基于“撞硬墻”和“撞軟墻”相結(jié)合的高速鐵路列控系統(tǒng)控車方法研究

李微 張守帥

摘要：壓縮列車追蹤間隔可以顯著提升行車密度，優(yōu)化列控系統(tǒng)的控車方法是壓縮追蹤間隔的重要手段。目前常見的“撞硬墻”控車模式在效率上存在很大冗余，“撞軟墻”控車模式又無法保證行車的絕對安全。因此提出“撞硬墻”和“撞軟墻”相結(jié)合的控車模式，在保證列車絕對安全的前提下壓縮列車追蹤距離。給出了對該控車模式優(yōu)化的基本原則，并針對該模式下前車速度無法獲取、控車曲線無法滿足約束的問題，探討了基于軌道電路信息的列車速度估算方法和滿足相關(guān)約束的控車曲線生成技術(shù)。以CRH380BL列車為例，編制求解程序獲取了優(yōu)化后的列控減速度建議取值，新控車模式下平直道上列車追蹤距離可壓縮3 035 m，區(qū)間追蹤間隔時(shí)間可壓縮31 s。這對提升高鐵運(yùn)營效率和線路通過能力有重要意義。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；列控系統(tǒng)；撞軟墻；撞硬墻；控車曲線；減速度

中圖分類號：U283.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：1002-4026（2023）05-0085-08

Train control method for high-speed railways combining“hit-hard-wall” and “hit-soft-wall” control modes

LI Wei1，ZHANG Shoushuai2

（1. Chengdu Institute of Rail Technology， Chengdu 610081，China；2. School of Transportation and Logistics，Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756，China）

Abstract∶The passing capacity of several busy high-speed railway lines in China is declining， and reducing train headway can considerably improve train density.However， optimizing the control method for train control systems is important to reduce the headway. On one hand， the commonly employed “hit-hard-wall” control mode has redundancies， rendering it inefficient. On the other hand，the “hit-soft-wall” control mode cannot ensure the absolute safety of train operation. Therefore， this paper proposes a combined“hit-hard-wall” and “hit-soft-wall” control mode， which reduces train tracking interval while ensuring the absolute safety of the train. Further， basic principles for optimizing this control mode are presented herein.In addition， solutions for problems such as the inability to determine the speed of the preceding train and to fulfill control curve constraints under this mode are explored.The solutions include track circuit information-based train speed estimation and control curve generation techniques that satisfy relevant constraints. Considering the CRH380BL train as an example， a solution was developed to obtain recommended values for train control deceleration.Consequently， the train tracking interval on straight tracks was reduced by 3035 meters， and the interval tracking time was reduced by 31 seconds through the proposed control mode. This is of great significance for improving the operational efficiency and passing capacity of high-speed? railway lines.

Key words∶high-speed railway; train control system; hit-soft-wall; hit-hard-wall; train control curve; deceleration

我國高速鐵路發(fā)展迅速，截至2021年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程超4萬公里，2019年動車組客運(yùn)量達(dá)22.9億人次，占鐵路總客流的62.6%以上[1-2]。隨著人民生活水平的提升以及高鐵路網(wǎng)規(guī)模效應(yīng)的逐步體現(xiàn)，高速鐵路客流量將不斷增加，部分高鐵繁忙區(qū)段的能力接近飽和，如京滬高鐵徐蚌段開行列車154對[3]，滬杭高鐵開行列車162.5對[4]，理論計(jì)算的通過能力利用率已經(jīng)超過100%，相對受限的線路能力與日益增長的客運(yùn)需求之間的矛盾日益突出，對提升線路通過能力的需求日益迫切。

高鐵通過能力主要取決于追蹤間隔時(shí)間以及運(yùn)輸組織模式（列車速度等級、停站方式等）[5]。列車追蹤間隔時(shí)間是線路、車輛、信號、運(yùn)營等各專業(yè)綜合水平的最終體現(xiàn)，通過壓縮列車追蹤間隔時(shí)間可以顯著提升線路的通過能力[6]。

國內(nèi)外學(xué)者對追蹤間隔時(shí)間壓縮方法進(jìn)行了大量的研究探索[7-8]，并提出了優(yōu)化行車組織方式，改變咽喉布置，優(yōu)化閉塞方式，優(yōu)化控車曲線等方法，在實(shí)踐中取得了明顯的成效，如日本東海道新干線、法國的北方線，以及我國的滬杭高鐵等300 km/h及以上的線路上均實(shí)現(xiàn)了3 min追蹤[9-11]。但整體來看，對既有線路或動車組進(jìn)行改造周期長、成本大，相比之下優(yōu)化高鐵列車的控車模式是縮小追蹤間隔時(shí)間、提高行車密度的關(guān)鍵。

