張守帥，張雨潔，閆海峰，田長(zhǎng)海，駱泳吉

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 611576；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

近年來(lái)我國(guó)中西部地區(qū)高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”)發(fā)展迅速,西成高鐵、成貴高鐵等骨干線(xiàn)路相繼通車(chē),同時(shí)中西部地區(qū)高鐵的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高,成渝高鐵提速后運(yùn)行速度達(dá)350 km/h,未來(lái)還將有大量設(shè)計(jì)速度為350 km/h的高鐵開(kāi)通,如渝昆高鐵、成自高鐵、成達(dá)萬(wàn)高鐵、西渝高鐵等。中西部地區(qū)高鐵線(xiàn)路條件更為復(fù)雜,其最主要的特點(diǎn)是具有較多長(zhǎng)大下坡道。動(dòng)車(chē)組列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí),由于重力沿列車(chē)運(yùn)行方向的分力作用以及列控系統(tǒng)的冗余處理,導(dǎo)致其車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離大大延長(zhǎng),進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段影響到閉塞分區(qū)長(zhǎng)度,且在運(yùn)營(yíng)階段給列車(chē)運(yùn)行速度、追蹤間隔時(shí)間帶來(lái)不利影響。

針對(duì)閉塞分區(qū)的設(shè)置問(wèn)題,近年來(lái)國(guó)外專(zhuān)家已取得諸多成果。Hua[1]將高速鐵路閉塞分區(qū)劃分問(wèn)題抽象為多目標(biāo)優(yōu)化模型,并采用混沌粒子群算法進(jìn)行求解。Egidio[2]結(jié)合追蹤間隔時(shí)間和運(yùn)營(yíng)成本,通過(guò)設(shè)計(jì)列車(chē)運(yùn)行仿真系統(tǒng),對(duì)閉塞分區(qū)布局進(jìn)行優(yōu)化。Burdett[3]從數(shù)學(xué)模型角度分別以通過(guò)能力最大、建設(shè)成本最小為目標(biāo)優(yōu)化鐵路閉塞分區(qū)布置并求解。Gao等[4]設(shè)計(jì)了基于牽引計(jì)算的高鐵閉塞分區(qū)劃分軟件,在保證行車(chē)安全的同時(shí)提高通過(guò)能力。然而,由于國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)設(shè)備和線(xiàn)路設(shè)計(jì)情況不同,國(guó)外學(xué)者大多未綜合考慮列控模式與線(xiàn)路縱斷面因素,如坡度、曲線(xiàn)等對(duì)閉塞分區(qū)劃分的影響。

國(guó)內(nèi)方面,高國(guó)隆等[5]利用遺傳算法對(duì)長(zhǎng)大下坡道條件下高速鐵路區(qū)間閉塞分區(qū)分界點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化,在不改變信號(hào)機(jī)個(gè)數(shù)的情況下提高線(xiàn)路通過(guò)能力。王杰[6]重點(diǎn)研究長(zhǎng)大下坡地段不同車(chē)載設(shè)備下的列車(chē)制動(dòng)距離及追蹤間隔,通過(guò)優(yōu)化閉塞分區(qū)長(zhǎng)度和列控車(chē)載設(shè)備參數(shù)等措施,有效提升運(yùn)輸效率。另外,文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)、200～250 km/h速度級(jí)高鐵在長(zhǎng)大下坡地段列車(chē)運(yùn)行相關(guān)問(wèn)題也進(jìn)行了研究。但目前尚未有人提出在長(zhǎng)大下坡地段設(shè)置閉塞分區(qū)時(shí),綜合考慮CTCS-3級(jí)和后備CTCS-2級(jí)2種列控系統(tǒng)分別對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全及行車(chē)密度、速度的約束影響。

隨著列車(chē)在長(zhǎng)大下坡道制動(dòng)距離的增加,后備CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)要求閉塞分區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng),如在原設(shè)計(jì)鄭萬(wàn)高鐵興山站—巴東北站間連續(xù)14.4 km坡度-30‰的長(zhǎng)大下坡道中,部分閉塞分區(qū)長(zhǎng)度甚至達(dá)到了5.75 km。但當(dāng)列車(chē)在類(lèi)似地段以CTCS-3級(jí)模式運(yùn)行時(shí),出現(xiàn)了行車(chē)許可突然回縮并引發(fā)列車(chē)緊急制動(dòng)的問(wèn)題。綜上,在長(zhǎng)大下坡地段,如何合理設(shè)置閉塞分區(qū),以兼顧C(jī)TCS-3級(jí)和CTCS-2級(jí)模式下的列車(chē)運(yùn)行速度,成為亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 閉塞分區(qū)對(duì)列車(chē)運(yùn)行速度的影響分析

