客運專線動車組斷電過分相影響仿真分析

曾 瓊,高 杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 列車斷電過分相

牽引供電系統通過設置接觸網電分相裝置,隔離來自電網的或不同相序的電源。為了防止相間短路事故和保障列車設備安全,一般采用列車斷電過分相的運行方式,即通過控制列車主斷路器的分合閘操作,實現前進方向上的第一個受電弓進入分相斷電區前的可靠斷電,在工作取流受電弓行駛出分相斷電區后及時合閘,完成列車斷電過分相。由于電分相的存在,動車組需要斷電過分相,而電分相設置的位置,分閘區長度和分閘區坡度都會對動車組的運行時分、速度產生影響,目前在公開發表的學術期刊中未見有此類問題的研究,但電分相的影響又確實存在。其存在不僅對動車組的運行會產生影響,而且在一定條件下甚至會關系到高速鐵路的行車安全,因此研究客運專線斷電過分相對動車組運行的影響是非常必要的。

目前存在2種斷電過分相模式,一種是自動控制的列車斷電過分相,另一種是手動控制的列車斷電過分相,手動控制的列車斷電過分相方式只在自動控制的列車斷電過分相系統故障或未投入使用時采用,重點研究自動控制的列車斷電過分相對動車組運行的影響。

1.2 元胞自動機

元胞自動機模型作為模擬非線性復雜系統的一種有效工具,近年來在交通流的研究中得到了廣泛應用,模型的時間、空間、狀態均離散,規則簡單,非常適合計算機模擬。元胞自動機模型在保留交通流這一復雜系統的非線性行為和其他物理特征的同時,更易于計算機操作,可以通過靈活的修改其規則以考慮各種實際交通狀況[1]。

2005年,李克平、高自友等人[2-3]首次將NaSch模型[4]思想運用于軌道交通系統的列車追蹤模型和軌道交通流特性分析中,提出了一種適用于軌道交通系統的元胞自動機模型,對車站附近的列車流進行了模擬,分析了列車流的追蹤運行特性。同年,寧濱[5]用NaSch模型對軌道交通列車追蹤運行問題進行了系統研究,包括基于三顯示固定自動閉塞控制系統下列車追蹤的元胞自動機模型、基于移動自動閉塞控制系統下列車追蹤的元胞自動機模型和考慮了前車速度效應的移動自動閉塞控制系統下的元胞自動機模型,并分析了軌道交通流的特性,豐富了列車追蹤運行與交通流特性分析相關的基礎理論研究工作。

2006年,周華亮、高自友等[6]提出了一種用于模擬準移動閉塞系統下的元胞自動機模型,分析了軌道單元長度、發車時間間隔和初始延遲時間等因素對列車延遲傳播的影響。2007年,李峰、高自友等[7]提出了一種用于模擬固定閉塞系統的元胞自動機模型,并應用此模型模擬了四顯示固定閉塞系統下的列車延遲傳播的交通現象。

元胞自動機作為研究交通流的重要工具,在軌道交通研究中已經取得許多重要的研究成果,同時也具有其他研究方法所無法比擬的優勢,因此將在以上研究基礎上,建立適合客運專線四顯示自動閉塞系統的元胞自動機模型,從電分相設置的位置,入分相的初始速度,分相長度和分相所在線路坡度來研究斷電過分相對動車組運行的影響。

根據《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)》(TG/04—2009)第174條以及《關于規范客運專線接觸網錨段關節點分相設置的通知》(鐵集成函[2007]474號)要求,在動車組工作雙弓間距200～215 m的前提條件下,客運專線宜采用無電區約為220 m、中性區段約為520 m的電分相；因此本文最小分相長度取為520 m。

2 四顯示固定自動閉塞系統的元胞自動機模型

下面建立四顯示固定自動閉塞系統的元胞自動機模型。模型是建立在NaSch模型[1]和文獻[3]的基礎上的。在此將軌道劃分為L個元胞,每個元胞大小相同,記為i=1,2,…,L，每個元胞或者為空,或者被列車占據。列車速度取0～vmax之間的整數,這里vmax為列車行駛的最大允許速度。

軌道線路中列車更新規則如下:

步驟1 加速

(1)防護信號機為綠色

vn=min(vn+a,vmax)

(2)防護信號機為黃綠色

否則，vn=vn

(3)防護信號機為黃色

否則,vn=vn

(4)防護信號機為紅色

否則,vn=vn

步驟2 減速

vn=min(vn,gap)

步驟3 位移

xn=xn+vn

步驟4 更新信號燈的顏色

當B(k)=1

則color (k)=‘紅’

當B (k+1)=1

則color (k)=‘黃’

當B (k+2)=1

則color (k)=‘綠黃’

否則color (k)=‘綠’