1 高鐵控車方法分析

1.1 “撞硬墻”的列車追蹤模式

目前國內(nèi)外列控系統(tǒng)普遍基于“撞硬墻”的追蹤模式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體的控車算法（即車載監(jiān)控制動距離的計(jì)算方法）又分為歐標(biāo)法和日立法兩大類[12]?！白灿矇Α钡淖粉櫮Ｊ绞强紤]到前方列車可能存在立刻停止的情況（如脫軌、發(fā)生沖撞等），因此后車的追蹤終點(diǎn)為前車所在閉塞分區(qū)入口并附加一定的安全防護(hù)距離。前后列車之間保持一個車載監(jiān)控制動距離，隨時(shí)確保后車可在前車所在閉塞分區(qū)的入口停車以保證安全。

列控系統(tǒng)的車載監(jiān)控制動距離是根據(jù)動車組的制動性能、坡度等參數(shù)計(jì)算得出，并考慮到計(jì)算機(jī)的可靠性、實(shí)時(shí)性等對計(jì)算方法進(jìn)行了大量簡化，因此車載監(jiān)控制動距離大于動車組實(shí)際制動距離，這導(dǎo)致前后兩車之間的間距存在較大安全冗余（如圖1所示），限制了運(yùn)營效率的提高。

1.2 “撞軟墻”的列車追蹤模式

隨著列車運(yùn)行速度的提高，采用“撞硬墻”的控車模式計(jì)算出的車載監(jiān)控制動距離越來越大，因此追蹤間隔時(shí)間越來越大。為了解決這一問題，學(xué)者提出了“撞軟墻”的列車追蹤運(yùn)行模式[13]。

“撞軟墻”的列車追蹤模式，即假設(shè)前車不會發(fā)生脫軌或沖撞導(dǎo)致在很短的距離內(nèi)停車的前提下，前行列車采用緊急制動停車后，后行列車可以采用常用制動在前行列車尾部停車，如圖2所示。此時(shí)，兩車之間的追蹤間隔相比“撞硬墻”模式，會壓縮一個前車的緊急制動距離，進(jìn)而大大提高了行車密度。

目前相關(guān)學(xué)者提出涉及“撞軟墻”的具體理論和方法主要是針對城市軌道交通，但該方法很難在高速鐵路上應(yīng)用，這主要有兩方面的問題：

一是“撞軟墻”模式下，后車需要掌握前車的速度、位置、狀態(tài)（載重、制動能力）、線路條件等信息，這涉及到車與車之間的通信。但高速鐵路主要依靠地面應(yīng)答器、軌道電路等實(shí)現(xiàn)列車定位和完整性檢查，同時(shí)考慮到鐵路網(wǎng)上不同速度等級和種類的列車跨線運(yùn)行帶來的復(fù)雜性，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)“車-車通信”，也就失去了采用“撞軟墻”模式的技術(shù)基礎(chǔ)[14]。

二是“撞軟墻”模式下，需要確保前行列車不會出現(xiàn)原地脫軌的情形，即最不利情況下前行列車也將繼續(xù)運(yùn)行一個緊急制動距離，否則后行列車將與前行列車發(fā)生追尾。高速鐵路運(yùn)行環(huán)境惡劣，無法避免各類外界因素導(dǎo)致線路中斷、列車脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。

整體來看，“撞硬墻”控車模式下車載監(jiān)控制動距離含有較大冗余，增大了追蹤間隔時(shí)間，限制了行車密度的進(jìn)一步提升。“撞軟墻”控車模式的前提是具備“車-車通信”功能，且在前車不會發(fā)生脫軌或沖撞等情況的假設(shè)下才能實(shí)現(xiàn)，且該控車模式無法保證后車的絕對安全，與目前鐵路運(yùn)營安全理念相悖，也沒有在實(shí)際當(dāng)中具體實(shí)現(xiàn)。

為了能夠進(jìn)一步壓縮追蹤間隔時(shí)間，同時(shí)保證在各場景下的適應(yīng)性與安全性，本文提出了“撞硬墻”和“撞軟墻”相結(jié)合的追蹤模式。

