面向路网规划的普速铁路移动闭塞区间通过能力研究

伍杰源

（中国铁路经济规划研究院有限公司 规划研究所，北京 100038)

普速铁路是我国铁路网的重要组成部分，承担了大量的客、货运输任务，在服务和保障国家重大战略、支撑引领经济社会发展、满足人民基本出行需要、促进国土开发和巩固国防安全等方面发挥了突出作用。在历次中长期铁路网规划研究中，普速铁路都是其中的重要研究内容。随着我国经济社会发展，普速铁路运输需求特别是货运需求总量将进一步增长，客、货运输产品供给进一步丰富[1]，因而普速铁路将采用以市场为导向的运输组织模式，集装箱班列、快捷货运班列等开行比例将明显提高，对于普速铁路的运输能力提出了更高的要求，主要普速干线将面临能力不足的问题，从路网规划的角度需要研究分析是否需要进行线路扩能或者规划新建分流线路，而应用移动闭塞技术可以提高线路通过能力。因此，考虑移动闭塞的应用前景，分析确定移动闭塞条件下的普速铁路区间追踪间隔时间，量化分析该技术将对线路通过能力带来的影响，对科学合理编制中长期铁路网规划方案，推动铁路网高质量发展具有重要意义[2]。

1 移动闭塞条件下区间通过能力计算

1.1 移动闭塞原理

移动闭塞技术目前在城市轨道交通系统有比较广泛应用，随着我国北斗卫星导航系统正式投入运营，铁路移动闭塞卫星定位技术应用也受到广泛关注[3-4]。移动闭塞是铁路闭塞技术的发展方向，对于提高现有普速铁路的通过能力具有一定作用。在移动闭塞条件下，列车运行不再划分固定的闭塞分区，系统可以精确地获得列车的实时位置，追踪列车可以根据追踪间隔距离、列车运行速度、列车制动性能和线路的相关参数，确定最优的制动时机，动态控制列车的追踪运行。追踪列车以前行列车尾部作为追踪的目标点，追踪列车首部与该目标点的距离需要始终满足相应的安全运行间隔。因此，应用移动闭塞可以进一步压缩追踪间隔时间，提高线路的通过能力。根据追踪目标点的状态，列车的追踪运行模式分为“撞硬墙”和“撞软墙”2种。

（1）“撞硬墙”模式。移动闭塞“撞硬墙”模式示意图如图1所示。列车追踪运行时，追踪列车(图1中蓝色列车)应始终与前行列车(图1中红色列车)之间保持足够的安全间隔。“撞硬墙”模式在计算追踪列车制动曲线时，认为追踪目标点即为前行列车尾部当前的位置，即假设前行列车在当前位置立即静止，追踪列车实施制动停稳后，与目标点的距离仍可以满足相关安全规定。在移动闭塞“撞硬墙”模式下，追踪目标点是不断移动的，追踪列车需要根据目标点和前后列车的相互位置，实时计算制动曲线。例如，图1中，以前车开始制动时(t0)其列车尾部为后车追踪目标点，后车需要在距离该追踪目标点还有一定安全距离(L安)的位置停下。

（2）“撞软墙”模式。移动闭塞“撞软墙”模式示意图如图2所示。“撞软墙”模式在计算追踪列车制动曲线时，考虑到前行列车在追踪列车制动过程中也在不断向前运行，因而认为追踪目标点的位置并不是前行列车尾部当前的位置，而是前行列车制动停稳后车尾的位置。为此，追踪列车需要考虑到两列车间的相对制动距离，在调度指挥系统实时确定前车的位置、速度及其制动性能的基础上完成追踪运行，在追踪列车与前行列车均停稳后，间隔距离应满足相关安全规定。例如，在图2中，后车始终以前车尾部为追踪点并实时调整追踪间隔，前车制动停止后，后车在距离该点还有一定安全距离(L安)的位置停下。在“撞软墙”模式下，前后车的追踪间隔距离相比“撞硬墙”模式更小。

