基于虛擬信號(hào)機(jī)的復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)發(fā)車能力提升研究

李 鋒，代 斌

(國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 運(yùn)輸部，河北 肅寧062350)

0 引言

重載鐵路運(yùn)能大、效率高、成本低，能夠有效解決長(zhǎng)距離大宗物資運(yùn)輸問(wèn)題，普遍承載著國(guó)家貨物運(yùn)輸大動(dòng)脈的角色，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用。隨著我國(guó)“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，進(jìn)一步提升重載鐵路的貨運(yùn)能力已成為迫切要求[1]。

目前，國(guó)內(nèi)重載鐵路普遍采用固定閉塞系統(tǒng)進(jìn)行列車運(yùn)行防護(hù)[2]，列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，以閉塞分區(qū)為最小路權(quán)征用單位，列車追蹤運(yùn)行效率受閉塞分區(qū)長(zhǎng)度的限制。列車在車站運(yùn)行時(shí)，以進(jìn)路為最小路權(quán)征用單位，當(dāng)任意兩列車連續(xù)發(fā)車時(shí)，必須等待先發(fā)列車完全出清整條進(jìn)路后才可以為后發(fā)列車辦理發(fā)車進(jìn)路，發(fā)車間隔較大[3]。以朔黃鐵路(神池南—黃驊港)為例，既有三顯示自動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)僅能支持萬(wàn)噸列車11 min左右的發(fā)車間隔，已無(wú)法滿足該鐵路運(yùn)量快速增長(zhǎng)的需求。當(dāng)前，固定閉塞系統(tǒng)下發(fā)車間隔較長(zhǎng)是影響重載鐵路運(yùn)能提升的關(guān)鍵因素。

基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，能夠在保障系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)上縮短發(fā)車間隔，是解決當(dāng)前運(yùn)輸生產(chǎn)面臨問(wèn)題的技術(shù)手段之一[4]。然而，常規(guī)的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，雖然只需先發(fā)列車出清沖突道岔且沖突道岔區(qū)段解鎖后，即可為后發(fā)列車辦理發(fā)車進(jìn)路，相比于固定閉塞發(fā)車方式提升了發(fā)車效率，但對(duì)于神池南站、肅寧北站之類的復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)，因其發(fā)車咽喉區(qū)長(zhǎng)、發(fā)車股道數(shù)多，任意2條發(fā)車進(jìn)路之間至少存在1處重合區(qū)段，且均在道岔區(qū)段，后發(fā)列車在股道上的等待時(shí)間仍然較長(zhǎng)，影響發(fā)車能力[5]。

在重載鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)將發(fā)車進(jìn)路進(jìn)行細(xì)分，使得列車能夠分段使用路權(quán)；同時(shí)，根據(jù)先發(fā)列車實(shí)時(shí)和歷史的牽引及制動(dòng)狀態(tài)、位置及速度信息，為后發(fā)列車動(dòng)態(tài)計(jì)算最優(yōu)的發(fā)車時(shí)機(jī)，以提升復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)的發(fā)車能力，進(jìn)一步提升運(yùn)能。

1 增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)的移動(dòng)閉塞發(fā)車方式

1.1 虛擬信號(hào)機(jī)增設(shè)背景

重載鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，對(duì)于2列需使用同一道岔(使用道岔的不同位置)的待發(fā)列車，常規(guī)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下發(fā)車方式示意圖如圖1所示，當(dāng)先發(fā)列車A出清沖突道岔且沖突道岔區(qū)段被解鎖時(shí)刻(道岔仍在反位)，如圖1a所示，此時(shí)可以為股道B上的列車B辦理發(fā)車進(jìn)路；待聯(lián)鎖將沖突道岔轉(zhuǎn)換至定位后，如圖1b所示，可以鎖閉列車B的發(fā)車進(jìn)路并開(kāi)放信號(hào)，如圖1c所示。

圖1 常規(guī)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下發(fā)車方式示意圖Fig.1 Departure mode of conventional moving block system

從圖1可見(jiàn)，對(duì)于不同股道的2列待發(fā)列車，移動(dòng)閉塞下只要先發(fā)列車出清了沖突道岔且沖突道岔區(qū)段解鎖后，即可為后發(fā)列車辦理發(fā)車進(jìn)路，無(wú)需同固定閉塞系統(tǒng)一樣等先發(fā)列車完全出清整條發(fā)車進(jìn)路后，才為后發(fā)列車辦理進(jìn)路。

