高速鐵路追蹤間隔標準選擇及供電設施配置研究

郭衛(wèi)彪,湯 杰,馬保仁,邢曉乾

(1.中國鐵路設計集團有限公司交通運輸規(guī)劃研究院,天津 300000； 2.中國鐵路設計集團有限公司電化電信院,天津 300000)

1 研究目的及意義

高速鐵路項目投資大，運營成本高，鐵路工程各系統(tǒng)規(guī)模應與客流需求相適應，而運營期追蹤間隔的選擇將影響供電設施的投資和電費成本[1]。

鐵路工程是一個系統(tǒng)工程，高速鐵路追蹤間隔研究方面，田長海等[2]分析了高速列車追蹤間隔時間的計算方法，分析了影響高速列車追蹤間隔時間的因素。凌熙等[3]對高速鐵路追蹤列車間隔時間測試方法進行了研究。鄭維耀等[4]從運營的角度，對列車追蹤策略進行了研究。侯黎明等[5]以實現(xiàn)3 min追蹤間隔為目標，用仿真的方法對影響追蹤間隔的關鍵影響因素進行了分析，提出了主要制約因素包括信號系統(tǒng)、線路條件、列車性能等，為新線路設計提供有效參考。供電系統(tǒng)方面，李群湛、樊偉平等[6]對牽引供電系統(tǒng)、高速鐵路牽引變壓器容量選擇及更換時機進行了研究。陳民武等[7]對高速鐵路牽引變壓器容量的配置方案進行了研究。李倩[8]對高速鐵路牽引變壓器供電能力進行了研究。但對新建鐵路項目應該采用怎樣的追蹤間隔標準，并據(jù)此配置鐵路系統(tǒng)設備的系統(tǒng)性研究很少。

當前，我國高速鐵路列車最小追蹤間隔基本按照3 min設計，供電設施也按照3 min標準配置[9]。由于城市規(guī)模、分布、經(jīng)濟發(fā)展水平的差異，各線功能定位和在路網(wǎng)中發(fā)揮的作用不同，鐵路干線、支線、城市群內(nèi)的城際鐵路等各線行車量有較大差異[10-11]。我國已建成線路中，有許多線路行車量至今仍然較低，對于行車量較小的線路，供電設施容量存在較大的冗余，造成了供電設施投資和運營費的浪費[12]。經(jīng)統(tǒng)計分析，目前，石太高鐵全日開行列車61對，最大小時對數(shù)5對，最小追蹤間隔大于7 min；武九高鐵，全日開行列車64對，最大小時對數(shù)6對，最小追蹤間隔大于7 min；莞惠城際、株潭城際西線、哈齊高鐵最小追蹤間隔也大于7 min。由此可見，相對干線鐵路，我國支線及城際鐵路列車對數(shù)普遍不高，列車行車間隔也多在5 min以上，4～5 min追蹤間隔標準完全可以滿足行車量需求，如所有高速鐵路項目一味采用與國鐵干線一致的3 min最小行車間隔標準，將造成供電設備投資的浪費和鐵路運營費用的增加[13]。因此，根據(jù)高速鐵路項目的特點和客流需求，研究適宜的最小追蹤間隔，根據(jù)行車量和最小追蹤間隔標準確定供電設施容量，對節(jié)約工程設備投資和降低運營費具有重要意義[14]。

2 高速鐵路追蹤間隔現(xiàn)狀分析

2.1 高速鐵路追蹤間隔、列車對數(shù)統(tǒng)計

現(xiàn)狀分析基本涵蓋全國主要高速鐵路、城際鐵路，按照路網(wǎng)干線、路網(wǎng)聯(lián)絡線、支線及相對獨立線路分三類進行分析研究。

2.1.1 路網(wǎng)干線追蹤間隔

統(tǒng)計分析京滬高鐵、滬寧城際、京廣高鐵、鄭西高鐵、鄭徐高鐵、哈大高鐵、滬昆高鐵、杭深線、合寧線、合福高鐵、大西高鐵等17條路網(wǎng)骨干線路，其全日列車開行對數(shù)及追蹤間隔的分布統(tǒng)計情況見表1。

表1 路網(wǎng)干線列車對數(shù)及追蹤間隔分布統(tǒng)計

目前我國高速鐵路中以京滬高鐵徐蚌段對數(shù)最高，達到154對，最大小時對數(shù)達到12對，列車以4，5 min追蹤為主，部分區(qū)間如昆山至陽澄湖存在兩列車3 min追蹤，4 min連續(xù)追蹤達到41對，5 min連追達到50對，以4，5 min連追比例合計達到59%。滬寧城際開行列車137對，最大小時對數(shù)達到10對，列車以4，5 min追蹤為主，部分區(qū)間如昆山南至安亭存在少數(shù)3 min追蹤，4，5 min連追比例合計達到51%。合寧線開行列車103對，列車以5 min追蹤為主，5 min連追達到53對，占比51%。石濟高鐵開行對數(shù)最少，為17對，最大小時對數(shù)為3對，由于列車開行數(shù)量較低，列車行車間隔較大。

