高速铁路长大下坡道闭塞分区自动化布置研究

石修路,于汝滨

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 401120； 2.中铁二院工程集团有限责任公司交通规划研究院,成都 610031)

引言

随着我国西南地区高速铁路建设进程不断加快，长大坡道条件下的列车追踪检算及闭塞分区设置等问题日益受到重视。为充分提升线网运输效率、发挥线路能力，针对西南地区独特的地形条件，进行长大坡道下的闭塞分区设置研究有着极其重要的意义及作用。

目前，相关学者及专家针对长大坡道下的闭塞分区设置已取得了诸多成果。其中，高国隆[1-2]等构建了长大坡道条件下的高速铁路闭塞分区布置优化模型，并采用遗传算法求解，实例验证显示：优化模型较传统布置方法能够有效缩短行车间隔、提高区间通过能力；崔衍渠[3]从区间通过能力影响因素入手，重点分析了长大坡段下的列车追踪间隔，论证了不同坡度、不同坡长对列车追踪间隔的影响程度；王杰[4]以宝兰高铁为例，重点研究了不同车载设备下的列车制动距离及追踪间隔，通过优化闭塞分区长度和列控参数等措施，有效提升了运输效率；张博[5]针对闭塞分区设置需求及原理，从软件开发角度，对功能架构及关键技术进行了论述；全宏宇[6]立足于区间信号自动设计需求，提出了轨道电路自动分割理念及应答器自动布置算法，研发了区间信号自动设计软件。

既有研究成果在一定程度上弥补了规范空白，但对于长大坡道下的闭塞分区设置依然存在诸多问题[7-9]：从安全角度分析，高速铁路成网运行，列车制动的初始速度应取制动距离最长的列车车载设备所限定的最高运行速度(考虑上浮)；为有效提升闭塞分区设置精度及效率，相关理论依据应整合利用，从而简化设计流程；为突出理论研究的优越性，应选取合理的对比对象进行分析论证。

考虑到现有工程应用中闭塞分区划分的理论体系、规范规程尚不完善，针对既有理论的不足，从高速铁路闭塞分区计算原理入手，优化了闭塞分区算法，并通过软件开发实现了长大坡道下的闭塞分区自动布置，通过实例检算与手动布置相对比，突出了软件设计的适用性、精准性及高效性。

1 闭塞分区设置原则

1.1 线路条件

TB10621—2014《高速铁路设计规范(条文说明)》第5.3.3条规定：动车组于大坡道上的运行速度不低于设计时速的80%～85%时，最大坡段长度于15‰坡度不宜大于10 km，于20‰坡度不宜大于6 km，于25‰坡度不宜大于4 km，于30‰坡度不宜大于3 km，于35‰坡度不宜大于2 km[3]。受地形条件限制，西南地区高速铁路线路长大坡段较多，如西成高铁(西安—成都)使用25‰大坡度累计长度达46 km[10]；大西高铁(大同—西安)部分区段平均坡度达27.6‰，长度达15.6 km；郑万高铁(郑州—万州)使用30‰大坡度累计长度达85.5 km。因此，闭塞分区设置过程中受长大坡段影响较大。

根据物理学原理分析可知，当列车于上坡段运行时，列车动能将转化为势能，速度降低，利于制动；当列车处于下坡段时，列车势能将转化为动能，速度提升，不利于制动。因此，闭塞分区布设时，应结合列车速度、坡度条件及坡段长度合理调整，如图1所示。

图1 闭塞分区布设示意

1.2 制动要求

受轨道电路传输距离限制，装备列控车载设备的动车组应在任意7个闭塞分区内满足目标速度制动至零要求[11-13]，制动过程如图2所示。

图2 列车制动示意

由于高速铁路和城际铁路均采用准移动闭塞，设计过程中考虑CTCS-3列控系统故障，采用CTCS-2列控系统降级运行时，为保证运行安全，任意7个闭塞分区总长应满足305 km/h(考虑上浮)制动至0 km/h并留有一定安全距离；反向运行时，任意7个闭塞分区总长应满足255 km/h(考虑上浮)制动至0 km/h并留有一定安全距离。

