基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺

賀廣宇，郜新軍，李一楠，鄭理華，程劍鋒

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

在新建高速鐵路工程設計中，閉塞分區的設計和劃分是信號工程設計中一項關鍵內容。閉塞分區過長，影響運輸效率；閉塞分區過短，有可能危及行車安全。合理設計和劃分閉塞分區對高速鐵路行車安全和運輸效率至關重要。閉塞分區長度與列控系統的符合性檢算，確定列車追蹤間隔時間，必須基于牽引計算的結果。所以，牽引計算是四電系統集成和信號工程設計的依托。

針對新建鐵路客運專線閉塞分區長度符合性檢算，無論采用國外的仿真軟件，還是國內由設計院自主開發的列車牽引計算軟件，均由于缺少列控車載設備制動曲線模型，存在不能有效驗證閉塞分區設計與列控系統的匹配性問題。例如，大西客專設計時，未充分檢算閉塞分區設計是否滿足列控車載設備的制動距離要求，導致大西客專開通運營后，在大于20‰的坡道區段，要按照局部限速方案運行[1]。既有研究主要針對列車牽引計算模型[2]和列車追蹤間隔時間計算方法及影響因素[3-6]進行分析,沒有詳細描述列車牽引計算過程中的列控車載設備制動曲線生成算法，需深入研究列控車載設備制動曲線對列車追蹤間隔時間的影響。

因此，本文研究開發基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺，提出平臺的技術架構和功能模塊，設計列車運行仿真閉環系統；選取京滬高速鐵路列控工程數據和動車組牽引制動參數，采用該平臺完成高速鐵路列車牽引計算和列車追蹤間隔時間計算，驗證該平臺可用于閉塞分區長度符合性檢算，從而驗證閉塞分區設計與列控系統的匹配性。

1 技術架構

基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺采用HTML，CSS，JavaScript，Vue.js，Node.js和Koa等Web技術實現，使用MySQL數據庫作為后端數據庫，前后端分離構建B/S架構應用平臺。技術架構如圖1所示。

平臺的技術架構由應用層、支撐層及相應的功能組件構成，分別如下。

(1)應用層：采用3層架構設計，包括展現層、服務層和數據層。展現層采用HTML，CSS，JavaScript和SVG可縮放矢量圖形等Web前端技術，確保良好的用戶體驗。服務層按照功能將各業務模塊和外部接口劃分為不同的服務組件，降低系統模塊間耦合，使系統具有較好的可擴展性。數據層將業務信息、配置信息和系統運行信息存儲至數據庫中。

(2)功能組件：包括平臺運行所需的支撐性功能組件，包括報表、日志管理、數據庫管理、數據可視化、界面顯示管理、數據格式轉換和仿真參數管理等組件。

(3)支撐層：包括支撐平臺運行的軟件和硬件。軟件包括Koa開發框架、Vue.js漸進式框架、Node.js平臺、MySQL數據庫和服務器操作系統。硬件包括服務器、系統局域網和網絡設備。

圖1 基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺技術架構

2 功能模塊

平臺的功能模塊包括基礎數據處理、列車運行仿真、列車追蹤間隔時間計算、閉塞分區檢算和統計分析5個模塊，如圖2所示。各模塊的組成及主要功能如下。

(1)基礎數據處理模塊：包括線路數據、仿真參數、動車組參數和信號系統參數的處理，其中線路數據具有固定格式和數據量大的特點，可實現批量導入和保存，以便快速完成多條線路的仿真分析；仿真參數、動車組參數和信號系統參數通過界面輸入、保存和修改。

(2)列車運行仿真模塊：包括列控車載設備制動曲線計算、站場線路圖生成和列車運行仿真，其中列控車載設備制動曲線提供列車允許速度，具備超速防護功能；站場線路圖提供地面數據仿真條件，正線采用列控工程數據導入生成，側線站場圖通過數據配置完成，本平臺采用頂點和線條拓撲結構生成站場線路圖，實現站場元素的便捷調整和列車路徑的快速遍歷；通過建立列車動力學模型實現不同工況下的列車運行仿真。

(3)列車追蹤間隔時間計算模塊：依據《高速鐵路列車間隔時間查定辦法》(Q/CR 471—2015)和高速列車運行仿真結果計算列車追蹤間隔時間，包括列車區間追蹤間隔時間I追、列車通過追蹤間隔時間I通、列車出發追蹤間隔時間I發和列車到達追蹤間隔時間I到。