2 “撞硬墻”和“撞軟墻”相結(jié)合的追蹤模式

由于“撞硬墻”的追蹤模式存在一定的安全冗余，但該模式下安全性可以得到保障，而“撞軟墻”的追蹤模式可以實(shí)現(xiàn)壓縮追蹤間隔進(jìn)而提高通過能力，但該模式下安全性不能得到保障，因此本文根據(jù)兩種追蹤模式各自的特點(diǎn)，提出了一種“撞軟墻”模式和“撞硬墻”模式相結(jié)合的追蹤模式，如圖3所示，其中G103為目前“撞硬墻”模式下的后車位置，G103′為本文提出的新控車模式下的后車位置。

該控車模式的主要原則為：

（1）確保列車運(yùn)行的絕對安全，從緊急制動的層面確保仍為“撞硬墻”，即在任意情況下后行列車采用緊急制動后，其都不應(yīng)超過前車當(dāng)前位置，如圖3中G103距離G101尾部（或所在閉塞分區(qū)入口）至少為1個緊急制動距離。

（2）為列車追蹤留有一定冗余，避免后行列車頻繁進(jìn)入緊急制動。由于列車進(jìn)入緊急制動后只有完全停車后才能緩解，因此除了要求后車距離前車一個緊急制動距離（S3～S4）外，還應(yīng)留有一定冗余（S2～S3），保證在前行列車略有降速等情況下，后行列車可先進(jìn)入常用制動，當(dāng)前車恢復(fù)高速運(yùn)行后，后車也可正?；謴?fù)運(yùn)行。

（3）充分借鑒“撞軟墻”的理念，進(jìn)一步提升行車效率，即后行列車無需在距離前車尾部（S4）一個車載監(jiān)控制動距離的位置（S1），而是考慮到絕大多數(shù)情況下前行列車都不會突然停止，即便發(fā)生突發(fā)情況，前行列車采取緊急制動，也將繼續(xù)向前運(yùn)行一個緊急制動距離（S5～S7），因此后車的常用制動曲線可由前車緊急制動停車后的車尾位置（S6）開始推算得出（S2），這不僅要求優(yōu)化后的列車可實(shí)現(xiàn)更緊密的追蹤（S2～S4的距離要小于S1～S4的距離），且推算出的常用制動點(diǎn)S2在緊急制動點(diǎn)S3之前并留有一定冗余。

（4）列車運(yùn)行過程中由于抵消位置、速度的測量誤差需要在前行列車的尾部（或所在閉塞分區(qū)入口）設(shè)置一定的安全防護(hù)距離，以及地面和車載信號設(shè)備反應(yīng)時(shí)間以及信號傳輸時(shí)間等，都需要留夠充足的冗余，由于無論是距離還是時(shí)間一般都當(dāng)一個固定值來考慮，因此本研究暫不考慮該部分影響。

3 控車曲線生成方法研究

若要實(shí)現(xiàn)“撞硬墻”與“撞軟墻”相結(jié)合的控車方法，需解決兩個關(guān)鍵問題：

（1）由于高速鐵路尚未實(shí)現(xiàn)“車-車通信”，因此后行列車如何掌握前行列車的運(yùn)行速度，進(jìn)而計(jì)算得出前車的緊急制動距離亟待解決。

（2）目前高速列車的車載監(jiān)控制動距離雖然具有較大冗余，但相較于兩倍的緊急制動距離而言較小，若直接應(yīng)用于本控車模式，則會導(dǎo)致后行列車先觸碰到緊急制動曲線，不滿足上文提出的“常用制動點(diǎn)在緊急制動點(diǎn)之前且留有一定冗余”的要求。

3.1 現(xiàn)有技術(shù)條件下前行列車速度的推算方法

由于目前我國高速鐵路CTCS-3級列控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“車-地通信”，后行列車可通過GSM-R獲得前方32 km范圍內(nèi)的線路條件，通過軌道電路占用情況獲得前方列車的大致位置，但是無法獲得前行列車的速度信息，也就無法推斷出前行列車的緊急制動距離。本文提出一種前行列車運(yùn)行速度的估算方法。若后續(xù)通過相關(guān)技術(shù)手段使得前車速度可獲取時(shí)，可采用實(shí)際獲得的前車速度值替換本方法估算出的速度值。

