曾 瓊,高 杰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

1.1 列車斷電過(guò)分相

牽引供電系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置接觸網(wǎng)電分相裝置,隔離來(lái)自電網(wǎng)的或不同相序的電源。為了防止相間短路事故和保障列車設(shè)備安全,一般采用列車斷電過(guò)分相的運(yùn)行方式,即通過(guò)控制列車主斷路器的分合閘操作,實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向上的第一個(gè)受電弓進(jìn)入分相斷電區(qū)前的可靠斷電,在工作取流受電弓行駛出分相斷電區(qū)后及時(shí)合閘,完成列車斷電過(guò)分相。由于電分相的存在,動(dòng)車組需要斷電過(guò)分相,而電分相設(shè)置的位置,分閘區(qū)長(zhǎng)度和分閘區(qū)坡度都會(huì)對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)行時(shí)分、速度產(chǎn)生影響,目前在公開發(fā)表的學(xué)術(shù)期刊中未見有此類問(wèn)題的研究,但電分相的影響又確實(shí)存在。其存在不僅對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響,而且在一定條件下甚至?xí)P(guān)系到高速鐵路的行車安全,因此研究客運(yùn)專線斷電過(guò)分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響是非常必要的。

目前存在2種斷電過(guò)分相模式,一種是自動(dòng)控制的列車斷電過(guò)分相,另一種是手動(dòng)控制的列車斷電過(guò)分相,手動(dòng)控制的列車斷電過(guò)分相方式只在自動(dòng)控制的列車斷電過(guò)分相系統(tǒng)故障或未投入使用時(shí)采用,重點(diǎn)研究自動(dòng)控制的列車斷電過(guò)分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響。

1.2 元胞自動(dòng)機(jī)

元胞自動(dòng)機(jī)模型作為模擬非線性復(fù)雜系統(tǒng)的一種有效工具,近年來(lái)在交通流的研究中得到了廣泛應(yīng)用,模型的時(shí)間、空間、狀態(tài)均離散,規(guī)則簡(jiǎn)單,非常適合計(jì)算機(jī)模擬。元胞自動(dòng)機(jī)模型在保留交通流這一復(fù)雜系統(tǒng)的非線性行為和其他物理特征的同時(shí),更易于計(jì)算機(jī)操作,可以通過(guò)靈活的修改其規(guī)則以考慮各種實(shí)際交通狀況[1]。

2005年,李克平、高自友等人[2-3]首次將NaSch模型[4]思想運(yùn)用于軌道交通系統(tǒng)的列車追蹤模型和軌道交通流特性分析中,提出了一種適用于軌道交通系統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型,對(duì)車站附近的列車流進(jìn)行了模擬,分析了列車流的追蹤運(yùn)行特性。同年,寧濱[5]用NaSch模型對(duì)軌道交通列車追蹤運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,包括基于三顯示固定自動(dòng)閉塞控制系統(tǒng)下列車追蹤的元胞自動(dòng)機(jī)模型、基于移動(dòng)自動(dòng)閉塞控制系統(tǒng)下列車追蹤的元胞自動(dòng)機(jī)模型和考慮了前車速度效應(yīng)的移動(dòng)自動(dòng)閉塞控制系統(tǒng)下的元胞自動(dòng)機(jī)模型,并分析了軌道交通流的特性,豐富了列車追蹤運(yùn)行與交通流特性分析相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究工作。

2006年,周華亮、高自友等[6]提出了一種用于模擬準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下的元胞自動(dòng)機(jī)模型,分析了軌道單元長(zhǎng)度、發(fā)車時(shí)間間隔和初始延遲時(shí)間等因素對(duì)列車延遲傳播的影響。2007年,李峰、高自友等[7]提出了一種用于模擬固定閉塞系統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型,并應(yīng)用此模型模擬了四顯示固定閉塞系統(tǒng)下的列車延遲傳播的交通現(xiàn)象。

元胞自動(dòng)機(jī)作為研究交通流的重要工具,在軌道交通研究中已經(jīng)取得許多重要的研究成果,同時(shí)也具有其他研究方法所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),因此將在以上研究基礎(chǔ)上,建立適合客運(yùn)專線四顯示自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型,從電分相設(shè)置的位置,入分相的初始速度,分相長(zhǎng)度和分相所在線路坡度來(lái)研究斷電過(guò)分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響。