(4)閉塞分區檢算模塊：包括閉塞分區數據導入、線路坡度數據導入和閉塞分區長度符合性檢算，導出閉塞分區長度符合性檢算結果。

(5)統計分析模塊：包括追蹤間隔限制點信息、列車區間運行時間、列車速度—距離曲線和列車時間—距離曲線的統計分析，生成統計結果，導出列車仿真運行曲線圖。

3 關鍵技術

3.1 列控車載設備制動曲線生成算法

列車運行仿真模塊中的列控車載設備制動曲線計算，是根據移動授權、線路數據及動車組制動性能確定列車制動曲線[7]，其中CTCS3—300T，CTCS3—300S和CTCS2—200C實時計算列控車載設備制動曲線，CTCS2—200H和CTCS3—300H通過查表法計算列控車載設備制動曲線。各個型號列控車載設備的制動參數配置和制動曲線計算方法存在差異[8]，本平臺采用文獻[9]的計算方法。

圖2 基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺功能框圖

以CTCS2—200C列控車載設備為例，取線路坡度i=0‰，限制速度vpermit=250 km·h-1，制動參數取CRH1型動車組的，采用文獻[9]的計算方法計算生成列控車載設備制動曲線，包括緊急制動曲線、常用制動曲線、緊急制動觸發曲線和常用制動觸發曲線，如圖3所示。

3.2 列車運行仿真

根據動能定理推導列車運動方程，其中列車受力分為牽引、制動和惰行3種工況確定，從而仿真計算列車的加速度、速度和距離，實現列車運行仿真。

圖3 列控車載設備制動曲線

根據動能定理推導的列車運動方程為[10]

(1)

(2)

其中，

(3)

(4)

式中：Δt為列車在每個速度間隔內的運行時間，h；Δs為列車在每個速度間隔內的運行距離，km。v2和v1分別為每個速度間隔內的初速度、末速度， km·h-1；F為每個速度間隔內列車所受的單位合力，N·kN-1；γ為回轉質量系數，γ=0.08；f為列車單位牽引力，N·kN-1；b為列車單位制動力，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驗公式計算，這里不再贅述。坡道附加阻力需考慮前方變坡點前后的路段對附加阻力的影響，因此分為車頭和車尾在同一個坡度區段和不在同一個坡度區段2種情況，計算方法分別如下。

(1)車頭和車尾在同一個坡度區段上

ωj=i

(5)

(2)車頭和車尾不在同一個坡度區段上

(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、車尾所在位置的數值，m；df為車頭所在坡度區段起始位置的數值，m;dr+1為車尾所在坡度區段終點位置的數值，即下一段坡度區段起點位置的數值，m；dn為從車尾至車頭遍歷過程中索引為n的坡度區段起始位置的數值，m；in為從車尾至車頭遍歷過程中索引為n的坡度區段的坡度，‰；L為列車長度，m。

基于式(1)—式(6)，設計列車運行仿真閉環系統，該系統由列車動力學模型、列控車載設備制動曲線算法、線路信息和速度控制組成，如圖4所示。其中列車動力學模型包括牽引、制動和惰行3種工況下的列車受力分析。列控車載設備制動曲線采用文獻[9]的算法生成，根據移動授權和列車速度、距離信息計算列車允許速度，當列車超速時輸出制動指令。線路信息包括閉塞分區、線路速度、線路坡度、自動過分相和列車進路等基礎數據。速度控制模塊根據列車當前速度、允許速度和制動指令確定列車運行的工況狀態(牽引、惰行和制動)。

圖4 列車運行仿真閉環系統

通過對現場司機實際操縱列車運行過程的調研，設計列車運行仿真速度控制策略如下。

(1)列車發車時，按照最大牽引級位加速列車至列控車載設備允許速度，在頂棚速度區域(CSM)按照允許速度運行。

(2)當列車運行至自動過分相區時，僅允許制動和惰行。

(3)當列車接近目標速度監控區(TSM)時，提前將列車速度減至低于允許速度5 km·h-1，進入TSM區域后執行80%的制動力減速列車，按照低于允許速度5 km·h-1控制列車減速運行。