通过理论分析，移动闭塞“撞硬墙”模式的区间追踪间隔应大于“撞软墙”模式，由于后者在追踪运行时考虑了前行列车制动后的继续行走距离。在“撞软墙”模式中，假设前后两车的速度(含加减速条件)完全一致时，列车追踪间隔将很小，线路的通过能力将大大提高[5]。但是，由于列车运行控制需要考虑多方面的因素影响，而“撞软墙”模式对于列车运行控制的精度、响应速度等方面要求很高，难以保证足够的安全冗余，以当前的设备条件实现难度较大。因此，目前关于移动闭塞的应用研究主要集中在“撞硬墙”模式。

1.2 移动闭塞追踪间隔时分计算

根据移动闭塞“撞硬墙”模式的追踪运行原理，构建该模式下的普速铁路列车运行的追踪间隔模型[6]。“撞硬墙”模式列车追踪距离如图3所示。

图1 移动闭塞“撞硬墙”模式示意图Fig.1 Hit-hard-wall mode under movable block condition

图2 移动闭塞“撞软墙”模式示意图Fig.2 Hit-soft-wall mode under movable block condition

由图3可知，“撞硬墙”模式下的追踪间隔距离L的计算公式为

式中：L为追踪间隔距离；L信为列车动态信息传输期间追踪列车走行的距离；L空为追踪列车空走时间内走行的距离；L制动为追踪列车由运行速度v运正常制动直到静止所需要的距离；L安为追踪列车安全防护距离(建议按1 000 m计算)；L误差为列车定位位置误差(由于定位精度原因导致的列车定位位置与实际位置的误差)；L列为列车长度(普速列车一般按1 000 m计算)。

相应的，该模式下列车追踪间隔时间的计算公式为

式中：I追为列车追踪间隔时间；t信为列车动态信息的传输时间，包括各种相关信息及信号的传递、数据处理、车载设备反应和其他延迟等所需要的时间，一般为3 ～ 5 s；t空为追踪列车空走时间，包括列车制动建立时间、制动建立额外时间和牵引切除时间等，普速列车一般取2 s；v运为列车运行速度，普速铁路不同列车运行速度存在较大差异，建议按照80 km/h计算。

图3 “撞硬墙”模式列车追踪距离Fig.3 Headway of trains under hit-hard-wall mode

列车定位位置误差L误差采用青藏线ITCS系统(增强型列车控制系统)的卫星定位误差取值范围为20 ～ 132.5 m[5]。虽然北斗卫星系统的定位精度较高，但考虑列车的长度和运行速度，以及特殊地形、极端天气等不利条件下的情况，该指标应采用比较保守的取值，为100 m。L制动为追踪列车由运行速度v运正常制动直到静止所需要的距离，根据《铁路技术管理规程》(普速铁路部分)，普速铁路各类列车最大的紧急制动距离限值为1 400 m。

1.3 移动闭塞区间通过能力计算

根据追踪间隔模型和相关参数分析，从充分保障列车安全角度出发，采用最保守的取值测算，理论上普速铁路“撞硬墙”模式下的移动闭塞区间追踪间隔时间在3 min左右，与目前应用移动闭塞技术的城市轨道交通列车追踪间隔时间较为接近，而且仍然有一定的压缩空间[6]。但是，普速铁路运输组织更加复杂，在计算区间通过能力时需要考虑整个运输环节。区间追踪间隔时间仅是区间通过能力的一个影响因素，除此之外，车站、枢纽等运输节点的能力也是通过能力提高的重要限制因素。因此，在计算列车最小追踪间隔时间时，还需要综合分析考虑车站到发线能力、车站咽喉能力、延时进路解锁等一系列制约条件。目前主要普速干线(双线自动闭塞)的区间货物列车最小追踪间隔时间约为7 min，在应用移动闭塞技术后，如果考虑车站咽喉等其他限制条件，货物列车的最小追踪间隔时间可压缩至6 min。

我国常使用扣除系数法计算普速铁路非平行运行图的区间通过能力，即先计算平行运行图通过能力，再基于其他不同类型列车的开行对数和相应的扣除系数，计算线路非平行运行图的通过能力[7]。平行运行图通过能力的计算公式为

