高速铁路长大下坡道地段信号系统研究与应用

王 杰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

高速铁路具有运行速度快、输送能力大、乘车环境舒适和能源消耗低等特点，对促进沿线区域经济、相关产业和城乡协调发展具有深远意义[1]。高速铁路为满足省会城市之间快速到达的要求，往往需要通过“穿越隧道”和“以桥代路”等方式尽量取直线路，达到动车组列车运行高速度、高密度和舒适性[2-3]的目标。尤其是在西北和西南地区修建的高速铁路，长大隧道较多，并且连续、密集布置成为其主要特点[4]。宝兰高铁正线长401 km，隧道占到全线长度的78%，连续长大坡道(大于20‰)最长超过14 km。在这样的工况条件下，会对区间闭塞分区设置、轨道电路分割及区间应答器设置带来一系列问题，同时也会引起长大坡道地段的限速问题[5]。

宝兰高铁正线采用CTCS-2级列车运行控制系统，根据原铁道部科学技术司、原铁道部运输局《关于印发CTCS-2级列控系统应答器应用(V2.0)的通知》(科技运[2010]136号文)的要求，本工程区间无源应答器组按间隔1个闭塞分区设置[6]的原则考虑。但是本工程长大下坡道和隧道密集区段较多，若按间隔1个闭塞分区设置1组无源应答器，则会因无源应答器组轨道区段包容量不足而出现溢出的情况。因此针对长大坡道隧道密集地段按原有的技术标准不能满足实际运用需求，需对信号系统的适应性问题进行研究。

2 隧道及连续长大下坡道设置情况

2.1 隧道设置及分布情况

宝鸡至兰州高速铁路位于陕西、甘肃两省。线路东起陕西省宝鸡南站，西至甘肃省兰州西站高速场[7]，宝兰高铁全线隧道设置及分布详见表1。从表1可以看出，宝兰高铁全线共设置隧道73座，其中长大隧道密集地段5处。

表1 宝兰高铁隧道设置及分布情况汇总

2.2 连续长大下坡道地段分布情况

宝兰高铁工程(甘肃段)上、下行线下坡地段大于20‰坡道的线路起终点里程、坡度及坡长分别详见表2和表3。

表2 上行下坡地段大于20‰坡道起终点里程、坡度及坡长

表3 下行下坡地段大于20‰坡道起终点里程、坡度及坡长

3 区间闭塞分区设置方案

3.1 制动距离计算采用的标准

(1)制动距离计算原则

宝兰高铁最大坡度为25‰，本线最高设计速度为250 km/h，要保证在长大下坡地段采用不限速设计方案时，计算从最高速度制动至0 km/h的常用制动距离[8]。

(2)制动距离参考值

根据2010年12月原铁道部科学技术司、原铁道部运输局颁发的关于《列控中心技术规范》的通知(科技运[2010]138号)(以下简称“138号文”)，采用的限速目标距离参考值见表4。

表4 限速目标距离参考值[9]

注：制动距离含120 m的安全防护距离。

由表4可知，虽然原铁道部发布的“138号文”未规定坡度为25‰时的制动距离参考值，但宝兰高铁在闭塞分区划分时制动距离应参考并采用“138号文”规定的数值，且应留有一定的余量，按照较保守的原则，制动距离宜取20‰(8756 m)和30‰(19450 m)数值的平均值，即14.1 km。

3.2 闭塞分区划分的原则

根据《铁路技术管理规程》(高速铁路部分)中第70条之规定：高速铁路闭塞分区的划分，应满足动车组列控车载设备按照目标距离模式控车和未装备列控车载设备的列车按四显示自动闭塞行车的要求[10-11]。

宝兰高铁正线采用CTCS-2级列车运行控制系统，区间闭塞分区划分应满足四显示自动闭塞行车要求，任意连续7个闭塞分区须满足动车组由250 km/h制动至0 km/h的常用制动距离、安全防护距离、空走距离之和，并留有一定的富余量。