(4)列車進站越過停車位置標后，施加最大常用制動使列車停車。

4 列車追蹤間隔時間計算

基于仿真的列車運行過程，解算列車運行時分和運行距離，依據《高速鐵路列車間隔時間查定辦法》(Q/CR 471—2015)中關于列車區間追蹤間隔時間I追、列車通過追蹤間隔時間I通、列車出發追蹤間隔時間I發和列車到達追蹤間隔時間I到[11]的計算方法，計算各追蹤間隔時間，驗證閉塞分區設計是否滿足最小追蹤間隔時間要求。

為了驗證基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺，導入京滬高速鐵路列控工程數據表，采用CRH3A型動車組牽引和制動參數，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，計算京滬高鐵上、下行線列車運行速度和列車區間及通過追蹤間隔時間曲線，如圖5所示。根據圖5，針對上、下行選取列車區間追蹤間隔時間和列車通過追蹤間隔時間最大值，作為京滬高速鐵路的追蹤間隔時間，見表1；取上、下行中的較大值，則得I追=152.1 s，I通=183.4 s。可見，I通>I追，這是由于辦理通過進路作業時間和列車出清出站第1個閉塞分區的影響。

圖5 京滬高速鐵路上、下行線列車運行速度和列車區間及車站通過追蹤間隔時間曲線

表1 京滬高速鐵路列車區間和通過追蹤間隔時間

考慮客運專線典型的4股道和6股道站場結構，選取廊坊站和天津南站作為研究對象，其列車在站內發車后的速度—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：天津南站側線發車80 km·h-1限速距離較長，其原因是天津南站側線發車限速80 km·h-1進路長度為244 m，廊坊站3G和4G側線發車限速80 km·h-1進路長度分別為162和168 m；天津南站6G發車后運行速度下降，這是由天津南站上行線出站一離去K121+738至K121+242存在分相區導致的；廊坊站4G列車出發追蹤間隔時間較長，這是因為廊坊站4G上行線出站—離去區段終點為2 026 m，天津南站上行線出站—離去區段終點為1 905 m。綜上所述，列車出發追蹤間隔時間與出站—離去區段終點的長度、側線岔區長度和分相區位置相關。

根據圖6，針對上、下行，分別選取廊坊站和天津南站列車出發追蹤間隔時間的最大值，作為2站的出發追蹤間隔時間，見表2；取上、下行中的較大值，則廊坊站I發=151.7 s，天津南站I發=152.2 s。

表2 廊坊站和天津南站的I發

廊坊站和天津南站進站停車的列車速度—距離曲線和列控車載設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，這是因為天津南站和廊坊站接車二接近閉塞分區入口處移動授權終點由進站信號機更新為出站信號機；天津南站進站后提前降速，而廊坊站進站列車維持在80 km·h-1通過側線岔區，這是因為天津南站股道長度短于廊坊站，其中天津南站5G和6G從反向出站信號機至正向出站信號機的股道長度為608 m，廊坊站3G從反向出站信號機至正向出站信號機的股道長度為1 441 m，廊坊站4G從反向出站信號機至正向出站信號機的股道長度為1 371 m，受線路坡度影響各個股道接車的制動距離存在差異。綜上所述，列車到達追蹤間隔時間與線路坡度、閉塞分區長度、側線岔區和股道長度相關。

圖7 廊坊站和天津南站進站停車的列車速度—距離曲線

圖8 廊坊站和天津南站進站停車列控車載設備生成的列車允許速度—距離曲線

根據圖7和圖8，針對上、下行，分別選取廊坊站和天津南站列車到達追蹤間隔時間的最大值，作為2站的到達追蹤間隔時間，見表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 語

為了有效驗證閉塞分區設計和列控系統的匹配性，本文提出了基于列控車載設備制動曲線的高速列車牽引計算平臺，包括基礎數據處理、列車運行仿真、列車追蹤間隔時間計算、閉塞分區檢算和統計分析5個模塊。其中列車運行仿真為牽引計算平臺的核心，由線路信息、列車動力學模型、列控車載設備制動曲線算法和速度控制組成，列控車載設備制動曲線算法具備列車超速防護功能，根據移動授權和列車速度距離信息生成允許速度和制動指令，實現列車運行仿真的閉環處理。

選取京滬高速鐵路列控工程數據和CRH3A型動車組參數進行列車牽引計算，得到京滬高速鐵路的列車追蹤間隔時間。可見，該平臺可用于閉塞分區長度符合性檢算，從而驗證閉塞分區設計與列控系統的匹配性，具有較高的理論和實用價值。