高速铁路列车追踪间隔分析与仿真研究

花 伟，齐向春，李 博

HUA Wei, QI Xiang-chun, LI Bo

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

高速铁路列车追踪间隔分析与仿真研究

花 伟，齐向春，李 博

HUA Wei, QI Xiang-chun, LI Bo

（中国铁道科学研究院 运输及经济研究所，北京 100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

由于受到很多条件变化的影响，目前铁路通过能力的计算方法在很多时候很难准确反映实际情况，因而利用仿真技术从微观角度分析高速铁路上动车组列车对线路的时空占用过程。在给定研究边界的基础上，分析列车单点占用、闭塞分区和接发车进路占用、安全占用及追踪占用的过程和计算公式，最后使用 OpenTrack 软件对不同编组形式动车组列车的单点占用、不同线路参数下的列车占用、列车安全占用及追踪占用过程进行仿真和分析，得出动车组列车在各种组合工况下的追踪间隔，以及低等级列车对高等级列车运行的影响程度。

高速铁路；通过能力；仿真；列车追踪间隔

我国铁路在新线设计、运力安排与调整、运营统计分析时均需要计算运输能力，因而运输能力一直是铁路运输组织研究的核心问题，它涉及区间通过能力、车站通过能力、枢纽通过能力、路网运输能力等。其中，区间通过能力是最重要的运输能力之一，计算方法主要有图解法、扣除系数法、平均最小列车间隔法、直接计算法等[1-2]。目前，铁路通过能力的计算主要还是沿用扣除系数法[3]，该方法的计算前提是货物列车数量占绝对优势，而目前部分客货混运线路的有些区段旅客列车比例已经超过 50%；另外，受客货列车速度和种类变化、信号显示制式改变等因素影响，现行扣除系数表难以满足通过能力计算的要求[4]。图解法是运行图编制人员根据运行图参数铺画出最大列车对数(即图定通过能力)，能够反映各区段的通过能力，因其工作量大，并且只反映结果不反映过程，一般只用于能力利用程度接近饱和或个别特殊情况下的图解验算[5]。在运输生产中，因运行图参数的取值存在裕量，同时经各专业的紧密协作与有序组织，实际运行列车对数往往超过图定列车对数。

通过能力问题实质上是研究列车对车站及区间在时间上的最大可能占用比例。各种计算方法都存在均值成份，对高速铁路通过能力的精细计算存在不足。与采用计算方法检算高速铁路列车追踪间隔时间不同[6]，利用仿真技术从微观角度可以分析动车组列车对线路的时空占用过程，以秒和米级精度分析高速铁路上列车在出站、进站和区间 3 种工况下的追踪间隔，以及低等级列车对高等级列车运行的影响程度等问题。

1　研究边界

（1）线路等级。目前在高速铁路上主要开行 D和 G 字头 2 种等级列车，因而细化研究 CTCS-3 级线路上 300 km/h 和 250 km/h 2 种等级列车开行对通过能力的占用问题，此时列车进站停车无需办理延续进路。

（2）运行速度。根据目前我国高速铁路上动车组列车的运营速度，选定 250 km/h (D 字头) 和 300 km/h (G 字头) 2 类列车进行研究。在道岔区，12 号道岔侧向允许通过速度为 50 km/h，18 号道岔侧向允许通过速度为 80 km/h，列车在部分监控模式下运行时的允许速度为 45 km/h。

（3）列车编组。高速铁路上运行的动车组列车主要有 3 种编组形式：短编组、长编组和重联动车组。选择以 CRH380A 8 辆短编组 (6M2T)、CRH380AL 16 辆长编组 (14M2T) 和 CRH380A 重联动车组 (12M4T) 为研究对象。

（4）线路参数。①闭塞分区长度：参考高速铁路闭塞分区设置，取最小闭塞分区长度为 1 100 m，最大闭塞分区长度为 3 500 m。②接触网电分相区：接触网电分相前方设断电标，在接触网电分相后方设合电标，动车组列车以惰行方式通过接触网电分相区，参考《铁路技术管理规程》(高速铁路部分)[7]规定及高速铁路实际电分相设置，取最小断合标距离为 350 m，最大断合标距离为 700 m。③坡度：参考《高速铁路设计规范》(TB 10020—2009)[8]及高速铁路实际线路条件，区间正线最大坡度取 25‰。

