滬杭高速鐵路列車間隔時間取值計算與試驗分析

張守帥，李 微，盧萬勝，高 前

（1.西南交通大學(xué) 交通運輸與物流學(xué)院，四川 成都 611756；2.成都交通高級技工學(xué)校 教學(xué)中心，四川 成都 610081；3.中國鐵路上海局集團有限公司 運輸部，上海 200071)

滬杭高速鐵路(上海虹橋—杭州東)是長三角高速鐵路網(wǎng)的限制性區(qū)段，客流需求旺盛，2020 年6 月該線路列車開行數(shù)量達162.5 對/d，為全路高速鐵路之最。目前滬杭高速鐵路運量與運能的矛盾日漸突出，迫切需要進一步提高線路能力。列車間隔時間是通過能力的關(guān)鍵參數(shù)，壓縮列車間隔時間可以大幅提高通過能力。滬杭高速鐵路在實際運營中采用5 min 追蹤間隔，與3 min 的設(shè)計目標有很大差距，為此相關(guān)專家在列車間隔時間計算的基本原理、影響因素和變化規(guī)律等方面展開大量研究，但一直未在運行圖中實現(xiàn)3 min 追蹤間隔時間。因此，通過對滬杭高速鐵路列車間隔時間的限制因素進行分析，結(jié)合滬杭高速鐵路實際情況，研究各類間隔時間的計算方法并進行理論檢算，據(jù)此設(shè)計追蹤試驗并分析試驗結(jié)果，驗證可實現(xiàn)的最小間隔時間，研究結(jié)果對滬杭高速鐵路能力提升具有重要意義。

1 滬杭高速鐵路列車間隔時間限制因素分析

列車間隔時間I指列車區(qū)間追蹤間隔時間I追、列車出發(fā)追蹤間隔時間I發(fā)、列車到達追蹤間隔時間I到和列車通過追蹤間隔時間I通中的最大者，即I= max {I追，I發(fā)，I到，I通}。因此，高速鐵路的列車間隔時間取決于全線的I追和沿線所有車站的I發(fā)，I到，I通。

影響I追的主要因素，包括線路條件、動車組制動性能、進路辦理等附加時間、咽喉區(qū)長度、道岔側(cè)向限速、閉塞分區(qū)長度、一離去內(nèi)電分相設(shè)置情況等。根據(jù)相關(guān)研究，高速鐵路I追基本能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)間3 min 追蹤，尤其是滬杭高速鐵路的線路條件較好，坡度基本在±10‰以內(nèi)，各坡段長度均在5 km 以內(nèi)，車載監(jiān)控制動距離L制較短，I追取值較小，一般不構(gòu)成列車間隔時間的限制點。因此，滬杭高速鐵路的列車間隔時間主要受限于車站的I發(fā)，I到，I通。

滬杭高速鐵路的車站，包括兩端的上海虹橋站、杭州東站，以及7 個中間站。7 個中間站中，嘉興南站為4 臺8 線，其余6 個中間站均為2 臺4線，與上海虹橋高速場的10 臺19 線、杭州東站滬杭長場的6 臺12 線相比，車站規(guī)模小、咽喉短，不會構(gòu)成滬杭高速鐵路列車間隔時間的限制因素。上海虹橋站與杭州東站的車站規(guī)模大，咽喉復(fù)雜導(dǎo)致進路辦理時間長，接發(fā)車進路距離長，導(dǎo)致列車出清一離去或關(guān)聯(lián)道岔的時間長，因此這兩個大型車站的間隔時間取值較大，是滬杭高速鐵路全線列車間隔時間的限制點。同時，上海虹橋站與杭州東站均為華東地區(qū)重要的鐵路樞紐，途徑列車絕大多數(shù)都在此折返或停站，基本不存在兩列車連續(xù)通過車站的情況，因此I通出現(xiàn)的概率較小，反而是折返列車出于轉(zhuǎn)換運行方向的需要，在接車或發(fā)車時會橫切咽喉，這直接影響到整個車站的接發(fā)列車工作，與I發(fā)，I到，I通所表述的同方向列車之間的間隔時間不同，此時車站的到達列車與出發(fā)列車運行方向相反，但也存在相互干擾，對應(yīng)的間隔時間分別為列車不同時發(fā)到間隔時間τ發(fā)到和列車不同時到發(fā)間隔時間τ到發(fā)，由于τ到發(fā)的取值很小，甚至可以為0 或負數(shù)，因此也不考慮τ到發(fā)的影響。