由于基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，車-地實(shí)現(xiàn)雙向通信，地面無(wú)線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)根據(jù)管轄范圍內(nèi)的列車位置、區(qū)段占用狀態(tài)及臨時(shí)限速等信息為列車計(jì)算行車許可[6]，因而傳統(tǒng)的固定閉塞發(fā)車進(jìn)路可以被細(xì)分成多段短進(jìn)路。移動(dòng)閉塞下可以將道岔區(qū)段作為最小的路權(quán)征用單位，即對(duì)于2列需使用同一道岔(使用道岔的不同位置)的列車，當(dāng)前車未釋放被其征用的道岔資源時(shí)，后車最遠(yuǎn)可以運(yùn)行至道岔區(qū)段的始端，即除了共用的沖突道岔區(qū)段外，沖突道岔區(qū)段之前的路徑可以被后車提前使用。

為了使得細(xì)分后的進(jìn)路可以被標(biāo)識(shí)和辦理，同時(shí)辦理時(shí)仍能按照聯(lián)鎖條件進(jìn)行檢查，提出在細(xì)分進(jìn)路的始端或終端增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)[7]。當(dāng)2架實(shí)體列車信號(hào)機(jī)間無(wú)車時(shí)，2架實(shí)體列車信號(hào)機(jī)間虛擬信號(hào)機(jī)的亮滅狀態(tài)需與始端實(shí)體列車信號(hào)機(jī)的亮滅狀態(tài)相同。當(dāng)2架實(shí)體列車信號(hào)機(jī)間有車時(shí)，虛擬信號(hào)機(jī)與終端實(shí)體信號(hào)機(jī)的亮滅狀態(tài)保持一致。增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)后，列車能夠分段使用路權(quán)，可為后發(fā)列車提前辦理虛擬信號(hào)進(jìn)路。同時(shí)，還可以根據(jù)先發(fā)列車實(shí)時(shí)和歷史的牽引/制動(dòng)狀態(tài)、位置及速度信息，為后發(fā)列車動(dòng)態(tài)計(jì)算最優(yōu)的發(fā)車時(shí)機(jī)。

其中，虛擬信號(hào)進(jìn)路可以分為2種類型，一是始端為實(shí)體信號(hào)機(jī)、終端為虛擬信號(hào)機(jī)，二是始端為虛擬信號(hào)機(jī)、終端為實(shí)體信號(hào)機(jī)。聯(lián)鎖具備辦理虛擬信號(hào)進(jìn)路的功能，對(duì)于虛擬信號(hào)進(jìn)路只允許為移動(dòng)閉塞列車辦理，即只有始端信號(hào)機(jī)為強(qiáng)制滅燈狀態(tài)時(shí)才允許辦理。虛擬信號(hào)進(jìn)路的選排、鎖閉、信號(hào)開(kāi)放、信號(hào)關(guān)閉、進(jìn)路解鎖、信號(hào)重開(kāi)的檢查條件，與普通移動(dòng)閉塞列車進(jìn)路的檢查條件相同。

虛擬信號(hào)機(jī)的開(kāi)放、關(guān)閉、亮、滅為邏輯狀態(tài)。排列進(jìn)路后、滿足開(kāi)放條件時(shí)直接設(shè)置為開(kāi)放狀態(tài)，需要關(guān)閉時(shí)直接設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，聯(lián)鎖收到RBC的強(qiáng)制亮燈指令直接設(shè)置為亮燈狀態(tài)，收到RBC的強(qiáng)制滅燈指令直接設(shè)置為滅燈狀態(tài)。

1.2 虛擬信號(hào)機(jī)增設(shè)方案

有關(guān)復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)發(fā)車能力提升的研究，主要分為虛擬信號(hào)機(jī)的布置和后發(fā)列車最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)的計(jì)算，下面結(jié)合朔黃鐵路全線能力瓶頸點(diǎn)之一的肅寧北站，具體說(shuō)明虛擬信號(hào)機(jī)的增設(shè)方案。

肅寧北站重車上行方向的站場(chǎng)內(nèi)發(fā)車股道有13條，發(fā)車進(jìn)路較多，任意2條發(fā)車進(jìn)路之間至少存在1處重合線路，且所有重合線路均在道岔區(qū)段。肅寧北站重車上行方向發(fā)車咽喉區(qū)線路平面布置如圖2所示，圖2僅體現(xiàn)部分發(fā)車股道。