（5）时间取整。《新建时速 200～250 公里客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设 [2005] 140 号)[9]规定：“列车区间运行时间应采用牵引计算结果，并以 15 s 为单位”，即列车运行时间以 15 s 为一档取整，当运行时间落入区间 (1，15] s 内，取整为 15 s，落入区间 (15，30] s 内，取整为 30 s，落入区间 (30，45] s 内，取整为 45 s，落入区间 (45，60] s内，取整为 60 s。

2　列车占用线路的过程分析

2.1单点占用

单点占用是指列车完整通过线路上某个位置的过程，主要与列车速度、列车长度等因素有较大关系。在轨道电路区段的末端分界点处，即刻占用的时长在很大程度上决定着该轨道电路区段的释放时间。单点占用在移动闭塞系统中是决定列车追踪间隔的关键要素之一，也直接影响到线路通过能力的利用程度。单点占用时间的计算公式为

式中：t单点为单点占用时间，s；l列为列车长度，m；v运为列车平均运行速度，km/h。

2.2 闭塞分区和接发车进路占用

（1）闭塞分区占用。1 个区间闭塞分区通常由1 个轨道电路构成，如果闭塞分区内包含有接触网电分相区，列车在电分相区内惰行一般会延长对该闭塞分区的占用过程。列车占用闭塞分区的时间为

式中：t闭塞为列车实际占用闭塞分区的时间，s；l区为闭塞分区长度，m；l电为接触网电分相区断合标间的长度，m；v运为列车通过闭塞分区(不含接触网电分相区)的平均运行速度，km/h；v电为列车通过接触网电分相区的平均运行速度，km/h；t释放为闭塞分区释放时的电气动作时间，s。如果闭塞分区内不包含接触网电分相区，则 l电= 0。

（2）接车进路占用。接车进路包括从进站信号机至接车线末端警冲标或出站信号机间的一系列轨道电路区段。实际运营中，列车进站要求对标停车。由于联锁设备采用分段解锁的控制技术，当列车尾部车轮出清线束道岔 (后行同向列车所接入到发线的线束) 后的警冲标，即可为后行的同向列车办理接车进路。接车进路占用的时间为

式中：t接车为列车实际占用接车进路的时间，s； l咽为从进站信号机至线束道岔内方警冲标或绝缘节间的长度，m；v运为列车通过 l咽的平均运行速度，km/h；t释放为接车进路释放时的电气动作时间，s，一般小于 5 s。

（3）发车进路占用。发车进路包括从出站信号机至反向进站信号机间的一系列轨道电路区段。实际运营中，列车一般从停车标处出发。发车咽喉进路占用的时间为

式中：t发车为列车实际占用发车进路的时间，s； l发为从停车标至反向进站信号机间的长度，m；v运为列车通过 l发的平均运行速度，km/h；t释放为发车进路释放时的电气动作时间，s，一般小于 5 s。

2.3安全占用

安全占用空间是指在目标制动距离连续速度控制模式下，为保证行车安全，列车与其前行列车之间的最小距离。安全占用主要与列车速度、分区长度和列车制动性能等因素有较大关系。安全占用的距离是保证行车安全和舒适驾驶的最小距离，也是列车在区间追踪时的安全间隔。安全占用时间为

式中：t安全为列车实际占用安全空间的时间，s；l安全为安全占用距离，m；l附为列车在信号系统应变时间和车载设备触发常用制动前迟滞时间内的空走距离，m；l防为列车安全防护距离，m；l制为车载 ATP 控车模式下的常用制动有效距离，m；v运为列车在 l安全内的平均运行速度，km/h。

2.4追踪占用

追踪占用是指同方向列车在行车过程中不受前行列车运行影响的最小时空间隔，追踪间隔必须满足安全占用所要求的最小安全距离。追踪占用主要与列车速度、分区长度 (包括咽喉区长度)、进路办理时间、司机操纵习惯等因素有较大关系。列车追踪间隔 I追取决于区间追踪间隔 I区、车站发车间隔I发、车站到达间隔 I到和列车通过车站的追踪间隔 I通中的最大者，即

