面向路網(wǎng)規(guī)劃的普速鐵路移動(dòng)閉塞區(qū)間通過能力研究

伍杰源

（中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司 規(guī)劃研究所，北京 100038)

普速鐵路是我國鐵路網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)了大量的客、貨運(yùn)輸任務(wù)，在服務(wù)和保障國家重大戰(zhàn)略、支撐引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、滿足人民基本出行需要、促進(jìn)國土開發(fā)和鞏固國防安全等方面發(fā)揮了突出作用。在歷次中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃研究中，普速鐵路都是其中的重要研究內(nèi)容。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，普速鐵路運(yùn)輸需求特別是貨運(yùn)需求總量將進(jìn)一步增長，客、貨運(yùn)輸產(chǎn)品供給進(jìn)一步豐富[1]，因而普速鐵路將采用以市場為導(dǎo)向的運(yùn)輸組織模式，集裝箱班列、快捷貨運(yùn)班列等開行比例將明顯提高，對(duì)于普速鐵路的運(yùn)輸能力提出了更高的要求，主要普速干線將面臨能力不足的問題，從路網(wǎng)規(guī)劃的角度需要研究分析是否需要進(jìn)行線路擴(kuò)能或者規(guī)劃新建分流線路，而應(yīng)用移動(dòng)閉塞技術(shù)可以提高線路通過能力。因此，考慮移動(dòng)閉塞的應(yīng)用前景，分析確定移動(dòng)閉塞條件下的普速鐵路區(qū)間追蹤間隔時(shí)間，量化分析該技術(shù)將對(duì)線路通過能力帶來的影響，對(duì)科學(xué)合理編制中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案，推動(dòng)鐵路網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義[2]。

1 移動(dòng)閉塞條件下區(qū)間通過能力計(jì)算

1.1 移動(dòng)閉塞原理

移動(dòng)閉塞技術(shù)目前在城市軌道交通系統(tǒng)有比較廣泛應(yīng)用，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式投入運(yùn)營，鐵路移動(dòng)閉塞衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注[3-4]。移動(dòng)閉塞是鐵路閉塞技術(shù)的發(fā)展方向，對(duì)于提高現(xiàn)有普速鐵路的通過能力具有一定作用。在移動(dòng)閉塞條件下，列車運(yùn)行不再劃分固定的閉塞分區(qū)，系統(tǒng)可以精確地獲得列車的實(shí)時(shí)位置，追蹤列車可以根據(jù)追蹤間隔距離、列車運(yùn)行速度、列車制動(dòng)性能和線路的相關(guān)參數(shù)，確定最優(yōu)的制動(dòng)時(shí)機(jī)，動(dòng)態(tài)控制列車的追蹤運(yùn)行。追蹤列車以前行列車尾部作為追蹤的目標(biāo)點(diǎn)，追蹤列車首部與該目標(biāo)點(diǎn)的距離需要始終滿足相應(yīng)的安全運(yùn)行間隔。因此，應(yīng)用移動(dòng)閉塞可以進(jìn)一步壓縮追蹤間隔時(shí)間，提高線路的通過能力。根據(jù)追蹤目標(biāo)點(diǎn)的狀態(tài)，列車的追蹤運(yùn)行模式分為“撞硬墻”和“撞軟墻”2種。

（1）“撞硬墻”模式。移動(dòng)閉塞“撞硬墻”模式示意圖如圖1所示。列車追蹤運(yùn)行時(shí)，追蹤列車(圖1中藍(lán)色列車)應(yīng)始終與前行列車(圖1中紅色列車)之間保持足夠的安全間隔。“撞硬墻”模式在計(jì)算追蹤列車制動(dòng)曲線時(shí)，認(rèn)為追蹤目標(biāo)點(diǎn)即為前行列車尾部當(dāng)前的位置，即假設(shè)前行列車在當(dāng)前位置立即靜止，追蹤列車實(shí)施制動(dòng)停穩(wěn)后，與目標(biāo)點(diǎn)的距離仍可以滿足相關(guān)安全規(guī)定。在移動(dòng)閉塞“撞硬墻”模式下，追蹤目標(biāo)點(diǎn)是不斷移動(dòng)的，追蹤列車需要根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)和前后列車的相互位置，實(shí)時(shí)計(jì)算制動(dòng)曲線。例如，圖1中，以前車開始制動(dòng)時(shí)(t0)其列車尾部為后車追蹤目標(biāo)點(diǎn)，后車需要在距離該追蹤目標(biāo)點(diǎn)還有一定安全距離(L安)的位置停下。

