基于虛擬信號機的復雜貨運站場發車能力提升研究

李 鋒，代 斌

(國能朔黃鐵路發展有限責任公司 運輸部，河北 肅寧062350)

0 引言

重載鐵路運能大、效率高、成本低，能夠有效解決長距離大宗物資運輸問題，普遍承載著國家貨物運輸大動脈的角色，對國民經濟的發展起著重要作用。隨著我國“交通強國”戰略目標的提出，進一步提升重載鐵路的貨運能力已成為迫切要求[1]。

目前，國內重載鐵路普遍采用固定閉塞系統進行列車運行防護[2]，列車在區間運行時，以閉塞分區為最小路權征用單位，列車追蹤運行效率受閉塞分區長度的限制。列車在車站運行時，以進路為最小路權征用單位，當任意兩列車連續發車時，必須等待先發列車完全出清整條進路后才可以為后發列車辦理發車進路，發車間隔較大[3]。以朔黃鐵路(神池南—黃驊港)為例，既有三顯示自動閉塞信號系統僅能支持萬噸列車11 min左右的發車間隔，已無法滿足該鐵路運量快速增長的需求。當前，固定閉塞系統下發車間隔較長是影響重載鐵路運能提升的關鍵因素。

基于無線通信的移動閉塞系統，能夠在保障系統安全的基礎上縮短發車間隔，是解決當前運輸生產面臨問題的技術手段之一[4]。然而，常規的移動閉塞系統下，雖然只需先發列車出清沖突道岔且沖突道岔區段解鎖后，即可為后發列車辦理發車進路，相比于固定閉塞發車方式提升了發車效率，但對于神池南站、肅寧北站之類的復雜貨運站場，因其發車咽喉區長、發車股道數多，任意2條發車進路之間至少存在1處重合區段，且均在道岔區段，后發列車在股道上的等待時間仍然較長，影響發車能力[5]。

在重載鐵路移動閉塞系統的基礎上，通過增設虛擬信號機將發車進路進行細分，使得列車能夠分段使用路權；同時，根據先發列車實時和歷史的牽引及制動狀態、位置及速度信息，為后發列車動態計算最優的發車時機，以提升復雜貨運站場的發車能力，進一步提升運能。

1 增設虛擬信號機的移動閉塞發車方式

1.1 虛擬信號機增設背景

重載鐵路移動閉塞系統下，對于2列需使用同一道岔(使用道岔的不同位置)的待發列車，常規移動閉塞系統下發車方式示意圖如圖1所示，當先發列車A出清沖突道岔且沖突道岔區段被解鎖時刻(道岔仍在反位)，如圖1a所示，此時可以為股道B上的列車B辦理發車進路；待聯鎖將沖突道岔轉換至定位后，如圖1b所示，可以鎖閉列車B的發車進路并開放信號，如圖1c所示。

圖1 常規移動閉塞系統下發車方式示意圖Fig.1 Departure mode of conventional moving block system

從圖1可見，對于不同股道的2列待發列車，移動閉塞下只要先發列車出清了沖突道岔且沖突道岔區段解鎖后，即可為后發列車辦理發車進路，無需同固定閉塞系統一樣等先發列車完全出清整條發車進路后，才為后發列車辦理進路。

由于基于無線通信的移動閉塞系統下，車-地實現雙向通信，地面無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)根據管轄范圍內的列車位置、區段占用狀態及臨時限速等信息為列車計算行車許可[6]，因而傳統的固定閉塞發車進路可以被細分成多段短進路。移動閉塞下可以將道岔區段作為最小的路權征用單位，即對于2列需使用同一道岔(使用道岔的不同位置)的列車，當前車未釋放被其征用的道岔資源時，后車最遠可以運行至道岔區段的始端，即除了共用的沖突道岔區段外，沖突道岔區段之前的路徑可以被后車提前使用。