高速列車(chē)采用目標(biāo)-距離連續(xù)速度控制模式監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行,前后兩列高速列車(chē)追蹤運(yùn)行示意見(jiàn)圖1。圖1中,L附加為附加時(shí)間范圍內(nèi)列車(chē)運(yùn)行距離;L制為車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離;L防為安全防護(hù)距離;L閉為閉塞分區(qū)長(zhǎng)度;L列為列車(chē)長(zhǎng)度。在完全監(jiān)控模式下,后行列車(chē)以行車(chē)許可終點(diǎn)為追蹤目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算出監(jiān)控速度曲線(xiàn),列車(chē)實(shí)際運(yùn)行速度不得超過(guò)監(jiān)控速度曲線(xiàn)[8]。

圖1 高速列車(chē)追蹤運(yùn)行示意(單位:m)

CTCS-3級(jí)控車(chē)模式的行車(chē)許可生成方式與后備CTCS-2級(jí)不同,導(dǎo)致列車(chē)在不同模式下的允許運(yùn)行速度也不同,下面分別對(duì)2種控車(chē)模式的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行分析。

1.1 CTCS-3級(jí)模式下列車(chē)運(yùn)行速度

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中,行車(chē)許可由RBC根據(jù)前方32 km內(nèi)線(xiàn)路空閑情況計(jì)算確定,并通過(guò)GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅锌剀?chē)載設(shè)備中,車(chē)載設(shè)備依照接收到的行車(chē)許可實(shí)時(shí)生成目標(biāo)-距離速度控制曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)安全控制。為避免黑客和病毒惡意破壞干擾GSM-R網(wǎng)絡(luò),向車(chē)載設(shè)備發(fā)送錯(cuò)誤的行車(chē)許可,影響列車(chē)運(yùn)行安全[10],原中國(guó)鐵路總公司研究并下發(fā)了TJ/DW 200—2018《CTCS-3級(jí)ATP行車(chē)許可結(jié)合軌道電路信息暫行技術(shù)條件》[11],提出將CTCS-3級(jí)ATP行車(chē)許可與軌道電路信息結(jié)合在一起,在進(jìn)一步完善提高CTCS-3級(jí)系統(tǒng)安全性的同時(shí),也有效實(shí)現(xiàn)CTCS-3級(jí)系統(tǒng)與CTCS-2級(jí)系統(tǒng)的資源整合。

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式中:n為列車(chē)當(dāng)前所在閉塞分區(qū)編號(hào);Gn為第n個(gè)閉塞分區(qū)坡度;Ln為第n個(gè)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度。

(4)

圖2 CTCS-3級(jí)行車(chē)許可回縮場(chǎng)景示意

1.2 CTCS-2級(jí)模式下列車(chē)運(yùn)行速度

列車(chē)以后備的CTCS-2級(jí)模式運(yùn)行時(shí),根據(jù)軌道電路的發(fā)碼信息判斷前方空閑情況,且最多接收到L5碼,即列車(chē)最多只能獲取前方7個(gè)閉塞分區(qū)的空閑情況[3]。若前方7個(gè)閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度之和小于車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離,即便前方有更長(zhǎng)的空閑區(qū)間,列車(chē)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)后備CTCS-2級(jí)的最高速度。因此閉塞分區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足

(5)

2 各要素之間的關(guān)系分析

2.1 長(zhǎng)大下坡道列車(chē)運(yùn)行各要素的關(guān)系

在長(zhǎng)大下坡道列車(chē)運(yùn)行各要素中,線(xiàn)路坡度、動(dòng)車(chē)組性能、列控系統(tǒng)是基礎(chǔ),閉塞分區(qū)長(zhǎng)度取值是關(guān)鍵,實(shí)現(xiàn)列車(chē)按線(xiàn)路允許速度運(yùn)行并保證追蹤間隔時(shí)間在合理范圍內(nèi)是目的,其中保證動(dòng)車(chē)組列車(chē)在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)下可按正常速度運(yùn)行是最基本目標(biāo)。

