基于虚拟信号机的复杂货运站场发车能力提升研究

李 锋，代 斌

(国能朔黄铁路发展有限责任公司 运输部，河北 肃宁062350)

0 引言

重载铁路运能大、效率高、成本低，能够有效解决长距离大宗物资运输问题，普遍承载着国家货物运输大动脉的角色，对国民经济的发展起着重要作用。随着我国“交通强国”战略目标的提出，进一步提升重载铁路的货运能力已成为迫切要求[1]。

目前，国内重载铁路普遍采用固定闭塞系统进行列车运行防护[2]，列车在区间运行时，以闭塞分区为最小路权征用单位，列车追踪运行效率受闭塞分区长度的限制。列车在车站运行时，以进路为最小路权征用单位，当任意两列车连续发车时，必须等待先发列车完全出清整条进路后才可以为后发列车办理发车进路，发车间隔较大[3]。以朔黄铁路(神池南—黄骅港)为例，既有三显示自动闭塞信号系统仅能支持万吨列车11 min左右的发车间隔，已无法满足该铁路运量快速增长的需求。当前，固定闭塞系统下发车间隔较长是影响重载铁路运能提升的关键因素。

基于无线通信的移动闭塞系统，能够在保障系统安全的基础上缩短发车间隔，是解决当前运输生产面临问题的技术手段之一[4]。然而，常规的移动闭塞系统下，虽然只需先发列车出清冲突道岔且冲突道岔区段解锁后，即可为后发列车办理发车进路，相比于固定闭塞发车方式提升了发车效率，但对于神池南站、肃宁北站之类的复杂货运站场，因其发车咽喉区长、发车股道数多，任意2条发车进路之间至少存在1处重合区段，且均在道岔区段，后发列车在股道上的等待时间仍然较长，影响发车能力[5]。

在重载铁路移动闭塞系统的基础上，通过增设虚拟信号机将发车进路进行细分，使得列车能够分段使用路权；同时，根据先发列车实时和历史的牵引及制动状态、位置及速度信息，为后发列车动态计算最优的发车时机，以提升复杂货运站场的发车能力，进一步提升运能。

1 增设虚拟信号机的移动闭塞发车方式

1.1 虚拟信号机增设背景

重载铁路移动闭塞系统下，对于2列需使用同一道岔(使用道岔的不同位置)的待发列车，常规移动闭塞系统下发车方式示意图如图1所示，当先发列车A出清冲突道岔且冲突道岔区段被解锁时刻(道岔仍在反位)，如图1a所示，此时可以为股道B上的列车B办理发车进路；待联锁将冲突道岔转换至定位后，如图1b所示，可以锁闭列车B的发车进路并开放信号，如图1c所示。

图1 常规移动闭塞系统下发车方式示意图Fig.1 Departure mode of conventional moving block system

从图1可见，对于不同股道的2列待发列车，移动闭塞下只要先发列车出清了冲突道岔且冲突道岔区段解锁后，即可为后发列车办理发车进路，无需同固定闭塞系统一样等先发列车完全出清整条发车进路后，才为后发列车办理进路。

由于基于无线通信的移动闭塞系统下，车-地实现双向通信，地面无线闭塞中心(Radio Block Center，RBC)根据管辖范围内的列车位置、区段占用状态及临时限速等信息为列车计算行车许可[6]，因而传统的固定闭塞发车进路可以被细分成多段短进路。移动闭塞下可以将道岔区段作为最小的路权征用单位，即对于2列需使用同一道岔(使用道岔的不同位置)的列车，当前车未释放被其征用的道岔资源时，后车最远可以运行至道岔区段的始端，即除了共用的冲突道岔区段外，冲突道岔区段之前的路径可以被后车提前使用。

为了使得细分后的进路可以被标识和办理，同时办理时仍能按照联锁条件进行检查，提出在细分进路的始端或终端增设虚拟信号机[7]。当2架实体列车信号机间无车时，2架实体列车信号机间虚拟信号机的亮灭状态需与始端实体列车信号机的亮灭状态相同。当2架实体列车信号机间有车时，虚拟信号机与终端实体信号机的亮灭状态保持一致。增设虚拟信号机后，列车能够分段使用路权，可为后发列车提前办理虚拟信号进路。同时，还可以根据先发列车实时和历史的牵引/制动状态、位置及速度信息，为后发列车动态计算最优的发车时机。

