提高車站通過能力的接近鎖閉方法研究

周書樂，張子群，周家梁

(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.中國兵器工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所 產(chǎn)品研發(fā)部，北京 100089)

0 引言

接近鎖閉是指接近區(qū)段有車占用時(shí)構(gòu)成的鎖閉，設(shè)置接近鎖閉的目的是防止道岔因進(jìn)路解鎖而轉(zhuǎn)換時(shí)列車冒進(jìn)信號造成的擠岔、脫軌等風(fēng)險(xiǎn)[1]。我國鐵路目前采用固定接近鎖閉的方式，無法根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行情況動態(tài)地設(shè)置接近區(qū)段的長度，很大程度上影響了列車的運(yùn)行效率，在列車因故障而降級運(yùn)行時(shí)尤為明顯。

目前國內(nèi)研究人員對接近區(qū)段的設(shè)置進(jìn)行了大量研究，衛(wèi)和君[2]提出了高速鐵路車站接近鎖閉區(qū)段長度的計(jì)算模型，提出接近鎖閉區(qū)段的長度要考慮最不利因素條件下列車的最大常用制動距離。張亮等[3]提出基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)的動態(tài)接近鎖閉區(qū)段計(jì)算模型，由中心控制單元確定接近區(qū)段內(nèi)的列車是否能在進(jìn)路前方停車，如果能停車則不執(zhí)行人工延時(shí)解鎖，從而達(dá)到提高效率的目的。李啟翮[4]研究了通過車載設(shè)備、無線閉塞中心(RBC)以及計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的相互協(xié)作縮短行車許可的方法，由車載設(shè)備判斷列車是否能在進(jìn)路信號機(jī)前方停車，由計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖執(zhí)行取消進(jìn)路或者人工延時(shí)解鎖命令。謝林[5]針對不同進(jìn)路類型和不同站場布局，研究了接近區(qū)段延長的方法，有效避免列車冒進(jìn)信號的風(fēng)險(xiǎn)。于曉泉[6]研究了400 km/h運(yùn)營線路的接近鎖閉設(shè)置方法，認(rèn)為其接近區(qū)段長度至少為 18295 m。閆貝貝等[7]研究了CBTC 系統(tǒng)中接近鎖閉區(qū)段長度的計(jì)算方法，分別計(jì)算了不同信號模式下列車所需接近區(qū)段的長度，驗(yàn)證了信號系統(tǒng)對接近區(qū)段長度的影響。馬茂斐[8]研究了車載中心化列控系統(tǒng)下的進(jìn)路控制方法，提出進(jìn)路觸發(fā)時(shí)機(jī)應(yīng)考慮進(jìn)路建立的最不利時(shí)間、列車當(dāng)前速度、接近區(qū)段長度等信息，并提出了實(shí)現(xiàn)接車進(jìn)路的使用效率最大化的動態(tài)位置觸發(fā)方法。

既有研究著重于分析接近鎖閉設(shè)置方法和列車運(yùn)行速度之間的關(guān)系，缺少對固定接近鎖閉方式影響行車效率問題的研究。本研究根據(jù)接近區(qū)段的設(shè)置要求提出了可變接近鎖閉方法，根據(jù)車速、制動性能和列控等級合理設(shè)置接近鎖閉區(qū)段長度和接車進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)。列車與車站之間沒有無線通信渠道，無法實(shí)現(xiàn)可變接近鎖閉，研究提出了可變接近鎖閉系統(tǒng)架構(gòu)，并對系統(tǒng)工作流程進(jìn)行介紹。最后，搭建了可變接近鎖閉系統(tǒng)仿真平臺，仿真驗(yàn)證可變接近鎖閉方法在提高車站通過能力方面發(fā)揮的作用。