長(zhǎng)大下坡地段,坡度會(huì)大大增加動(dòng)車(chē)組的車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離[12]。不同型號(hào)動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)性能不同,不同列控系統(tǒng)的控車(chē)曲線(xiàn)計(jì)算方法以及對(duì)坡度的處理方法也不同,這都會(huì)影響到車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離。閉塞分區(qū)長(zhǎng)度影響列車(chē)運(yùn)行速度,當(dāng)閉塞分區(qū)較短,與車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離的關(guān)系不滿(mǎn)足式( 5 )時(shí),會(huì)導(dǎo)致列車(chē)在CTCS-2級(jí)模式下的運(yùn)行速度受限;但閉塞分區(qū)較長(zhǎng),又有可能導(dǎo)致列車(chē)在CTCS-3級(jí)模式下發(fā)生行車(chē)許可回縮并觸發(fā)緊急制動(dòng)的問(wèn)題。車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離、閉塞分區(qū)長(zhǎng)度、列車(chē)運(yùn)行速度都會(huì)影響列車(chē)的追蹤間隔時(shí)間。

2.2 閉塞分區(qū)設(shè)置優(yōu)化原則

從列車(chē)運(yùn)行速度的角度,CTCS-3、CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)對(duì)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度的要求是相反的:在一定范圍內(nèi),閉塞分區(qū)越長(zhǎng),對(duì)CTCS-2級(jí)列控模式下的運(yùn)行速度越有利;閉塞分區(qū)越短,對(duì)CTCS-3級(jí)列控模式下的運(yùn)行速度越有利。為權(quán)衡列車(chē)速度與行車(chē)密度,同時(shí)兼顧不同車(chē)型、不同列控模式下的運(yùn)行需要,本文提出以下閉塞分區(qū)設(shè)置原則,各原則的優(yōu)先級(jí)逐次降低。

原則1確保所有車(chē)型在CTCS-3級(jí)列控模式下的正常運(yùn)行?？紤]到速度為350 km/h高速鐵路上的列車(chē)日常以CTCS-3級(jí)列控模式運(yùn)行,只有少量情況下才降級(jí)為后備的CTCS-2級(jí)模式,因此應(yīng)當(dāng)盡量保證CTCS-3級(jí)列控模式下行車(chē)許可不回縮,運(yùn)行速度不突降。由于我國(guó)高速鐵路存在大量跨線(xiàn)列車(chē),因此線(xiàn)路上閉塞分區(qū)的設(shè)置必須能夠滿(mǎn)足所有車(chē)型在CTCS-3級(jí)列控模式下的運(yùn)行需要。

原則2盡量保證CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)下的正常運(yùn)行速度。當(dāng)線(xiàn)路或列車(chē)的列控設(shè)備發(fā)生故障時(shí),列車(chē)會(huì)降級(jí)運(yùn)行,閉塞分區(qū)設(shè)置應(yīng)能盡量保證常用車(chē)型在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)下按速度300 km/h運(yùn)行而不受影響[13]。但當(dāng)因CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)對(duì)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度的要求導(dǎo)致無(wú)法兼顧C(jī)TCS-2級(jí)列控系統(tǒng)時(shí),可在線(xiàn)路上設(shè)置限速以保證在CTCS-2級(jí)列控模式下不會(huì)因行車(chē)許可超出前方7個(gè)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度而導(dǎo)致速度突降,當(dāng)然此時(shí)應(yīng)盡量保證較高的限速值。

原則3兼顧動(dòng)車(chē)組反向運(yùn)行需要。若閉塞分區(qū)設(shè)置過(guò)短,則當(dāng)列車(chē)在該線(xiàn)路反向運(yùn)行(上坡)時(shí),也會(huì)存在制動(dòng)距離不夠的情況。

原則4盡量壓縮追蹤間隔時(shí)間。我國(guó)高速鐵路的追蹤間隔時(shí)間普遍為5 min,部分線(xiàn)路可實(shí)現(xiàn)3～4 min[14-15]。閉塞分區(qū)長(zhǎng)度不僅會(huì)直接影響追蹤間隔時(shí)間,還會(huì)通過(guò)影響列車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)而間接影響追蹤間隔時(shí)間,因此追蹤間隔時(shí)間與閉塞分區(qū)的關(guān)系較為復(fù)雜,考慮到列車(chē)在下坡道的制動(dòng)距離較長(zhǎng),因此其追蹤間隔時(shí)間主要取決于車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度屬次要因素。