根據(jù)估算得出的前行列車速度，可結(jié)合線路條件計(jì)算得到緊急制動距離，該緊急制動距離存在一定的誤差。當(dāng)估算的前行列車緊急制動距離短于實(shí)際緊急制動距離時(shí)，列車追蹤將具有額外冗余，即便前車緊急制動，后車也完全可以采用常用制動停車；反之，當(dāng)估算的前行列車緊急制動距離長于實(shí)際緊急制動距離時(shí)，后行列車常用制動的打靶點(diǎn)將過于靠前，導(dǎo)致兩列車距離過近，一旦前車出現(xiàn)緊急制動的情況，無法保證后車僅依靠常用制動即可停車。因此，為了避免后車出現(xiàn)緊急制動的情況，有必要在估算前行列車速度時(shí)按照較不利的情況估算。

后行列車估算前行列車速度的主要依據(jù)是前一軌道電路占用和出清時(shí)機(jī)。當(dāng)前列車在軌道電路上由占用狀態(tài)變?yōu)榭臻e狀態(tài)時(shí)，前行列車共走行了一個閉塞分區(qū)長度Lb外加一列車長度Lt，走行時(shí)間為該軌道電路狀態(tài)從開始占用到結(jié)束占用的時(shí)間Δtc。

由于需按照最不利場景考慮以確保前后車的絕對安全，因此假定前車正處于制動過程中，制動減速度a可根據(jù)動車組性能獲得，制動安全距離滿足公式：

顯然，該方法是對前車在不利場景下制動距離的估算，估算所采用的制動初速度要低于實(shí)際制動初速度，一般情況下計(jì)算出的前車緊急停車點(diǎn)也要短于實(shí)際制動距離，對后車而言多了一部分安全冗余。

此外，只有當(dāng)前車出清一個閉塞分區(qū)時(shí)，軌道電路占用狀態(tài)才變化一次，前車緊急制動點(diǎn)也才更新一次，減少了車載計(jì)算機(jī)的計(jì)算復(fù)雜度。

3.2 車載監(jiān)控制動距離的優(yōu)化方法

CRH380BL動車組以350 km/h初速度在平直道運(yùn)行時(shí)，其緊急制動距離為6 038 m，目前的車載監(jiān)控制動距離為11 425 m，也就意味著如果不改變控車曲線算法的情況下，采用“撞硬墻”與“撞軟墻”相結(jié)合的模式，后車在運(yùn)行時(shí)會首先進(jìn)入緊急制動，而這違背了該模式的設(shè)計(jì)初衷，因此有必要對車載監(jiān)控制動距離的計(jì)算方法進(jìn)行調(diào)整。

目前列控系統(tǒng)的車載減速度取值一般是分為六段，車載計(jì)算機(jī)根據(jù)該減速度取值來計(jì)算制動距離并生成控車曲線。調(diào)整車載監(jiān)控制動距離的關(guān)鍵在于優(yōu)化制動減速度取值[15]。

由于調(diào)整后的控車曲線需要在不同速度、不同坡度下均滿足本文提出該控車模式的4項(xiàng)原則，因此針對每個減速度取值方案均需進(jìn)行坡度、速度的雙重檢測。本文采用遍歷法對減速度取值進(jìn)行嘗試，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了檢索順序，提出控車曲線的優(yōu)化算法如下：

步驟1 計(jì)算出“撞硬墻”情況下前后兩車不同速度等級下（如以10 km/h為間隔）的緊急制動距離（S3～S4、S5～S6），并以前車尾部為起點(diǎn)采用現(xiàn)有的控車算法推算后車常用制動距離（S1～S4），以下用Lfe、Lbe、Lbs來表示。

緊急制動距離Le應(yīng)當(dāng)包括列車進(jìn)入緊急制動初期制動力未完全施加的制動空走時(shí)間tea，在該時(shí)間內(nèi)列車仍按正常速度vp運(yùn)行；列車從最高速度vp制動到完全停車即速度為0的距離，該過程中列車受到制動力Fe、基本阻力Fb、附加阻力Fa的影響，其中Fe一般以制動減速度ae的形式體現(xiàn)，F(xiàn)b一般由基本阻力公式計(jì)算得出，F(xiàn)a一般根據(jù)線路條件如坡度和曲線綜合確定。

常用制動距離Ls應(yīng)當(dāng)包括列車的空走距離vp·tsa，以及列車按常用制動減速度從最高速度制動到0速的距離，該過程取決于列控系統(tǒng)中存儲的制動減速度。