綜上，滬杭高速鐵路列車間隔時間主要取決于上海虹橋站和杭州東站兩大車站的I發(fā)，I到和τ發(fā)到，目前運行圖技術(shù)資料中規(guī)定滬杭高速鐵路上海虹橋、杭州東站的I發(fā)均為5 min，I到均為4 min，τ發(fā)到均為7 min，需通過對兩站的3 類間隔時間進行理論計算和試驗結(jié)果分析，以掌握準確的最小間隔時間。

2 滬杭高速鐵路列車間隔時間理論計算

2.1 列車間隔時間計算方法

2.1.1I發(fā)計算方法

列車出發(fā)追蹤間隔時間I發(fā)指自前行列車由車站發(fā)出時起，至由該站同方向再發(fā)出另一列車時止的最小間隔時間[1]，包括前行列車從車站出發(fā)至出清一離去時間和辦理后行列車出發(fā)作業(yè)時間，列車出發(fā)追蹤間隔示意圖如圖1 所示。I發(fā)計算公式為

圖1 列車出發(fā)追蹤間隔示意圖Fig.1 Schematic diagram of departure headway

若通過寫實的方式測算I發(fā)時，其由前行列車自信號開放到出清一離去的時間、輪詢時間、為后車辦理進路和開放信號的時間等構(gòu)成[2]。

2.1.2 階梯型限速條件下I到的計算方法

圖2 列車到達追蹤間隔時間示意圖Fig.2 Schematic diagram of arrival headway

階梯型限速是指在進站前一段距離內(nèi)有連續(xù)的多段限速，且越接近車站限速值越低。階梯型限速對到達間隔時間的影響如圖3 所示，①、②、③分別代表3 段限速，到達列車經(jīng)過①、②、③所限制的速度值依次遞減，該情況為典型的階梯型限速。若進站前線路存在階梯型限速，則各段限速中會有1 個限制性的限速區(qū)段，其決定了L制取值，進而影響到I到。因此，計算階梯型限速下I到，首先需要確定哪一段限速為限制性限速[3]。以圖3 所示階梯型限速為例，部分限速高于列車進站控車曲線的速度值，對列車進站過程無影響，如限速區(qū)段③；部分限速低于列車進站控車曲線的速度值，對列車進站的速度曲線有影響，如限速區(qū)段①、②。限制性限速是距離進站方向最近的有效限速，如圖3 中的限速②，車載監(jiān)控制動距離L制的取值應(yīng)按限制性限速的值進行檢算。顯然，這會導(dǎo)致L制的取值變小，進而壓縮到達間隔時間[4]。

圖3 階梯型限速對到達間隔時間的影響Fig.3 Effect of stepped speed limit on arrival headway

若通過寫實的方式測算I到時，其由前行列車自進站信號機至出清關(guān)聯(lián)道岔的時間、輪詢時間、為后車辦理進路和開放信號的時間、后車在站外走行至進站信號機的時間等構(gòu)成[5]。

2.1.3τ發(fā)到的計算方法

圖4 列車不同時發(fā)到間隔時間示意圖Fig.4 Schematic diagram of departure-arrival headway between different trains

2.2 上海虹橋及杭州東站站場情況

I到主要取決于列車的制動性能、咽喉區(qū)長度、線路坡度、限速等，I發(fā)主要取決于列車牽引性能、咽喉區(qū)及一離去的長度、線路坡度、限速等，τ發(fā)到由于同時涉及到列車出發(fā)和到達，I到和I發(fā)的影響因素均對τ發(fā)到有影響[6]。在列車類型確定的前提下，I發(fā)，I到和τ發(fā)到主要受上海虹橋站和杭州東站的站場條件限制。

