鐵路既有線移動減速信號牌臨界設(shè)置距離研究

俞 濤 上海鐵路局蘇州站

鐵路既有線移動減速信號牌臨界設(shè)置距離研究

俞 濤 上海鐵路局蘇州站

鐵路移動減速信號牌作為控制列車運行速度的一種重要基礎(chǔ)設(shè)施，在施工及其限速地點（區(qū)段）被廣泛采用，其設(shè)置距離的合理性將直接影響到列車的運行安全和線路的通過能力。根據(jù)我國鐵路既有線現(xiàn)狀，分析了機車乘務(wù)員認(rèn)知移動減速信號牌的特性，結(jié)合機車乘務(wù)員的行為特征及列車運行特性就鐵路移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離進(jìn)行了探討，并建立相適應(yīng)的研究模型，最后通過算例驗證，證明了模型的可行性與準(zhǔn)確性。

鐵路既有線；移動減速信號牌；臨界設(shè)置距離

1 引言

目前，列車限速控制主要有機控和人控兩種方式。正常情況下，列車限速控制主要是將限速信息融合到LKJ中通過實時信息交互得以實現(xiàn)；然而在實際操作應(yīng)用過程中和某些特殊情況下（如LKJ信息未及時更新或某些地點臨時需要限速），必須采用人為控制來實現(xiàn)列車限速。鐵路移動減速信號牌的基本作用是在人控過程中向機車乘務(wù)員及時準(zhǔn)確地傳遞相應(yīng)的限速信息，提示其根據(jù)信息對列車按規(guī)定進(jìn)行減速限速，因此在人控過程中起到了關(guān)鍵的卡控作用。

科學(xué)合理的設(shè)置移動減速信號牌有利于確保列車運行安全，提高線路通過能力。移動減速信號牌設(shè)置距離過長，則會導(dǎo)致機車乘務(wù)員提前對列車進(jìn)行減速，從而影響線路通過能力；設(shè)置距離過短，導(dǎo)致列車在進(jìn)入規(guī)定限速地點（區(qū)段）前不能有效減速，則會危及行車安全。因此必定存在一個臨界值點，既可保證線路通過能力又不會影響列車運行安全。通過對國內(nèi)研究現(xiàn)狀的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)我國學(xué)者針對鐵路既有線移動減速信號牌設(shè)置距離的相關(guān)研究較少，并且在研究過程中缺乏對機車乘務(wù)員的行為特征的分析，存在由于移動減速信號牌設(shè)置距離不合理導(dǎo)致機車乘務(wù)員認(rèn)知移動減速信號牌時間不足或者操縱機車減速時機不準(zhǔn)，繼而造成列車不能有效減速，為行車帶來安全隱患?？梢?，分析機車乘務(wù)員的行為特征，確定鐵路移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離對提高鐵路線路能力、確保列車運行安全具有非常重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

2 機車乘務(wù)員認(rèn)知移動減速信號牌、操縱列車限速動態(tài)過程分析

鐵路移動減速信號牌一般設(shè)置在列車運行方向的左側(cè)，距離線路中心的距離一般不小于3 m，設(shè)置形式為圓牌、黃底，中間為黑色限速數(shù)字，表示前方限速地點（區(qū)段）的限制速度[1]。正常情況下，在施工及其限速地點（區(qū)段），按不同速度等級列車（最高運行速度大于120 km/h的旅客列車、行郵列車及最高運行速度為120 km/h的貨物列車、行包列車）的緊急制動距離，在原移動減速信號牌后方（列車運行方向定義為前方，反之為后方），會增設(shè)一個特殊移動減速信號牌，作為限速提示標(biāo)志，形式為圓牌、黃底，中間的為黑色的“T”字[2]。減速地點標(biāo)設(shè)置在移動減速信號牌的前方，列車在到達(dá)前方減速地點標(biāo)時，必須將速度降到限制速度以下，以確保行車安全。

列車在線路上行駛時，機車乘務(wù)員識別移動減速信號牌，操縱機車實現(xiàn)限速是一個動態(tài)過程。為了便于研究，本文把這個動態(tài)過程分為認(rèn)知過程和操縱過程來研究，結(jié)合圖1所示，可以將整個動態(tài)過程描繪如下：