為了使得細分后的進路可以被標識和辦理，同時辦理時仍能按照聯鎖條件進行檢查，提出在細分進路的始端或終端增設虛擬信號機[7]。當2架實體列車信號機間無車時，2架實體列車信號機間虛擬信號機的亮滅狀態需與始端實體列車信號機的亮滅狀態相同。當2架實體列車信號機間有車時，虛擬信號機與終端實體信號機的亮滅狀態保持一致。增設虛擬信號機后，列車能夠分段使用路權，可為后發列車提前辦理虛擬信號進路。同時，還可以根據先發列車實時和歷史的牽引/制動狀態、位置及速度信息，為后發列車動態計算最優的發車時機。

其中，虛擬信號進路可以分為2種類型，一是始端為實體信號機、終端為虛擬信號機，二是始端為虛擬信號機、終端為實體信號機。聯鎖具備辦理虛擬信號進路的功能，對于虛擬信號進路只允許為移動閉塞列車辦理，即只有始端信號機為強制滅燈狀態時才允許辦理。虛擬信號進路的選排、鎖閉、信號開放、信號關閉、進路解鎖、信號重開的檢查條件，與普通移動閉塞列車進路的檢查條件相同。

虛擬信號機的開放、關閉、亮、滅為邏輯狀態。排列進路后、滿足開放條件時直接設置為開放狀態，需要關閉時直接設置為關閉狀態，聯鎖收到RBC的強制亮燈指令直接設置為亮燈狀態，收到RBC的強制滅燈指令直接設置為滅燈狀態。

1.2 虛擬信號機增設方案

有關復雜貨運站場發車能力提升的研究，主要分為虛擬信號機的布置和后發列車最優發車時機的計算，下面結合朔黃鐵路全線能力瓶頸點之一的肅寧北站，具體說明虛擬信號機的增設方案。

肅寧北站重車上行方向的站場內發車股道有13條，發車進路較多，任意2條發車進路之間至少存在1處重合線路，且所有重合線路均在道岔區段。肅寧北站重車上行方向發車咽喉區線路平面布置如圖2所示，圖2僅體現部分發車股道。

結合圖2所示的線路平面布置圖，對所有沖突道岔進行分析。為了降低對現有車站聯鎖邏輯的影響且適當地提升發車能力，增設的虛擬信號機應盡可能地適用于更多股道的發車進路。由此，在肅寧北站211號道岔岔尖前的絕緣節處增設虛擬信號機V1，在D207信號機相同的位置增設虛擬信號機V3。匯總經過相應虛擬信號機發車的股道信息，肅寧北重車上行方向站內股道發車信息如表1所示。

圖2 肅寧北站重車上行方向發車咽喉區線路平面布置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股道發車信息Tab.1 In-station information related to departure of Suningbei heavy-haul train in upward direction

1.3 發車時機計算原理

移動閉塞系統下，任意2條股道連續發車，當先發列車根據理想的發車曲線行車時，后發列車可以獲得前車車尾出清沖突道岔所需的時間。為了保證先發列車出清沖突道岔，后發列車能夠按照理想的發車曲線不降速成功發車，則后發列車最優發車時機計算示意圖如圖3所示。

圖3 后發列車最優發車時機計算示意圖Fig.3 Optimal departure time calculation of later train

以虛擬信號機所在位置為行車許可終點計算后車的常用制動防護曲線，并將其與理想發車曲線進行比較，當理想發車曲線的速度超過常用制動防護速度后，意味著列車將降速運行，因而最優的發車時機為能夠保證先發列車車尾剛好出清沖突道岔區段時，后發列車速度達到常用制動防護速度，即圖3中的vL。由此可得后發列車的最優發車時機，計算公式如下。

式中：T為先發列車從股道出發起至為后發列車辦理進路所間隔的時間，min；TC為先發列車按理想行車

曲線行車時車尾出清沖突道岔所需時間，min；T0為出站信號機至虛擬信號機的進路辦理時間，min；TL為后發列車速度達到常用制動防護速度所需時間，min。

2 最優發車時機動態生成算法

考慮到先發列車可能不能完全按照理想行車曲線行車，因而根據先發列車實時和歷史的牽引/制動狀態、位置及速度信息，基于真實的發車數據庫和數據匹配算法，匹配到最貼合先發列車狀態的發車曲線，從而得到先發列車出清沖突道岔所需的時間，進而動態生成后發列車的最優發車時機[8]。最優發車時機動態生成算法流程如圖4所示。