（2）“撞軟墻”模式。移動(dòng)閉塞“撞軟墻”模式示意圖如圖2所示?！白曹泬Α蹦Ｊ皆谟?jì)算追蹤列車制動(dòng)曲線時(shí)，考慮到前行列車在追蹤列車制動(dòng)過程中也在不斷向前運(yùn)行，因而認(rèn)為追蹤目標(biāo)點(diǎn)的位置并不是前行列車尾部當(dāng)前的位置，而是前行列車制動(dòng)停穩(wěn)后車尾的位置。為此，追蹤列車需要考慮到兩列車間的相對(duì)制動(dòng)距離，在調(diào)度指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)確定前車的位置、速度及其制動(dòng)性能的基礎(chǔ)上完成追蹤運(yùn)行，在追蹤列車與前行列車均停穩(wěn)后，間隔距離應(yīng)滿足相關(guān)安全規(guī)定。例如，在圖2中，后車始終以前車尾部為追蹤點(diǎn)并實(shí)時(shí)調(diào)整追蹤間隔，前車制動(dòng)停止后，后車在距離該點(diǎn)還有一定安全距離(L安)的位置停下。在“撞軟墻”模式下，前后車的追蹤間隔距離相比“撞硬墻”模式更小。

通過理論分析，移動(dòng)閉塞“撞硬墻”模式的區(qū)間追蹤間隔應(yīng)大于“撞軟墻”模式，由于后者在追蹤運(yùn)行時(shí)考慮了前行列車制動(dòng)后的繼續(xù)行走距離。在“撞軟墻”模式中，假設(shè)前后兩車的速度(含加減速條件)完全一致時(shí)，列車追蹤間隔將很小，線路的通過能力將大大提高[5]。但是，由于列車運(yùn)行控制需要考慮多方面的因素影響，而“撞軟墻”模式對(duì)于列車運(yùn)行控制的精度、響應(yīng)速度等方面要求很高，難以保證足夠的安全冗余，以當(dāng)前的設(shè)備條件實(shí)現(xiàn)難度較大。因此，目前關(guān)于移動(dòng)閉塞的應(yīng)用研究主要集中在“撞硬墻”模式。

1.2 移動(dòng)閉塞追蹤間隔時(shí)分計(jì)算

根據(jù)移動(dòng)閉塞“撞硬墻”模式的追蹤運(yùn)行原理，構(gòu)建該模式下的普速鐵路列車運(yùn)行的追蹤間隔模型[6]?！白灿矇Α蹦Ｊ搅熊囎粉櫨嚯x如圖3所示。

圖1 移動(dòng)閉塞“撞硬墻”模式示意圖Fig.1 Hit-hard-wall mode under movable block condition

圖2 移動(dòng)閉塞“撞軟墻”模式示意圖Fig.2 Hit-soft-wall mode under movable block condition

由圖3可知，“撞硬墻”模式下的追蹤間隔距離L的計(jì)算公式為

式中：L為追蹤間隔距離；L信為列車動(dòng)態(tài)信息傳輸期間追蹤列車走行的距離；L空為追蹤列車空走時(shí)間內(nèi)走行的距離；L制動(dòng)為追蹤列車由運(yùn)行速度v運(yùn)正常制動(dòng)直到靜止所需要的距離；L安為追蹤列車安全防護(hù)距離(建議按1 000 m計(jì)算)；L誤差為列車定位位置誤差(由于定位精度原因?qū)е碌牧熊嚩ㄎ晃恢门c實(shí)際位置的誤差)；L列為列車長度(普速列車一般按1 000 m計(jì)算)。