3.3 列车追踪间隔

(1)计算公式

根据列车追踪示意图(图1)，列车区间追踪间隔可按公式(1)计算[12]。

图1 列车追踪示意

式中l列——列车长度，按16辆编组，列车长按420 m考虑；

l分区——闭塞分区长度；

l防——列车防护距离，按110 m考虑；

l制——列车制动距离；

t附加——附加运行时分，指在人控优先的驾驶模式下，空闲检查、轨道反应及司机确认等附加时间，按15 s考虑；

v运——列车运行速度。

(2)长大下坡道追踪间隔时间检算

按照中国铁路总公司《关于明确新建铁路客运专线大于20‰坡道区段列车限速有关问题的通知》(铁总办函[2014]584号)的要求，原则上在长大坡段上采用不限速方案[13]。当速度目标值为250 km/h时，参照“138号文”规定的常用制动距离计算，在25‰的长大下坡地段制动距离按保守原则应不超过14.1 km，列车区间追踪间隔根据公式(1)计算，宝兰高铁在25‰的长大下坡地段制动距离对应的列车追踪间隔可满足5 min的要求[14]。

4 车载设备技术参数符合性验证及信号系统配套调整方案

4.1 车载设备技术参数符合性验证

根据中国铁路总公司《关于明确新建铁路客运专线大于20‰坡道区段列车限速有关问题的通知》相关要求，对宝兰全线高速铁路设计的闭塞分区长度，采用仿真系统[15]分别组织对200C、200H、300S、300H和300T进行车载设备技术参数的符合性进行验证，验证结果分述如下。

(1)200C型列控车载设备

对CTCS2-200C型列控车载设备的验证测试结论为：速度250 km/h时，在30‰的长大下坡道常用制动距离为9 821.3 m，小于参照“138号文”规定计算的常用制动距离(14.1 km)，设计的闭塞分区长度满足CTCS2-200C型列控车载设备要求。

(2)200H，300S，300H型列控车载设备

针对200H，300S，300H型列控车载设备，选用制动距离最长的300H进行试验，验证测试结论为：速度250 km/h时，在30‰的长大下坡道常用制动距离为16 562.5 m，小于“138号文”规定的常用制动距离(在30‰下坡道常用制动距离19 450 m)，在CTCS-2模式下对本线闭塞分区布点合理性进行模拟验证，设计的闭塞分区长度均能满足其300H的列控车载设备要求。

(3)300T型列控车载设备

对CTCS3-300T型车载设备，采用车载设备装备最不利(制动距离最长)车型CRH380BK进行模拟验证，其验证测试结论如下。

①宝鸡南站至兰州西站(高速场)正线正向相邻7个闭塞分区长度均不满足车载CTCS3-300T动车组运行时速达到250 km的控车制动距离要求的闭塞分区，下行线有2处，上行线有6处。

②采用车载设备CTCS3-300T，速度目标值为250 km/h时，在25‰的长大下坡道常用制动距离为19.422 km，不能满足制动距离14.1 km的要求。

综上所述，宝兰高铁区间闭塞分区的划分虽然能满足200C、200H、300S和300H列控车载设备制动距离要求，但在部分区段不能满足300T列控车载设备制动距离的要求[16]，因此需要研究具体方案进行解决。

4.2 信号系统配套调整原则和方案

4.2.1 闭塞分区调整及车载软件优化方案

根据列控车载设备技术参数符合性验证结果，CTCS3-300T车载设备在25‰的长大下坡道常用制动距离为19.422 km，不能满足制动距离14.1 km的要求。不符合区段下行线有2处，集中在K1 322+716至K1 337+035区段内；上行线有6处，分别集中在K1 493+616至K1 476+561及K1 322+327至K1 294+442区段内。

解决上述问题的方案有两个，方案1：对不符合要求的闭塞分区，重新进行牵引计算和行车布点，然后根据调整后的闭塞分区设置情况，再次对三家列控车载设备的技术参数进行验证，达到满足三家列控厂家车载设备制动距离要求即可；方案2：优化修改列控车载设备技术参数，修改优化车载设备软件，使其能满足制动距离的要求[17]。

