隴海鐵路天蘭段V型天窗對區(qū)間通過能力影響的研究

趙 周，金巧英

(1. 中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸部，甘肅 蘭州 730000；2. 中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 科研技術(shù)監(jiān)督所，甘肅 蘭州 730000)

隴海鐵路(連云港—蘭州)是我國鐵路網(wǎng)中橫貫東西的鐵路大動(dòng)脈，是連接西北與內(nèi)地的主要交通干線，也是全路的繁忙干線之一。自2002年隴海鐵路天水至蘭州段(以下簡稱“天蘭段”)二線建成開通，線路允許速度達(dá)到140 km/h，運(yùn)輸能力大幅度提升，列車速度、客貨列車密度進(jìn)一步提高。2020年6月，隴海鐵路天蘭段圖定旅客列車37對/d，貨物列車57對/d，天蘭段的通過能力日趨緊張。天蘭段為雙線電氣化區(qū)段，為保證正常的運(yùn)輸秩序，在運(yùn)行圖上預(yù)留了牽引供電(接觸網(wǎng))和工務(wù)日常維修的120 min的V型綜合天窗。天窗的開設(shè)對該區(qū)段的區(qū)間通過能力產(chǎn)生了一定的影響，需要分析研究V型天窗對區(qū)間通過能力的影響程度，精準(zhǔn)確定隴海鐵路天蘭段的通過能力，為現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)輸工作提供依據(jù)。

1 V型天窗與通過能力

1.1 通過能力計(jì)算公式

鐵路區(qū)間通過能力是指一個(gè)區(qū)間在一晝夜內(nèi)所能通過的列車數(shù)量(對數(shù)或列數(shù))，它與正線數(shù)量、區(qū)間長度、線路平縱斷面、信聯(lián)閉方式、牽引機(jī)車的類型、行車組織辦法等因素有關(guān)。研究區(qū)間通過能力一般應(yīng)先計(jì)算平行運(yùn)行圖的通過能力，再使用通用的扣除系數(shù)法計(jì)算非平行運(yùn)行圖的通過能力。

目前，鐵路現(xiàn)場計(jì)算雙線平行運(yùn)行圖的區(qū)間通過能力仍依據(jù)原鐵道部公布的鐵路區(qū)間通過能力計(jì)算辦法[1]，計(jì)算公式為

式中：N為平行運(yùn)行圖最大的區(qū)間通過能力，對或列；t固為接觸網(wǎng)檢修或線路施工封鎖時(shí)間，min；T周為運(yùn)行圖周期，min。

t固指從施工維修開始到終了的時(shí)間，不包括施工開始前和施工終了后因天窗開設(shè)造成的其他必要的附加時(shí)分，如果t固按綜合維修天窗時(shí)間的120 min取值，明顯不符合現(xiàn)場實(shí)際。因此，需要綜合考慮天窗前后的各項(xiàng)附加時(shí)分，引入T天的概念，則通過能力計(jì)算如公式(2)所示。

式中：T天為天窗總影響時(shí)間，min。

由相關(guān)文獻(xiàn)可知[2-5]，研究天窗對區(qū)間通過能力的影響關(guān)鍵在于研究T天的構(gòu)成及取值。通過分析雙線電氣化區(qū)段T天構(gòu)成要素和取值，研究雙線電氣化區(qū)段接觸網(wǎng)天窗對通過能力的影響。

1.2 V型天窗影響區(qū)概念

當(dāng)雙線區(qū)段開設(shè)V型天窗時(shí)，考慮天窗對列車影響，上行(或下行)天窗的貨物列車影響區(qū)從列車運(yùn)行圖上看表現(xiàn)為：從同方向天窗左端最靠近天窗而不停車等候的一列貨物列車起到同方向天窗右端最靠近天窗的一列未受天窗影響的貨物列車止，所包圍的區(qū)域稱為V型天窗的上行(或下行)方向貨物列車影響區(qū)(簡稱“天窗影響區(qū)”)。因此，當(dāng)天窗依次排列與貨物列車運(yùn)行線傾斜度一致時(shí)天窗影響區(qū)最小。上行方向的天窗影響區(qū)示意圖如圖1所示。天窗影響區(qū)的長度即為T天。雙線區(qū)段上下行系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，因而上、下行影響區(qū)互不干擾，以上行貨物列車影響區(qū)為例研究。