相應(yīng)的，該模式下列車追蹤間隔時(shí)間的計(jì)算公式為

式中：I追為列車追蹤間隔時(shí)間；t信為列車動(dòng)態(tài)信息的傳輸時(shí)間，包括各種相關(guān)信息及信號(hào)的傳遞、數(shù)據(jù)處理、車載設(shè)備反應(yīng)和其他延遲等所需要的時(shí)間，一般為3 ～ 5 s；t空為追蹤列車空走時(shí)間，包括列車制動(dòng)建立時(shí)間、制動(dòng)建立額外時(shí)間和牽引切除時(shí)間等，普速列車一般取2 s；v運(yùn)為列車運(yùn)行速度，普速鐵路不同列車運(yùn)行速度存在較大差異，建議按照80 km/h計(jì)算。

圖3 “撞硬墻”模式列車追蹤距離Fig.3 Headway of trains under hit-hard-wall mode

列車定位位置誤差L誤差采用青藏線ITCS系統(tǒng)(增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng))的衛(wèi)星定位誤差取值范圍為20 ～ 132.5 m[5]。雖然北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的定位精度較高，但考慮列車的長度和運(yùn)行速度，以及特殊地形、極端天氣等不利條件下的情況，該指標(biāo)應(yīng)采用比較保守的取值，為100 m。L制動(dòng)為追蹤列車由運(yùn)行速度v運(yùn)正常制動(dòng)直到靜止所需要的距離，根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(普速鐵路部分)，普速鐵路各類列車最大的緊急制動(dòng)距離限值為1 400 m。

1.3 移動(dòng)閉塞區(qū)間通過能力計(jì)算

根據(jù)追蹤間隔模型和相關(guān)參數(shù)分析，從充分保障列車安全角度出發(fā)，采用最保守的取值測算，理論上普速鐵路“撞硬墻”模式下的移動(dòng)閉塞區(qū)間追蹤間隔時(shí)間在3 min左右，與目前應(yīng)用移動(dòng)閉塞技術(shù)的城市軌道交通列車追蹤間隔時(shí)間較為接近，而且仍然有一定的壓縮空間[6]。但是，普速鐵路運(yùn)輸組織更加復(fù)雜，在計(jì)算區(qū)間通過能力時(shí)需要考慮整個(gè)運(yùn)輸環(huán)節(jié)。區(qū)間追蹤間隔時(shí)間僅是區(qū)間通過能力的一個(gè)影響因素，除此之外，車站、樞紐等運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的能力也是通過能力提高的重要限制因素。因此，在計(jì)算列車最小追蹤間隔時(shí)間時(shí)，還需要綜合分析考慮車站到發(fā)線能力、車站咽喉能力、延時(shí)進(jìn)路解鎖等一系列制約條件。目前主要普速干線(雙線自動(dòng)閉塞)的區(qū)間貨物列車最小追蹤間隔時(shí)間約為7 min，在應(yīng)用移動(dòng)閉塞技術(shù)后，如果考慮車站咽喉等其他限制條件，貨物列車的最小追蹤間隔時(shí)間可壓縮至6 min。

我國常使用扣除系數(shù)法計(jì)算普速鐵路非平行運(yùn)行圖的區(qū)間通過能力，即先計(jì)算平行運(yùn)行圖通過能力，再基于其他不同類型列車的開行對(duì)數(shù)和相應(yīng)的扣除系數(shù)，計(jì)算線路非平行運(yùn)行圖的通過能力[7]。平行運(yùn)行圖通過能力的計(jì)算公式為

式中：N為平行運(yùn)行圖通過能力，對(duì)/d；T周為運(yùn)行圖周期，min；t封為運(yùn)行圖規(guī)定的線路及接觸網(wǎng)等施工檢修封鎖時(shí)間，min。