其中，虚拟信号进路可以分为2种类型，一是始端为实体信号机、终端为虚拟信号机，二是始端为虚拟信号机、终端为实体信号机。联锁具备办理虚拟信号进路的功能，对于虚拟信号进路只允许为移动闭塞列车办理，即只有始端信号机为强制灭灯状态时才允许办理。虚拟信号进路的选排、锁闭、信号开放、信号关闭、进路解锁、信号重开的检查条件，与普通移动闭塞列车进路的检查条件相同。

虚拟信号机的开放、关闭、亮、灭为逻辑状态。排列进路后、满足开放条件时直接设置为开放状态，需要关闭时直接设置为关闭状态，联锁收到RBC的强制亮灯指令直接设置为亮灯状态，收到RBC的强制灭灯指令直接设置为灭灯状态。

1.2 虚拟信号机增设方案

有关复杂货运站场发车能力提升的研究，主要分为虚拟信号机的布置和后发列车最优发车时机的计算，下面结合朔黄铁路全线能力瓶颈点之一的肃宁北站，具体说明虚拟信号机的增设方案。

肃宁北站重车上行方向的站场内发车股道有13条，发车进路较多，任意2条发车进路之间至少存在1处重合线路，且所有重合线路均在道岔区段。肃宁北站重车上行方向发车咽喉区线路平面布置如图2所示，图2仅体现部分发车股道。

结合图2所示的线路平面布置图，对所有冲突道岔进行分析。为了降低对现有车站联锁逻辑的影响且适当地提升发车能力，增设的虚拟信号机应尽可能地适用于更多股道的发车进路。由此，在肃宁北站211号道岔岔尖前的绝缘节处增设虚拟信号机V1，在D207信号机相同的位置增设虚拟信号机V3。汇总经过相应虚拟信号机发车的股道信息，肃宁北重车上行方向站内股道发车信息如表1所示。

图2 肃宁北站重车上行方向发车咽喉区线路平面布置Fig.2 Line layout of departure throat area of Suningbei heavy-haul train in upward direction

表1 肃宁北重车上行方向站内股道发车信息Tab.1 In-station information related to departure of Suningbei heavy-haul train in upward direction

1.3 发车时机计算原理

移动闭塞系统下，任意2条股道连续发车，当先发列车根据理想的发车曲线行车时，后发列车可以获得前车车尾出清冲突道岔所需的时间。为了保证先发列车出清冲突道岔，后发列车能够按照理想的发车曲线不降速成功发车，则后发列车最优发车时机计算示意图如图3所示。

图3 后发列车最优发车时机计算示意图Fig.3 Optimal departure time calculation of later train

以虚拟信号机所在位置为行车许可终点计算后车的常用制动防护曲线，并将其与理想发车曲线进行比较，当理想发车曲线的速度超过常用制动防护速度后，意味着列车将降速运行，因而最优的发车时机为能够保证先发列车车尾刚好出清冲突道岔区段时，后发列车速度达到常用制动防护速度，即图3中的vL。由此可得后发列车的最优发车时机，计算公式如下。

式中：T为先发列车从股道出发起至为后发列车办理进路所间隔的时间，min；TC为先发列车按理想行车

曲线行车时车尾出清冲突道岔所需时间，min；T0为出站信号机至虚拟信号机的进路办理时间，min；TL为后发列车速度达到常用制动防护速度所需时间，min。

2 最优发车时机动态生成算法

考虑到先发列车可能不能完全按照理想行车曲线行车，因而根据先发列车实时和历史的牵引/制动状态、位置及速度信息，基于真实的发车数据库和数据匹配算法，匹配到最贴合先发列车状态的发车曲线，从而得到先发列车出清冲突道岔所需的时间，进而动态生成后发列车的最优发车时机[8]。最优发车时机动态生成算法流程如图4所示。