圖1?天窗影響區(qū)示意圖Fig.1 Impacted area of the maintenance window

1.3 V型天窗影響區(qū)各時(shí)間參數(shù)

由于天窗影響區(qū)前最后一列貨物列車及天窗影響區(qū)后第1列貨物列車均不受天窗影響，故天窗影響區(qū)是一個(gè)平行四邊形，為便于分析，取一個(gè)接觸網(wǎng)供電臂構(gòu)成的天窗影響區(qū)進(jìn)行研究。天窗影響區(qū)長度T天構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2?天窗影響區(qū)長度T天?構(gòu)成示意圖Fig.2 Constitution of the length T天 of the Impacted area of the maintenance window

如圖2所示，天窗影響區(qū)的時(shí)間長度T天是由天窗時(shí)間T作、天窗前的影響時(shí)間T前和天窗后的影響時(shí)間T后3部分組成。由于天窗影響區(qū)是一個(gè)平行四邊形，故在該天窗內(nèi)任意車站上的T前+T作+T后之和均相等，為影響區(qū)的長度T天。

（1）天窗前影響時(shí)間T前。影響區(qū)內(nèi)任一個(gè)車站(以M站為例)的天窗前影響時(shí)間T前由2部分組成，即貨物列車自該站到該供電臂最末一站的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分之和和天窗開始前的安全間隔時(shí)間t前安2部分組成，如公式 ⑶ 所示 。

式中：ti為貨物列車在該供電臂內(nèi)第M站(以m表示)到下一站的運(yùn)行時(shí)間，n為該供電臂內(nèi)最后一站N站；t前安指當(dāng)列車到達(dá)或通過供電臂最后一站時(shí)起至該供電臂開始停電的最小安全間隔時(shí)間，一般取2 min即可。

T前構(gòu)成示意圖如圖3所示。

（2）天窗時(shí)間T作。天窗時(shí)間T作是指接觸網(wǎng)停電封閉的時(shí)間，也就是t固。原鐵道部規(guī)定雙線區(qū)間綜合天窗時(shí)間為120 min。

（3）天窗后影響時(shí)間T后。天窗后的影響時(shí)間同樣也是由2部分組成。即貨物列車從該供電臂的第1個(gè)車站運(yùn)行到該站(M站)的運(yùn)行時(shí)分之和和天窗結(jié)束后該供電臂第1個(gè)車站的安全間隔時(shí)間t后安2部分組成，即

圖3?T前?構(gòu)成示意圖Fig.3 Constitution of T前

式中：t后安指從天窗結(jié)束時(shí)起至貨物列車通過該供電臂的第1個(gè)車站(供電臂分相最臨近的車站，以A站為例)的最小安全間隔時(shí)間。其取值取決于供電臂的起點(diǎn)處于A站的位置。

①當(dāng)供電臂的起點(diǎn)(分相絕緣器)位于車站下行進(jìn)站信號機(jī)外方時(shí)，t后安示意圖a如圖4所示。該種情況下，當(dāng)天窗結(jié)束時(shí)才能為上行通過的貨物列車準(zhǔn)備進(jìn)路，開放信號。此時(shí)該列車頭部在車站上行進(jìn)站信號機(jī)外所處的位置應(yīng)等于一個(gè)制動(dòng)距離及司機(jī)確認(rèn)信號時(shí)間內(nèi)列車所運(yùn)行的距離之和。t后安構(gòu)成因素分解示意圖a如圖5所示。

t后安由2部分組成：第1部分為車站辦理必要的作業(yè)所需要的時(shí)間t作業(yè)，第2部分為上行列車通過進(jìn)站距離L進(jìn)所需要的時(shí)間t進(jìn)，計(jì)算公式為