結(jié)合圖2所示的線路平面布置圖，對(duì)所有沖突道岔進(jìn)行分析。為了降低對(duì)現(xiàn)有車站聯(lián)鎖邏輯的影響且適當(dāng)?shù)靥嵘l(fā)車能力，增設(shè)的虛擬信號(hào)機(jī)應(yīng)盡可能地適用于更多股道的發(fā)車進(jìn)路。由此，在肅寧北站211號(hào)道岔岔尖前的絕緣節(jié)處增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)V1，在D207信號(hào)機(jī)相同的位置增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)V3。匯總經(jīng)過(guò)相應(yīng)虛擬信號(hào)機(jī)發(fā)車的股道信息，肅寧北重車上行方向站內(nèi)股道發(fā)車信息如表1所示。

圖2 肅寧北站重車上行方向發(fā)車咽喉區(qū)線路平面布置Fig.2 Line layout of departure throat area of Suningbei heavy-haul train in upward direction

表1 肅寧北重車上行方向站內(nèi)股道發(fā)車信息Tab.1 In-station information related to departure of Suningbei heavy-haul train in upward direction

1.3 發(fā)車時(shí)機(jī)計(jì)算原理

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下，任意2條股道連續(xù)發(fā)車，當(dāng)先發(fā)列車根據(jù)理想的發(fā)車曲線行車時(shí)，后發(fā)列車可以獲得前車車尾出清沖突道岔所需的時(shí)間。為了保證先發(fā)列車出清沖突道岔，后發(fā)列車能夠按照理想的發(fā)車曲線不降速成功發(fā)車，則后發(fā)列車最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3 后發(fā)列車最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)計(jì)算示意圖Fig.3 Optimal departure time calculation of later train

以虛擬信號(hào)機(jī)所在位置為行車許可終點(diǎn)計(jì)算后車的常用制動(dòng)防護(hù)曲線，并將其與理想發(fā)車曲線進(jìn)行比較，當(dāng)理想發(fā)車曲線的速度超過(guò)常用制動(dòng)防護(hù)速度后，意味著列車將降速運(yùn)行，因而最優(yōu)的發(fā)車時(shí)機(jī)為能夠保證先發(fā)列車車尾剛好出清沖突道岔區(qū)段時(shí)，后發(fā)列車速度達(dá)到常用制動(dòng)防護(hù)速度，即圖3中的vL。由此可得后發(fā)列車的最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)，計(jì)算公式如下。

式中：T為先發(fā)列車從股道出發(fā)起至為后發(fā)列車辦理進(jìn)路所間隔的時(shí)間，min；TC為先發(fā)列車按理想行車

曲線行車時(shí)車尾出清沖突道岔所需時(shí)間，min；T0為出站信號(hào)機(jī)至虛擬信號(hào)機(jī)的進(jìn)路辦理時(shí)間，min；TL為后發(fā)列車速度達(dá)到常用制動(dòng)防護(hù)速度所需時(shí)間，min。

2 最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)動(dòng)態(tài)生成算法

考慮到先發(fā)列車可能不能完全按照理想行車曲線行車，因而根據(jù)先發(fā)列車實(shí)時(shí)和歷史的牽引/制動(dòng)狀態(tài)、位置及速度信息，基于真實(shí)的發(fā)車數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)匹配算法，匹配到最貼合先發(fā)列車狀態(tài)的發(fā)車曲線，從而得到先發(fā)列車出清沖突道岔所需的時(shí)間，進(jìn)而動(dòng)態(tài)生成后發(fā)列車的最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)[8]。最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)動(dòng)態(tài)生成算法流程如圖4所示。

圖4 最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)動(dòng)態(tài)生成算法流程Fig.4 Dynamic generation algorithm flow of optimal departure time

步驟1：采集不同編組列車從不同股道發(fā)車出站運(yùn)行時(shí)的速度、位置及牽引/制動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立發(fā)車數(shù)據(jù)庫(kù)。

步驟2：根據(jù)先發(fā)列車匯報(bào)的位置、速度及牽引/制動(dòng)狀態(tài)，在發(fā)車數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配出最貼合先發(fā)列車運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)車曲線。

步驟3：基于匹配到的發(fā)車曲線，計(jì)算出先發(fā)列車按該曲線行車時(shí)車尾出清沖突道岔所需的時(shí)間TC。

步驟4：以虛擬信號(hào)機(jī)所在位置為行車許可終點(diǎn)，計(jì)算出后發(fā)列車的常用制動(dòng)防護(hù)曲線。

步驟5：計(jì)算后發(fā)列車按照理想發(fā)車曲線行駛時(shí)，速度達(dá)到常用制動(dòng)防護(hù)曲線速度所需的時(shí)間TL。

步驟6：由公式(1)計(jì)算得到后發(fā)列車的最優(yōu)發(fā)車時(shí)機(jī)。

3 案例仿真

3.1 仿真基本參數(shù)