以上原則中,原則1要求閉塞分區(qū)長(zhǎng)度越短越好,原則2和原則3要求閉塞分區(qū)長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好,由于列車(chē)在下坡時(shí)的制動(dòng)距離遠(yuǎn)長(zhǎng)于反向運(yùn)行上坡,因此若滿(mǎn)足原則2則基本就滿(mǎn)足了原則3,若原則1～原則3均滿(mǎn)足,則以原則4為原則進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)合上文分析得出的閉塞分區(qū)設(shè)置優(yōu)化原則,建立長(zhǎng)大下坡地段閉塞分區(qū)優(yōu)化模型:選取信號(hào)機(jī)的坐標(biāo)位置為決策變量,兩信號(hào)機(jī)間的距離即閉塞分區(qū)長(zhǎng)度為中間變量;滿(mǎn)足所有車(chē)型均能于CTCS-3級(jí)列控模式下正常運(yùn)行(運(yùn)行速度不突降)為硬性約束,列車(chē)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)下的限制速度值最大為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化目標(biāo)為限制速度值越高越好。

3 典型坡度下閉塞分區(qū)取值與各要素的關(guān)系分析

按照上述優(yōu)化原則,對(duì)典型坡度下閉塞分區(qū)取值及各要素的關(guān)系進(jìn)行分析,一方面可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)工作提供取值建議,另一方面可掌握閉塞分區(qū)取值與各要素的變化規(guī)律,為后續(xù)相關(guān)算法的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

不同型號(hào)的動(dòng)車(chē)組制動(dòng)能力不同,進(jìn)而對(duì)閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度要求也不同?，F(xiàn)場(chǎng)一般按照車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離最長(zhǎng)的動(dòng)車(chē)組型號(hào)來(lái)設(shè)置閉塞分區(qū)。本文以常見(jiàn)的CRH380BL型及制動(dòng)力相對(duì)較差的CRH380BK型2款動(dòng)車(chē)組為例(均裝備CTCS3-300T列控系統(tǒng)),分析坡度、閉塞分區(qū)長(zhǎng)度、車(chē)型等與列車(chē)運(yùn)行速度、追蹤間隔時(shí)間的關(guān)系,其中車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離相關(guān)數(shù)據(jù)均來(lái)自列控廠家[8]。

3.1 滿(mǎn)足正常運(yùn)行速度

1)滿(mǎn)足CTCS-3級(jí)正常運(yùn)行速度

表1 CTCS-3模式下CRH380BL閉塞分區(qū)長(zhǎng)度需求(制動(dòng)初速度350 km/h) m

表2 CTCS-3模式下CRH380BK閉塞分區(qū)長(zhǎng)度需求(制動(dòng)初速度350 km/h) m

由表1可知,CRH380BL以速度為350 km/h在-20‰～-30‰的長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí),接收到L3碼時(shí)估算的軌道電路信息許可始終大于車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離,此時(shí)從CTCS-3的角度對(duì)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度無(wú)要求;接收到L2～LU時(shí)估算的軌道電路信息許可小于車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度有上限要求。由表2可知,CRH380BK在-20‰～-30‰的長(zhǎng)大下坡道運(yùn)行時(shí),接收到L3～LU時(shí)估算的軌道電路信息許可均小于車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度均有上限要求。

2)滿(mǎn)足后備CTCS-2級(jí)正常運(yùn)行速度

2款動(dòng)車(chē)組在采用后備的CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)時(shí),閉塞分區(qū)的設(shè)置應(yīng)能滿(mǎn)足其以速度300 km/h運(yùn)行的需要。由式( 5 )可知CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)對(duì)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度有下限要求,見(jiàn)表3。

表3 CTCS-2模式下閉塞分區(qū)長(zhǎng)度要求(速度300 km/h)

由表3可知,不同型號(hào)的動(dòng)車(chē)組在不同坡度下,其對(duì)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度的要求不同。制動(dòng)能力越差、下坡的坡度越大,要求閉塞分區(qū)越長(zhǎng)。若要滿(mǎn)足CRH380BK以速度300 km/h在-30‰的長(zhǎng)大坡道上運(yùn)行的需求,閉塞分區(qū)的平均長(zhǎng)度要達(dá)到5 600 m。

