高速铁路长大下坡地段列车运行速度相关问题研究

张守帅，田长海

(1.中国铁道科学研究院，研究生部，北京　100081；2.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京　100081)

1　问题的提出

近年来我国高速铁路迅猛发展，到2016年底营业里程已突破2.2万 km，占世界高速铁路总营业里程的60%以上，高速铁路已成为我国经济社会发展的1张靓丽名片。随着我国高速铁路从东部地区向西部地区延伸，建设所面临的自然环境更加复杂，出现了较多的长大坡道地段，导致高速列车在长大下坡道地段无法实现设计的运行速度和追踪间隔时间。例如设计速度等级为250 km·h-1的大西高铁有多处坡度超过-20‰，其中下行方向坡度达-30‰的地段就有3处，长度分别为6 700，5 050和8 447 m。大西高铁最困难的连续长大下坡地段线路的长度为15.947 km，平均坡度为-27.6‰(见图1)；开通运营后上下行各有2处限速，上行限速分别为235和220 km·h-1，下行限速分别为230和205 km·h-1；根据列控设备厂家提供的最困难地段坡度下列控车载设备的监控制动距离计算，不限速时的列车区间追踪间隔时间甚至无法实现5 min。

图1　大西高铁下行最困难长大下坡地段线路纵断面示意图

此外，我国西部正在建设的其他高铁，如宝兰、西成等也存在长大下坡道导致列车限速的问题，另外在将来我国承建的国外高铁(如印尼雅万高铁)中也会出现此类问题。为探究长大下坡道导致列车限速的原因，本文通过检算长大下坡地段的列车追踪间隔时间，分析长大下坡地段列车运行速度、监控制动距离、追踪间隔时间和闭塞分区长度之间的相互关系，提出为实现高速铁路的设计速度和列车追踪间隔时间目标的改进建议。

2　高速铁路长大下坡道限速原因分析

我国高速铁路采用CTCS-2/3级列控系统，其中CTCS-2级列控系统的车载设备由于只能获取前方7个闭塞分区的空闲信息[2]，更易引起列车限速，因此本文主要针对采用CTCS-2级列控系统的高速铁路进行研究。

2.1　列车运行速度

高速列车的列控系统采用目标距离连续速度控制模式监控列车运行，前后两列高速列车追踪运行时，在完全监控模式下，后行列车以前行列车占用闭塞分区的入口附加一定的安全防护距离为追踪目标点，计算控车模式曲线，后行列车只要在控车模式曲线下运行就是安全的，如图2所示。因此，后行列车只要满足式(1)就可以正常速度运行，无需降速。

图2　高速列车追踪运行间隔示意图

L检测空闲≥L防+L制+L附加

(1)

式中：L检测空闲为后行列车检测到的运行前方实际空闲距离，m；L防为安全防护距离，区间取110 m，车站取60 m；L制为列控车载设备监控制动距离，m；t附加为列车区间追踪运行附加时间，一般取12 s[1]；L附加为t附加时间内列车的运行距离，m。

由于CTCS-2级列控系统通过轨道电路及点式应答器传输行车许可信息，列车最多可接收到前方7个闭塞分区的空闲信息，因此当列车运行前方下坡地段线路的坡度越大、越长，列车需要的L制就越长，式(1)右侧的计算值也就越大，当其超过列车前方7个空闲闭塞分区长度之和时，列控车载设备就会自动使列车降速运行。

2.2　列车追踪间隔时间

为了避免列车降速运行，可在后行列车仍旧接收前方7个闭塞分区空闲信息的条件下通过延长各闭塞分区的长度，以满足式(1)的要求。针对大西高铁等已建设完成的实际情况，最简单的解决办法是在最困难地段移除1架或几架信号机，将相邻2个闭塞分区合并成1个闭塞分区，从而起到延长闭塞分区的效果，满足式(1)，就可避免列车降速。但延长闭塞分区长度会导致列车追踪间隔时间的增大。列车区间追踪间隔时间I追可表示为[3-4]