認(rèn)知過程描繪：假設(shè)A點為特殊移動減速信號牌設(shè)置地點，E點為移動減速信號牌的設(shè)置地點，H點為減速地點標(biāo)設(shè)置地點。一般情況下，機車乘務(wù)員在行車過程中，對限速信息的感知始于特殊移動減速信號牌A點，因為其能為前方移動減速信號牌起到提示和預(yù)告作用，避免機車乘務(wù)員漏讀限速信息。當(dāng)列車運行至B點時，機車乘務(wù)員開始讀取移動減速信號牌上的限速信息，顯然B點是動態(tài)點，與外界能見度相關(guān)，能見度越高，該點距移動減速信號牌的距離越大，反之則距移動減速信號牌的距離越小。當(dāng)列車運行至C點時，機車乘務(wù)員完成對限速信息的讀取，并對獲取的信息進(jìn)行處理判斷，此后在列車運行至D點時機車乘務(wù)員采取相應(yīng)的操作對列車開始實施制動。

操作過程描繪：從點D采取措施到點G動作完成是機車乘務(wù)員操縱列車采取制動措施的過程，即從車輛乘務(wù)員將制動閥手把置于制動位的瞬間至列車停車的瞬間，此過程列車運行的距離稱為制動距離。在此階段內(nèi)，機車乘務(wù)員必須安全順暢的完成必要的操作，并確保在到達(dá)減速地點標(biāo)以前將

列車速度降至限制速度以下。但在司機施行制動時，列車中各車輛的閘瓦并非立即、同時壓上車輪的，閘瓦壓上車輪后，閘瓦壓力也不是瞬間達(dá)到最大值的。所以，列車的制動距離可以明顯的被分成兩部分，D點至F點經(jīng)歷的時間稱為空走時間，空走時間內(nèi)列車靠慣性惰行的距離稱為空走距離；F點至G點是列車有效制動過程，此過程經(jīng)歷的時間稱為有效制動時間，有效時間內(nèi)列車行駛的距離稱為有效制動距離。

值得指出的是，上述認(rèn)知過程中能見度受外界環(huán)境影響最大，其中尤以霧天對能見度的影響最為明顯，因為在霧天行車時，機車乘務(wù)員的視線將受到嚴(yán)重制約，此時移動減速信號牌的始讀點B與移動減速信號牌E之間的距離必然會縮小，所以在霧天行車時，列車運行速度必須保證在列車標(biāo)志消失前機車乘務(wù)員能夠讀完移動減速信號牌上的限速信息。

3 模型建立及參數(shù)設(shè)置

3.1 模型假設(shè)

本文是以移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離作為模型的目標(biāo)函數(shù)，在模型的建立之前給出以下假設(shè)條件：

（1）基于當(dāng)前鐵路既有線大多是客貨車混跑，且旅客列車和貨物列車的制動計算有所區(qū)別，本文重點研究在客貨分線的條件下鐵路既有線移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離，重點探討貨物列車的制動距離；

（2）由于列車在有效制動過程中所受的單位合力是變化的，所以為了增加有效制動距離計算的精確性，本文以10 km/h的速度間隔分別計算，并假定在ΔV=10 km/h的速度間隔內(nèi)列車所受的單位合力是常數(shù)。