圖 4?t后安?示意圖 aFig.4 Diagram of t后安 a

圖5?t后安?構(gòu)成因素分解示意圖aFig.5 Diagram of components t后安 a

式中：l列為列車長度，m；l確為司機(jī)確認(rèn)進(jìn)站信號顯示狀態(tài)時(shí)間內(nèi)列車運(yùn)行的距離，m；l制為列車的制動(dòng)距離或由預(yù)告信號機(jī)至進(jìn)站信號機(jī)的距離，m；l進(jìn)為進(jìn)站信號機(jī)至車站中心線的距離，m；V進(jìn)為列車的平均進(jìn)站速度，km/h；t后安通常取值4 min。

②供電臂的起點(diǎn)(分相絕緣器)位于車站上行進(jìn)站信號機(jī)外方時(shí)，t后安構(gòu)成示意圖b如圖6所示。該種情況下，當(dāng)天窗結(jié)束時(shí)，前一站B才能為上行通過的貨物列車準(zhǔn)備進(jìn)路，開放信號。此時(shí)該列車頭部在B站上行進(jìn)站信號機(jī)外所處的位置應(yīng)等于一個(gè)制動(dòng)距離及司機(jī)確認(rèn)信號時(shí)間內(nèi)列車所運(yùn)行的距離之和。t后安構(gòu)成因素分解示意圖b如圖7所示。

圖 6?t后安?構(gòu)成示意圖 bFig.6 Diagram of components t后安 b

圖7?t后安?構(gòu)成因素分解示意圖bFig.7 Diagram of t后安 components breakdown b

t后安由3部分組成：第1部分為貨物列車在BA區(qū)間的列車運(yùn)行時(shí)分；第2部分為車站辦理必要的作業(yè)所需要的時(shí)間t作業(yè)；第3部分為上行列車通過進(jìn)站距離L進(jìn)所需要的時(shí)間t進(jìn)，即

式中：tBA為貨物列車從B站到A站的運(yùn)行時(shí)分；t后安通常取值4 +tBAmin。

通過以上天窗前后影響時(shí)間的分析，可以得出天窗影響區(qū)的長度T天如公式 ⑺ 所示。

因每一供電臂的長度、起點(diǎn)、終點(diǎn)位置不同，每一個(gè)供電臂天窗影響區(qū)的長度T天不同，一個(gè)區(qū)段內(nèi)最大的影響區(qū)長度即是該區(qū)段天窗影響區(qū)的長度，即

2 天蘭段V型天窗對區(qū)間通過能力影響

2.1 區(qū)間通過能力計(jì)算

隴海鐵路天水至蘭州段東起天水站，西至蘭州西站，全長350 km，共設(shè)有28個(gè)站，上行27個(gè)區(qū)間，下行26個(gè)區(qū)間，上下行各設(shè)有18個(gè)供電臂，接觸網(wǎng)(供電)綜合天窗為120 min，全區(qū)段最大限制坡度12.5‰， 貨物列車牽引定數(shù)上行4 500 t，下行3 500 t，列車換長70.0，貨物列車采用和諧電力機(jī)車牽引。全區(qū)段為雙線四顯示自動(dòng)閉塞，列車的追蹤間隔I=8 min[6]。在不考慮天窗的情況下平行運(yùn)行圖的區(qū)間通過能力[7]計(jì)算如公式⑼所示。

依據(jù)天蘭段供電臂的布局和上下行貨物列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分可分別計(jì)算出上下行貨物列車影響區(qū)的時(shí)間[8]，考慮到同一供電臂內(nèi)每個(gè)站的天窗影響時(shí)間相同，為簡化計(jì)算按照供電臂第1個(gè)車站的天窗影響區(qū)時(shí)間計(jì)算。上行、下行方向天窗影響區(qū)時(shí)間計(jì)算分別如表1、表2所示。