1 可變接近鎖閉系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)行固定接近鎖閉方法是傳統(tǒng)信號理念，是在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下制定的行車作業(yè)規(guī)則。由于沒有無線通道，車地之間無法進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信。列車速度、列控等級和制動性能參數(shù)無法發(fā)送到地面調(diào)度中心子系統(tǒng)。車站無法根據(jù)列車實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，動態(tài)計(jì)算辦理進(jìn)路的時(shí)機(jī)和接近區(qū)段的長度。CTCS-3 列控系統(tǒng)雖然具備GSM-R 無線通信，但目前仍無法實(shí)現(xiàn)列車和車站之間的直接雙向通信。為解決此問題，提出了可變接近鎖閉系統(tǒng)架構(gòu)?？勺兘咏i閉系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

車載設(shè)備由衛(wèi)星定位接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元和無線通信設(shè)備構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集單元集中獲取列車速度、位置、列控等級等列車狀態(tài)信息，通過無線通信設(shè)備傳輸?shù)焦歉赏ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)。調(diào)度中心子系統(tǒng)由列車信息采集器、調(diào)度中心應(yīng)用服務(wù)器和調(diào)度電話等設(shè)備構(gòu)成。列車信息采集器實(shí)時(shí)接收路網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行列車的列車狀態(tài)信息。車站子系統(tǒng)由聯(lián)鎖設(shè)備、車站分散自律機(jī)和可變接近鎖閉應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成。可變接近鎖閉應(yīng)用服務(wù)器從骨干通信網(wǎng)絡(luò)中獲取列車狀態(tài)信息和行車計(jì)劃，并利用這些信息計(jì)算接近區(qū)段長度以及觸發(fā)辦理進(jìn)路的時(shí)機(jī)。系統(tǒng)的工作流程如下。

（1）衛(wèi)星定位接收機(jī)接收列車的位置、速度信息。

（2）車載數(shù)據(jù)采集單元獲取列車的位置、速度、列控等級和牽引制動性能并以無線通信的方式發(fā)送給骨干通信網(wǎng)絡(luò)。

（3）調(diào)度中心子系統(tǒng)接收到列車狀態(tài)信息，將列車狀態(tài)信息和列車行車計(jì)劃通過骨干通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至對應(yīng)車站。

（4）車站可變接近鎖閉應(yīng)用服務(wù)器從骨干通信網(wǎng)絡(luò)獲取到列車狀態(tài)信息，同時(shí)根據(jù)調(diào)度中心子系統(tǒng)給出的列車行車計(jì)劃得到該列車的進(jìn)路信息。

（5）可變接近鎖閉應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)進(jìn)路和列車信息，計(jì)算列車是否滿足可變接近鎖閉規(guī)則。

（6）在列車滿足可變接近鎖閉的情況下，服務(wù)器向車站分散自律機(jī)發(fā)送辦理進(jìn)路指令，并設(shè)定此列車的接近區(qū)段。

2 可變接近鎖閉方法研究

接近鎖閉區(qū)段的長度應(yīng)保證按設(shè)計(jì)速度行駛的列車采用最大常用制動后，停于防護(hù)該進(jìn)路的信號機(jī)外方。固定接近鎖閉方法按照線路允許的最高速度設(shè)置接近區(qū)段長度和進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)，C3 線路接近區(qū)段長度設(shè)置為進(jìn)站信號機(jī)外方8 個(gè)閉塞分區(qū)，提前15個(gè)閉塞分區(qū)或者提前9 min為列車辦理接車進(jìn)路。固定接近鎖閉方法嚴(yán)格保證了列車運(yùn)行安全，但是對于不同速度等級列車混行的線路和未經(jīng)過提速認(rèn)證的線路，列車運(yùn)行速度遠(yuǎn)未達(dá)到線路設(shè)計(jì)的最高速度，在這種情況下采用固定接近鎖閉方法會導(dǎo)致列車提前占用車站資源，降低車站通過能力?？勺兘咏i閉方法以列車實(shí)際車速、列控等級和制動能力為輸入，計(jì)算列車實(shí)際需要的接近區(qū)段長度和推遲接車進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)，減少車站資源的占用時(shí)間。具體分為接近區(qū)段計(jì)算方法和接車進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)2個(gè)部分。