雙線普速鐵路在應(yīng)用移動(dòng)閉塞后，按照壓縮后的最小追蹤間隔時(shí)間6 min，天窗時(shí)間120 min計(jì)算，平行運(yùn)行圖的通過能力將從188對(duì)/d提高至220對(duì)/d左右，較當(dāng)前增長17%，線路的平行運(yùn)行圖通過能力明顯提高。對(duì)于非平行運(yùn)行圖，盡管線路平行運(yùn)行圖通過能力在應(yīng)用移動(dòng)閉塞后增大，但是實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，旅客列車的扣除系數(shù)會(huì)隨著列車追蹤間隔時(shí)間縮小而呈增大趨勢。因此，在應(yīng)用移動(dòng)閉塞后，非平行運(yùn)行圖線路通過能力增長幅度將低于平行運(yùn)行圖線路通過能力增長幅度。同時(shí)，旅客列車開行對(duì)數(shù)也會(huì)影響扣除系數(shù)的取值，需要考慮不同旅客列車開行數(shù)量下，扣除系數(shù)變化對(duì)能力的影響[8]。經(jīng)分析計(jì)算，得到不同旅客列車開行對(duì)數(shù)下，應(yīng)用移動(dòng)閉塞后非平行運(yùn)行圖通過能力的提高幅度如圖4所示。

圖4 應(yīng)用移動(dòng)閉塞后非平行運(yùn)行圖通過能力提高幅度Fig.4 Improvement range of non-parallel train working diagram carrying capacity after the application of movable blocking technology

由圖4可知，考慮旅客列車開行影響，應(yīng)用移動(dòng)閉塞后，普速雙線鐵路的非平行運(yùn)行圖通過能力將提高10% ～ 17%。其中，旅客列車開行對(duì)數(shù)在50對(duì)/d以下時(shí)，線路通過能力提高幅度較為穩(wěn)定，保持在17%左右；而旅客列車開行對(duì)數(shù)超過50對(duì)/d后，應(yīng)用移動(dòng)閉塞對(duì)線路非平行運(yùn)行圖通過能力的提升作用逐步減小。

2 面向路網(wǎng)規(guī)劃的移動(dòng)閉塞通過能力分析

2.1 面向路網(wǎng)規(guī)劃的通過能力分析

由于移動(dòng)閉塞可以提高線路通過能力，在一定程度上改善線路能力適應(yīng)性，對(duì)普速鐵路規(guī)劃方案可能造成較大的影響。在鐵路網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃的編制工作中，需要根據(jù)線路采用的閉塞方式，確定線路通過能力，并以此為約束構(gòu)建鐵路交通量分配模型，以此判斷規(guī)劃期是否需要規(guī)劃實(shí)施擴(kuò)能改造，或規(guī)劃新建分流線等，以支撐路網(wǎng)規(guī)劃工作。

從既有的京滬線(北京—上海)、京廣線(北京西—廣州)、京九線(北京西—九龍) 3條南北走向的普速鐵路干線(以下簡稱“3大干線”)來看，目前這些普速鐵路均為雙線電氣化自動(dòng)閉塞線路、追蹤間隔時(shí)間均達(dá)到7 min，平行運(yùn)行圖通過能力達(dá)到188對(duì)/d，但由于旅客和貨物列車的開行對(duì)數(shù)仍然處于較高水平，普速鐵路干線能力飽和區(qū)段(通過能力利用率達(dá)到90%以上)超過了總里程的35%，部分區(qū)段如京廣線長沙至衡陽段長期處于能力飽和狀態(tài)，3大干線通過能力總體上仍然比較緊張。因此，通過以3大干線為例，結(jié)合規(guī)劃期的運(yùn)量預(yù)測結(jié)果，分別計(jì)算應(yīng)用移動(dòng)閉塞技術(shù)前后線路通過能力的利用情況，分析在不同運(yùn)量預(yù)測水平下得出的路網(wǎng)規(guī)劃結(jié)果。