其中，发车间隔受发车进路开放时刻、司机反应时间、侧线发车位置与正线应答器组间的距离(列车以部分监控模式运行)、道岔限速和咽喉区长度等因素影响，常常制约着列车间的追踪间隔。当存在不同速度等级的列车混行时，高等级列车追踪低等级列车还与前行列车的停站避让方案直接相关，当前行列车不停站的连续运行距离越长时，2种等级列车间的追踪间隔越大，此时，区间追踪间隔又制约着列车追踪间隔。

3　仿真分析

采用 OpenTrack 仿真软件对各种设定场景进行微观仿真与分析。

3.1不同编组形式的动车组列车对单点占用的仿真与分析

不同编组形式的动车组列车在平直道上的加速性能如表1 所示。

表1　不同编组条件下的列车加速性能 　km/h

①由于 CRH380AL 动车组的牵引功率大，其加速性能好于其他 2 种编组形式的动车组列车，而 CRH380A 重联动车组的风阻略大，其加速性能稍差于 CRH380A 短编组动车组。②从 0.0 km/h 加速至 45.0 km/h，3 种编组形式的动车组列车所需时间仅相差 2 s。③从 0.0 km/h 加速至 300.0 km/h，3 种编组形式动车组列车所需时间在 5 min 左右，最大时间差达到 34 s；需要运行 16 km 左右，最大里程差达到 2 km。由此可见，不同的动车组编组形式对列车运行时分和追踪间隔产生影响。

整列车以匀速通过线路某一位置的时分如表2 所示。

表2　不同编组长度对单点占用时分的影响

①当速度在 45 km/h 及以下时，列车编组长度对列车运行时分有一定影响，如以 45 km/h 速度运行时，重联动车组比短编组动车组多运行 16 s。②对于同样的编组长度，速度在 80 km/h 及以下时，列车长度对运行时分有一定影响，如在重联方式下，以 45 km/h 速度运行比以 80 km/h 速度运行多15 s。③当速度达到 250 km/h 及以上时，列车编组长度对运行时分影响不明显。

3.2不同线路参数下的列车占用仿真与分析

CRH380A 短编组动车组列车在平直道上通过不同长度闭塞分区 (不含列车长度) 的纯运行时分如表3 所示。①当列车以 250 km/h 运行时，3 min 可通过 9 个 1 300 m 长或 7 个 1 700 m 长的分区；以3 00 km/h 运行时，3 min 可通过 9 个 1 600 m 长或7 个 2 000 m 长的分区。②当分区平均长度超过 2 000 m时，列车在区间以 3 min 间隔追踪，追踪列车将难以维持 5 个绿灯的安全占用要求和舒适驾驶条件。

CRH380A 短编组动车组列车通过不同长度接触网电分相区和不同坡度组合工况下的纯运行时分(入口速度分别为 80 km/h，160 km/h 和 250 km/h) 如表4 所示， CRH380A 短编组动车组列车在给定入口速度 (45 km/h 和80 km/h) 下在不同坡道上坡时的最大惰行距离如表5 所示。①当列车以 160 km/h 及以上速度运行时，25‰ 及以下坡度对列车运行影响不明显。②当列车以 45 km/h 及以下速度运行时，对于 12‰ 坡度，列车可能会在电分相区内停车；对于 18‰ 及以上坡度，列车易在电分相区内停车。③当以 80 km/h 及以下速度运行时，对于 25‰及以上坡度，操作不当时列车有在电分相区内停车的可能。

3.3列车安全占用仿真与分析

不同编组形式的动车组列车在平直道上的制动性能如表6 所示，可以看到：①虽然制动减速量相同，但走行距离相差却很大，当分区平均长度为1 100 m 时，速度 300 km/h 的列车需要 7.1 个分区完成制动，速度 250 km/h 的列车需要 4.8 个分区实现制动，速度 200 km/h 的列车需要 3 个分区实现制动；②从 300 km/h 减速至 45 km/h 约需要 154 s，从300 km/h 减速至 80 km/h 约需要 133 s，相差 20 s 以上，对列车进站影响显著。

3.4列车追踪占用仿真与分析

3.4.1出站间隔分析

不同编组的动车组列车按指定速度 (分别为38 km/h，43 km/h 和 75 km/h) 出站时的运行情况 (扣除 1 个列车长度) 如表7 所示。①对于短编组动车组列车，当以 38 km/h 及以下速度出站时，不易实现3 min 追踪间隔 (包括前行列车出清第 1 离去时间、追踪列车进路触发时间和司机操作反应时间，下同)；侧线发车或临时限速信息丢失时，列车会转入部分监控模式，此时，当咽喉区长度超过 1 200 m后，较难实现 3 min 追踪间隔；当以 75 km/h 及以上速度出站时，基本可实现 3 min 追踪间隔。②对于长编组动车组列车，当以 43 km/h 及以下速度出站时，不易实现 3 min 追踪间隔；当以 75 km/h 及以上速度出站时，具备实现 3 min 追踪间隔的条件。