2.1.2 路網(wǎng)聯(lián)絡線追蹤間隔分布情況

路網(wǎng)聯(lián)絡線主要統(tǒng)計盤營高鐵、津秦高鐵、津保鐵路、合蚌高鐵等7條線路，該部分線路追蹤間隔分布統(tǒng)計情況見表2。

表2 路網(wǎng)聯(lián)絡線列車對數(shù)及追蹤間隔分布統(tǒng)計

根據(jù)上述統(tǒng)計，目前路網(wǎng)聯(lián)絡線列車開行對數(shù)相對有限，連追列車雖然較少，但由于跨線列車比例較高，大部分線路的追蹤間隔仍在5 min及以內(nèi)。

2.1.3 支線及相對獨立線路追蹤間隔分布情況

我國高速鐵路中支線及相對獨立線路主要統(tǒng)計京津城際、廣珠城際、廣深港高鐵、長琿城際、沈丹高鐵等15條線路，列車對數(shù)及追蹤間隔分布情況見表3。

根據(jù)表3統(tǒng)計，目前該類線路中列車對數(shù)差異較大，但普遍列車對數(shù)相對不高，列車行車間隔也多在5 min以上。

2.2 現(xiàn)狀高速鐵路追蹤間隔與行車量統(tǒng)計分析

根據(jù)現(xiàn)狀列車對數(shù)及追蹤間隔的分布統(tǒng)計，目前各類型線路列車對數(shù)范圍及不同追蹤間隔統(tǒng)計數(shù)量見表4。

表3 支線及相對獨立線路列車對數(shù)及追蹤間隔分布統(tǒng)計

表4 各類型線路不同列車對數(shù)及追蹤間隔分布統(tǒng)計

從當前統(tǒng)計分析來看，目前追蹤間隔采用4 min的線路多為路網(wǎng)骨干線路，一共6條線路，占統(tǒng)計線路的15.4%。除路網(wǎng)聯(lián)絡線津秦高鐵行車量小于80對，其余5條路網(wǎng)干線行車量在90對以上，分別為京滬高鐵、寧杭高鐵、滬昆高鐵滬杭段、杭甬高鐵、滬寧城際。

采用5 min追蹤間隔的線路達到21條，占比54%，其中路網(wǎng)骨干線路中除石濟高鐵、京包高鐵、大西高鐵追蹤間隔較大外，其余線路的最小追蹤間隔均為5 min。路網(wǎng)聯(lián)絡線中除石太高鐵、武九高鐵外，最小追蹤間隔均不大于5 min。

采用6 min追蹤間隔的線路為3條，占比8%，分別為南廣高鐵、昌福鐵路、長琿城際。

大于7 min追蹤間隔的線路達到9條，主要為支線及相對獨立線路，占比23%；路網(wǎng)骨干線路大于7 min追蹤間隔的為石濟高鐵、京包高鐵和大西高鐵。

2.3 小結(jié)

列車對數(shù)是直接影響追蹤間隔運用的最重要因素，追蹤間隔的選定標準中首先需要滿足線路運輸能力，其次考慮便于運輸組織，對于路網(wǎng)干線及路網(wǎng)聯(lián)絡線即使列車對數(shù)不高，也應盡量采用較小的追蹤間隔。

(1)路網(wǎng)干線

列車對數(shù)是直接影響追蹤間隔運用的最重要因素，從對當前線路開行對數(shù)分析，開行80對以內(nèi)的路網(wǎng)干線為開通運營時間較短的線路以及僅開通部分段落的線路，此類線路開通初期行車量小，行車間隔大于7 min。

路網(wǎng)干線開行對數(shù)多在80對以上。80～120對的路網(wǎng)干線多采用5 min追蹤間隔，列車對數(shù)達到120對以上的路網(wǎng)干線多采用4 min追蹤間隔。

(2)路網(wǎng)聯(lián)絡線

路網(wǎng)聯(lián)絡線現(xiàn)狀行車對數(shù)均在80對以下。路網(wǎng)聯(lián)絡線由于連通多條路網(wǎng)骨干線路，受制于跨線列車跨線點、時間及骨干線路能力，其列車追蹤間隔多與骨干線路保持最低一致性，大部分線路的追蹤間隔仍在5 min及以內(nèi)。

(3)支線及相對獨立線路

支線及相對獨立線路現(xiàn)狀行車量在130對及以下。支線及相對獨立線路受路網(wǎng)開行方案影響小，行車間隔多采用5 min及以上。

3 高速鐵路列車追蹤間隔及供電設施配置研究

由前述統(tǒng)計分析可知，我國大多城際鐵路及支線鐵路列車對數(shù)并不大，而最小行車間隔及變壓器容量一般按照3 min標準設計。對于行車量較小的線路，供電設施容量存在較大的冗余，造成了供電設施投資和運營費的浪費。因此，對于運量不大的新建高速鐵路，有必要研究其應采用的最小追蹤間隔和供電設施容量，以提高項目的經(jīng)濟性。