2.2 移動(dòng)閉塞條件下通過能力提升作用分析

在既有技術(shù)條件下，若采用扣除系數(shù)法計(jì)算線路通過能力，3大干線平行運(yùn)行圖通過能力仍然為188對(duì)/d，旅客列車扣除系數(shù)采用當(dāng)前規(guī)定取值，預(yù)測集裝箱運(yùn)量中的白貨集裝箱按照快捷班列組織，并比照相應(yīng)的扣除系數(shù)處理。應(yīng)用“撞硬墻”模式的移動(dòng)閉塞技術(shù)后，3大干線移動(dòng)閉塞通過能力變化如表1所示。3大干線區(qū)間最小追蹤間隔時(shí)間可壓縮至6 min，線路通過能力將得到提升，平行運(yùn)行圖通過能力提高至220對(duì)/d。根據(jù)移動(dòng)閉塞下普速鐵路通過能力提升的研究結(jié)果，考慮旅客列車開行影響，應(yīng)用移動(dòng)閉塞后，普速雙線鐵路的非平行運(yùn)行圖通過能力將提高10% ～ 17%，其增長幅度主要受開行旅客列車對(duì)數(shù)影響。

2.3 移動(dòng)閉塞條件下通過能力對(duì)需求適應(yīng)性分析

2.3.1 客貨運(yùn)量需求分析

根據(jù)規(guī)劃期(2035年)的運(yùn)量預(yù)測研究，針對(duì)3大干線的不同區(qū)段分別研究提出了低、中、高3個(gè)梯度的運(yùn)量水平方案，其中考慮到集裝箱運(yùn)輸快速發(fā)展對(duì)線路運(yùn)輸組織和能力適應(yīng)性將帶來的巨大影響，對(duì)鐵路集裝箱貨運(yùn)量做了專門預(yù)測。3大干線規(guī)劃期(2035年)客貨運(yùn)量預(yù)測如表2所示。在客運(yùn)方面，盡管規(guī)劃期3大干線的同通道均將建成高速鐵路，形成“高速+普速”的路網(wǎng)格局，而為了保障人民群眾基本出行需求，規(guī)劃期3大干線仍需要繼續(xù)開行一定規(guī)模的普速旅客列車，這將限制和影響普速干線的貨運(yùn)能力。貨運(yùn)方面，3個(gè)運(yùn)量方案的預(yù)測結(jié)果均表明，隨著全社會(huì)貨運(yùn)總量的持續(xù)較快增長和鐵路貨運(yùn)增量行動(dòng)的深入推進(jìn)，貨運(yùn)向集裝化、班列化運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展趨勢十分明顯，規(guī)劃期3大干線各區(qū)段貨運(yùn)密度將保持增長，特別是集裝箱的運(yùn)量將大幅增長，在貨運(yùn)量中的比重將明顯提高。

表1 3大干線移動(dòng)閉塞后通過能力變化Tab.1 Changes of carrying capacity of three main lines after application of movable block

根據(jù)預(yù)測得到的貨運(yùn)密度和結(jié)構(gòu)，可以按照相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)折算為列車開行對(duì)數(shù)，但考慮到未來貨運(yùn)班列化、集裝化、直達(dá)化的運(yùn)輸組織方式將使列車開行對(duì)數(shù)增加，3大線路客、貨列車開行總對(duì)數(shù)均在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上將有一定幅度的提升。

2.3.2 線路能力利用率

基于以上分析，既有技術(shù)條件下規(guī)劃期3大干線能力利用率(低、中、高運(yùn)量預(yù)測)如圖5所示，其中能力利用率超過100%的區(qū)段標(biāo)記為黑色表示該區(qū)段能力不足，90% ～ 100%的區(qū)段標(biāo)記為紅色表示該區(qū)段能力飽和，80% ～ 90%的區(qū)段標(biāo)記為橙色表示該區(qū)段能力比較緊張，80%以下區(qū)段標(biāo)記為綠色表示該區(qū)段能力存在一定富余（下同）。利用扣除系數(shù)法，分析測算移動(dòng)閉塞條件下3大干線能力利用率(低、中、高預(yù)測運(yùn)量)如圖6所示。