由于閉塞分區(qū)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)盡量兼顧不同型號(hào)列車(chē),同時(shí)兼顧C(jī)TCS-3級(jí)和后備CTCS-2級(jí)模式下的運(yùn)行要求,因此將CRH380BL、CRH380BK在CTCS-2、CTCS-3級(jí)模式下分別對(duì)閉塞分區(qū)長(zhǎng)度的下、上限要求統(tǒng)一考慮。CRH380BL和CRH380BK在不同列控模式下的閉塞分區(qū)長(zhǎng)度限制見(jiàn)圖3。

圖3 CRH380BL和CRH380BK在不同列控模式下的閉塞分區(qū)長(zhǎng)度限制

由圖3可見(jiàn),隨著坡度的增加,CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)閉塞分區(qū)上限值和CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)閉塞分區(qū)下限值均越來(lái)越高,上、下限之間的范圍可同時(shí)滿(mǎn)足原則1～原則3;但隨著坡度的增大,上、下限構(gòu)成的可行域越來(lái)越小,甚至由于制動(dòng)能力相對(duì)較差的CRH380BK對(duì)閉塞分區(qū)上、下限的要求均更為嚴(yán)苛,在超過(guò)-25‰的坡度時(shí)已經(jīng)無(wú)法兼顧C(jī)TCS-2、CTCS-3級(jí)模式下正常運(yùn)行的需要。因此,在后續(xù)算法中,只需檢算制動(dòng)力最差車(chē)型即可;CTCS-2、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)需要的上、下限存在可行解時(shí),應(yīng)取CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的下限值,以盡量實(shí)現(xiàn)更小的追蹤間隔時(shí)間;當(dāng)不存在可行解時(shí),應(yīng)取CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的上限值,這樣即滿(mǎn)足CTCS-3模式下正常運(yùn)行的需求,又將閉塞分區(qū)設(shè)置的盡可能長(zhǎng),以使得CTCS-2級(jí)模式下限速值較高。

3.2 不同閉塞分區(qū)長(zhǎng)度下的追蹤間隔時(shí)間

根據(jù)上文計(jì)算出的可確保列車(chē)不同模式下運(yùn)行速度的閉塞分區(qū)合理取值區(qū)間,分別計(jì)算其追蹤間隔時(shí)間[9],以分析坡度對(duì)追蹤間隔時(shí)間的影響。最不利車(chē)型CRH380BK不同閉塞分區(qū)的追蹤間隔時(shí)間I追計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 CRH380BK車(chē)型不同閉塞分區(qū)的追蹤間隔時(shí)間

由表4可見(jiàn),CRH380BK在CTCS-3級(jí)模式下,坡度在-20‰以?xún)?nèi)時(shí),追蹤間隔基本可實(shí)現(xiàn)5 min;在CTCS-2級(jí)模式下,坡度在-25‰以?xún)?nèi)時(shí),追蹤間隔可實(shí)現(xiàn)5.5 min。

由于CRH380BK在-30‰的坡道運(yùn)行時(shí)已不存在可行解,因此閉塞分區(qū)設(shè)置時(shí)應(yīng)當(dāng)以滿(mǎn)足CTCS-3級(jí)列車(chē)正常運(yùn)行為前提,盡量兼顧C(jī)TCS-2級(jí)列車(chē)運(yùn)行需求,即閉塞分區(qū)長(zhǎng)度選擇4 000 m。此時(shí)CRH380BK可在CTCS-3級(jí)模式下正常運(yùn)行,追蹤間隔為637 s,已超過(guò)10 min;在CTCS-2級(jí)模式下,列車(chē)需限速270 km/h運(yùn)行,追蹤間隔為409 s,接近7 min。

可見(jiàn),坡度對(duì)列車(chē)追蹤間隔時(shí)間影響極大,尤其是超過(guò)-20‰后追蹤間隔時(shí)間急劇上升,部分場(chǎng)景下甚至超過(guò)10 min,必然成為全線(xiàn)能力瓶頸。相比之下閉塞分區(qū)長(zhǎng)度對(duì)追蹤間隔時(shí)間的影響較小。