3.1 以江蘇南沿江城際鐵路為例

3.1.1 江蘇南沿江城際鐵路列車追蹤間隔研究

根據(jù)項目客流預測，考慮近遠期客流增長，研究年度江蘇南沿江城際鐵路預測行車量如表5所示。

表5 江蘇南沿江城際鐵路區(qū)段行車對數(shù) 對

江蘇南沿江城際鐵路全線遠期全日最大區(qū)段開行列車156對，平均每小時8～9對，最大小時對數(shù)不大于12對。根據(jù)對現(xiàn)狀已開通運營高鐵最大小時對數(shù)分析結(jié)果，路網(wǎng)干線的最大小時對數(shù)多大于7對，80～120對的路網(wǎng)干線多采用5 min追蹤間隔，列車對數(shù)達到120對以上的路網(wǎng)干線多采用4 min追蹤間隔。

以最大站間距為47.9 km的常熟至太倉為例，當采用5 min追蹤間隔，計算高峰小時能力為8～9對。當采用4 min追蹤間隔，計算高峰小時能力為9～11對，若停站列車比例降低，高峰小時能力可以達到12對[15-16]。江蘇南沿江城際鐵路遠期采用3 min追蹤間隔,大多區(qū)段運輸能力富余較大；采用5 min追蹤間隔，能力適應性較差；從運輸能力角度分析，遠期可按4 min組織運營。

考慮到通過能力與列車停站方案(含直達車與停站列車的比例、停站列車數(shù)量、停站次數(shù)等)密切相關[17]，從提高服務水平、提高運輸組織調(diào)整和調(diào)度指揮靈活性等角度，初、近期列車追蹤間隔可按5 min，遠期行車量增加時可按4 min組織運營。

3.1.2 江蘇南沿江城際鐵路供電設施配置標準及實施效果分析

根據(jù)運輸需求及能力分析，南沿江城際鐵路設計年度初、近、遠期分別按照5，5，4 min追蹤間隔組織運營。從開通到設計年度遠期，若按照遠期需求4 min追蹤選擇安裝容量，南京南至常州段變壓器投資為2 560萬元，按20年計算基本電費較5 min增加12 240萬元；初、近期按照5 min追蹤安裝變壓器容量，遠期按4 min追蹤更換變壓器，初期變壓器投資為2 320萬元，遠期更換變壓器需增加投資2 560萬元，但節(jié)省的基本電費12 240萬元大于更換牽引變壓器的費用[18-19]。因此變壓器容量可以按照5 min時的容量進行安裝，滿足近期供電能力需求；遠期需更換變壓器，牽引變壓器壽命按照30年考慮，遠期可根據(jù)牽引變壓器的運行狀況將替換的變壓器更換到其他工程中[20]。實施效果比較見表6。

表6 實施效果比較 萬元

注：供電設施配置方案以客流預測和行車量為基礎。

由表6可知，僅南京南至常州段(136.23 km)平均每年節(jié)省成本496萬元，每公里節(jié)省成本約3.6萬元。

3.2 高速鐵路列車追蹤間隔及供電設施配置方案建議

合理確定列車追蹤間隔與變壓器容量可節(jié)省投資和運營成本，尤其對于行車量不大的線路意義重大，將極大地節(jié)約運營費。僅以江蘇省為例，2018年12月26日，國家發(fā)展改革委正式批復《江蘇省沿江城市群城際鐵路建設規(guī)劃(2019-2025年)》。同意近期規(guī)劃建設寧淮、寧宣、鹽泰錫常宜、寧揚寧馬、蘇錫?？炀€等8個城際鐵路項目，其中江蘇省內(nèi)總里程約980 km。

按照南沿江鐵路成本節(jié)約估算，5 min追蹤間隔較4 min追蹤該間隔標準節(jié)省成本約3.6萬元/km；僅按江蘇省8個城際鐵路項目估算，運營期前20年每年將為江蘇省節(jié)約成本3 528萬元。

綜上，僅江蘇省規(guī)劃的8個城際鐵路項目節(jié)省成本已經(jīng)十分明顯，若全國范圍運量較小的高速鐵路項目適當增大最小行車間隔標準，并據(jù)此配置適當規(guī)模的供電設施，將極大地節(jié)省工程投資和運營成本。因此，建議新建鐵路項目開展最小追蹤間隔專項研究，根據(jù)客流需求和行車量確定追蹤間隔標準和供電設施容量。根據(jù)我國高速鐵路運營現(xiàn)狀和新建高速鐵路項目客流預測規(guī)模，運量較小的高速鐵路項目初、近期宜采用5 min或4 min最小追蹤間隔標準，并據(jù)此配置變壓器容量，較3 min最小追蹤間隔節(jié)省工程投資和運營成本明顯。

4 結(jié)語

結(jié)合我國高速鐵路項目建設情況，根據(jù)具體項目客流需求和行車量確定追蹤間隔標準和供電設施容量，對節(jié)約工程設備投資和降低運營費具有重要意義。在滿足客流需求和線路輸送能力的前提下，部分項目初、近期可采用5 min或4 min最小追蹤間隔標準，系統(tǒng)預留3 min最小追蹤間隔能力。以江蘇省南沿江城際鐵路為例，初、近期采用5 min追蹤間隔標準比4 min追蹤間隔每年可節(jié)省成本約3.6萬元/km。