2.1 接近區(qū)段長度計(jì)算方法

可變接近區(qū)段長度計(jì)算模型中，接近區(qū)段的長度是由列車實(shí)際車速、列控等級和列車牽引制動性能決定的?？勺兘咏鼌^(qū)段組成如圖2所示。

圖2 可變接近區(qū)段組成Fig.2 Composition of variable approach sections

式中：Lj表示可變接近區(qū)段長度，m；Lck表示制動信息傳輸過程和司機(jī)反應(yīng)過程中列車的走行距離，m；Lb表示列車制動距離，m；Ls表示安全防護(hù)距離[9]，m。

結(jié)合列車牽引計(jì)算方法，可變接近鎖閉區(qū)段的長度計(jì)算公式如下。

式中：v表示列車當(dāng)前速度，m/s；tc(n)表示移動授權(quán)命令傳輸耗時(shí)，s，與該列車的列控等級n有關(guān)；tk表示司機(jī)反應(yīng)時(shí)間，s；vj和vj+1表示列車牽引計(jì)算過程每個(gè)時(shí)間步開始和結(jié)束時(shí)的列車速度，m/s；c(vj)表示列車制動過程的等效平均加速度，m/s2，與列車實(shí)時(shí)速度有關(guān)；g為重力加速度，m/s2；r為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

2.2 接車進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)

車站辦理接車進(jìn)路的觸發(fā)模式分為時(shí)間觸發(fā)模式和空間觸發(fā)模式。這里采用空間觸發(fā)模式，列車運(yùn)行到指定位置自動觸發(fā)辦理接車進(jìn)路的命令。接近區(qū)段的長度與進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)存在直接關(guān)系，進(jìn)路辦理的最佳時(shí)機(jī)是列車駛?cè)虢咏鼌^(qū)段時(shí)剛好辦理完接車進(jìn)路。提前辦理進(jìn)路會過度占用車站資源，遲后辦理進(jìn)路可能會引發(fā)安全問題。

式中：Lc表示觸發(fā)進(jìn)路辦理所需的距離，m，這個(gè)距離必須要能劃分成整數(shù)個(gè)閉塞分區(qū)；Lhr表示車站辦理進(jìn)路時(shí)列車行走距離，m；Lbreak表示保證列車制動后能停在進(jìn)站信號機(jī)外方的安全制動距離，m。

由于可變接近鎖閉系統(tǒng)使用衛(wèi)星定位，能實(shí)現(xiàn)對列車位置的精確定位而不是僅僅定位到占用的軌道區(qū)段[10]，因而在可變接近鎖閉系統(tǒng)中公式⑶演變?yōu)楣舰取?/p>

式中：Lcv表示觸發(fā)進(jìn)路辦理所需的距離，m；Lhr表示車站辦理進(jìn)路時(shí)列車行走距離，m；Ljx表示可變接近鎖閉區(qū)段長度，m。

在計(jì)算Lhr時(shí)需要考慮每個(gè)信息交互環(huán)節(jié)的最大延時(shí)以保證行車安全[10]。

3 仿真測試

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)置接近鎖閉區(qū)段長度和接車進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)能有效減少車站資源的占用時(shí)間，提高車站通過能力。研究搭建了可變接近鎖閉系統(tǒng)仿真平臺，計(jì)算分別使用可變接近鎖閉方法和固定接近鎖閉方法的情況下，仿真車站的車站通過能力。

采用可變接近鎖閉方法可根據(jù)列車實(shí)際速度動態(tài)設(shè)置進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)。閉塞時(shí)間對比如圖3 所示，一個(gè)閉塞分區(qū)的占用時(shí)間可以分為準(zhǔn)備時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、接近時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、出清時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間6 個(gè)部分。為方便計(jì)算，假設(shè)車站咽喉區(qū)與到發(fā)線采用一體化運(yùn)用策略，即列車停穩(wěn)在股道后咽喉區(qū)與到發(fā)線同時(shí)解鎖，則接車進(jìn)路的占用時(shí)間可表述為公式⑸。