4 長(zhǎng)大下坡道閉塞分區(qū)優(yōu)化設(shè)置算法

在實(shí)際線(xiàn)路中,坡度隨里程而變化,且各閉塞分區(qū)長(zhǎng)度之和還需滿(mǎn)足區(qū)間長(zhǎng)度等限制,導(dǎo)致閉塞分區(qū)的潛在方案極多,需借助啟發(fā)式算法進(jìn)行求解。此外,根據(jù)前文提出的閉塞分區(qū)設(shè)置原則以及典型坡度下檢算掌握的規(guī)律,可對(duì)閉塞分區(qū)設(shè)置的算法進(jìn)行優(yōu)化,提高檢算效率。

4.1 模擬退火算法設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的閉塞分區(qū)設(shè)置方法是對(duì)各閉塞分區(qū)逐個(gè)檢算其能否滿(mǎn)足列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)制動(dòng)距離的需求。但軌道電路信息許可結(jié)合RBC行車(chē)許可后,對(duì)每個(gè)閉塞分區(qū)還需檢算其能否滿(mǎn)足CTCS-3級(jí)模式下接收到不同軌道電路發(fā)碼時(shí)列車(chē)正常運(yùn)行的需求,每次檢算都涉及不同軌道電路碼序的場(chǎng)景,檢算結(jié)果還需測(cè)算CTCS-2級(jí)模式下的限速值,可見(jiàn)問(wèn)題規(guī)模已遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)閉塞分區(qū)設(shè)置優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模。因此,有必要設(shè)計(jì)一種可提高檢算優(yōu)化效率、嵌套檢算環(huán)節(jié)計(jì)算的優(yōu)化算法。

模擬退火算法是一種可隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)全局最優(yōu)解的串行結(jié)構(gòu)啟發(fā)式算法,且在搜索中結(jié)合概率突跳特性,可避免陷入局部最優(yōu)解。嵌套列車(chē)在該閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案下的檢算模塊,應(yīng)涉及列車(chē)在接收L3～LU碼時(shí),對(duì)CTCS-3級(jí)列控模式下行車(chē)許可不回縮、運(yùn)行速度不突降約束的檢算,以及對(duì)CTCS-2級(jí)模式下限速值的測(cè)算。為進(jìn)一步壓縮求解空間,提高求解效率,提出以下優(yōu)化策略:

1)考慮到實(shí)際閉塞分區(qū)長(zhǎng)度及軌道電路長(zhǎng)度的限制,合理設(shè)置閉塞分區(qū)上下限。

2)根據(jù)前文分析,最不利車(chē)型對(duì)CTCS-2、CTCS-3級(jí)模式下的上下限要求更為嚴(yán)苛,因此只需考慮最不利車(chē)型即可。

3)無(wú)論是否存在可行解,合理的閉塞分區(qū)長(zhǎng)度取值均為CTCS-2、CTCS-3級(jí)模式對(duì)應(yīng)上下限的最小值,因此本算法從閉塞分區(qū)長(zhǎng)度最短、個(gè)數(shù)最多的場(chǎng)景開(kāi)始優(yōu)化,這樣優(yōu)化出的結(jié)果為最優(yōu)解的概率較大。

5)CTCS-3級(jí)模式下RBC行車(chē)許可長(zhǎng)度大于軌道電路信息許可長(zhǎng)度,且持續(xù)5 s后,才會(huì)將RBC行車(chē)許可向軌道電路信息許可回縮。其本質(zhì)是5 s的冗余時(shí)間,以等待前一列車(chē)出清前方閉塞分區(qū),使后方列車(chē)的RBC行車(chē)許可和軌道電路信息許可再次更新,降低行車(chē)許可回縮的頻率。但若5 s內(nèi)2個(gè)許可都發(fā)生了更新,則相當(dāng)于新碼序的場(chǎng)景。由于本文的檢算方法已經(jīng)對(duì)任一閉塞分區(qū)全部可能出現(xiàn)的軌道信息碼均進(jìn)行檢算,且各碼序下均不允許出現(xiàn)行車(chē)許可回縮或突然降速的情況,因此該5 s冗余可不予考慮。

4.2 算法流程

在長(zhǎng)大下坡地段閉塞分區(qū)優(yōu)化問(wèn)題中,選取信號(hào)機(jī)的坐標(biāo)位置為決策變量,兩信號(hào)機(jī)間的距離為閉塞分區(qū)長(zhǎng)度。

1)輸入、輸出參數(shù)