由表1、表2可知，上行、下行方向天窗影響區(qū)時(shí)間分別為169 min與174 min，因此牽引供電天窗對平行運(yùn)行圖通過能力的影響計(jì)算如公式 ⑽ 和公式⑾ 所示。

表1?上行方向天窗影響區(qū)時(shí)間計(jì)算表? minTab.1 Time calculation results of maintenance window impacted area at up line side

上行線因接觸網(wǎng)天窗造成的平行運(yùn)行圖區(qū)間通過能力的損失為180－158.9 = 21.1列/d，損失11.7%；下行線因接觸網(wǎng)天窗造成的平行運(yùn)行圖區(qū)間通過能力的損失為180－158.3 = 21.7列/d，損失12.0%。

2.2 區(qū)間通過能力模擬驗(yàn)證

運(yùn)用全路統(tǒng)一使用的列車運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)輔助編制系統(tǒng)，對隴海鐵路天蘭段接觸網(wǎng)設(shè)置V型天窗情況下的通過能力進(jìn)行模擬鋪畫，分別鋪畫無天窗的天蘭段平行運(yùn)行圖和安排120 min接觸網(wǎng)檢修V型綜合天窗的平行運(yùn)行圖。無天窗的平行運(yùn)行圖如圖8所示，120 min接觸網(wǎng)檢修V型綜合天窗的平行運(yùn)行圖如圖9所示。在圖8中，上、下行共鋪畫180對貨物列車，圖9中上、下行共鋪畫158對貨物列車，實(shí)際模擬鋪畫貨車對數(shù)與分析計(jì)算的結(jié)果完全一致。

表2?下行方向天窗影響區(qū)時(shí)間計(jì)算表? minTab.2 Time calculation results of maintenance window impacted area at down line side

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）T天是影響區(qū)間通過能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它不僅包括天窗作業(yè)時(shí)間，還包括因天窗影響的天窗前后損失的時(shí)間。電氣化區(qū)段天窗影響的損失時(shí)間與供電臂的長度、起始終了點(diǎn)的位置以及貨物列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分等因素有關(guān)。雙線電氣化區(qū)段的區(qū)間通過能力必須根據(jù)實(shí)際情況具體分析，不能一概而論。

（2）通過貨物列車影響區(qū)分析T天的方法還可應(yīng)用于雙線非電氣化區(qū)段V型天窗對區(qū)間通過能力的影響。此時(shí)T前僅為貨物列車的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分再加天窗開始前的安全間隔時(shí)間，T后為天窗后的安全間隔時(shí)間。

（3）雙線區(qū)段V型天窗對區(qū)間通過能力的影響，上下行線路可能不相同，主要是因?yàn)樨浳锪熊噮^(qū)間運(yùn)行時(shí)分不同，因此在研究雙線區(qū)段V型天窗對區(qū)間通過能力的影響時(shí)應(yīng)分上下行分別確定。

3 結(jié)束語

雙線電氣化區(qū)段開設(shè)接觸網(wǎng)檢修綜合天窗條件下通過對區(qū)間通過能力構(gòu)成因素和取值方法的分析研究，既可以精準(zhǔn)確定各區(qū)段綜合天窗對通過能力的影響，也可以拓展到雙線非電氣化區(qū)段綜合維修天窗對通過能力的影響計(jì)算，為準(zhǔn)確計(jì)算雙線區(qū)段區(qū)間通過能力提供了理論支持，可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場作業(yè)。基于供電臂的構(gòu)成因素分析法也為分析鐵路相關(guān)運(yùn)輸效率指標(biāo)提供借鑒。

圖8?無天窗的平行運(yùn)行圖Fig.8 Parallel train working diagram without maintenance window

圖9?120?min接觸網(wǎng)檢修V型綜合天窗的平行運(yùn)行圖Fig.9 Parallel train working diagram with 120 min V-shape overhead contact line maintenance window