基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)

賀廣宇，郜新軍，李一楠，鄭理華，程劍鋒

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

在新建高速鐵路工程設(shè)計(jì)中，閉塞分區(qū)的設(shè)計(jì)和劃分是信號(hào)工程設(shè)計(jì)中一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。閉塞分區(qū)過(guò)長(zhǎng)，影響運(yùn)輸效率；閉塞分區(qū)過(guò)短，有可能危及行車安全。合理設(shè)計(jì)和劃分閉塞分區(qū)對(duì)高速鐵路行車安全和運(yùn)輸效率至關(guān)重要。閉塞分區(qū)長(zhǎng)度與列控系統(tǒng)的符合性檢算，確定列車追蹤間隔時(shí)間，必須基于牽引計(jì)算的結(jié)果。所以，牽引計(jì)算是四電系統(tǒng)集成和信號(hào)工程設(shè)計(jì)的依托。

針對(duì)新建鐵路客運(yùn)專線閉塞分區(qū)長(zhǎng)度符合性檢算，無(wú)論采用國(guó)外的仿真軟件，還是國(guó)內(nèi)由設(shè)計(jì)院自主開(kāi)發(fā)的列車牽引計(jì)算軟件，均由于缺少列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線模型，存在不能有效驗(yàn)證閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)與列控系統(tǒng)的匹配性問(wèn)題。例如，大西客專設(shè)計(jì)時(shí)，未充分檢算閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)是否滿足列控車載設(shè)備的制動(dòng)距離要求，導(dǎo)致大西客專開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，在大于20‰的坡道區(qū)段，要按照局部限速方案運(yùn)行[1]。既有研究主要針對(duì)列車牽引計(jì)算模型[2]和列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算方法及影響因素[3-6]進(jìn)行分析,沒(méi)有詳細(xì)描述列車牽引計(jì)算過(guò)程中的列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線生成算法，需深入研究列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線對(duì)列車追蹤間隔時(shí)間的影響。

因此，本文研究開(kāi)發(fā)基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)，提出平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)和功能模塊，設(shè)計(jì)列車運(yùn)行仿真閉環(huán)系統(tǒng)；選取京滬高速鐵路列控工程數(shù)據(jù)和動(dòng)車組牽引制動(dòng)參數(shù)，采用該平臺(tái)完成高速鐵路列車牽引計(jì)算和列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算，驗(yàn)證該平臺(tái)可用于閉塞分區(qū)長(zhǎng)度符合性檢算，從而驗(yàn)證閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)與列控系統(tǒng)的匹配性。

1 技術(shù)架構(gòu)

基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)采用HTML，CSS，JavaScript，Vue.js，Node.js和Koa等Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為后端數(shù)據(jù)庫(kù)，前后端分離構(gòu)建B/S架構(gòu)應(yīng)用平臺(tái)。技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)由應(yīng)用層、支撐層及相應(yīng)的功能組件構(gòu)成，分別如下。

(1)應(yīng)用層：采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括展現(xiàn)層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。展現(xiàn)層采用HTML，CSS，JavaScript和SVG可縮放矢量圖形等Web前端技術(shù)，確保良好的用戶體驗(yàn)。服務(wù)層按照功能將各業(yè)務(wù)模塊和外部接口劃分為不同的服務(wù)組件，降低系統(tǒng)模塊間耦合，使系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性。數(shù)據(jù)層將業(yè)務(wù)信息、配置信息和系統(tǒng)運(yùn)行信息存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(2)功能組件：包括平臺(tái)運(yùn)行所需的支撐性功能組件，包括報(bào)表、日志管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)可視化、界面顯示管理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和仿真參數(shù)管理等組件。

(3)支撐層：包括支撐平臺(tái)運(yùn)行的軟件和硬件。軟件包括Koa開(kāi)發(fā)框架、Vue.js漸進(jìn)式框架、Node.js平臺(tái)、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器操作系統(tǒng)。硬件包括服務(wù)器、系統(tǒng)局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

圖1 基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

2 功能模塊

平臺(tái)的功能模塊包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、列車運(yùn)行仿真、列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算、閉塞分區(qū)檢算和統(tǒng)計(jì)分析5個(gè)模塊，如圖2所示。各模塊的組成及主要功能如下。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理模塊：包括線路數(shù)據(jù)、仿真參數(shù)、動(dòng)車組參數(shù)和信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)的處理，其中線路數(shù)據(jù)具有固定格式和數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)批量導(dǎo)入和保存，以便快速完成多條線路的仿真分析；仿真參數(shù)、動(dòng)車組參數(shù)和信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)界面輸入、保存和修改。