式中：Tbl表示接車進(jìn)路的占用總時(shí)間，即閉塞時(shí)間，s；Tbul表示準(zhǔn)備時(shí)間，即進(jìn)路建立所需要的時(shí)間，s；Tres表示司機(jī)的反應(yīng)時(shí)間，s；Tap表示接近時(shí)間，即列車行駛到進(jìn)站信號機(jī)前的時(shí)間，s；Tru表示運(yùn)行時(shí)間，即列車在進(jìn)路中行駛消耗的時(shí)間，s；Tcle表示出清時(shí)間，即系統(tǒng)出清進(jìn)路用時(shí)，s；Tclo表示關(guān)閉時(shí)間，即系統(tǒng)解鎖進(jìn)路用時(shí)，s。

對于低速運(yùn)行的列車，采用可變接近鎖閉方法能適當(dāng)推遲進(jìn)路辦理的時(shí)間，反映在接車進(jìn)路的閉塞時(shí)間中表現(xiàn)為減少了接近時(shí)間。

3.1 仿真平臺

系統(tǒng)仿真平臺分為外部文件讀取、接近區(qū)段長度計(jì)算、辦理進(jìn)路耗時(shí)計(jì)算及進(jìn)路辦理期間列車走行距離計(jì)算、可變接近鎖閉判斷邏輯、文件輸出和用戶界面顯示6個(gè)部分。

（1）外部文件讀取。該部分需分別讀入時(shí)刻表信息文件、列車基本信息文件、列車位置和速度信息文件和進(jìn)路數(shù)據(jù)文件，獲取列車位置、速度、列控等級、到站時(shí)間、接車股道、車次號、列車型號、列車制動能力和接車進(jìn)路道岔信息。

（2）接近區(qū)段長度計(jì)算。根據(jù)列車制動能力、列控等級、列車位置和速度計(jì)算列車當(dāng)前的制動距離。該距離包含列車本身的制動距離、安全距離和移動授權(quán)命令傳輸及司機(jī)反應(yīng)期間列車的走行距離。

（3）辦理進(jìn)路耗時(shí)計(jì)算及進(jìn)路辦理期間列車走行距離的計(jì)算。根據(jù)時(shí)刻表和進(jìn)路數(shù)據(jù)計(jì)算進(jìn)路辦理耗時(shí)。根據(jù)時(shí)刻表信息搜索列車的接車進(jìn)路，根據(jù)進(jìn)路數(shù)據(jù)查找辦理該進(jìn)路需要搬動的道岔個(gè)數(shù)。進(jìn)路辦理耗時(shí)為進(jìn)路辦理命令傳輸和道岔轉(zhuǎn)動耗時(shí)的時(shí)間之和，進(jìn)路辦理耗時(shí)乘以車速得到進(jìn)路辦理期間列車的走行距離。

（4）可變接近鎖閉判斷邏輯。根據(jù)上述3 步計(jì)算的結(jié)果，判斷當(dāng)前列車是否滿足可變接近鎖閉條件。判斷邏輯在軟件中的實(shí)現(xiàn)過程：設(shè)列車當(dāng)前位置與前方車站的距離為Dt，接近區(qū)段長度和辦理進(jìn)路期間列車走行距離之和為Dj。如果Dt-Dj∈(0，500)，則列車滿足可變接近鎖閉條件。

（5）文件輸出。列車滿足可變接近鎖閉條件時(shí)，軟件輸出可變接近區(qū)段計(jì)算結(jié)果文件，通知車站分散自律機(jī)辦理接車進(jìn)路以及設(shè)定接近區(qū)段。

