鐵路既有線移動(dòng)減速信號(hào)牌臨界設(shè)置距離研究

俞 濤 上海鐵路局蘇州站

鐵路既有線移動(dòng)減速信號(hào)牌臨界設(shè)置距離研究

俞 濤 上海鐵路局蘇州站

鐵路移動(dòng)減速信號(hào)牌作為控制列車運(yùn)行速度的一種重要基礎(chǔ)設(shè)施，在施工及其限速地點(diǎn)（區(qū)段）被廣泛采用，其設(shè)置距離的合理性將直接影響到列車的運(yùn)行安全和線路的通過能力。根據(jù)我國(guó)鐵路既有線現(xiàn)狀，分析了機(jī)車乘務(wù)員認(rèn)知移動(dòng)減速信號(hào)牌的特性，結(jié)合機(jī)車乘務(wù)員的行為特征及列車運(yùn)行特性就鐵路移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離進(jìn)行了探討，并建立相適應(yīng)的研究模型，最后通過算例驗(yàn)證，證明了模型的可行性與準(zhǔn)確性。

鐵路既有線；移動(dòng)減速信號(hào)牌；臨界設(shè)置距離

1 引言

目前，列車限速控制主要有機(jī)控和人控兩種方式。正常情況下，列車限速控制主要是將限速信息融合到LKJ中通過實(shí)時(shí)信息交互得以實(shí)現(xiàn)；然而在實(shí)際操作應(yīng)用過程中和某些特殊情況下（如LKJ信息未及時(shí)更新或某些地點(diǎn)臨時(shí)需要限速），必須采用人為控制來實(shí)現(xiàn)列車限速。鐵路移動(dòng)減速信號(hào)牌的基本作用是在人控過程中向機(jī)車乘務(wù)員及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞相應(yīng)的限速信息，提示其根據(jù)信息對(duì)列車按規(guī)定進(jìn)行減速限速，因此在人控過程中起到了關(guān)鍵的卡控作用。

科學(xué)合理的設(shè)置移動(dòng)減速信號(hào)牌有利于確保列車運(yùn)行安全，提高線路通過能力。移動(dòng)減速信號(hào)牌設(shè)置距離過長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)車乘務(wù)員提前對(duì)列車進(jìn)行減速，從而影響線路通過能力；設(shè)置距離過短，導(dǎo)致列車在進(jìn)入規(guī)定限速地點(diǎn)（區(qū)段）前不能有效減速，則會(huì)危及行車安全。因此必定存在一個(gè)臨界值點(diǎn)，既可保證線路通過能力又不會(huì)影響列車運(yùn)行安全。通過對(duì)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)學(xué)者針對(duì)鐵路既有線移動(dòng)減速信號(hào)牌設(shè)置距離的相關(guān)研究較少，并且在研究過程中缺乏對(duì)機(jī)車乘務(wù)員的行為特征的分析，存在由于移動(dòng)減速信號(hào)牌設(shè)置距離不合理導(dǎo)致機(jī)車乘務(wù)員認(rèn)知移動(dòng)減速信號(hào)牌時(shí)間不足或者操縱機(jī)車減速時(shí)機(jī)不準(zhǔn)，繼而造成列車不能有效減速，為行車帶來安全隱患。可見，分析機(jī)車乘務(wù)員的行為特征，確定鐵路移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離對(duì)提高鐵路線路能力、確保列車運(yùn)行安全具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 機(jī)車乘務(wù)員認(rèn)知移動(dòng)減速信號(hào)牌、操縱列車限速動(dòng)態(tài)過程分析