(2)

式中：L闭为闭塞分区长度，m；L列为列车长度，m；v区间为列车在区间的运行速度， km·h-1。

延长闭塞分区后列车不再需要降速运行，但由于列车运行在长大下坡地段的线路上，因此L制明显增加，再加之L闭的延长，使得I追也会增大，从而导致无法实现按照设计的列车追踪间隔时间行车。

由此可见，要同时实现列车在高速铁路长大下坡地段有较高的运行速度v区间和较短的追踪间隔时间I追是一个两难问题。当v区间较低时，I追相对较短；而提高v区间后，I追也相应增加。这2种情况下往往都没有完全实现设计目标，因此需对长大下坡道上列车的v区间，L制，I追和L闭等参数之间的关系进行分析，以寻求该两难问题的解决方案。

3　各参数间关系的分析

在v区间，L制，I追以及L闭等参数中，v区间和I追是目标参数，而L制及L闭则是为达成目标的关键参数。在列车及其列控系统一定的条件下，v区间和线路条件决定L制，而L闭的设置则要符合式(1)的要求才能满足与v区间对应的L制的要求，I追则取决于v区间，L制及L闭。反之，当L闭或I追一定时，也要求v区间满足相应要求。相关参数之间的关系如图3所示。

下面以我国某种典型动车组A为例，借鉴UIC相关规定，以及根据理论计算得到的监控制动距离，定量分析高速列车在长大下坡道上的运行速度v区间、闭塞分区长度L闭、追踪间隔时间I追的相互关系[5-6]。监控制动距离L制是在动车组A以250 km·h-1的正常运行速度条件下为安全计按制动时列车的初速度为255 km·h-1计算得到的。

图3　各参数之间关系示意图

3.1　满足正常运行速度

可由下式计算典型坡度下动车组A以250 km·h-1的正常速度运行时其监控制动距离对应的L闭，然后再由式(2)可计算得到I追。计算结果见表1。

L闲≥(L防+L制+L附加)/7

(3)

表1运行速度满足250km·h-1的L制，L闭和I追检算表

坡度/‰(L制+L防)/mL闭/mI追/s-1579581258148-2095611487174-25118731818211-30159642402277

从表1可以看出，按照动车组A以250 km·h-1速度运行的条件计算，在不超过-20‰的长大下坡道上，L闭不超过1 500 m，I追不超过3 min；在-25‰的长大下坡道上，L闭不超过2 000 m，I追不超过4 min。

3.2　闭塞分区长度固定

对于建设完成的高速铁路由于其闭塞分区长度已经固定，若连续7个闭塞分区长度之和不满足要求，则列车需限速运行。假设各闭塞分区的平均长度为2 000 m，采用试凑的方法检算动车组A在不同坡度下允许的最高运行速度(限速)及可实现的列车追踪间隔时间，检算结果见表2。

表2　L闭固定条件下不同坡度的限速和I追检算表

检算结果表明，在CTCS-2级控车条件下，当闭塞分区的平均长度为2 000 m时，在-26‰及以内的下坡道上，高速列车无需限速，均可按250 km·h-1的正常速度运行；在-27‰～-30‰的下坡道上，列车限速在249～235 km·h-1间；在-28‰及以内的下坡道上，I追不超过4 min。

3.3　满足追踪间隔时间

进一步考虑我国高速铁路闭塞分区的长度大多为2 000 m的实际情况，为实现I追分别不超过3和4 min，通过检算得出长大下坡地段限速，见表3。

表3L闭为2000m、I追不超过3和4min时不同坡度下的限速检算表

条件坡度/‰限速/(km·h-1)L制/mI追/sI追≤3min-19≮2509042177-202479099180-252137538180-301806003180I追≤4min-25≮25011763216-27≮25012945235-2824513066239-3023012040238

检算结果表明，在CTCS-2级控车条件下，当闭塞分区的平均长度为2 000 m时，在-20‰及以内的下坡道上可同时实现250 km·h-1运行速度和3 min追踪间隔时间的目标；若将追踪间隔时间的目标定位在4 min，那么在-27‰及以内的下坡道上可同时实现250 km·h-1运行速度和4 min追踪间隔时间的目标。