為驗(yàn)證增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)的移動(dòng)閉塞發(fā)車方式，可以提升復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)的發(fā)車能力，結(jié)合肅寧北站重車上行方向發(fā)車咽喉區(qū)實(shí)際線路數(shù)據(jù)與牽引計(jì)算規(guī)程，搭建不同閉塞制式下的連續(xù)發(fā)車仿真平臺(tái)[9]。借助仿真平臺(tái)可以計(jì)算出不同閉塞制式下不同編組列車的發(fā)車間隔。列車編組信息參數(shù)如表2所示。

表2 列車編組信息參數(shù)Tab.2 Train marshaling information parameters

根據(jù)軸重25 t的HXD1型機(jī)車的牽引/制動(dòng)特性曲線，其牽引特性控制函數(shù)為

式中：Ft為機(jī)車牽引力，kN；v為機(jī)車運(yùn)行速度，km/h；ηt為牽引手柄的級(jí)位。

其制動(dòng)特性控制函數(shù)為

式中：Fb為電制動(dòng)力，kN；ηb為電制動(dòng)手柄的級(jí)位。

3.2 結(jié)果分析

（1）固定閉塞下肅寧北重車上行方向發(fā)車間隔。固定閉塞制式下，在肅寧北站重車上行方向發(fā)車咽喉區(qū)中，II-9G與II-IG連續(xù)發(fā)車時(shí)發(fā)車間隔最大[10]，考慮為后發(fā)列車辦理發(fā)車作業(yè)的時(shí)間、列車啟動(dòng)時(shí)間以及后發(fā)列車從股道出發(fā)運(yùn)行至車尾出清一離去區(qū)段尾端的時(shí)間，分別對(duì)萬(wàn)噸、2萬(wàn)噸列車連續(xù)發(fā)車場(chǎng)景進(jìn)行仿真。仿真得到不同編組列車的發(fā)車間隔，固定閉塞制式下2萬(wàn)噸列車的發(fā)車間隔達(dá)12.6 min，萬(wàn)噸列車的發(fā)車間隔達(dá)10.9 min。

（2）移動(dòng)閉塞下肅寧北重車上行方向發(fā)車間隔。移動(dòng)閉塞制式下，在肅寧北站重車上行方向發(fā)車咽喉區(qū)中，共增設(shè)2個(gè)虛擬信號(hào)機(jī)V1和V3。考慮為后發(fā)列車辦理出站信號(hào)機(jī)到虛擬信號(hào)機(jī)進(jìn)路的時(shí)間、列車啟動(dòng)時(shí)間以及后發(fā)列車從股道出發(fā)直至車尾越過(guò)虛擬信號(hào)機(jī)所用的時(shí)間，根據(jù)前后行列車所經(jīng)過(guò)虛擬信號(hào)機(jī)的情況，分別對(duì)萬(wàn)噸、2萬(wàn)噸列車連續(xù)發(fā)車場(chǎng)景進(jìn)行仿真。仿真得到不同編組列車的發(fā)車間隔，移動(dòng)閉塞下肅寧北重車上行方向發(fā)車間隔如表3所示。由表3可知，增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)后，2萬(wàn)噸列車的最大發(fā)車間隔為11.2 min，萬(wàn)噸列車的最大發(fā)車間隔為9.2 min，相比固定閉塞分別減小1.4 min和1.7 min。由此可知，提出的增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)的移動(dòng)閉塞發(fā)車方式，能夠有效提升復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)的發(fā)車能力。

表3 移動(dòng)閉塞下肅寧北重車上行方向發(fā)車間隔Tab.3 Departure interval of Suningbei heavy-haul train in upward direction under moving block mode

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析重載鐵路列車發(fā)車間隔現(xiàn)狀，提出一種適用于復(fù)雜貨運(yùn)站場(chǎng)的增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)的移動(dòng)閉塞發(fā)車方案。結(jié)合實(shí)際線路數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證結(jié)果證明，增設(shè)虛擬信號(hào)機(jī)的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)發(fā)車方案對(duì)重載鐵路運(yùn)輸能力的提升十分顯著。結(jié)合朔黃鐵路4.5億t規(guī)劃，可以在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)朔黃鐵路始發(fā)編組站(神池南站)能力提升以及朔黃全線推廣移動(dòng)閉塞技術(shù)進(jìn)行研究和探索，在不改變線路條件的基礎(chǔ)上，僅通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)的升級(jí)，最大限度地提升全線運(yùn)輸能力，實(shí)現(xiàn)朔黃鐵路4.5億t目標(biāo)。