輸入?yún)?shù):線(xiàn)路條件,閉塞分區(qū)的最大、最小長(zhǎng)度范圍,列車(chē)長(zhǎng)度,在不同速度坡度下的車(chē)載監(jiān)控制動(dòng)距離表,不同控車(chē)模式下最大運(yùn)行速度,區(qū)間安全防護(hù)距離,區(qū)間運(yùn)行附加時(shí)間,以及模擬退火算法中涉及到的相關(guān)參數(shù)等。

輸出參數(shù):經(jīng)全局優(yōu)化后的閉塞分區(qū)劃分方案及該方案在CTCS-2級(jí)控車(chē)模式下的限速值。

2)算法步驟

Step1輸入相關(guān)數(shù)據(jù)。

Step4設(shè)置模擬退火算法的控制參數(shù),包括初始溫度T0、終止溫度TZ、降溫系數(shù)α、內(nèi)循環(huán)迭代次數(shù)L,并令當(dāng)前溫度為T(mén)=T0、當(dāng)前內(nèi)循環(huán)次數(shù)l=0。

Step5對(duì)本次生成的閉塞分區(qū)解方案進(jìn)行檢算。列車(chē)位置S自區(qū)間起點(diǎn)開(kāi)始,至最后一架信號(hào)機(jī)結(jié)束,以變坡點(diǎn)和信號(hào)機(jī)為檢算點(diǎn),逐個(gè)檢算。

Step5.4檢驗(yàn)當(dāng)前閉塞分區(qū)設(shè)置方案是否滿(mǎn)足CTCS-2級(jí)控車(chē)模式下的正常運(yùn)行要求,若滿(mǎn)足則轉(zhuǎn)Step5.5;若不滿(mǎn)足,則重新根據(jù)CTCS-2級(jí)列控模式下的相關(guān)制動(dòng)數(shù)據(jù)推算該位置限速值。

Step5.5更新列車(chē)位置至下一臨近信號(hào)機(jī)位置,并轉(zhuǎn)入Step5.1;若下一位置為檢算結(jié)束點(diǎn),則轉(zhuǎn)Step 5.6。

Step5.6將計(jì)算得到的全部CTCS-2級(jí)控車(chē)模式下限速值的最小值記為當(dāng)前閉塞分區(qū)設(shè)置方案下限速值,然后轉(zhuǎn)入Step6。

Step6利用Metropolis準(zhǔn)則判斷是否接收新解。比較仿真中計(jì)算出的CTCS-2級(jí)列控限速值,并選取其中最低值作為該閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案下的限速值obj(Ic)。計(jì)算Δobj=obj(Ih)-obj(Ic)得到目標(biāo)增量,其中Ih為歷史最優(yōu)的閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案,Ic為當(dāng)前閉塞分區(qū)的設(shè)置方案。若目標(biāo)增量Δobj小于0,則接收當(dāng)前解obj(Ih)=obj(Ic),否則在(0,1)中產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)ε,并判斷是否滿(mǎn)足exp(Δobj/T)>ε條件,若滿(mǎn)足則接受當(dāng)前閉塞分區(qū)劃分方案。

Step7內(nèi)循環(huán)檢查更新。若l

Step8隨機(jī)擾動(dòng)產(chǎn)生新解。即從m個(gè)閉塞分區(qū)中隨機(jī)選出p(1≤p≤m)個(gè)進(jìn)行隨機(jī)擾動(dòng)?？紤]到線(xiàn)路長(zhǎng)度固定,故在變化過(guò)程中要保證總增大值與總減小值之和為0,且變化幅度隨溫度降低而變小。對(duì)新解進(jìn)行邊界處理和可行性判別調(diào)整后,轉(zhuǎn)入Step5。

Step9外循環(huán)(溫度)檢查更新。若T>TZ,則設(shè)置T=α×TZ后轉(zhuǎn)入Step8;否則轉(zhuǎn)Step10。

5 長(zhǎng)大下坡道閉塞分區(qū)設(shè)置實(shí)例計(jì)算

5.1 鄭萬(wàn)高鐵長(zhǎng)大下坡地段基本情況

鄭萬(wàn)高鐵湖北段線(xiàn)路總長(zhǎng)287 km,設(shè)計(jì)行車(chē)速度為350 km/h,是我國(guó)“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)重要組成部分。巴東北站至興山站間上行方向存在14.3 km、坡度為-30‰的長(zhǎng)大下坡道,其線(xiàn)路條件及初始信號(hào)機(jī)布置見(jiàn)圖4。圖4中,考慮到CRH380BK以CTCS-2級(jí)模式運(yùn)行的需要,連續(xù)幾個(gè)閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度區(qū)間均設(shè)計(jì)為3.9～5.75 km。

