高速鐵路連續長大坡道閉塞分區劃分的研究

張小剛

（中國鐵路武漢局集團有限公司，武漢 430064）

1 概述

近十年，國內高速鐵路建設進入了蓬勃發展的階段，不僅成為高效連接沿海發達城市間的紐帶，更是逐漸貫穿于西部高原、山區之中。由于西南部地區多丘陵、山地，地勢起伏較大，高鐵線路的修建不可避免的存在長大坡道的情況。在連續長大坡道區段，閉塞分區劃分已不是傳統意義上的牽引計算設計，而是既要滿足CTCS-2（簡稱C2）級、CTCS-3（簡稱C3）級列控系統控車要求，又要兼顧C3結合軌道電路信息防護的要求；在滿足列車追蹤間隔時間要求的同時，還要結合車站管轄范圍、集中區分界、分相區位置、電纜走線等綜合因素，這些都大大提高了高速鐵路列車牽引計算的難度，對閉塞分區劃分的合理性提出了更高的要求，也突顯了高速鐵路連續長大坡道閉塞分區與列控系統相匹配的重要性。

2 實例分析

鄭萬高鐵是國內“八縱八橫”高速鐵路網中的重要組成部分，位于河南、湖北、重慶三省市境內，在東端與京廣客專、徐蘭客專相連，西端與成渝客專、渝萬鐵路和規劃的渝昆鐵路相接，是西南地區與中原、華北地區便捷快速通道，對完善西南地區快速客運網具有重要意義。武漢局管轄范圍內的湖北段襄陽東至巴東北線路長度約192 km，設計速度為350 km/h，受地形條件限制，線路坡度起伏較大，存在多處連續長大坡道。

2021年底在該項目集成單位對鄭萬高鐵湖北段進行室內集成測試時，按照《CTCS-3級ATP行車許可結合軌道電路信息暫行技術條件》（鐵總工電[2018]18）規則，在 L3、L2、L、LU碼下C3結合C2低頻碼、側向接車等情況，對設計單位提供的閉塞分區劃分結果進行綜合檢算，發現上行C3截短68處，其中速度不同程度突降35處（湖北段26處，重慶段9處）；下行C3截短42處，其中速度不同程度突降21處（湖北段15處，重慶段6處）。全線最困難地段為上行巴東北至興山，當興山站S2LQ(5748G)區段占用時，列車由L4碼(6016G)運行至L3碼(5998G)，C3級行車許可長度為25 025 m，而L3碼軌道電路信息許可長度為19 200 m，導致 C3級列控車載設備行車許可終點位置（EoA）縮短5 825 m，車載輸出最大常用制動，嚴重影響列車正常高速運行。

針對發現的問題，從地形地勢、工程設計的列車運行速度曲線及閉塞分區劃分等多方面進行分析，首先發現鄭萬高鐵湖北段線路存在多處連續長大下坡道，超過20‰下坡道共有15處，其中30‰下坡道共7處，最長處達14 502 m，上行線主要集中在巴東北、興山、神農架，下行線主要集中在神農架、巴東北站附近；其次，工程設計單位未掌握車載列車控制模型，僅考慮長大下坡道列車制動距離的需要，將閉塞分區長度設置得過長，最長達到了5.75 km；再次，工程設計單位在閉塞分區劃分時，未考慮鐵總工電[2018]18號文件的相關要求，最終導致在工程聯調聯試前暴露出工程設計的重大疏漏。后經項目集成單位及時組織本單位設計、研發、測試等相關專業的專家進行分析研究，對全線閉塞分區進行優化調整，實現正向在C3級控車時速度控制不會發生突降變化，進一步證明準確、合理的閉塞分區劃分可以有效避免C3級控車模式下列車運行速度突降的現象，保證列車安全高速運行。

3 C2/C3級列控系統閉塞分區劃分研究

鄭萬高鐵閉塞分區劃分設計中出現的問題，為今后存在長大坡道的高鐵項目設計提出了警示。在遵循以往高速鐵路閉塞分區劃分的原則基礎上，長大坡道閉塞分區劃分還要兼顧《鐵總關于明確新建鐵路客運專線大于20‰坡道區段列車限速有關問題的通知》（鐵總辦函[2014]584號）和《CTCS-3級ATP行車許可結合軌道電路信息暫行技術條件》（鐵總工電[2018]18號）的相關要求?，F對C2級和C3級列控系統下閉塞分區劃分的計算方法進行研究、對比。

3.1 C2級列控系統下

《關于明確新建鐵路客運專線大于20‰坡道區段列車限速有關問題的通知》（鐵總辦函[2014]584號）要求“具有長大坡道工程特點的在建項目原則上在長大坡道上采用不限速方案”，即在C2級控車模式下，列車追蹤碼序L4碼、L3碼、L2碼、L碼、LU碼、U碼和HU碼所在閉塞分區長度之和應大于或等于列控監控模式曲線制動距離及列車安全防護距離之和，保證列車以規定速度正常運行，如圖1所示。

同時，在C2級列控系統下，列車運行在CSM區段，當距離TSM區段500 m時，列控車載設備會輸出語音提示“控制速度”，如圖2所示。因此，在進行閉塞分區劃分時，任何連續7個閉塞分區總長度還應包含 500 m 報警距離，即L7個閉塞分區之和≥L制動距離+L安全防護距離+500 m，以避免列車在高速運行中突然出現語音提示，影響司機正常駕駛。