圖4 最優發車時機動態生成算法流程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車出站運行時的速度、位置及牽引/制動狀態數據，建立發車數據庫。

步驟2：根據先發列車匯報的位置、速度及牽引/制動狀態，在發車數據庫中匹配出最貼合先發列車運行狀態的發車曲線。

步驟3：基于匹配到的發車曲線，計算出先發列車按該曲線行車時車尾出清沖突道岔所需的時間TC。

步驟4：以虛擬信號機所在位置為行車許可終點，計算出后發列車的常用制動防護曲線。

步驟5：計算后發列車按照理想發車曲線行駛時，速度達到常用制動防護曲線速度所需的時間TL。

步驟6：由公式(1)計算得到后發列車的最優發車時機。

3 案例仿真

3.1 仿真基本參數

為驗證增設虛擬信號機的移動閉塞發車方式，可以提升復雜貨運站場的發車能力，結合肅寧北站重車上行方向發車咽喉區實際線路數據與牽引計算規程，搭建不同閉塞制式下的連續發車仿真平臺[9]。借助仿真平臺可以計算出不同閉塞制式下不同編組列車的發車間隔。列車編組信息參數如表2所示。

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

根據軸重25 t的HXD1型機車的牽引/制動特性曲線，其牽引特性控制函數為

式中：Ft為機車牽引力，kN；v為機車運行速度，km/h；ηt為牽引手柄的級位。

其制動特性控制函數為

式中：Fb為電制動力，kN；ηb為電制動手柄的級位。

3.2 結果分析

（1）固定閉塞下肅寧北重車上行方向發車間隔。固定閉塞制式下，在肅寧北站重車上行方向發車咽喉區中，II-9G與II-IG連續發車時發車間隔最大[10]，考慮為后發列車辦理發車作業的時間、列車啟動時間以及后發列車從股道出發運行至車尾出清一離去區段尾端的時間，分別對萬噸、2萬噸列車連續發車場景進行仿真。仿真得到不同編組列車的發車間隔，固定閉塞制式下2萬噸列車的發車間隔達12.6 min，萬噸列車的發車間隔達10.9 min。

（2）移動閉塞下肅寧北重車上行方向發車間隔。移動閉塞制式下，在肅寧北站重車上行方向發車咽喉區中，共增設2個虛擬信號機V1和V3。考慮為后發列車辦理出站信號機到虛擬信號機進路的時間、列車啟動時間以及后發列車從股道出發直至車尾越過虛擬信號機所用的時間，根據前后行列車所經過虛擬信號機的情況，分別對萬噸、2萬噸列車連續發車場景進行仿真。仿真得到不同編組列車的發車間隔，移動閉塞下肅寧北重車上行方向發車間隔如表3所示。由表3可知，增設虛擬信號機后，2萬噸列車的最大發車間隔為11.2 min，萬噸列車的最大發車間隔為9.2 min，相比固定閉塞分別減小1.4 min和1.7 min。由此可知，提出的增設虛擬信號機的移動閉塞發車方式，能夠有效提升復雜貨運站場的發車能力。

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

4 結束語

通過分析重載鐵路列車發車間隔現狀，提出一種適用于復雜貨運站場的增設虛擬信號機的移動閉塞發車方案。結合實際線路數據的仿真驗證結果證明，增設虛擬信號機的移動閉塞系統發車方案對重載鐵路運輸能力的提升十分顯著。結合朔黃鐵路4.5億t規劃，可以在此研究基礎上，對朔黃鐵路始發編組站(神池南站)能力提升以及朔黃全線推廣移動閉塞技術進行研究和探索，在不改變線路條件的基礎上，僅通過信號系統的升級，最大限度地提升全線運輸能力，實現朔黃鐵路4.5億t目標。