式中：N为平行运行图通过能力，对/d；T周为运行图周期，min；t封为运行图规定的线路及接触网等施工检修封锁时间，min。

双线普速铁路在应用移动闭塞后，按照压缩后的最小追踪间隔时间6 min，天窗时间120 min计算，平行运行图的通过能力将从188对/d提高至220对/d左右，较当前增长17%，线路的平行运行图通过能力明显提高。对于非平行运行图，尽管线路平行运行图通过能力在应用移动闭塞后增大，但是实际经验表明，旅客列车的扣除系数会随着列车追踪间隔时间缩小而呈增大趋势。因此，在应用移动闭塞后，非平行运行图线路通过能力增长幅度将低于平行运行图线路通过能力增长幅度。同时，旅客列车开行对数也会影响扣除系数的取值，需要考虑不同旅客列车开行数量下，扣除系数变化对能力的影响[8]。经分析计算，得到不同旅客列车开行对数下，应用移动闭塞后非平行运行图通过能力的提高幅度如图4所示。

图4 应用移动闭塞后非平行运行图通过能力提高幅度Fig.4 Improvement range of non-parallel train working diagram carrying capacity after the application of movable blocking technology

由图4可知，考虑旅客列车开行影响，应用移动闭塞后，普速双线铁路的非平行运行图通过能力将提高10% ～ 17%。其中，旅客列车开行对数在50对/d以下时，线路通过能力提高幅度较为稳定，保持在17%左右；而旅客列车开行对数超过50对/d后，应用移动闭塞对线路非平行运行图通过能力的提升作用逐步减小。

2 面向路网规划的移动闭塞通过能力分析

2.1 面向路网规划的通过能力分析

由于移动闭塞可以提高线路通过能力，在一定程度上改善线路能力适应性，对普速铁路规划方案可能造成较大的影响。在铁路网高质量发展规划的编制工作中，需要根据线路采用的闭塞方式，确定线路通过能力，并以此为约束构建铁路交通量分配模型，以此判断规划期是否需要规划实施扩能改造，或规划新建分流线等，以支撑路网规划工作。

从既有的京沪线(北京—上海)、京广线(北京西—广州)、京九线(北京西—九龙) 3条南北走向的普速铁路干线(以下简称“3大干线”)来看，目前这些普速铁路均为双线电气化自动闭塞线路、追踪间隔时间均达到7 min，平行运行图通过能力达到188对/d，但由于旅客和货物列车的开行对数仍然处于较高水平，普速铁路干线能力饱和区段(通过能力利用率达到90%以上)超过了总里程的35%，部分区段如京广线长沙至衡阳段长期处于能力饱和状态，3大干线通过能力总体上仍然比较紧张。因此，通过以3大干线为例，结合规划期的运量预测结果，分别计算应用移动闭塞技术前后线路通过能力的利用情况，分析在不同运量预测水平下得出的路网规划结果。

2.2 移动闭塞条件下通过能力提升作用分析

在既有技术条件下，若采用扣除系数法计算线路通过能力，3大干线平行运行图通过能力仍然为188对/d，旅客列车扣除系数采用当前规定取值，预测集装箱运量中的白货集装箱按照快捷班列组织，并比照相应的扣除系数处理。应用“撞硬墙”模式的移动闭塞技术后，3大干线移动闭塞通过能力变化如表1所示。3大干线区间最小追踪间隔时间可压缩至6 min，线路通过能力将得到提升，平行运行图通过能力提高至220对/d。根据移动闭塞下普速铁路通过能力提升的研究结果，考虑旅客列车开行影响，应用移动闭塞后，普速双线铁路的非平行运行图通过能力将提高10% ～ 17%，其增长幅度主要受开行旅客列车对数影响。

2.3 移动闭塞条件下通过能力对需求适应性分析

2.3.1 客货运量需求分析

根据规划期(2035年)的运量预测研究，针对3大干线的不同区段分别研究提出了低、中、高3个梯度的运量水平方案，其中考虑到集装箱运输快速发展对线路运输组织和能力适应性将带来的巨大影响，对铁路集装箱货运量做了专门预测。3大干线规划期(2035年)客货运量预测如表2所示。在客运方面，尽管规划期3大干线的同通道均将建成高速铁路，形成“高速+普速”的路网格局，而为了保障人民群众基本出行需求，规划期3大干线仍需要继续开行一定规模的普速旅客列车，这将限制和影响普速干线的货运能力。货运方面，3个运量方案的预测结果均表明，随着全社会货运总量的持续较快增长和铁路货运增量行动的深入推进，货运向集装化、班列化运输的发展趋势十分明显，规划期3大干线各区段货运密度将保持增长，特别是集装箱的运量将大幅增长，在货运量中的比重将明显提高。

