鄭萬高鐵長大下坡道區段閉塞分區劃分與列控系統匹配性研究

賀廣宇，秦喜運，陳匯遠，馬云鵬，羅飛豹

高速鐵路閉塞分區劃分由設計院行車專業完成，缺少信號專業列控系統仿真驗證的技術手段，需要列控系統設備供應商驗證閉塞分區劃分與列控系統的匹配性。既有研究主要針對列車牽引計算理論、列車追蹤間隔時間計算公式和影響參數，以及長大下坡道線路條件下列車運行問題等進行分析，如文獻［1］研究高速列車追蹤間隔時間的計算方法，提出了計算公式中各參數的取值；文獻［2］研究高速列車牽引計算平臺，建立列控車載設備制動曲線模型，分析列控車載設備制動曲線對列車追蹤間隔時間的影響；文獻［3］研究長大下坡道條件下閉塞分區長度、列車追蹤間隔和應答器容量等列車運行相關問題，分析高速鐵路車載監控制動距離的安全冗余設計，研究長大下坡道限速和不限速條件下的列車運行方式。但以上文獻都沒有深入研究閉塞分區劃分與列控系統的匹配性，尤其是長大下坡道區段閉塞分區劃分與列控系統的匹配性，如大西客專在設計過程中未深入研究閉塞分區劃分與列控系統的匹配性，導致在長大下坡道區段按照局部限速方案開通運行［4］。

鄭萬高鐵具有類似大西客專長大下坡道工程特點，原則上在長大下坡道上不采取限速方案［5］，要求列控系統設備供應商檢算閉塞分區長度的符合性。列控車載設備包括CTCS3-300H、CTCS3-300T、CTCS3-300S、CTCS2-200C和CTCS2-200H等型號［6-7］，根據主機廠提供的動車組制動參數配置ATP相關參數，綜合考慮線路坡度、線路限速、制動減速度、制動延時、測速測距等信息生成ATP制動曲線。不同型號ATP的制動曲線計算算法存在差異，采用實時計算法和查表法2種方式生成ATP制動曲線［8-10］。本文深入研究鄭萬高鐵長大下坡道區段閉塞分區劃分與列控系統的匹配性，從行車專業閉塞分區劃分和信號專業列控系統技術融合的角度［11］，得出長大下坡道區段閉塞分區長度符合性的檢算驗證結果。

1 長大下坡道區段分析

鄭萬高鐵襄陽至萬州段長大下坡道區段數據見表1。

表1 鄭萬高鐵襄陽至萬州段長大下坡道區段數據

由表1可知，鄭萬高鐵襄陽至萬州段長大下坡道區段數量較多，上行線超過20‰的坡段數量有14處，最不利的30‰坡度段長度為14.353 km；下行線超過20‰的坡段數量有15處，最不利的30‰坡度段長度為14.502 km。由于線路條件的特殊性，對列控系統的匹配性提出了全新的要求。

2 閉塞分區劃分

閉塞分區長度由設計院行車專業根據線路數據和動車機輛等參數，綜合考慮安全性、通過能力和經濟性后計算確定。安全性需滿足列控系統監控動車組運行要求；通過能力要求滿足動車組最小追蹤間隔設計指標；經濟性要求考慮不同軌道結構條件下的軌道電路極限長度。不同碼序下閉塞分區長度之和必須滿足列控車載設備制動距離的要求，當閉塞分區長度之和小于列控車載設備制動距離時，將導致限速突降的問題。當閉塞分區長度大于軌道電路工程設計長度時，閉塞分區可以劃分為幾段軌道區段。在實際閉塞分區劃分時，考慮軌道電路極限長度和列車追蹤間隔時分，按照2 000 m左右設計，既滿足軌道電路最小傳輸長度要求［12］（Lmin≥Vmax×2.5 s＋L常，其中L常為軌道電路余量，取值為20 m），又充分利用軌道電路最大設計長度，節省工程投資。車站附近的閉塞分區應適當縮短以提高車站接發車能力。

2.1 區間通過信號機位置要求

1）第一離去區間通過信號機位置在出站口外，距反向進站信號機的距離應不小于列車從速度85 km/h減速至0的最大常用制動距離要求。

2）區間通過信號機位置應充分考慮電氣化分相區的位置，以防止列車停車再起動時無法越過無電區域或停在分相區內。

2.2 信號機與分相區的距離要求

1）在分相區列車牽引力切斷點距上一架信號機的距離，應滿足在該信號機外方停車后，列車重新加速能夠順利通過分相區。考慮實際操作誤差和安全余量，列車頭部到達牽引力恢復點的速度應大于40 km/h。

2）為滿足停車誤差、受電弓位置和安全防護距離的要求，分相區距下一架信號機的距離，應滿足列車在該架信號機外方停車后能夠取電，分相區距最近的信號機不宜小于550 m。

3）盡量在接近信號機和一離去信號機間不設置分相區。

以鄭萬高鐵襄陽至萬州段為例，中鐵二院完成了鄭萬高速鐵路（設計起點DK348+500至萬州北站范圍）行車布點計算，將布點結果發送至列控系統設備供應商，檢算閉塞分區長度的符合性。通號公司在實驗室仿真階段發現列控車載設備允許速度突降觸發制動的問題。故障區段為上行正向區間的長大下坡道，線路坡度條件為連續的14 353 m長30‰的下坡道、1 400 m長14‰的下坡道，以及3 950 m長6.9‰的下坡道。閉塞分區布點結果見圖1（a）。