4　长大下坡道上列车运行速度检算实例

以图1所示大西高铁下行最困难长大下坡地段线路为例，采用动车组A检算该段线路的限速值(目前该地段实际限速205 km·h-1)及可实现的追踪间隔时间。

根据线路纵断面条件，当列车的打靶点为通过信号机S时，在列控车载设备的监控制动距离范围内线路条件最差、监控制动距离最长。如果按动车组A以时速250 km运行，计算得到在该段长大下坡道上列车的监控制动距离为13 829 m，再加上安全防护距离和列车区间追踪运行附加时间内的列车运行距离，为保证列车常规制动下停车所需要的安全距离为14 773 m，而在信号机S后方7个闭塞分区的长度之和仅为13 697 m，故不能满足列车安全运行的要求，需要将列车在进入该坡段时的运行速度降至(限速)240 km·h-1(此速度下的监控制动距离为11 883 m)，而可实现的区间追踪间隔时间为225 s，即向上取整可实现4 min的追踪间隔时间；将目前图定的实际限速(205 km·h-1)与计算所得限速(240 km·h-1)相比，可见按实际限速行车有较大的安全余量。另外，若要实现3 min的追踪间隔时间，则需要将列车运行速度控制在185 km·h-1以下(监控制动距离6 106 m)。

为解决该处限速问题，曾从延长闭塞分区的长度考虑，将图1中的P和Q信号机移除，使得所对应的闭塞分区与其相邻的1个闭塞分区合并成1个闭塞分区，这样S信号机后方连续7个闭塞分区(实际是原来的9个闭塞分区)的长度之和达到了17 490 m，远大于列车以时速250 km运行并在常规制动下停车所需要的安全距离；但是，由于最长的闭塞分区达到了3 912 m，使得追踪间隔时间也随之增大到275 s，大于4.5 min。

5　监控制动距离的计算分析

由上述检算分析可知，高速铁路长大下坡地段的坡度、列车运行速度、监控制动距离、列车追踪间隔时间和闭塞分区长度这5者之间存在十分紧密的关系：下坡道越大越长、列车运行速度越高，监控制动距离就越长，要求的闭塞分区长度也越长；监控制动距离及闭塞分区越长，列车追踪间隔时间就越长。要满足高速列车在长大下坡地段不降速运行，就需要闭塞分区长度满足要求，可这又会导致列车追踪间隔时间过长；而要缩短列车追踪间隔时间、实现3或4 min追踪间隔时间的设计目标，往往又需要列车限速运行。再分析式(1)和式(2)可知，在高速铁路长大下坡地段要同时实现列车运行速度和追踪间隔时间2个设计目标，关键在于缩短监控制动距离。

在高速铁路长大下坡地段，不同类型动车组(各自装有不同厂家的列控车载设备条件下)的监控制动距离差别较大。本文再选取国内2个主要厂家的列控设备及对应的另外2种典型动车组B和C与动车组A在高速铁路长大下坡地段制动初速度为250 km·h-1时不同坡度下的监控制动距离进行对比，结果见表4。

由表4可知，不同类型动车组采用不同厂家的列控设备，其在相同坡度长大下坡道上的监控制动距离是不一样的。监控制动距离的长短除与动车组制动设备的性能有关外，还与列控车载设备在动车组制动性能基础上保留的安全冗余有关。该冗余的大小主要由列控系统的线路坡度取整及监控制动距离计算方法决定。

表4　不同车型的监控制动距离对照表

5.1　线路坡度取整

列控系统在根据线路坡度计算控车模式曲线时，有2次线路坡度取整[7-8]的过程。

第1次是在将实际线路的坡度值存储到地面应答器时，以1‰的分辨率[9]对实际线路的坡度值偏向安全侧取整。以动车组A为例进行监控制动距离检算。当制动初速度为250 km·h-1时，将-9.1‰的实际坡度值按-10‰取整后，计算得到的监控制动距离比不取整增加了约270 m；将-19.1‰的实际坡度值按-20‰取整后，计算得到的监控制动距离比不取整增加了约424 m。即线路坡度越大，坡度取整后导致计算出的监控制动距离比实际需要增加得越多，即监控制动距离的冗余越大。