3.2 符號定義

Lmin為移動減速信號牌至減速地點標(biāo)的臨界設(shè)置距離（m）；

Tr為移動減速信號牌的認(rèn)知時間；

Tk為列車有效制動前的空走時間（s）；

M為牽引機車臺數(shù)；

N為線路所允許的最大列車編組輛數(shù)；

Vj2為在第i個ΔV速度間隔內(nèi)列車運行的末速度（m/s）；

Vj1為在第i個ΔV速度間隔內(nèi)列車運行的初速度（m/s）；

Vj平為第i個ΔV速度間隔內(nèi)列車的平均速度（m/s）；

ωi'為在第i個ΔV速度間隔內(nèi)列車所受的平均阻力（N/ t）；

ωi"為機車基本阻力（N/t）；

ωi為車輛基本阻力（N/t）；

βi為單位列車制動力取值系數(shù)，緊急制動取1.0，進(jìn)站制動取0.5[4]；

bi為單位列車制動力（N/t）；

φ為移動減速信號牌至減速地點標(biāo)之間線路的換算坡度千分?jǐn)?shù)（下坡取負(fù)值，上坡取正值）；

φh為換算摩擦系數(shù)（與速度及閘瓦材質(zhì)有關(guān)，一般取值為0.097-0.273）；

K機為機車閘瓦壓力，可取值6.25 t；

K車為車輛閘瓦壓力，可取值2.37 t；

P為運行線路的最大機車重量（t）；

Q為線路允許的最大車列重量（t）；

3.3 模型建立

根據(jù)鐵路運輸組織的特點，較正常天氣下列車運行而言，由于外界能見度的降低，列車在大霧天氣下運行速度也會降低，從而導(dǎo)致列車制動距離及移動減速信號牌的設(shè)置距離出現(xiàn)波動。綜上而言，移動減速信號牌臨界設(shè)置距離應(yīng)同時考慮在正常天氣和大霧天氣下列車制動距離的需要，建立模型如下：

當(dāng)m=0時，表示列車在霧天運行時移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離；

當(dāng)m=1時，表示列車在正常天氣運行時移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離；

其中，

根據(jù)公式9、10，取ΔV=10 km/h，機車基本阻力和車輛基本阻力取值如表1所示：

表1 機車基本阻力和車輛基本阻力計算表

4 例證分析

假定鐵路既有線一段區(qū)間中某點限速35 km/h，已知移動減速信號牌內(nèi)側(cè)距離線路中心的距離為3 m，機車乘務(wù)員認(rèn)知移動減速信號牌的時間為3 s。經(jīng)過查閱《站細(xì)》等相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，在該點前制動距離范圍內(nèi)的換算坡度為2.5‰上坡，該區(qū)間運行列車的相關(guān)參數(shù)為：采用200 t牽引機車，允許最大編組數(shù)量為62輛，機車最大牽引重量為5 000 t。天氣良好能見度為80 m，最大允許速度為120 km/h；大霧天氣能見度為40 m，最大允許速度為70 km/h（計算精確至小數(shù)點后兩位）。

在霧天情況下（i取值為0）：

由公式8，的計算值如表2所示：

表2 列車所受平均阻力ω0的計算值

由公式6，L0FG的計算值如表3所示：

表3 有效制動距離L0FG的計算值

根據(jù)表3，從70 km/h降速到35 km/h所走過的有效制動距離為：

綜上，在霧天情況下，移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離為：

L0EG=L0BD+L0DF+L0FG-L0BE=58.33+109.47+234.80-39.89= 362.71 m

同理，在天氣良好情況下(i=1)，列車所受平均阻力和有效制動距離如表4所示：

表4 車所受平均阻力ωi和有效制動距離L1EG的計算值

綜上，在正常天氣情況下，移動減速信號牌臨界設(shè)置距離為：

通過以上計算得出，移動減速信號牌距離該限速地點的臨界設(shè)置距離為1030.66 m。

5 結(jié)束語

科學(xué)合理的設(shè)置移動減速信號牌對保障列車運行安全、提高鐵路線路能力具有重要意義。本文在結(jié)合機車乘務(wù)員認(rèn)知移動減速信號牌的基礎(chǔ)上，對鐵路既有線移動減速信號牌的臨界設(shè)置距離進(jìn)行了研究。但文章仍然存在一定程度的不足，對移動減速信號牌設(shè)置距離的影響因素分析不盡全面，如外界環(huán)境的地形特點、線路平縱斷面，仍然需要進(jìn)一步研究。

[1]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[2]馬國忠、毛節(jié)銘.鐵路機車車輛與列車牽引計算.[M].成都：中國鐵道出版社，2009.

[3]饒忠.列車牽引計算[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

[4]張余堂.鐵路列車安全制動距離的計算[J].中國礦業(yè)，1996，1(23).

[5]李霞,宋鳳生.利用計算機計算列車制動距離[J].內(nèi)燃機車，1998，7(7).

責(zé)任編輯：宋飛 竇國棟

來稿時間：2015-02-05