鐵路移動(dòng)減速信號(hào)牌一般設(shè)置在列車運(yùn)行方向的左側(cè)，距離線路中心的距離一般不小于3 m，設(shè)置形式為圓牌、黃底，中間為黑色限速數(shù)字，表示前方限速地點(diǎn)（區(qū)段）的限制速度[1]。正常情況下，在施工及其限速地點(diǎn)（區(qū)段），按不同速度等級(jí)列車（最高運(yùn)行速度大于120 km/h的旅客列車、行郵列車及最高運(yùn)行速度為120 km/h的貨物列車、行包列車）的緊急制動(dòng)距離，在原移動(dòng)減速信號(hào)牌后方（列車運(yùn)行方向定義為前方，反之為后方），會(huì)增設(shè)一個(gè)特殊移動(dòng)減速信號(hào)牌，作為限速提示標(biāo)志，形式為圓牌、黃底，中間的為黑色的“T”字[2]。減速地點(diǎn)標(biāo)設(shè)置在移動(dòng)減速信號(hào)牌的前方，列車在到達(dá)前方減速地點(diǎn)標(biāo)時(shí)，必須將速度降到限制速度以下，以確保行車安全。

列車在線路上行駛時(shí)，機(jī)車乘務(wù)員識(shí)別移動(dòng)減速信號(hào)牌，操縱機(jī)車實(shí)現(xiàn)限速是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。為了便于研究，本文把這個(gè)動(dòng)態(tài)過程分為認(rèn)知過程和操縱過程來研究，結(jié)合圖1所示，可以將整個(gè)動(dòng)態(tài)過程描繪如下：

認(rèn)知過程描繪：假設(shè)A點(diǎn)為特殊移動(dòng)減速信號(hào)牌設(shè)置地點(diǎn)，E點(diǎn)為移動(dòng)減速信號(hào)牌的設(shè)置地點(diǎn)，H點(diǎn)為減速地點(diǎn)標(biāo)設(shè)置地點(diǎn)。一般情況下，機(jī)車乘務(wù)員在行車過程中，對(duì)限速信息的感知始于特殊移動(dòng)減速信號(hào)牌A點(diǎn)，因?yàn)槠淠転榍胺揭苿?dòng)減速信號(hào)牌起到提示和預(yù)告作用，避免機(jī)車乘務(wù)員漏讀限速信息。當(dāng)列車運(yùn)行至B點(diǎn)時(shí)，機(jī)車乘務(wù)員開始讀取移動(dòng)減速信號(hào)牌上的限速信息，顯然B點(diǎn)是動(dòng)態(tài)點(diǎn)，與外界能見度相關(guān)，能見度越高，該點(diǎn)距移動(dòng)減速信號(hào)牌的距離越大，反之則距移動(dòng)減速信號(hào)牌的距離越小。當(dāng)列車運(yùn)行至C點(diǎn)時(shí)，機(jī)車乘務(wù)員完成對(duì)限速信息的讀取，并對(duì)獲取的信息進(jìn)行處理判斷，此后在列車運(yùn)行至D點(diǎn)時(shí)機(jī)車乘務(wù)員采取相應(yīng)的操作對(duì)列車開始實(shí)施制動(dòng)。

操作過程描繪：從點(diǎn)D采取措施到點(diǎn)G動(dòng)作完成是機(jī)車乘務(wù)員操縱列車采取制動(dòng)措施的過程，即從車輛乘務(wù)員將制動(dòng)閥手把置于制動(dòng)位的瞬間至列車停車的瞬間，此過程列車運(yùn)行的距離稱為制動(dòng)距離。在此階段內(nèi)，機(jī)車乘務(wù)員必須安全順暢的完成必要的操作，并確保在到達(dá)減速地點(diǎn)標(biāo)以前將

列車速度降至限制速度以下。但在司機(jī)施行制動(dòng)時(shí)，列車中各車輛的閘瓦并非立即、同時(shí)壓上車輪的，閘瓦壓上車輪后，閘瓦壓力也不是瞬間達(dá)到最大值的。所以，列車的制動(dòng)距離可以明顯的被分成兩部分，D點(diǎn)至F點(diǎn)經(jīng)歷的時(shí)間稱為空走時(shí)間，空走時(shí)間內(nèi)列車靠慣性惰行的距離稱為空走距離；F點(diǎn)至G點(diǎn)是列車有效制動(dòng)過程，此過程經(jīng)歷的時(shí)間稱為有效制動(dòng)時(shí)間，有效時(shí)間內(nèi)列車行駛的距離稱為有效制動(dòng)距離。