步驟2 計(jì)算出“撞軟墻”情況下的前后車追蹤距離Lf，

步驟3 檢查是否符合相關(guān)約束。

（1）當(dāng)前列車減速影響后車運(yùn)行時(shí)，后車應(yīng)首先采用常用制動，經(jīng)過一定的安全冗余時(shí)間tr后才能進(jìn)入緊急制動。

（2）采用新控車模式后的追蹤距離要小于目前“撞硬墻”模式下的追蹤距離。

步驟4 約束無法滿足時(shí)的相關(guān)措施。首先選定一個典型坡度（以5‰為單位從-20‰～20‰確定典型坡度），調(diào)整目前的控車參數(shù)（即列控系統(tǒng)中減速度的取值），自低到高對比各速度間隔下是否滿足相關(guān)約束，若不滿足相關(guān)約束，則將該速度等級下的減速度取值向下調(diào)整0.01 m/s2，并按照新的參數(shù)重新返回步驟1進(jìn)行計(jì)算，直至所有的約束均得到滿足，之后選擇未計(jì)算過的坡度再次重復(fù)上面的計(jì)算過程，最終得到一個滿足所有速度等級、所有坡度下的減速度取值，此時(shí)的減速度取值即為優(yōu)化后控車曲線的減速度取值依據(jù)，其步驟見圖4。

4 新型控車模式下列車追蹤間隔時(shí)間的壓縮效果分析

本文以CRH380BL動車組裝備CTCS3-300T列控系統(tǒng)為例，分析其采用現(xiàn)有模式以及采用優(yōu)化后模式的列車追蹤距離、列車間隔時(shí)間，以驗(yàn)證本研究的有效性。

CRH380BL動車組基本參數(shù)見表1[16]。

該算例在AMD Ryzen 7 PRO 5850U，1.90 GHz，16GB RAM的計(jì)算機(jī)上完成，并通過Python3.9編程采用前述遍歷算法實(shí)現(xiàn)求解，求解時(shí)間在1 s以內(nèi)。

列控系統(tǒng)減速度由當(dāng)前減速度逐漸優(yōu)化至滿足約束要求減速度的過程如圖5所示。

由圖5可見，減速度的優(yōu)化過程是按照算法設(shè)計(jì)的由低到高速度區(qū)間的過程進(jìn)行逐步調(diào)整的，其中280～350 km/h段的優(yōu)化結(jié)果隨著列車最高速度的增加而不斷變化，其他各段則在275 km/h及以上的范圍內(nèi)取值基本不變。

列控系統(tǒng)制動減速度優(yōu)化后的取值情況如表4所示。

優(yōu)化前該列車在平直道的車載監(jiān)控制動距離為10 537 m，對應(yīng)區(qū)間追蹤間隔時(shí)間為134 s；優(yōu)化后的車載監(jiān)控制動距離為14 621 m，緊急制動距離為7 119 m，兩列車的追蹤距離為7 502 m，對應(yīng)區(qū)間追蹤間隔時(shí)間為103 s?？梢娫撟粉櫮Ｊ较铝熊嚨淖粉櫨嚯x壓縮了3 035 m，區(qū)間追蹤間隔時(shí)間壓縮了31 s，同時(shí)確保了列車不會觸發(fā)緊急制動。

5 結(jié)論

本文提出了基于“撞硬墻”和“撞軟墻”相結(jié)合的新型高速鐵路控車模式，新型控車模式在確保緊急制動“撞硬墻”的安全前提下，對常用制動采取“撞軟墻”的方式壓縮了列車追蹤距離?？紤]到我國高鐵設(shè)備暫不具備車車通信的條件，提出了基于軌道電路的前車運(yùn)行速度預(yù)估方法和常用制動控車曲線的生成方法。最后以CRH380BL動車組裝備CTCS3-300T列控系統(tǒng)為例，采用Python編程語言對列控系統(tǒng)減速度值進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明本研究提出的算法運(yùn)算時(shí)間在1 s以內(nèi)，優(yōu)化后的控車曲線在確保列車追蹤距離大于緊急制動距離的前提下，列車追蹤間隔壓縮了23%。因此，本研究提出的控車模式可顯著提高線路通過能力。但本研究目前尚未涉及列車在有道岔區(qū)段的追蹤方式，這限制了車站間隔時(shí)間的壓縮，后續(xù)將對列車進(jìn)出站場景進(jìn)行探索，以期實(shí)現(xiàn)列車追蹤間隔時(shí)間的全過程壓縮。

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