图4 最优发车时机动态生成算法流程Fig.4 Dynamic generation algorithm flow of optimal departure time

步骤1：采集不同编组列车从不同股道发车出站运行时的速度、位置及牵引/制动状态数据，建立发车数据库。

步骤2：根据先发列车汇报的位置、速度及牵引/制动状态，在发车数据库中匹配出最贴合先发列车运行状态的发车曲线。

步骤3：基于匹配到的发车曲线，计算出先发列车按该曲线行车时车尾出清冲突道岔所需的时间TC。

步骤4：以虚拟信号机所在位置为行车许可终点，计算出后发列车的常用制动防护曲线。

步骤5：计算后发列车按照理想发车曲线行驶时，速度达到常用制动防护曲线速度所需的时间TL。

步骤6：由公式(1)计算得到后发列车的最优发车时机。

3 案例仿真

3.1 仿真基本参数

为验证增设虚拟信号机的移动闭塞发车方式，可以提升复杂货运站场的发车能力，结合肃宁北站重车上行方向发车咽喉区实际线路数据与牵引计算规程，搭建不同闭塞制式下的连续发车仿真平台[9]。借助仿真平台可以计算出不同闭塞制式下不同编组列车的发车间隔。列车编组信息参数如表2所示。

表2 列车编组信息参数Tab.2 Train marshaling information parameters

根据轴重25 t的HXD1型机车的牵引/制动特性曲线，其牵引特性控制函数为

式中：Ft为机车牵引力，kN；v为机车运行速度，km/h；ηt为牵引手柄的级位。

其制动特性控制函数为

式中：Fb为电制动力，kN；ηb为电制动手柄的级位。

3.2 结果分析

（1）固定闭塞下肃宁北重车上行方向发车间隔。固定闭塞制式下，在肃宁北站重车上行方向发车咽喉区中，II-9G与II-IG连续发车时发车间隔最大[10]，考虑为后发列车办理发车作业的时间、列车启动时间以及后发列车从股道出发运行至车尾出清一离去区段尾端的时间，分别对万吨、2万吨列车连续发车场景进行仿真。仿真得到不同编组列车的发车间隔，固定闭塞制式下2万吨列车的发车间隔达12.6 min，万吨列车的发车间隔达10.9 min。

（2）移动闭塞下肃宁北重车上行方向发车间隔。移动闭塞制式下，在肃宁北站重车上行方向发车咽喉区中，共增设2个虚拟信号机V1和V3。考虑为后发列车办理出站信号机到虚拟信号机进路的时间、列车启动时间以及后发列车从股道出发直至车尾越过虚拟信号机所用的时间，根据前后行列车所经过虚拟信号机的情况，分别对万吨、2万吨列车连续发车场景进行仿真。仿真得到不同编组列车的发车间隔，移动闭塞下肃宁北重车上行方向发车间隔如表3所示。由表3可知，增设虚拟信号机后，2万吨列车的最大发车间隔为11.2 min，万吨列车的最大发车间隔为9.2 min，相比固定闭塞分别减小1.4 min和1.7 min。由此可知，提出的增设虚拟信号机的移动闭塞发车方式，能够有效提升复杂货运站场的发车能力。

表3 移动闭塞下肃宁北重车上行方向发车间隔Tab.3 Departure interval of Suningbei heavy-haul train in upward direction under moving block mode

4 结束语

通过分析重载铁路列车发车间隔现状，提出一种适用于复杂货运站场的增设虚拟信号机的移动闭塞发车方案。结合实际线路数据的仿真验证结果证明，增设虚拟信号机的移动闭塞系统发车方案对重载铁路运输能力的提升十分显著。结合朔黄铁路4.5亿t规划，可以在此研究基础上，对朔黄铁路始发编组站(神池南站)能力提升以及朔黄全线推广移动闭塞技术进行研究和探索，在不改变线路条件的基础上，仅通过信号系统的升级，最大限度地提升全线运输能力，实现朔黄铁路4.5亿t目标。