式中 Δxn——列車與前方防護信號機之間的距離；

xn——列車車頭所在的位置；

vn——列車的速度；

a——列車的加速度；

b——列車的減速度；

vyg——黃綠信號時列車的規定速度；

vy——黃色信號時列車的規定速度；

vmax——列車的最大限制速度；

gap——列車與前方目標點之間的距離；

B(k)——表示閉塞分區k的狀態,1表示有車,0表示無車；

color(k)——表示k的信號燈顏色。

模型采用開放邊界條件,定義如下：(1)初始時刻整個軌道全空,線路上無列車。系統每更新Ik次后,若系統第一個信號燈顏色為綠色,則在i=1處產生1列速度為vn的列車,該列車立即按系統更新規則進行更新。 這里Ik為列車的發車時間間隔。(2)若列車的位移大于L,即在i=L處,列車移出系統。為了使模擬結果與真實情況相符,在此規定每個元胞長度對應1 m,系統更新時步為1 s。也就是說如果vmax=69元胞/更新步對應的實際最大限速vmax=248.4 km/h。

使用上述模型對四顯示固定閉塞系統的動車組運行進行模擬,分析不同入分相速度,分相長度和分相坡度情況下,電分相對動車組運行的影響。在此,假定軌道線路的長度L=180 000,閉塞分區長度BL=2 000,共9個閉塞分區,a=1,b=1,根據實際動車組長度一般不超過215 m,在此規定列車長度LT=215元胞。

3 斷電過分相對動車組運行的影響分析

圖1是分相在不同位置時的仿真結果示意,表1列出了不同分相位置對動車組運行時分影響,通過分析仿真結果,可以看到,電分相在前端位置時,由于動車組處于加速階段,進入分閘區的速度較低,受分相的影響最大；分相在中部時,由于入分相速度較高,受到分相的影響也較小,而分相在后端時,動車減速進站,處于減速階段,因此受到分相影響最小。圖5(e),圖5(f)是不同分相數量的仿真結果,由表1的數據可以看出,分相越多對列車的運行影響也就越大,但是由于圖1(f)中最后一個分相在后端,對運行時分基本沒有影響,從而造成了圖1(e)和圖1(f)的增加時分相同,綜合以上分析,分相如果設置在動車加速階段且動車入分相速度較低時,分相對動車組的運行時分影響最大,而分相如果設置在動車減速階段且動車入分相速度較低時,分相對動車組的影響最小,因此在設置分相時應盡量將分相設置在動車減速階段且動車入分相速度較低的位置,同時分相設置的數量應越少越好。

注：虛線表示時分-位移曲線,實線表示速度-位移曲線

表1 不同分相位置對運行時分影響

表2 分相位于0‰坡道仿真結果

表3 分相位于10‰坡道仿真結果

表4 分相位于20‰坡道仿真結果

表5 分相位于20‰坡道仿真結果

表2～表4反映的是分相在不同坡道,不同分相長度時,對動車組運行速度的影響。分析仿真結果可以發現,隨著坡度和分相長度的增大,動車組的速度損失也將隨之增大。表5則是在最不利條件下,也就是坡道最大,分相長度最長的情況下,不同入相速度的仿真結果。由結果可以分析得出入相速度越低,速度損失也越大。因此在設置分相時,為了減少速度損失,確保列車能順利通過分相而不在分相內停車影響行車安全,應盡量將分相設置在坡度較小,入相速度大的位置。在設計分相時,也應盡量考慮采用較短長度的分相。

4 結論

根據高速鐵路的特點,提出了一種新的元胞自動機模型,并用來分析四顯示固定閉塞條件下斷電過分相對動車組運行的影響。在該模型的基礎上,分析了不同分相位置對動車組運行時分影響,通過分析得出,分相如果設置在動車加速階段且動車入分相速度較低時,分相對動車組的運行時分影響最大,而分相如果設置在動車減速階段且動車入分相速度較低時,分相對動車組的影響最小,因此在設置分相時應盡量將分相設置在動車減速階段且動車入分相速度較低的位置,同時分相設置的數量越少越好。同時通過仿真,分析了分相在不同坡道,不同分相長度時,對動車組運行速度的影響,得出在設置分相時,為了減少速度損失,確保列車能順利通過分相而不在分相內停車影響行車安全,應盡量將分相設置在坡度較小,入相速度大的位置。在設計分相時,也應盡量采用較短長度的分相。

本文側重于從250 km/h動車組運行方面進行研究,分析了斷電過分相對動車組運行的影響,然而分相位置的設計,需要考慮的因素較多,其設置位置和方式需要兼顧供電系統能力、動車組的運用方式、信號布點、線路縱坡、道岔布置、橋隧分布、接觸網搶修等實際情況,進行優化設計、檢算和系統聯調測試；此外,在實踐中電分相一般是上下行方向并置,在設置電分相時需結合上下行考慮。因此本文所得出的研究成果目前還有一定的局限性,需在今后的工作中做進一步研究。

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