 m 長的分區(qū)；以3 00 km/h 運(yùn)行時(shí)，3 min 可通過 9 個(gè) 1 600 m 長或7 個(gè) 2 000 m 長的分區(qū)。②當(dāng)分區(qū)平均長度超過 2 000 m時(shí)，列車在區(qū)間以 3 min 間隔追蹤，追蹤列車將難以維持 5 個(gè)綠燈的安全占用要求和舒適駕駛條件。

CRH380A 短編組動(dòng)車組列車通過不同長度接觸網(wǎng)電分相區(qū)和不同坡度組合工況下的純運(yùn)行時(shí)分(入口速度分別為 80 km/h，160 km/h 和 250 km/h) 如表4 所示， CRH380A 短編組動(dòng)車組列車在給定入口速度 (45 km/h 和80 km/h) 下在不同坡道上坡時(shí)的最大惰行距離如表5 所示。①當(dāng)列車以 160 km/h 及以上速度運(yùn)行時(shí)，25‰ 及以下坡度對列車運(yùn)行影響不明顯。②當(dāng)列車以 45 km/h 及以下速度運(yùn)行時(shí)，對于 12‰ 坡度，列車可能會(huì)在電分相區(qū)內(nèi)停車；對于 18‰ 及以上坡度，列車易在電分相區(qū)內(nèi)停車。③當(dāng)以 80 km/h 及以下速度運(yùn)行時(shí)，對于 25‰及以上坡度，操作不當(dāng)時(shí)列車有在電分相區(qū)內(nèi)停車的可能。

3.3列車安全占用仿真與分析

不同編組形式的動(dòng)車組列車在平直道上的制動(dòng)性能如表6 所示，可以看到：①雖然制動(dòng)減速量相同，但走行距離相差卻很大，當(dāng)分區(qū)平均長度為1 100 m 時(shí)，速度 300 km/h 的列車需要 7.1 個(gè)分區(qū)完成制動(dòng)，速度 250 km/h 的列車需要 4.8 個(gè)分區(qū)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，速度 200 km/h 的列車需要 3 個(gè)分區(qū)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；②從 300 km/h 減速至 45 km/h 約需要 154 s，從300 km/h 減速至 80 km/h 約需要 133 s，相差 20 s 以上，對列車進(jìn)站影響顯著。

3.4列車追蹤占用仿真與分析

3.4.1出站間隔分析

不同編組的動(dòng)車組列車按指定速度 (分別為38 km/h，43 km/h 和 75 km/h) 出站時(shí)的運(yùn)行情況 (扣除 1 個(gè)列車長度) 如表7 所示。①對于短編組動(dòng)車組列車，當(dāng)以 38 km/h 及以下速度出站時(shí)，不易實(shí)現(xiàn)3 min 追蹤間隔 (包括前行列車出清第 1 離去時(shí)間、追蹤列車進(jìn)路觸發(fā)時(shí)間和司機(jī)操作反應(yīng)時(shí)間，下同)；側(cè)線發(fā)車或臨時(shí)限速信息丟失時(shí)，列車會(huì)轉(zhuǎn)入部分監(jiān)控模式，此時(shí)，當(dāng)咽喉區(qū)長度超過 1 200 m后，較難實(shí)現(xiàn) 3 min 追蹤間隔；當(dāng)以 75 km/h 及以上速度出站時(shí)，基本可實(shí)現(xiàn) 3 min 追蹤間隔。②對于長編組動(dòng)車組列車，當(dāng)以 43 km/h 及以下速度出站時(shí)，不易實(shí)現(xiàn) 3 min 追蹤間隔；當(dāng)以 75 km/h 及以上速度出站時(shí)，具備實(shí)現(xiàn) 3 min 追蹤間隔的條件。

表3　不同分區(qū)長度和列車速度對運(yùn)行時(shí)分的影響 s

表4　不同長度電分相區(qū)和不同坡度對列車惰行的影響

表5　不同坡度下列車最大惰行距離 m

表6　不同編組形式動(dòng)車組的制動(dòng)性能

3.4.2區(qū)間間隔分析

由表3 的數(shù)據(jù)可以看出：①當(dāng)連續(xù)分區(qū)的平均長度在 1 600 m 及以下時(shí)，速度為 250 km/h 和300 km/h 的列車可實(shí)現(xiàn)同等級列車間的 3 min 追蹤間隔；②當(dāng) 300 km/h 列車以 10 min 間隔追蹤 250 km/h 列車 (以前發(fā)后通和前停后通方式追蹤) 時(shí)，追蹤列車將會(huì)在 25 min/124 km 左右受到前車影響。

3.4.3進(jìn)站間隔分析

同樣由表3 的數(shù)據(jù)可以看出：①250 km/h 的列車進(jìn)站時(shí)間比 300 km/h 列車縮短 33 s 左右；②從300 km/h 減速到 45 km/h 需要 154 s，從 300 km/h 減速到 80 km/h 需要 133 s，因而為滿足 3 min 進(jìn)站追蹤間隔，如果采用 12 號道岔，需要縮短第 3 接近分區(qū)長度，或者前后列車在咽喉的走行重疊區(qū)長度不宜超過 350 m。

4　結(jié)論

利用 OpenTrack 軟件對動(dòng)車組列車占用線路的時(shí)空過程進(jìn)行仿真，分析高速鐵路同等級列車間追蹤問題和不同等級列車開行影響問題，得到如下主要結(jié)論。

表7　不同編組編組長度的動(dòng)車組列車出站運(yùn)行情況 m

（1）因山區(qū)坡度大，列車低速通過接觸網(wǎng)電分相區(qū)時(shí)，尤其在軌道濕滑狀態(tài)下，較易在電分相區(qū)內(nèi)停車。

（2）當(dāng)列車從車站側(cè)線發(fā)車或臨時(shí)限速信息丟失時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)入部分監(jiān)控模式，此時(shí)，當(dāng)咽喉區(qū)長度超過 1 200 m 后，較難實(shí)現(xiàn) 3 min 追蹤間隔。

（3）列車從 300 km/h 減速到 45 km/h 需要154 s，從 300 km/h 減速到 80 km/h 需要 133 s，為滿足 3 min 進(jìn)站追蹤間隔，如果采用 12 號道岔，需要縮短第 3 接近分區(qū)長度，或者前后列車在咽喉的走行重疊區(qū)長度不宜超過 350 m。

（4）當(dāng)速度 300 km/h 的列車以 10 min 間隔追蹤速度 250 km/h 列車時(shí)，追蹤列車將會(huì)在 25 min/124 km左右受到前車影響。

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責(zé)任編輯：劉 新

Study on Analysis and Simulation of High-speed Railway Train Tracing Interval

For current calculation method of railway carrying capacity is influenced by change of many conditions and is difficulty to accurately reflect actual situation, so the space-time occupancy process of EMU train on high-speed railway line is analyzed from micro perspective by using simulation technology. Based on the provided research boundary, this paper analyzes the process and calculation formula of train single-point occupancy, occupancy of block section and train receiving-departure route, safety occupancy as well as tracing occupancy, in the end, the paper makes simulation and analysis on the process of single-point occupancy, train occupancy under different line parameters, train safety occupancy and tracing occupancy for EMU trains with different formation modes by using OpenTrack software, and then, the tracing interval of EMU trains under various combined conditions and the influence degree of low-class trains on operation of high-class trains are achieved.

High-speed Railway; Carrying Capacity; Simulation; Train Tracing Interval

1003-1421(2016)06-0016-07

U292.5+2

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.04

2016-01-21

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2015X004-A)