宝兰高铁工程闭塞分区重新调整后，经北京全路通信信号研究设计院二次验证，可满足CRH380BK车型采用车载设备CTCS3-300T，按250 km/h不降速控车的要求。但面临的现实问题是现场室外设备安装调试已经完成，并且列控系统软件也已经调试完成，区间闭塞分区的调整将引起软件修改、试验和二次调试。为确保工程按期完工，最后采用了方案2，即修改车载软件优化车载参数的方案。为有效控制列车最大常用制动和紧急制动距离引起的区间闭塞分区过长、列车运行时分过多的问题，采用六段制动曲线方式实现列车现有车辆参数的特性优化，有效减少在长大坡道地段列车运行的制动距离，保证列车追踪时间间隔，挺高运行效率，同时满足与不同列控车载厂家的列控车载设备参数性能的匹配要求。

4.2.2 区间应答器设置方案

(1)应答器布置原则及存在问题

宝兰高铁工程正线采用CTCS-2级列车运行控制系统，区间长大下坡道和隧道密集区段较多，根据原铁道部科学技术司、原铁道部运输局《关于印发CTCS-2级列控系统应答器应用(V2.0)的通知》(科技运[2010]136号文)的要求，若按间隔1个闭塞分区设置1组应答器，则会出现在长大下坡道和隧道密集地段无源应答器组因轨道区段包容量不足而出现溢出的情况。因此针对长大坡道和隧道密集地段按原有的技术标准配置应答器已不能满足实际运用需求。

(2)应答器设置优化情况

针对该问题，对区间应答器报文的设置情况进行了认真分析研究，其用于写轨道电路信息的CTCS-1包中，轨道区段的数量最多可以写25个，且应答器链接方式为向前链接两组应答器[18]。因此本闭塞分区的无源应答器写入的轨道区段信息需链接前方的两组无源应答器范围内的轨道区段，再加一个最大常用制动距离内所覆盖的区段数量总和[19]。通常情况下，设计速度为250 km/h的线路，非长大下坡道最大常用制动距离为7 km；而在长大下坡道最大常用制动距离为12 km，且在此范围内隧道密集地段轨道电路分割较多，从而导致区间无源应答器容量不够。因此需对应答器进行优化调整。

经认真分析研究，本着经济适用、减少工程量和维护量的目标出发，确定的应答器优化调整原则如下。

①在长大下坡道地段，每个闭塞分区及其前后各一个闭塞分区均补充设置无源应答器，并按上下行线里程分开设置，详见表5。

表5 长大下坡道地段区间应答器补充情况

②在隧道密集地段(包括隧道间以短路基和短桥连接的隧道)，闭塞分区分割两次及以上的区段，每5个闭塞分区增加1组无源应答器，具体示意见图2。

宝兰高铁按照上述应答器“加密”方案及技术措施实施后，经联调联试验证，圆满解决了存在的问题。综上所述，在CTCS-2级高速铁路线路长大下坡道及隧道密集地段，根据不同情况分门别类地对区间无源应答器进行“加密”优化布置，既避免了不加区分在每个闭塞分区设置1组区间无源应答器而引起的工程量及后期维护工作量增加的缺陷，又解决了应答器报文溢出问题，是结合工程实践对CTCS-2级线路列控系统优化设置的工程创新。

5 结论

高速铁路列车在长大下坡道地段限速运行将直接影响到运行追踪间隔时分，进而影响到行车效率。结合宝兰高速铁路工程实例，通过优化列控车载设备曲线，结合轨道电路极限长度合理有效划分区间闭塞分区，可以最大限度满足不同动车组在连续长大下坡道地段不限速运行的问题[20]；同时采用对连续长大下坡道和密集隧道群的区间无源应答器“加密”方案，可以有效解决长制动距离工况下轨道区段数量多引起报文溢出的问题[21]。宝兰高速铁路自2017年7月开通运行以来，设备和系统运行稳定、安全，没有出现因信号系统引起的限速问题，保证了正常运营，提高了行车效率。