(2)列車運(yùn)行仿真模塊：包括列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線計(jì)算、站場(chǎng)線路圖生成和列車運(yùn)行仿真，其中列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線提供列車允許速度，具備超速防護(hù)功能；站場(chǎng)線路圖提供地面數(shù)據(jù)仿真條件，正線采用列控工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入生成，側(cè)線站場(chǎng)圖通過(guò)數(shù)據(jù)配置完成，本平臺(tái)采用頂點(diǎn)和線條拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成站場(chǎng)線路圖，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)元素的便捷調(diào)整和列車路徑的快速遍歷；通過(guò)建立列車動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)不同工況下的列車運(yùn)行仿真。

(3)列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算模塊：依據(jù)《高速鐵路列車間隔時(shí)間查定辦法》(Q/CR 471—2015)和高速列車運(yùn)行仿真結(jié)果計(jì)算列車追蹤間隔時(shí)間，包括列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間I追、列車通過(guò)追蹤間隔時(shí)間I通、列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間I發(fā)和列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間I到。

(4)閉塞分區(qū)檢算模塊：包括閉塞分區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、線路坡度數(shù)據(jù)導(dǎo)入和閉塞分區(qū)長(zhǎng)度符合性檢算，導(dǎo)出閉塞分區(qū)長(zhǎng)度符合性檢算結(jié)果。

(5)統(tǒng)計(jì)分析模塊：包括追蹤間隔限制點(diǎn)信息、列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、列車速度—距離曲線和列車時(shí)間—距離曲線的統(tǒng)計(jì)分析，生成統(tǒng)計(jì)結(jié)果，導(dǎo)出列車仿真運(yùn)行曲線圖。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線生成算法

列車運(yùn)行仿真模塊中的列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線計(jì)算，是根據(jù)移動(dòng)授權(quán)、線路數(shù)據(jù)及動(dòng)車組制動(dòng)性能確定列車制動(dòng)曲線[7]，其中CTCS3—300T，CTCS3—300S和CTCS2—200C實(shí)時(shí)計(jì)算列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線，CTCS2—200H和CTCS3—300H通過(guò)查表法計(jì)算列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線。各個(gè)型號(hào)列控車載設(shè)備的制動(dòng)參數(shù)配置和制動(dòng)曲線計(jì)算方法存在差異[8]，本平臺(tái)采用文獻(xiàn)[9]的計(jì)算方法。

圖2 基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)功能框圖

以CTCS2—200C列控車載設(shè)備為例，取線路坡度i=0‰，限制速度vpermit=250 km·h-1，制動(dòng)參數(shù)取CRH1型動(dòng)車組的，采用文獻(xiàn)[9]的計(jì)算方法計(jì)算生成列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線，包括緊急制動(dòng)曲線、常用制動(dòng)曲線、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線和常用制動(dòng)觸發(fā)曲線，如圖3所示。

3.2 列車運(yùn)行仿真

根據(jù)動(dòng)能定理推導(dǎo)列車運(yùn)動(dòng)方程，其中列車受力分為牽引、制動(dòng)和惰行3種工況確定，從而仿真計(jì)算列車的加速度、速度和距離，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行仿真。

圖3 列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線

根據(jù)動(dòng)能定理推導(dǎo)的列車運(yùn)動(dòng)方程為[10]

(1)

(2)

其中，

(3)

(4)

式中：Δt為列車在每個(gè)速度間隔內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間，h；Δs為列車在每個(gè)速度間隔內(nèi)的運(yùn)行距離，km。v2和v1分別為每個(gè)速度間隔內(nèi)的初速度、末速度， km·h-1；F為每個(gè)速度間隔內(nèi)列車所受的單位合力，N·kN-1；γ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)，γ=0.08；f為列車單位牽引力，N·kN-1；b為列車單位制動(dòng)力，N·kN-1；ω0為列車單位基本阻力，N·kN-1；ωj為坡道附加單位阻力，N·kN-1；ωq為曲線附加單位阻力，N·kN-1；ωs為隧道附加單位阻力，N·kN-1。

曲線附加單位阻力和隧道附加單位阻力采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，這里不再贅述。坡道附加阻力需考慮前方變坡點(diǎn)前后的路段對(duì)附加阻力的影響，因此分為車頭和車尾在同一個(gè)坡度區(qū)段和不在同一個(gè)坡度區(qū)段2種情況，計(jì)算方法分別如下。

(1)車頭和車尾在同一個(gè)坡度區(qū)段上

ωj=i

(5)

(2)車頭和車尾不在同一個(gè)坡度區(qū)段上

(6)