1.3 追踪间隔

TB10621—2014《高速铁路设计规范(条文说明)》第3.4.9条规定：区间通过能力一般按最小追踪间隔3 min设计，按最小追踪间隔4 min检算能力。因此，闭塞分区设置时应满足最小追踪间隔3 min要求，即使受客观条件限制无法满足时，也应尽可能缩短追踪间隔。追踪间隔计算公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，I追、I到、I发、I通分别为区间追踪间隔、到达间隔、出发间隔、通过间隔，min；t附加、t到达、t出发、t通过分别为区间追踪附加时间、到达作业时间、出发作业时间、通过作业时间，s；v运为追踪距离内平均运行速度，km/h；L制为列控车载设备监控制动距离，m；L防为安全防护距离，m；L闭为闭塞分区长度，m；L列为列车长度，m；L咽喉为车站进站信号机(或出站信号机)至股道反向出站信号机(或反向进站信号机)间的距离，m；L标为列车停车标至出站信号机间的距离，m。

由公式(1)～公式(4)可知，制动距离对追踪间隔影响较大。闭塞分区设置以追踪间隔最小为约束，即闭塞分区总长在保证安全余量的前提下应尽可能接近制动距离。

2 线路平均坡度

平均坡度是指一定长度内线路坡度的平均。受线路平纵断面影响，不同坡度的坡长各异，设计过程中应根据实际需求，于一定距离内计算线路平均坡度，以支撑闭塞分区设置。

2.1 理论研究成果

通过对各列控车载设备监控制动距离进行研究，CRH380BK为CTCS3-300T车载设备中制动性能最差车型[3]。为保证线网运输安全，设计过程中应按最不利车型设置闭塞分区。

通过牵引仿真，CRH380BK车型于CTCS-2模式下制动距离与平均闭塞分区长度对应关系如表1所示[3]。

表1 平均坡度与闭塞分区对应长度

2.2 平均坡度计算

受线路纵断面影响，各坡段坡度、坡长均不相同，为实时计算列车所处位置的高程，将列车抽象为二维坐标点，将线路拟合为二元一次函数。受线路长短链影响，拟合函数并不连续，为保证信号点位置的唯一性，重置线路坐标系使得里程与高程一一对应，去除长短链后的拟合公式如下

(5)

式中，y为高程，m；x为里程，km；γT为坡度矩阵，‰；hT为高程截距矩阵，m。

列车高程实时计算公式如下

(6)

式中，yi为第i个坐标点高程，m；xi为第i个坐标点里程，km；γi→m为第i个坐标点对应坡段m的坡度，‰；hi→m为第i个坐标点对应坡段m的起点高程截距，m。

平均坡度计算公式如下

(7)

由表1可知，平均闭塞分区长度最大为6.4 km，为保证平均坡度能够有效支撑闭塞分区设计，计算步长不应小于6.4 km；同时，为保证平均坡度准确性，计算步长不宜过大。综上，此次研究计算步长取值7 km。

3 闭塞分区设计

3.1 理论前提

闭塞分区设计作为一项系统工程，需结合进出站信号机及电分相所在闭塞分区统筹考虑。设计过程中，随着设计深度的不断深入，为避免闭塞分区设计方案频繁返工，电分相设置方案应优先确定[14-15]。

“关于印发《电分相设计工作会议纪要》的通知”中规定：电分相应避免设置在6‰以上大坡道上；TB10621—2014《高速铁路设计规范》第11.5.5节第2条规定：电分相不宜设置在连续大坡道、变坡点、大电流及出站加速区段，列车过分相断电区距最近信号机不宜小于550 m；《轨道交通客运列车断电过分相系统相互匹配准则》第5.2条规定：正常运行时，分相区的“断”标前的入口行驶速度不宜低于100 km/h，以保证列车断电过分相后“合”标前的出口行驶速度不低于40 km/h，从而满足正常运输时旅客舒适度的要求；《铁路技术管理规程(高速铁路部分)》中第411条规定：动车组列车反方向运行时，在CTCS-3级区段，CTCS-3级列控系统最高允许速度为300 km/h，CTCS-2级列控系统最高允许速度为250 km/h。综而言之，动车组正向行车及反向行车状况下，电分相位置、相邻信号机与“断”“合”标距离以及动车组出口速度，都应满足具体要求，因此，电分相所处闭塞分区应优先检算确定[16-19]。