（1）上海虹橋站。上海虹橋站分為高速場和綜合場，第1 至19 股道為高速場股道，其中第9 道、10 道為正線；第20 至30 股道為綜合場股道。高速場兩端分別連接京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)和滬杭高速鐵路；綜合場第20 股道通過聯(lián)絡(luò)線與高速場相連，上海虹橋站站場結(jié)構(gòu)如圖5 所示。上海虹橋站杭州東方向咽喉區(qū)長度為1 075 m，進站前10 km 內(nèi)的線路較為平緩，坡度均在±5‰以內(nèi)。此外，由于小半徑曲線等影響，上海虹橋站杭州方向進站前線路存在階梯型限速，依次為自K15+200至K12+100 處 限 速290 km/h，自K12+100 至K2+000 處 限 速220 km/h，自K2+000 至進站信號機處限速160 km/h。

圖5 上海虹橋站站場結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Yard structure diagram of Shanghai Hongqiao Station

（2）杭州東站。杭州東站分為滬杭長場、寧杭甬場和普速場，其中第14 至25 股道為滬杭長場，第19 道、20 道為正線，兩端分別連接滬杭高速鐵路和滬昆高速鐵路(上海虹橋—昆明南)的長沙方向(即與杭州南杭長場相連)，且滬杭長場中第23 道、24 道、25 道不滿足滬杭高速鐵路的折返條件，杭州東站滬杭長場站場結(jié)構(gòu)如圖6 所示。杭州東站滬杭長場的虹橋方向咽喉區(qū)長度為841 m，在進站前5 km 內(nèi)線路坡度以下坡為主，存在-20‰和-14‰等坡度，進站前5 ～ 11 km 線路以上坡或平坡為主。此外，由于小半徑曲線等影響，杭州東進站前線路存在階梯型限速，依次為自K147+600至K151+500 處 限 速260 km/h， 自K151+500 至K154+700 處 限 速170 km/h，自K154+700 至 進 站信號機處限速150 km/h。

圖6 杭州東站滬杭長場站場結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of Huhangchang Yard in Hangzhou East Station

2.3 兩站列車間隔時間的理論計算

目前滬杭高速鐵路上運行的高速列車種類有CR400BF，CRH380A，CRH380B，CRH380BL，CRH380D，CRH2C 重聯(lián)等，選取CRH380BL 裝備CTCS3—300T 列控系統(tǒng)作為列車加速度、列控系統(tǒng)控車曲線的取值依據(jù)。

（1）上海虹橋站。根據(jù)列車和列控系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)以及線路條件，計算進站時的車載監(jiān)控曲線、進出站的速度曲線，據(jù)此明確列車間隔時間計算方法中各參數(shù)取值，對上海虹橋站列車到達間隔時間I到、列車出發(fā)間隔時間I發(fā)以及列車不同時發(fā)到間隔時間τ發(fā)到依次進行分析。

①I到。首先以進站信號機(即K0+078)處作為打靶點，按照車載減速度，反向推算列車的控車曲線與線路最低有效限速的交點為K3+797 處，該點位于K12+100 至K2+000 之間220 km/h 的限速區(qū)段內(nèi)。因此，列車到達間隔時間的走行時間包含3 個部分：一是自K3+797 至K2+000 的走行時間，列車運行速度由220 km/h 降至160 km/h，計算得到該段走行時間為32 s；二是自K2+000 至進站過程的走行時間，列車運行速度由160 km/h降至80 km/h，走行時間為51 s；三是自進站信號機至列車完全進入股道的走行時間，列車運行速度由80 km/h 降至停車標的0 km/h，走行時間為67 s。3 段過程走行時間合計150 s，列車到達作業(yè)附加時間按40 s 計，故上海虹橋站列車I到共計190 s。