（1）采用固定閉塞能力適應(yīng)性。由圖5可知，在低運(yùn)量水平下，3大干線只有部分區(qū)段能力不足，其他區(qū)段能力基本適應(yīng)或略有富余；在中運(yùn)量水平下，3大干線已經(jīng)出現(xiàn)較大范圍的能力不足情況，特別是京廣線南段、京滬線北段等區(qū)段；在高運(yùn)量水平下，3大干線將出現(xiàn)大面積的能力不足，其總體能力適應(yīng)性較差。因此，從路網(wǎng)規(guī)劃的角度，在既有技術(shù)條件下，線路通過能力沒有提升，3大干線的部分區(qū)段或線路整體難以適應(yīng)中、高運(yùn)量水平的運(yùn)輸需求，需要有針對(duì)性地考慮線路能力補(bǔ)強(qiáng)或新建分流線路。

表2 3大干線規(guī)劃期(2035年)客貨運(yùn)量預(yù)測 對(duì) / dTab.2 Forecast of passenger and freight traffic volume of three main lines in the planning period (2035)

（2）采用移動(dòng)閉塞能力適應(yīng)性。由圖6可知，假定3大干線在“撞硬墻”模式下，3大干線在低、中預(yù)測運(yùn)量水平下線路能力適應(yīng)性較好，只有個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)能力不足狀態(tài)；在高預(yù)測運(yùn)量水平下，盡管部分區(qū)段也存在一定程度的能力不足，但也明顯優(yōu)于既有技術(shù)條件下的線路，沒有出現(xiàn)整體性和大面積的能力不足，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)輸組織緩解能力不足的矛盾。從總體上看，如果考慮移動(dòng)閉塞技術(shù)應(yīng)用對(duì)線路能力帶來的提升，初步分析規(guī)劃期3大普速干線的通過能力將基本適應(yīng)運(yùn)輸需求的增長。據(jù)此可知，從鐵路網(wǎng)規(guī)劃的角度，應(yīng)用移動(dòng)閉塞技術(shù)后，既有3大干線的運(yùn)輸能力有所提升，能夠基本適應(yīng)規(guī)劃期的客貨運(yùn)輸需求，規(guī)劃新建相應(yīng)的長大普速干線進(jìn)行分流的必要性不強(qiáng)。

3 結(jié)束語

圖5 既有技術(shù)條件下規(guī)劃期3大干線能力利用率(低、中、高預(yù)測運(yùn)量)Fig.5 Under the existing technical conditions, the capacity utilization of the three main lines in the planning period(low, medium and high forecasted volume levels)

圖6 移動(dòng)閉塞條件下3大干線能力利用率(低、中、高預(yù)測運(yùn)量)Fig.6 Capacity utilization of three main lines considering movable block conditions(low, medium and high forecasted volume levels)

隨著鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的步伐加快，移動(dòng)閉塞技術(shù)將逐步應(yīng)用在普速鐵路中，進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)輸效率，有利于推動(dòng)鐵路內(nèi)涵擴(kuò)大再生產(chǎn)，是鐵路運(yùn)輸組織的一次新的技術(shù)飛躍。為此，在鐵路網(wǎng)規(guī)劃工作中，需要充分考慮應(yīng)用移動(dòng)閉塞技術(shù)對(duì)線路通過能力的提升作用，充分挖掘既有普速鐵路潛力、減少重復(fù)建設(shè)、提高經(jīng)營效益和推動(dòng)鐵路網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展。為了更好地適應(yīng)客貨運(yùn)輸需求增長，應(yīng)加快研究和推進(jìn)實(shí)施移動(dòng)閉塞技術(shù)在普速鐵路的應(yīng)用。由于通過能力計(jì)算結(jié)果基于一定的邊界條件和假定，將來還需要考慮實(shí)際運(yùn)輸生產(chǎn)中的復(fù)雜影響因素，根據(jù)線路、車站和列車開行等實(shí)際情況，修正追蹤間隔時(shí)間和通過能力的計(jì)算參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。