圖1 鄭萬高鐵襄陽至萬州段連續長大下坡道閉塞分區布點結果

由于長大下坡道區段的影響，導致閉塞分區劃分與列控系統的匹配性存在問題：設置興山S2LQ（5748G）區段占用，列車由L4碼（6016G）運行至L3碼（5998G）時觸發最大常用制動；設置興山S信號機信號關閉時，列車由L4碼（6062G）運行至L3碼（6034G）時觸發最大常用制動。制動原因為當列控車載設備收到L3碼時，移動授權終點突然縮短［13］，導致ATP允許速度突降，觸發制動影響行車。設計院根據列控系統設備供應商的檢算結果對閉塞分區進行了增加、刪除和移動位置等，見圖1（b），要求列控系統設備供應商檢算閉塞分區長度的符合性。

3 鄭萬高鐵閉塞分區長度符合性檢算

按照CTCS2-200C型列控車載設備軟件制動模型，采用CRH3型動車組配置的制動參數，驗證鄭萬高鐵相鄰7個閉塞分區長度能否滿足CTCS2-200C正反向250 km/h控車要求。按照CTCS3-300H列控車載設備軟件制動模型，采用CR400BF型動車組配置的制動參數，驗證鄭萬高鐵相鄰7個閉塞分區長度能否滿足CTCS3-300H后備C2等級正向300 km/h和反向250 km/h控車要求；依據文獻［13］驗證鄭萬高鐵列車在閉塞分區L3、L2、L和LU碼軌道電路信息行車許可下是否會發生限速突降。

新建鐵路閉塞分區長度符合性檢算算法流程見圖2。

圖2 新建鐵路閉塞分區長度符合性檢算算法流程

Step 1獲取新建鐵路的基礎線路數據與相關參數，主要包括：閉塞分區數據、坡度數據、仿真參數和動車組制動參數等，并對這些數據與參數做相應預處理。

Step 2基于新建鐵路的基礎數據與相關參數，采用列控車載設備制動模型進行列車運行仿真，計算列車到移動授權終點之間的線路坡度和最限制速度曲線，生成緊急制動曲線和常用制動曲線。基于緊急制動曲線、常用制動曲線、制動延時、測速測距誤差等，計算列車當前位置的允許速度值。

Step 3根據允許速度值與最限制速度曲線中的頂棚速度值，判斷閉塞分區長度設計是否滿足列控車載設備制動距離要求：①當列車允許速度小于頂棚速度值時，閉塞分區設計長度小于列控車載設備制動距離要求，需優化延長后再進行檢算；②當列車允許速度等于頂棚速度值時，綜合緊急制動曲線、常用制動曲線、制動延時、測速測距誤差后計算生成制動起點至終點信號機的距離（brake_dis?tance_validation），如果該距離不大于相鄰7個閉塞分區長度之和，則閉塞分區長度設計滿足列控車載設備制動距離要求，否則不滿足列控車載設備制動距離要求，需優化延長后再進行檢算。

根據設計院提供的鄭萬高鐵襄陽至萬州段閉塞分區長度設計及坡度數據，對CTCS2-200C和CTCS3-300H型列控車載設備制動距離進行檢算，檢算結果見圖3和圖4。

圖3 鄭萬高鐵襄陽至萬州段閉塞分區長度符合性檢算結果（CTCS2-200C）

圖4 鄭萬高鐵襄陽至萬州段閉塞分區長度符合性檢算結果（CTCS3-300H）

由圖3和圖4可知，鄭萬高鐵襄陽至萬州段下行線反向閉塞分區長度CTCS2-200C檢算結果存在不符合項2處，見表2，其他閉塞分區設計長度均大于CTCS2-200C和CTCS3-300H型列控車載設備制動距離。依據文獻［13］仿真驗證，鄭萬高鐵上行線反向軌道電路信息許可長度檢算結果不符合項（CTCS3-300H）見表3。

表2 鄭萬高鐵襄陽至萬州段下行線反向閉塞分區長度檢算結果不符合項（CTCS2-200C）

表3 鄭萬高鐵襄陽至萬州段上行線反向軌道電路信息許可長度檢算結果不符合項（CTCS3-300H）

由于實際線路數據較為復雜，在應答器報文最終完成編制前，針對列控車載設備制動距離的檢算無法考慮到數據報文的影響，與真實環境下的驗證測試結果存在偏差，在線路開通前通過聯調聯試動態試驗，確保閉塞分區劃分滿足列控車載設備的運行要求。

4 結論

從跨專業技術融合的角度，研究鄭萬高鐵長大下坡道區段閉塞分區劃分與列控系統的匹配性，采用CTCS2-200C和CTCS3-300H型列控車載設備軟件制動模型，得出鄭萬高鐵長大下坡道區段閉塞分區符合性檢算驗證結果。

經驗證，鄭萬高鐵襄陽至萬州段下行線反向閉塞分區長度CTCS2-200C檢算結果存在不符合項2處，其他正線通過信號機位置相鄰7個閉塞分區長度滿足CTCS2-200C正反向250 km/h和CTCS3-300H后備C2等級正向300 km/h和反向250 km/h控車要求；上行線反向軌道電路信息許可長度CTCS3-300H檢算結果存在不符合項1處，其他正線通過信號機位置L3、L2、L和LU碼軌道電路信息行車許可滿足CTCS3-300H車載設備C3等級正向310 km/h和反向300 km/h控車要求。由于反向運行為特殊運行場景，建議納入鐵路局列車運行管理辦法解決檢出問題對列車運行的影響。