②I發(fā)。自停車標到應(yīng)答器間列車限速為45 km/h，自應(yīng)答器到列車尾部出清最后一個道岔限速為80 km/h，考慮到實際中大多數(shù)應(yīng)答器距停車標較近，45 km/h 限速要求基本不會影響列車加速；80 km/h 限速段按照最不利場景考慮，即列車出清一離去后方可提速，列車加速度取0.4 m/s2，列車啟動至出清一離去走行距離為2 370 m，計算可得列車出清一離去走行時間為135 s，列車出發(fā)作業(yè)附加時間按51 s 計，故上海虹橋站列車出發(fā)間隔時間I發(fā)共計186 s。

③τ發(fā)到。假定前行出發(fā)列車出清咽喉后，方可為后車辦理到達作業(yè)，經(jīng)牽引計算得到前車出清咽喉時間為95 s，后車辦理到達進路時間為40 s，后車進站停穩(wěn)時間為175 s，得到上海虹橋站列車發(fā)到間隔時間共計310 s。

（2）杭州東站。同理計算可得，杭州東站進站曲線與MRSP 曲線的交點位于線路K154+027 處，該點位于K151+500 至K154+700 之間170 km/h 的限速區(qū)段內(nèi)。理論計算得到杭州東站I到為164 s；I發(fā)為173 s；τ發(fā)到為255 s。

3 滬杭高速鐵路3 min 追蹤運行試驗分析

由于實際的列車追蹤間隔時間不僅受到線路條件、列車性能等指標的影響，還與司機操縱習(xí)慣、輪詢時間、進路辦理時間、應(yīng)答器位置等因素密切相關(guān)[7]，為了更準確地把握相關(guān)因素的影響，更準確地掌握列車進站的運行狀態(tài)，中國鐵路上海局集團有限公司組織實施滬杭高速鐵路3 min 追蹤運行試驗，對滬杭高速鐵路上海虹橋站、杭州東站的列車到達間隔時間、列車出發(fā)間隔時間、列車不同時發(fā)到間隔時間進行試驗驗證，可通過對其數(shù)據(jù)分析，掌握實際中滬杭高速鐵路可實現(xiàn)的間隔時間。

3.1 試驗設(shè)計

根據(jù)理論檢算結(jié)果，滬杭高速鐵路杭州東站的I到，I發(fā)均可實現(xiàn)3 min，τ發(fā)到可實現(xiàn)5 min；上海虹橋站的I到，I發(fā)略超出 3 min，τ發(fā)到超出5 min。由于在理論檢算時考慮的均為最不利場景，滬杭高速鐵路按照I到，I發(fā)為3 min，τ發(fā)到為6 min 的標準進行追蹤運行試驗，試驗具體設(shè)計如下。

（1）通過接發(fā)車時不同股道的組合，全面覆蓋最有利、最不利等各種場景，測試杭州東站、上海虹橋站可實現(xiàn)的列車間隔時間，驗證理論檢算結(jié)果。

（2）采 用6 列16 輛 編 組 的CRH380BL 動 車組，裝備CTCS3-300T 列控車載設(shè)備，以自動觸發(fā)模式進行進路排列，將CTC 系統(tǒng)輪詢時間由30 s改為6 s，以3 列車為1 組進行連續(xù)到達和出發(fā)、發(fā)到間隔的追蹤試驗，兩組列車分別測試杭州東站和上海虹橋站采用分線束、臨靠正線及最外側(cè)股道等不同股道運用方案下的列車間隔時間，為后續(xù)股道運用方案優(yōu)化和壓縮運行圖間隔時間提供依據(jù)。