以进出站信号机及电分相所处闭塞分区稳定为理论基础，以区间一般闭塞分区为主要研究对象展开研究。

3.2 计算原理

闭塞分区设计过程中，考虑正向运行与反向运行两种工况。正向运行工况，CTCS-2模式下动车组最高运行速度可达305 km/h(考虑上浮)，为保证行车安全，闭塞分区长度在制动初始速度300 km/h(正常运行)前提下与线路平均坡度匹配；同理，反向运行工况，CTCS-2模式下动车组最高运行速度可达255 km/h(考虑上浮)，闭塞分区长度在制动初始速度250 km/h(正常运行)前提下与线路平均坡度匹配。

起终点信号机作为计算起点与终点，计算过程仅在起终点范围内进行。各站进出站信号机与电分相前后信号机将线路划分为若干区段，各区段范围内分别计算区间信号机位置，具体如图3所示。

图3 区间信号机计算范围示意

3.3 计算公式

根据主要计算原理，闭塞分区自动布设计算公式如下

(8)

(9)

3.4 电算逻辑

根据计算原理及各计算公式，闭塞分区设计过程中存在较强的规律性，为简化设计流程，提升设计质量及效率，本次研究基于VBA平台开发了闭塞分区设计辅助系统。系统运算逻辑如图4所示。

图4 闭塞分区设计辅助系统运算逻辑框图

闭塞分区设计辅助系统受限于牵引仿真软件的不同，数据输出形式需与牵引仿真软件内置数据类型相匹配。为提升系统兼容性，数据输出过程中留有开放式接口，以便于针对特定类型、版本的牵引仿真软件使用。

4 实例验证

4.1 项目概况

渝湘高铁黔江至吉首段，起于重庆市黔江站，终到吉首市吉首北站，正线全长210.02 km，设计速度350 km/h，设站5座，平均站间距52.43 km。

全线累积爬升高度超过1 500 m，25‰及以上长大坡道累计共37.17 km，最大连续下坡达13 km，具有典型的长大坡道线路特征。

由于线路较长，全线范围的闭塞分区设置较为繁琐，因此，本次研究选取其中典型区段进行闭塞分区设计与检算，以验证闭塞分区设计辅助系统的适用性及准确性。通过分析，秀山北站至花垣站区间较为典型，故以此区段为例。

4.2 基础数据

秀山北至花垣区段全长52.83 km，线路坡度较为均匀，无特殊限速。车站进出站信号机、电分相及相邻信号机位置分布如图5所示。

图5 渝湘高铁秀山北至花垣区段线路纵断面示意(单位：m)

闭塞分区及追踪间隔检算时，采用CRH380BK-300T型车16辆编组，CTCS-2运营模式。由于高速铁路成网运营，各线路区段均有可能达到最高运行速度，为保证行车安全，闭塞分区检算时，一律按最高运行速度上浮5 km/h考虑制动；追踪检算时，则根据牵引仿真V-S曲线实时计算[20-21]。

4.3 对比分析

为验证系统适用性、准确性及便捷性，对秀山北至花垣区段闭塞分区分别进行系统布置与手动布置，详细方案及设计效果如表2、表3所示。

表2 渝湘高铁秀山北至花垣区段闭塞分区对比分析

表3 渝湘高铁秀山北至花垣区段其他追踪间隔对比 s

如表2所示，在保证列车安全制动的前提下，系统布置方案较手动布置方案信号机数量更为接近理想状态，分区占用数更为均匀、合理，富余量得以有效压缩，最大追踪间隔有效缩短40 s，且工作效率取得大幅提升。

其他追踪间隔如表3所示。系统布置方案相较于手动布置方案，于车站出发间隔及通过间隔均有所缩短，且效果明显。

综上所述，闭塞分区设计辅助系统能够更为精确、更为高效的适用于高速铁路闭塞分区设计工作，在保证列车运行安全的前提下，能够有效缩短追踪间隔，提升线路通过能力。

5 结论

(1)在总结各项标准及既有研究成果的基础上，高速铁路闭塞分区自动化布设公式具有较强的精准性、规律性及系统性，能够有效指导闭塞分区设计辅助系统的研发及应用。

(2)与手动布置相比，闭塞分区设计辅助系统能够在优化闭塞分区划分的基础上，极大程度的简化设计工作，提升设计效率。该系统为高速铁路闭塞分区设计工作提供了一种可靠性高、兼容性强的辅助工具。

(3)本文研究成果适用于高速铁路闭塞分区设计，但受牵引仿真软件限制，不同的内置数据类型需与系统匹配方可使用，为进一步提升系统兼容性，下一步将针对国内不同类型的牵引仿真软件开发特定接口。