（6）用戶界面顯示。用戶界面實(shí)時(shí)顯示可變接近區(qū)段計(jì)算結(jié)果，可變接近鎖閉系統(tǒng)界面如圖4所示。

3.2 仿真驗(yàn)證

仿真某車站，車站平面布置圖如圖5 所示。車站設(shè)有6 條到發(fā)線，上行方向咽喉區(qū)道岔組由4，6，10，12 號道岔組成，下行方向咽喉區(qū)道岔組由1，7，9，11 號道岔組成。線路設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為350 km/h，車站一晝夜接發(fā)列車144 列。按照現(xiàn)有接近鎖閉設(shè)計(jì)原則，仿真車站的接近區(qū)段由進(jìn)站信號機(jī)外方前8個(gè)閉塞分區(qū)組成，長度為 13948 m，接車進(jìn)路辦理的觸發(fā)時(shí)機(jī)在第15 個(gè)閉塞分區(qū)，距離進(jìn)站信號機(jī) 26900 m。

圖5 車站平面布置圖Fig.5 Station layout

采用可變接近區(qū)段計(jì)算方法可得到不同車型、不同列控等級的列車接近區(qū)段長度，可變接近鎖閉列車接近區(qū)段長度如表1 所示。其中，CTCS-3 級列控系統(tǒng)中列車制動命令傳輸?shù)臅r(shí)間為26.8 s，CTCS-2 級列控系統(tǒng)中列車制動命令傳輸?shù)臅r(shí)間為12.6 s，司機(jī)反應(yīng)時(shí)間取1.5 s[11]。

表1 可變接近鎖閉列車接近區(qū)段長度Tab.1 Length of variable approach locking sections

辦理進(jìn)路過程中列車走行距離如表2 所示，展示了不同速度的列車接車進(jìn)路空間觸發(fā)辦理時(shí)機(jī)。從CTC 下達(dá)辦理接車進(jìn)路命令開始到車載ATP 收到進(jìn)路開放命令為止，CTCS-3 級列控系統(tǒng)需要28.8 s外加辦理進(jìn)路時(shí)道岔動作時(shí)間；CTCS-2級列控系統(tǒng)需要17.6 s 外加辦理進(jìn)路時(shí)道岔動作時(shí)間。道岔動作時(shí)間需要根據(jù)進(jìn)路的不同分別計(jì)算。為簡化計(jì)算過程，假設(shè)每個(gè)道岔轉(zhuǎn)換的時(shí)間均為17.5 s。根據(jù)表2可知，對于時(shí)速250 km的列車，其接車進(jìn)路空間觸發(fā)辦理距離最短為 9061.0 m(辦理進(jìn)路需轉(zhuǎn)動3 個(gè)道岔)，最長為 10276.2 m(辦理進(jìn)路需轉(zhuǎn)動4 個(gè)道岔)，遠(yuǎn)小于現(xiàn)有固定接近鎖閉方法的空間觸發(fā)辦理距離[12]。

表2 辦理進(jìn)路過程中列車走行距離Tab.2 Train travel distance during route handling

目前，高速鐵路車站通過能力主要還是沿用普通鐵路車站通過能力的定義，即車站通過能力指在現(xiàn)有的設(shè)備條件下，車站在一晝夜時(shí)間內(nèi)所能接發(fā)的列車數(shù)。車站通過能力包括咽喉區(qū)通過能力和到發(fā)線通過能力。但高速鐵路車站技術(shù)作業(yè)與普速鐵路有很大區(qū)別，因此在計(jì)算通過能力時(shí)，要充分考慮高速鐵路車站技術(shù)作業(yè)的以下特點(diǎn)[13-14]。

（1）高速鐵路車站作業(yè)種類單一、車站接發(fā)列車種類單一。與既有普速鐵路相比，高速鐵路車站通常只辦理接發(fā)和通過列車作業(yè)、車站只承擔(dān)旅客運(yùn)輸業(yè)務(wù)，不需要進(jìn)行摘掛和編組等作業(yè)。

（2）作業(yè)任務(wù)時(shí)間短。在客流較少的小型高速鐵路中間站中，列車停留時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)為2～5 min。