式中：ifront和irear為車頭、車尾所在坡道的坡度， ‰；dfront和drear分別為車頭、車尾所在位置的數(shù)值，m；df為車頭所在坡度區(qū)段起始位置的數(shù)值，m;dr+1為車尾所在坡度區(qū)段終點(diǎn)位置的數(shù)值，即下一段坡度區(qū)段起點(diǎn)位置的數(shù)值，m；dn為從車尾至車頭遍歷過(guò)程中索引為n的坡度區(qū)段起始位置的數(shù)值，m；in為從車尾至車頭遍歷過(guò)程中索引為n的坡度區(qū)段的坡度，‰；L為列車長(zhǎng)度，m。

基于式(1)—式(6)，設(shè)計(jì)列車運(yùn)行仿真閉環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由列車動(dòng)力學(xué)模型、列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線算法、線路信息和速度控制組成，如圖4所示。其中列車動(dòng)力學(xué)模型包括牽引、制動(dòng)和惰行3種工況下的列車受力分析。列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線采用文獻(xiàn)[9]的算法生成，根據(jù)移動(dòng)授權(quán)和列車速度、距離信息計(jì)算列車允許速度，當(dāng)列車超速時(shí)輸出制動(dòng)指令。線路信息包括閉塞分區(qū)、線路速度、線路坡度、自動(dòng)過(guò)分相和列車進(jìn)路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。速度控制模塊根據(jù)列車當(dāng)前速度、允許速度和制動(dòng)指令確定列車運(yùn)行的工況狀態(tài)(牽引、惰行和制動(dòng))。

圖4 列車運(yùn)行仿真閉環(huán)系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)司機(jī)實(shí)際操縱列車運(yùn)行過(guò)程的調(diào)研，設(shè)計(jì)列車運(yùn)行仿真速度控制策略如下。

(1)列車發(fā)車時(shí)，按照最大牽引級(jí)位加速列車至列控車載設(shè)備允許速度，在頂棚速度區(qū)域(CSM)按照允許速度運(yùn)行。

(2)當(dāng)列車運(yùn)行至自動(dòng)過(guò)分相區(qū)時(shí)，僅允許制動(dòng)和惰行。

(3)當(dāng)列車接近目標(biāo)速度監(jiān)控區(qū)(TSM)時(shí)，提前將列車速度減至低于允許速度5 km·h-1，進(jìn)入TSM區(qū)域后執(zhí)行80%的制動(dòng)力減速列車，按照低于允許速度5 km·h-1控制列車減速運(yùn)行。

(4)列車進(jìn)站越過(guò)停車位置標(biāo)后，施加最大常用制動(dòng)使列車停車。

4 列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算

基于仿真的列車運(yùn)行過(guò)程，解算列車運(yùn)行時(shí)分和運(yùn)行距離，依據(jù)《高速鐵路列車間隔時(shí)間查定辦法》(Q/CR 471—2015)中關(guān)于列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間I追、列車通過(guò)追蹤間隔時(shí)間I通、列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間I發(fā)和列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間I到[11]的計(jì)算方法，計(jì)算各追蹤間隔時(shí)間，驗(yàn)證閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)是否滿足最小追蹤間隔時(shí)間要求。

為了驗(yàn)證基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)，導(dǎo)入京滬高速鐵路列控工程數(shù)據(jù)表，采用CRH3A型動(dòng)車組牽引和制動(dòng)參數(shù)，考慮坡道附加阻力，忽略影響較小的曲線附加阻力和隧道附加阻力，計(jì)算京滬高鐵上、下行線列車運(yùn)行速度和列車區(qū)間及通過(guò)追蹤間隔時(shí)間曲線，如圖5所示。根據(jù)圖5，針對(duì)上、下行選取列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間和列車通過(guò)追蹤間隔時(shí)間最大值，作為京滬高速鐵路的追蹤間隔時(shí)間，見(jiàn)表1；取上、下行中的較大值，則得I追=152.1 s，I通=183.4 s。可見(jiàn)，I通>I追，這是由于辦理通過(guò)進(jìn)路作業(yè)時(shí)間和列車出清出站第1個(gè)閉塞分區(qū)的影響。

圖5 京滬高速鐵路上、下行線列車運(yùn)行速度和列車區(qū)間及車站通過(guò)追蹤間隔時(shí)間曲線

表1 京滬高速鐵路列車區(qū)間和通過(guò)追蹤間隔時(shí)間

考慮客運(yùn)專線典型的4股道和6股道站場(chǎng)結(jié)構(gòu)，選取廊坊站和天津南站作為研究對(duì)象，其列車在站內(nèi)發(fā)車后的速度—距離曲線如圖6所示。