C2級列控系統下，列車常用制動距離是決定閉塞分區長度的關鍵因素，列車牽引計算應結合車載ATP生成的制動控車模式曲線進行設計，提高制動距離計算的精準度。而不同列控設備廠家的制動控車模型設置有所差別，需選用最不利車型和車載列控參數進行制動距離計算。以下依據CRH380B型動車組采用300T車載列控系統的常用制動模式曲線，計算不同坡度的列車制動距離和閉塞分區平均長度如表1所示，可以看出在連續長大下坡道地段列車制動距離明顯增大，閉塞分區平均長度也隨之大幅增長。在實際進行閉塞分區劃分時，應具體結合任意7個閉塞分區總長度內不同坡度、不同運行速度所對應的制動減速度進行制動距離的綜合計算。

表1 不同坡度的列車制動距離和閉塞分區平均長度Tab.1 Train braking distance and the average length of block sections for different gradients

3.2 C3級列控系統下

C3級列控系統中，閉塞分區劃分應滿足其后備系統（C2級列控系統）運行時的要求，同時《CTCS-3級ATP行車許可結合軌道電路信息暫行技術條件》（鐵總工電[2018]18號）要求“軌道電路信息碼為L3 、L2、 L 、LU的處理，若C3級的行車許可終點位置(EoA)大于軌道電路信息許可終點，并持續5 s，則C3級列控車載設備將行車許可終點位置(EoA)縮短至軌道電路信息許可終點處”， 即不同軌道電路信息碼下，相應閉塞分區總長度應不大于理論計算的軌道電路信息許可長度。公式計算軌道電路信息許可長度如表2所示。

表2 軌道電路信息許可長度Tab.2 MA length of track circuit codes

閉塞分區平均長度根據相應C3級行車許可范圍內的平均坡度定義如表3所示。

表3 閉塞分區平均長度定義Tab.3 Definition of the average length of block sections

C3級行車許可范圍內的平均坡度計算如公式（1）所示：

其中：G′為計算得出的平均坡度；Gn為每段坡度的坡度值，若大于0‰坡度則取值為0‰；Ln為每段坡度的長度值。

以如圖3所示鄭萬高鐵上行線巴東北至興山區段為例，當列車目標停車點為興山站正線出站信號機SII時，軌道電路信息L3碼（6016→興山SII）對應的C3級行車許可長度為22 758 m；計算平均坡度為-20‰，對應閉塞分區平均長度取值2 400 m，計算軌道電路信息許可長度為19 200 m，相比較C3級列控車載行車許可終點位置 (EoA)將縮短 3 558 m。

進一步分析，當列車目標停車點為興山站側向股道出站信號機SIII時，由于興山S的軌道信息為UUS碼， L3碼對應C3級行車許可長度由6個閉塞分區變為7個閉塞分區（6034→興山SIII），長度為24 558 m，如圖4所示；計算平均坡度為-19‰，對應閉塞分區平均長度取值2 400 m，計算軌道電路信息許可長度為19 200 m，相比較C3級列控車載行車許可終點位置(EoA)將縮短5 358 m。

通過以上鄭萬高鐵上行線興山SII、SIII對應的L3碼行車許可長度的計算比較，列車側向進站停車時對應的L3碼行車許可長度最長，在同一平均坡度等級下行車許可終點截短距離最長，閉塞分區劃分時應作為最不利情況考慮。

3.3 對比分析

參考圖3、4困難地段的C3級行車許可長度計算，為滿足18號文要求，軌道電路信息L3碼對應的行車許可長度所包含的6個/7個閉塞分區長度需要相應縮短，而圖中 5 700 m、5 750 m 的閉塞分區長度又是針對C2級制動距離的要求設置的，這就突顯了C2級與C3級列控系統下閉塞分區長度設置的相互制約性，需要在C2級要求閉塞分區相對長和C3級要求閉塞分區相對短這兩者之間計算出相互兼顧的合理方案。因此，在閉塞分區劃分過程中，一方面要能夠準確地計算平均坡度，特別是平均坡度等級變化的臨界點，如-20‰與-21‰對應的軌道電路信息許可長度相差4 800 m，對C3行車許可終點位置影響較大；另一方面，行車設計應用的列車牽引計算模型應深度擬合車載控車原理和列控系統控車模式曲線，實現高精度列車運行仿真，針對計算范圍內坡道精準計算列車制動距離，以合理的最短閉塞分區長度保證C3級行車許可長度的需要。

依據CRH380B型動車組采用300T車載列控系統的常用制動模式曲線，計算不同下坡道在滿足C2級控車制動距離基礎上的閉塞分區平均長度和相應的C3級L3碼行車許可長度，經與L3碼軌道電路許可長度對比，總結出理論上連續長大下坡道在C3級與C2級控車模式下閉塞分區長度不能兼顧的臨界值為-25‰，具體如表4所示。此計算結果可以為今后新建高速鐵路線路設計提供參考。

表4 L3碼行車許可長度與軌道電路信息許可長度對比Tab.4 Comparison of the MA length of L3 codes and track circuits

4 結束語

隨著國內高鐵建設的發展，跨地域、高速度、高行車密度等大大增加了行車設計的難度，而連續長大坡道閉塞分區劃分也不再是單一的行車布點設計，是與列控系統深入融合的綜合業務，設計單位應了解掌握車載控車原理和列控系統監控模型，實現列車運行速度曲線和制動距離計算的合理準確；同時，閉塞分區劃分既要兼顧滿足C2級、C3級列控系統控車要求，還要結合列車追蹤間隔能力計算、區間電分相設置等多方面進行全局考慮。合理的閉塞分區劃分以其基礎性、專業性和重要性為工程設計的安全、優質奠定了基礎，為國內高速鐵路建設的安全、高效保駕護航。