表3　不同分区长度和列车速度对运行时分的影响 s

表4　不同长度电分相区和不同坡度对列车惰行的影响

表5　不同坡度下列车最大惰行距离 m

表6　不同编组形式动车组的制动性能

3.4.2区间间隔分析

由表3 的数据可以看出：①当连续分区的平均长度在 1 600 m 及以下时，速度为 250 km/h 和300 km/h 的列车可实现同等级列车间的 3 min 追踪间隔；②当 300 km/h 列车以 10 min 间隔追踪 250 km/h 列车 (以前发后通和前停后通方式追踪) 时，追踪列车将会在 25 min/124 km 左右受到前车影响。

3.4.3进站间隔分析

同样由表3 的数据可以看出：①250 km/h 的列车进站时间比 300 km/h 列车缩短 33 s 左右；②从300 km/h 减速到 45 km/h 需要 154 s，从 300 km/h 减速到 80 km/h 需要 133 s，因而为满足 3 min 进站追踪间隔，如果采用 12 号道岔，需要缩短第 3 接近分区长度，或者前后列车在咽喉的走行重叠区长度不宜超过 350 m。

4　结论

利用 OpenTrack 软件对动车组列车占用线路的时空过程进行仿真，分析高速铁路同等级列车间追踪问题和不同等级列车开行影响问题，得到如下主要结论。

表7　不同编组编组长度的动车组列车出站运行情况 m

（1）因山区坡度大，列车低速通过接触网电分相区时，尤其在轨道湿滑状态下，较易在电分相区内停车。

（2）当列车从车站侧线发车或临时限速信息丢失时，会转入部分监控模式，此时，当咽喉区长度超过 1 200 m 后，较难实现 3 min 追踪间隔。

（3）列车从 300 km/h 减速到 45 km/h 需要154 s，从 300 km/h 减速到 80 km/h 需要 133 s，为满足 3 min 进站追踪间隔，如果采用 12 号道岔，需要缩短第 3 接近分区长度，或者前后列车在咽喉的走行重叠区长度不宜超过 350 m。

（4）当速度 300 km/h 的列车以 10 min 间隔追踪速度 250 km/h 列车时，追踪列车将会在 25 min/124 km左右受到前车影响。

[1] 宋 艳. 干线提速区段通过能力计算方法研究[D]. 北京：北京交通大学，2006.

[2] 张守帅. 高速铁路通过能力计算方法研究[D]. 成都：西南交通大学，2014.

[3] 中华人民共和国铁道部. 铁路区间通过能力计算办法[M].北京：中国铁道出版社，1984.

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[8] 国家铁路局. 高速铁路设计规范：TB 10020-2009 [S]. 北京：中国铁道出版社，2014：20.

[9] 中华人民共和国铁道部. 新建时速 200～250 公里客运专线铁路设计暂行规定[M]. 北京：中国铁道出版社，2009.

责任编辑：刘 新

Study on Analysis and Simulation of High-speed Railway Train Tracing Interval

For current calculation method of railway carrying capacity is influenced by change of many conditions and is difficulty to accurately reflect actual situation, so the space-time occupancy process of EMU train on high-speed railway line is analyzed from micro perspective by using simulation technology. Based on the provided research boundary, this paper analyzes the process and calculation formula of train single-point occupancy, occupancy of block section and train receiving-departure route, safety occupancy as well as tracing occupancy, in the end, the paper makes simulation and analysis on the process of single-point occupancy, train occupancy under different line parameters, train safety occupancy and tracing occupancy for EMU trains with different formation modes by using OpenTrack software, and then, the tracing interval of EMU trains under various combined conditions and the influence degree of low-class trains on operation of high-class trains are achieved.

High-speed Railway; Carrying Capacity; Simulation; Train Tracing Interval

1003-1421(2016)06-0016-07

U292.5+2

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.06.04

2016-01-21

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015X004-A)