（3）對各環(huán)節(jié)的具體作業(yè)時間進行寫實和分析，通過與理論檢算的對比，為后續(xù)列車間隔時間計算的進一步完善提供基礎(chǔ)。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗針對上海虹橋站和杭州東站的3 類間隔時間，在不同股道下進行多次追蹤驗證，對各環(huán)節(jié)分別獲取多次數(shù)據(jù)，由于在實際中各環(huán)節(jié)消耗的時間是在一定范圍內(nèi)隨機分布的，研究選取各環(huán)節(jié)所消耗時間的平均值作為最終取值，從而確定追蹤運行試驗兩站列車到達間隔時間I到、列車出發(fā)間隔時間I發(fā)以及列車不同時發(fā)到間隔時間τ發(fā)到結(jié)果[8]。

兩站列車到達間隔時間中各環(huán)節(jié)的取值平均處理，得到上海虹橋站及杭州東站列車到達間隔時間分析表如表1 所示。計算可得上海虹橋站I到為177 s，杭州東站I到為156 s。結(jié)合理論計算與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，可知上海虹橋站和杭州東站的I到均可實現(xiàn)3 min。

表1 上海虹橋站及杭州東站列車到達間隔時間分析表 sTab.1 Analysis of arrival headway at Shanghai Hongqiao Station and Hangzhou East Station

上海虹橋站及杭州東站列車出發(fā)間隔時間分析表如表2 所示，計算可得上海虹橋站I發(fā)為162 s，杭州東站I發(fā)為161 s。結(jié)合理論計算與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，可知上海虹橋站和杭州東站的I發(fā)均可實現(xiàn)3 min。

表2 上海虹橋站及杭州東站列車出發(fā)間隔時間分析表 sTab.2 Analysis of departure headway at Shanghai Hongqiao Station and Hangzhou East Station

τ發(fā)到包括前車從信號開放到列車出清股道的時間、從出清股道到出清關(guān)聯(lián)道岔時間、輪詢時間、為后車辦理進路和開放信號時間、后車到達進站信號機的時間、后車從進站信號機到停穩(wěn)時間等，上海虹橋站及杭州東站列車發(fā)到間隔時間分析表如表3 所示。計算可得上海虹橋站τ發(fā)到為346 s，杭州東站τ發(fā)到為315 s。結(jié)合理論計算與試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，可知上海虹橋站和杭州東站的τ發(fā)到均可實現(xiàn)6 min。

表3 上海虹橋站及杭州東站列車發(fā)到間隔時間分析表 sTab.3 Analysis of departure-arrival headway at Shanghai Hongqiao Station and Hangzhou East Station

通過將試驗數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，理論計算與試驗數(shù)據(jù)的主要誤差體現(xiàn)在列車走行時間和進路辦理時間2 個方面。以上海虹橋站為例，理論計算的列車走行時間均小于實際列車走行時間，其誤差在1 ～ 32 s 之間，說明實際列車在出站時并非以最大加速度行駛、進站時并非完全貼線運行，導(dǎo)致走行時間更長；理論計算的進路辦理時間均大于實際進路辦理時間，誤差在11 ～ 32 s之間，說明理論計算的取值偏大，一是由于理論計算需考慮通信傳輸產(chǎn)生延時、扳動道岔組最多等最不利條件時取值，二是由于試驗將CTC 系統(tǒng)的輪詢時間由30 s 壓縮至6 s。

4 結(jié)束語

結(jié)合理論檢算與試驗分析，滬杭高速鐵路上海虹橋站和杭州東站的列車到達、出發(fā)間隔時間均可實現(xiàn)3 min，列車不同時發(fā)到間隔時間可實現(xiàn)6 min，這為我國高速鐵路首次實現(xiàn)3 min 追蹤提供支撐。2020 年7 月1 日運行圖調(diào)整中，滬杭高速鐵路首次開行3 min 追蹤的列車，新增開列車2對；2021 年6 月25 日運行圖調(diào)整中，滬杭高速鐵路又首次實現(xiàn)連續(xù)3 列車以3 min 間隔連發(fā)，為世界300 km/h 速度級高速鐵路的最大追蹤密度。后續(xù)應(yīng)逐步探索壓縮京滬高速鐵路等繁忙干線的追蹤間隔，進一步釋放線路通過能力，為鐵路和社會帶來更大的社會經(jīng)濟效益。