表1 3大干线移动闭塞后通过能力变化Tab.1 Changes of carrying capacity of three main lines after application of movable block

根据预测得到的货运密度和结构，可以按照相应的经验参数折算为列车开行对数，但考虑到未来货运班列化、集装化、直达化的运输组织方式将使列车开行对数增加，3大线路客、货列车开行总对数均在现状基础上将有一定幅度的提升。

2.3.2 线路能力利用率

基于以上分析，既有技术条件下规划期3大干线能力利用率(低、中、高运量预测)如图5所示，其中能力利用率超过100%的区段标记为黑色表示该区段能力不足，90% ～ 100%的区段标记为红色表示该区段能力饱和，80% ～ 90%的区段标记为橙色表示该区段能力比较紧张，80%以下区段标记为绿色表示该区段能力存在一定富余（下同）。利用扣除系数法，分析测算移动闭塞条件下3大干线能力利用率(低、中、高预测运量)如图6所示。

（1）采用固定闭塞能力适应性。由图5可知，在低运量水平下，3大干线只有部分区段能力不足，其他区段能力基本适应或略有富余；在中运量水平下，3大干线已经出现较大范围的能力不足情况，特别是京广线南段、京沪线北段等区段；在高运量水平下，3大干线将出现大面积的能力不足，其总体能力适应性较差。因此，从路网规划的角度，在既有技术条件下，线路通过能力没有提升，3大干线的部分区段或线路整体难以适应中、高运量水平的运输需求，需要有针对性地考虑线路能力补强或新建分流线路。

表2 3大干线规划期(2035年)客货运量预测 对 / dTab.2 Forecast of passenger and freight traffic volume of three main lines in the planning period (2035)

（2）采用移动闭塞能力适应性。由图6可知，假定3大干线在“撞硬墙”模式下，3大干线在低、中预测运量水平下线路能力适应性较好，只有个别区段出现能力不足状态；在高预测运量水平下，尽管部分区段也存在一定程度的能力不足，但也明显优于既有技术条件下的线路，没有出现整体性和大面积的能力不足，可以通过进一步优化运输组织缓解能力不足的矛盾。从总体上看，如果考虑移动闭塞技术应用对线路能力带来的提升，初步分析规划期3大普速干线的通过能力将基本适应运输需求的增长。据此可知，从铁路网规划的角度，应用移动闭塞技术后，既有3大干线的运输能力有所提升，能够基本适应规划期的客货运输需求，规划新建相应的长大普速干线进行分流的必要性不强。

3 结束语

图5 既有技术条件下规划期3大干线能力利用率(低、中、高预测运量)Fig.5 Under the existing technical conditions, the capacity utilization of the three main lines in the planning period(low, medium and high forecasted volume levels)

图6 移动闭塞条件下3大干线能力利用率(低、中、高预测运量)Fig.6 Capacity utilization of three main lines considering movable block conditions(low, medium and high forecasted volume levels)

随着铁路现代化发展的步伐加快，移动闭塞技术将逐步应用在普速铁路中，进一步提高铁路运输效率，有利于推动铁路内涵扩大再生产，是铁路运输组织的一次新的技术飞跃。为此，在铁路网规划工作中，需要充分考虑应用移动闭塞技术对线路通过能力的提升作用，充分挖掘既有普速铁路潜力、减少重复建设、提高经营效益和推动铁路网高质量发展。为了更好地适应客货运输需求增长，应加快研究和推进实施移动闭塞技术在普速铁路的应用。由于通过能力计算结果基于一定的边界条件和假定，将来还需要考虑实际运输生产中的复杂影响因素，根据线路、车站和列车开行等实际情况，修正追踪间隔时间和通过能力的计算参数，并通过实验加以验证。