第2次是在列控车载设备从地面应答器中读取线路坡度数据后，由于受限于列控系统的计算能力，要以5‰甚至更大的分辨率对读出的线路坡度数据再偏向安全侧取整。以动车组C为例进行监控制动距离检算。如果将所有大于-20‰的坡度均按照-35‰取整，则当动车组C以250 km·h-1的速度在实际坡度为-20.1‰的下坡道上运行时，按对列控车载设备从应答器中读取的坡度数据进行第2次取整后的-35‰坡度计算监控制动距离，所得到的监控制动距离超过动车组实际需要的制动距离8 630 m。即第2次对线路坡度取整会导致监控制动距离的冗余进一步增大。

5.2　监控制动距离计算方法

生产厂家提供的动车组制动能力已考虑到了风阻、湿轨等情况，因此裸车的制动减速度已经留有一定的余量；而不同列控设备厂家在裸车制动减速度的基础上又采用各自的计算模型和算法设置了更偏安全的列控制动减速度，据此生成列控车载设备控车模式曲线。以前述的动车组B和C为例，其裸车制动减速度与列控制动减速度对比分别如图4和图5所示。

图4　动车组B裸车与列控的制动减速度对比

图5　动车组C裸车与列控的制动减速度对比

由图4和图5可见，由于列控设备厂家根据动车组的制动性能生成列控车载设备控车模式曲线的计算模型和算法缺乏统一的技术规范，使得设置的制动减速度也不统一，并且还会导致监控制动距离的冗余过大。

6　结论与建议

(1)目前动车组列控车载设备的控车模式曲线计算方法及参数设置缺乏统一的技术规范，各列控设备厂家采用的标准不一，再加上动车组本身制动性能的差异，导致监控制动距离相差很大，而由于闭塞分区长度、限速等均需根据最不利的情况设置，因此留有很大冗余，严重影响高速列车在长大下坡地段按设计的运行速度和追踪间隔时间行车，因此有必要统一规范列控车载设备的监控制动距离计算方法及参数取值。同时建议列控设备厂家公开监控制动距离的计算方法及参数取值，以便在高速铁路设计阶段解决好闭塞分区布置问题，提高我国高速铁路的运用水平和在国际市场上的竞争力。

(2)列控系统的线路坡度偏安全侧取整及归档与动车组制动减速度打折之间存在重复冗余，有些厂家的列控系统甚至将大于20‰的下坡道均按-35‰处理，使得监控制动距离也随之产生更大冗余。因此，有必要科学、合理地规范列控系统的线路坡度偏安全侧取整及归档标准，避免重复冗余。

(3)当需要调整长大下坡地段的闭塞分区布局时，建议尽量均匀布局，同时进行列车运行速度和追踪间隔时间的检算，不应简单地通过移除部分信号机的方法增大1个或几个闭塞分区的长度，因为这对列车追踪间隔时间的影响较大。当信号机布局难以更改时，列车只能限速运行。

(4)由于不同型号动车组的制动性能不同，加之其安装的列控车载设备也不同，导致监控制动距离存在较大差异。因此，对于限速严重的车型和列控车载设备，可限制其在有长大下坡道地段的高速铁路上运用。

(5)对设计和新建的高速铁路，应进行长大下坡道地段列车限速的检算，以合理设置限速；在此基础上，计算和确定长大下坡道上高速列车的运行速度及追踪间隔时间。

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[8]中华人民共和国铁道部. 科技运[2010]138号列控中心技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2010.

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[10]中华人民共和国铁道部.TB/T1407—1998列车牵引计算规程[S].北京：中国铁道出版社，1998.

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