圖4 鄭萬(wàn)高鐵長(zhǎng)大下坡地段示意(巴東北站至興山站間)

列控廠家對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行詳細(xì)仿真時(shí)發(fā)現(xiàn),若興山北站上行方向有列車(chē)剛出清一離去,后續(xù)列車(chē)在進(jìn)入該坡道前的K599+744信號(hào)機(jī)所防護(hù)的閉塞分區(qū)時(shí)將接收到L3碼,如圖4所示,此時(shí)列車(chē)前方平均坡度為-19.02‰,對(duì)應(yīng)軌道電路信息許可長(zhǎng)度為19 200 m,但實(shí)際RBC行車(chē)許可長(zhǎng)度為25 025 m,導(dǎo)致后車(chē)行車(chē)許可突然回縮,列車(chē)進(jìn)入緊急制動(dòng)。因此該閉塞分區(qū)設(shè)計(jì)方案需重新調(diào)整。

針對(duì)上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)院重新調(diào)整了該區(qū)間的閉塞分區(qū),優(yōu)化后的閉塞分區(qū)設(shè)置方案見(jiàn)圖5。該方案可以保證列車(chē)在CTCS-3級(jí)模式下以速度350 km/h正常運(yùn)行,避免了允許速度突降的情況。

圖5 設(shè)計(jì)院調(diào)整優(yōu)化后的閉塞分區(qū)設(shè)置方案

5.2 本文優(yōu)化結(jié)果

在不改變?cè)O(shè)計(jì)中興山站進(jìn)出站信號(hào)機(jī)位置的前提下,采用本文算法進(jìn)行計(jì)算,優(yōu)化后的信號(hào)機(jī)設(shè)置方案見(jiàn)圖6。

圖6 本文優(yōu)化后的閉塞分區(qū)設(shè)置方案

由圖6可知,與優(yōu)化前閉塞分區(qū)方案相比,本文方案中閉塞分區(qū)長(zhǎng)度值普遍降低,列車(chē)在CTCS-3級(jí)模式下可以350 km/h的速度正常運(yùn)行,避免了行車(chē)許可回縮導(dǎo)致緊急制動(dòng)的問(wèn)題;在不考慮其他約束的前提下,與設(shè)計(jì)院給出的優(yōu)化方案相比,本方案在保證CTCS-3級(jí)允許速度不降的同時(shí),提高了CTCS-2級(jí)模式下的運(yùn)行速度,并將追蹤間隔時(shí)間壓縮到320 s。閉塞分區(qū)優(yōu)化前后方案參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 閉塞分區(qū)優(yōu)化前后方案參數(shù)對(duì)比

6 結(jié)論

本文研究了閉塞分區(qū)長(zhǎng)度對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)和后備CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的影響,對(duì)行車(chē)許可回縮、速度突降等產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,檢算不同車(chē)型在典型坡度下的閉塞分區(qū)取值范圍,得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)坡度超過(guò)-30‰后將無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足CTCS-2、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)按正常速度運(yùn)行的要求,且CTCS-3級(jí)模式下的追蹤間隔時(shí)間將超過(guò)10 min。

2)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閉塞分區(qū)的設(shè)置給出建議值:在-20‰的坡道上,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度建議取2 700 m;在-25‰的坡道上,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度建議取3 600 m;在-30‰的坡道上,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度建議取2 600 m。

3)考慮到實(shí)際線(xiàn)路上坡度不斷變化導(dǎo)致的復(fù)雜性,本研究還結(jié)合閉塞分區(qū)設(shè)置原則,設(shè)計(jì)了模擬退火算法,應(yīng)用該算法對(duì)鄭萬(wàn)高鐵進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。

需要注意的是,本文在對(duì)閉塞分區(qū)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化時(shí),僅從運(yùn)輸組織的角度進(jìn)行考慮,除此之外還有諸多因素如信號(hào)機(jī)應(yīng)與接觸網(wǎng)立柱相對(duì)應(yīng)、與電分相保持一定距離、列車(chē)在長(zhǎng)大坡道可順利起停等情況,應(yīng)在實(shí)際設(shè)計(jì)中協(xié)同考慮。