值得指出的是，上述認(rèn)知過程中能見度受外界環(huán)境影響最大，其中尤以霧天對(duì)能見度的影響最為明顯，因?yàn)樵陟F天行車時(shí)，機(jī)車乘務(wù)員的視線將受到嚴(yán)重制約，此時(shí)移動(dòng)減速信號(hào)牌的始讀點(diǎn)B與移動(dòng)減速信號(hào)牌E之間的距離必然會(huì)縮小，所以在霧天行車時(shí)，列車運(yùn)行速度必須保證在列車標(biāo)志消失前機(jī)車乘務(wù)員能夠讀完移動(dòng)減速信號(hào)牌上的限速信息。

3 模型建立及參數(shù)設(shè)置

3.1 模型假設(shè)

本文是以移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離作為模型的目標(biāo)函數(shù)，在模型的建立之前給出以下假設(shè)條件：

（1）基于當(dāng)前鐵路既有線大多是客貨車混跑，且旅客列車和貨物列車的制動(dòng)計(jì)算有所區(qū)別，本文重點(diǎn)研究在客貨分線的條件下鐵路既有線移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離，重點(diǎn)探討貨物列車的制動(dòng)距離；

（2）由于列車在有效制動(dòng)過程中所受的單位合力是變化的，所以為了增加有效制動(dòng)距離計(jì)算的精確性，本文以10 km/h的速度間隔分別計(jì)算，并假定在ΔV=10 km/h的速度間隔內(nèi)列車所受的單位合力是常數(shù)。

3.2 符號(hào)定義

Lmin為移動(dòng)減速信號(hào)牌至減速地點(diǎn)標(biāo)的臨界設(shè)置距離（m）；

Tr為移動(dòng)減速信號(hào)牌的認(rèn)知時(shí)間；

Tk為列車有效制動(dòng)前的空走時(shí)間（s）；

M為牽引機(jī)車臺(tái)數(shù)；

N為線路所允許的最大列車編組輛數(shù)；

Vj2為在第i個(gè)ΔV速度間隔內(nèi)列車運(yùn)行的末速度（m/s）；

Vj1為在第i個(gè)ΔV速度間隔內(nèi)列車運(yùn)行的初速度（m/s）；

Vj平為第i個(gè)ΔV速度間隔內(nèi)列車的平均速度（m/s）；

ωi'為在第i個(gè)ΔV速度間隔內(nèi)列車所受的平均阻力（N/ t）；

ωi"為機(jī)車基本阻力（N/t）；

ωi為車輛基本阻力（N/t）；

βi為單位列車制動(dòng)力取值系數(shù)，緊急制動(dòng)取1.0，進(jìn)站制動(dòng)取0.5[4]；

bi為單位列車制動(dòng)力（N/t）；

φ為移動(dòng)減速信號(hào)牌至減速地點(diǎn)標(biāo)之間線路的換算坡度千分?jǐn)?shù)（下坡取負(fù)值，上坡取正值）；

φh為換算摩擦系數(shù)（與速度及閘瓦材質(zhì)有關(guān)，一般取值為0.097-0.273）；

K機(jī)為機(jī)車閘瓦壓力，可取值6.25 t；

K車為車輛閘瓦壓力，可取值2.37 t；

P為運(yùn)行線路的最大機(jī)車重量（t）；

Q為線路允許的最大車列重量（t）；

3.3 模型建立

根據(jù)鐵路運(yùn)輸組織的特點(diǎn)，較正常天氣下列車運(yùn)行而言，由于外界能見度的降低，列車在大霧天氣下運(yùn)行速度也會(huì)降低，從而導(dǎo)致列車制動(dòng)距離及移動(dòng)減速信號(hào)牌的設(shè)置距離出現(xiàn)波動(dòng)。綜上而言，移動(dòng)減速信號(hào)牌臨界設(shè)置距離應(yīng)同時(shí)考慮在正常天氣和大霧天氣下列車制動(dòng)距離的需要，建立模型如下：