（3）列車開行不均衡。高速鐵路列車開行具有不均衡的特性，存在接發(fā)列車的高峰時(shí)段。高峰時(shí)段是限制車站通過能力的重要因素。

因此，通過能力計(jì)算公式如下[15]。

式中：N表示車站通過能力，列；K表示通過能力利用率；T表示一晝夜全部作業(yè)占用設(shè)備總時(shí)間，min；T高峰表示車站接發(fā)列車作業(yè)高峰持續(xù)時(shí)間，min；∑t固表示車站固定作業(yè)總時(shí)間，min；γ為空費(fèi)系數(shù)；n固表示一晝夜固定作業(yè)占用設(shè)備次數(shù)，次；n表示設(shè)備一晝夜占用次數(shù)，次。

由于高速鐵路車站不進(jìn)行編組和摘掛等作業(yè)，因而車站固定作業(yè)總時(shí)間取0。

傳統(tǒng)接近鎖閉咽喉區(qū)通過能力如表3所示，可變接近鎖閉咽喉區(qū)通過能力如表4 所示?？召M(fèi)系數(shù)取值范圍為0.1～0.2，在這里取0.2。從表3、表4 中可以看出，采用可變接近鎖閉方法后，車站上行方向咽喉區(qū)通過能力提高了85 列，下行方向咽喉區(qū)通過能力提高了65列。

表3 傳統(tǒng)接近鎖閉咽喉區(qū)通過能力Tab.3 Passing capacity of throat area using traditional approach locking method

表4 可變接近鎖閉咽喉區(qū)通過能力Tab.4 Passing capacity of throat area using variable approach locking method

傳統(tǒng)接近鎖閉到發(fā)線通過能力如表5所示，可變接近鎖閉到發(fā)線通過能力如表6所示。為簡化計(jì)算，設(shè)列車越過進(jìn)站信號機(jī)到股道停車的走行時(shí)間為2 min，列車從股道發(fā)車到越過出站信號機(jī)的走行時(shí)間為2 min，列車在到發(fā)線的停車時(shí)長為2 min?？召M(fèi)系數(shù)取值范圍為0.25～0.35，在這里取0.35。計(jì)算結(jié)果表明，采用可變接近鎖閉方法后，車站上行方向到發(fā)線通過能力提高了32 列，下行方向到發(fā)線通過能力提高了24列。

表5 傳統(tǒng)接近鎖閉到發(fā)線通過能力Tab.5 Arrival-departure passing capacity using traditional approach locking method

表6 可變接近鎖閉到發(fā)線通過能力Tab.6 Arrival-departure passing capacity using variable approach locking method

以上行方向4 股道接車為例對比不同速度占比情況下采用可變接近鎖閉方法節(jié)省接車進(jìn)路閉塞時(shí)間，節(jié)省時(shí)間變化圖如圖6 所示。從圖6 變化趨勢可以看出，同一進(jìn)路在一晝夜內(nèi)服務(wù)的低速列車越多，采用可變接近鎖閉方法后該進(jìn)路占用時(shí)間越短。

4 結(jié)束語

研究提出了一種可變接近鎖閉方法，根據(jù)列車實(shí)際速度和列控等級，動態(tài)計(jì)算接近區(qū)段的長度，并針對不同運(yùn)營等級的列車采用個(gè)性化的進(jìn)路辦理時(shí)機(jī)。仿真測試表明，在相同的站場布置和行車計(jì)劃的情況下，采用可變接近鎖閉方法能有效提高車站通過能力，其中咽喉區(qū)通過能力最大提高了85列，到發(fā)線通過能力最大提高了32 列。研究在理論上證明了可變接近鎖閉方法在提高車站通過能力方面發(fā)揮的作用，在實(shí)際應(yīng)用中，可變接近鎖閉涉及對車載設(shè)備、調(diào)度集中、聯(lián)鎖等信號設(shè)備的改造，其可靠性及安全性等需要進(jìn)一步研究。