圖6 廊坊站和天津南站列車出站速度—距離曲線

由圖6可知：天津南站側(cè)線發(fā)車80 km·h-1限速距離較長(zhǎng)，其原因是天津南站側(cè)線發(fā)車限速80 km·h-1進(jìn)路長(zhǎng)度為244 m，廊坊站3G和4G側(cè)線發(fā)車限速80 km·h-1進(jìn)路長(zhǎng)度分別為162和168 m；天津南站6G發(fā)車后運(yùn)行速度下降，這是由天津南站上行線出站一離去K121+738至K121+242存在分相區(qū)導(dǎo)致的；廊坊站4G列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間較長(zhǎng)，這是因?yàn)槔确徽?G上行線出站—離去區(qū)段終點(diǎn)為2 026 m，天津南站上行線出站—離去區(qū)段終點(diǎn)為1 905 m。綜上所述，列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間與出站—離去區(qū)段終點(diǎn)的長(zhǎng)度、側(cè)線岔區(qū)長(zhǎng)度和分相區(qū)位置相關(guān)。

根據(jù)圖6，針對(duì)上、下行，分別選取廊坊站和天津南站列車出發(fā)追蹤間隔時(shí)間的最大值，作為2站的出發(fā)追蹤間隔時(shí)間，見(jiàn)表2；取上、下行中的較大值，則廊坊站I發(fā)=151.7 s，天津南站I發(fā)=152.2 s。

表2 廊坊站和天津南站的I發(fā)

廊坊站和天津南站進(jìn)站停車的列車速度—距離曲線和列控車載設(shè)備生成的列車允許速度—距離曲線分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知：列車在3 000 m左右允許速度抬升，這是因?yàn)樘旖蚰险竞屠确徽窘榆嚩咏]塞分區(qū)入口處移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)由進(jìn)站信號(hào)機(jī)更新為出站信號(hào)機(jī)；天津南站進(jìn)站后提前降速，而廊坊站進(jìn)站列車維持在80 km·h-1通過(guò)側(cè)線岔區(qū)，這是因?yàn)樘旖蚰险竟傻篱L(zhǎng)度短于廊坊站，其中天津南站5G和6G從反向出站信號(hào)機(jī)至正向出站信號(hào)機(jī)的股道長(zhǎng)度為608 m，廊坊站3G從反向出站信號(hào)機(jī)至正向出站信號(hào)機(jī)的股道長(zhǎng)度為1 441 m，廊坊站4G從反向出站信號(hào)機(jī)至正向出站信號(hào)機(jī)的股道長(zhǎng)度為1 371 m，受線路坡度影響各個(gè)股道接車的制動(dòng)距離存在差異。綜上所述，列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間與線路坡度、閉塞分區(qū)長(zhǎng)度、側(cè)線岔區(qū)和股道長(zhǎng)度相關(guān)。

圖7 廊坊站和天津南站進(jìn)站停車的列車速度—距離曲線

圖8 廊坊站和天津南站進(jìn)站停車列控車載設(shè)備生成的列車允許速度—距離曲線

根據(jù)圖7和圖8，針對(duì)上、下行，分別選取廊坊站和天津南站列車到達(dá)追蹤間隔時(shí)間的最大值，作為2站的到達(dá)追蹤間隔時(shí)間，見(jiàn)表3；取上、下行中的較大值，則有廊坊站I到=217.9 s，天津南站I到=218.6 s。

表3 廊坊站和天津南站的I到

5 結(jié) 語(yǔ)

為了有效驗(yàn)證閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)和列控系統(tǒng)的匹配性，本文提出了基于列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線的高速列車牽引計(jì)算平臺(tái)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、列車運(yùn)行仿真、列車追蹤間隔時(shí)間計(jì)算、閉塞分區(qū)檢算和統(tǒng)計(jì)分析5個(gè)模塊。其中列車運(yùn)行仿真為牽引計(jì)算平臺(tái)的核心，由線路信息、列車動(dòng)力學(xué)模型、列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線算法和速度控制組成，列控車載設(shè)備制動(dòng)曲線算法具備列車超速防護(hù)功能，根據(jù)移動(dòng)授權(quán)和列車速度距離信息生成允許速度和制動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行仿真的閉環(huán)處理。

選取京滬高速鐵路列控工程數(shù)據(jù)和CRH3A型動(dòng)車組參數(shù)進(jìn)行列車牽引計(jì)算，得到京滬高速鐵路的列車追蹤間隔時(shí)間。可見(jiàn)，該平臺(tái)可用于閉塞分區(qū)長(zhǎng)度符合性檢算，從而驗(yàn)證閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)與列控系統(tǒng)的匹配性，具有較高的理論和實(shí)用價(jià)值。