當(dāng)m=0時(shí)，表示列車在霧天運(yùn)行時(shí)移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離；

當(dāng)m=1時(shí)，表示列車在正常天氣運(yùn)行時(shí)移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離；

其中，

根據(jù)公式9、10，取ΔV=10 km/h，機(jī)車基本阻力和車輛基本阻力取值如表1所示：

表1 機(jī)車基本阻力和車輛基本阻力計(jì)算表

4 例證分析

假定鐵路既有線一段區(qū)間中某點(diǎn)限速35 km/h，已知移動(dòng)減速信號(hào)牌內(nèi)側(cè)距離線路中心的距離為3 m，機(jī)車乘務(wù)員認(rèn)知移動(dòng)減速信號(hào)牌的時(shí)間為3 s。經(jīng)過查閱《站細(xì)》等相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，在該點(diǎn)前制動(dòng)距離范圍內(nèi)的換算坡度為2.5‰上坡，該區(qū)間運(yùn)行列車的相關(guān)參數(shù)為：采用200 t牽引機(jī)車，允許最大編組數(shù)量為62輛，機(jī)車最大牽引重量為5 000 t。天氣良好能見度為80 m，最大允許速度為120 km/h；大霧天氣能見度為40 m，最大允許速度為70 km/h（計(jì)算精確至小數(shù)點(diǎn)后兩位）。

在霧天情況下（i取值為0）：

由公式8，的計(jì)算值如表2所示：

表2 列車所受平均阻力ω0的計(jì)算值

由公式6，L0FG的計(jì)算值如表3所示：

表3 有效制動(dòng)距離L0FG的計(jì)算值

根據(jù)表3，從70 km/h降速到35 km/h所走過的有效制動(dòng)距離為：

綜上，在霧天情況下，移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離為：

L0EG=L0BD+L0DF+L0FG-L0BE=58.33+109.47+234.80-39.89= 362.71 m

同理，在天氣良好情況下(i=1)，列車所受平均阻力和有效制動(dòng)距離如表4所示：

表4 車所受平均阻力ωi和有效制動(dòng)距離L1EG的計(jì)算值

綜上，在正常天氣情況下，移動(dòng)減速信號(hào)牌臨界設(shè)置距離為：

通過以上計(jì)算得出，移動(dòng)減速信號(hào)牌距離該限速地點(diǎn)的臨界設(shè)置距離為1030.66 m。

5 結(jié)束語

科學(xué)合理的設(shè)置移動(dòng)減速信號(hào)牌對(duì)保障列車運(yùn)行安全、提高鐵路線路能力具有重要意義。本文在結(jié)合機(jī)車乘務(wù)員認(rèn)知移動(dòng)減速信號(hào)牌的基礎(chǔ)上，對(duì)鐵路既有線移動(dòng)減速信號(hào)牌的臨界設(shè)置距離進(jìn)行了研究。但文章仍然存在一定程度的不足，對(duì)移動(dòng)減速信號(hào)牌設(shè)置距離的影響因素分析不盡全面，如外界環(huán)境的地形特點(diǎn)、線路平縱斷面，仍然需要進(jìn)一步研究。

[1]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

[2]馬國(guó)忠、毛節(jié)銘.鐵路機(jī)車車輛與列車牽引計(jì)算.[M].成都：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[3]饒忠.列車牽引計(jì)算[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1996.

[4]張余堂.鐵路列車安全制動(dòng)距離的計(jì)算[J].中國(guó)礦業(yè)，1996，1(23).

[5]李霞,宋鳳生.利用計(jì)算機(jī)計(jì)算列車制動(dòng)距離[J].內(nèi)燃機(jī)車，1998，7(7).

責(zé)任編輯：宋飛 竇國(guó)棟

來稿時(shí)間：2015-02-05