根據(jù)《鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(試行)》(TG/04—2009)第174條以及《關(guān)于規(guī)范客運(yùn)專線接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)點(diǎn)分相設(shè)置的通知》(鐵集成函[2007]474號(hào))要求,在動(dòng)車組工作雙弓間距200～215 m的前提條件下,客運(yùn)專線宜采用無(wú)電區(qū)約為220 m、中性區(qū)段約為520 m的電分相；因此本文最小分相長(zhǎng)度取為520 m。

2 四顯示固定自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型

下面建立四顯示固定自動(dòng)閉塞系統(tǒng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型。模型是建立在NaSch模型[1]和文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上的。在此將軌道劃分為L(zhǎng)個(gè)元胞,每個(gè)元胞大小相同,記為i=1,2,…,L，每個(gè)元胞或者為空,或者被列車占據(jù)。列車速度取0～vmax之間的整數(shù),這里vmax為列車行駛的最大允許速度。

軌道線路中列車更新規(guī)則如下:

步驟1 加速

(1)防護(hù)信號(hào)機(jī)為綠色

vn=min(vn+a,vmax)

(2)防護(hù)信號(hào)機(jī)為黃綠色

否則，vn=vn

(3)防護(hù)信號(hào)機(jī)為黃色

否則,vn=vn

(4)防護(hù)信號(hào)機(jī)為紅色

否則,vn=vn

步驟2 減速

vn=min(vn,gap)

步驟3 位移

xn=xn+vn

步驟4 更新信號(hào)燈的顏色

當(dāng)B(k)=1

則color (k)=‘紅’

當(dāng)B (k+1)=1

則color (k)=‘黃’

當(dāng)B (k+2)=1

則color (k)=‘綠黃’

否則color (k)=‘綠’

式中 Δxn——列車與前方防護(hù)信號(hào)機(jī)之間的距離；

xn——列車車頭所在的位置；

vn——列車的速度；

a——列車的加速度；

b——列車的減速度；

vyg——黃綠信號(hào)時(shí)列車的規(guī)定速度；

vy——黃色信號(hào)時(shí)列車的規(guī)定速度；

vmax——列車的最大限制速度；

gap——列車與前方目標(biāo)點(diǎn)之間的距離；

B(k)——表示閉塞分區(qū)k的狀態(tài),1表示有車,0表示無(wú)車；

color(k)——表示k的信號(hào)燈顏色。

模型采用開放邊界條件,定義如下：(1)初始時(shí)刻整個(gè)軌道全空,線路上無(wú)列車。系統(tǒng)每更新Ik次后,若系統(tǒng)第一個(gè)信號(hào)燈顏色為綠色,則在i=1處產(chǎn)生1列速度為vn的列車,該列車立即按系統(tǒng)更新規(guī)則進(jìn)行更新。 這里Ik為列車的發(fā)車時(shí)間間隔。(2)若列車的位移大于L,即在i=L處,列車移出系統(tǒng)。為了使模擬結(jié)果與真實(shí)情況相符,在此規(guī)定每個(gè)元胞長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)1 m,系統(tǒng)更新時(shí)步為1 s。也就是說(shuō)如果vmax=69元胞/更新步對(duì)應(yīng)的實(shí)際最大限速vmax=248.4 km/h。

使用上述模型對(duì)四顯示固定閉塞系統(tǒng)的動(dòng)車組運(yùn)行進(jìn)行模擬,分析不同入分相速度,分相長(zhǎng)度和分相坡度情況下,電分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響。在此,假定軌道線路的長(zhǎng)度L=180 000,閉塞分區(qū)長(zhǎng)度BL=2 000,共9個(gè)閉塞分區(qū),a=1,b=1,根據(jù)實(shí)際動(dòng)車組長(zhǎng)度一般不超過(guò)215 m,在此規(guī)定列車長(zhǎng)度LT=215元胞。

3 斷電過(guò)分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響分析

圖1是分相在不同位置時(shí)的仿真結(jié)果示意,表1列出了不同分相位置對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)分影響,通過(guò)分析仿真結(jié)果,可以看到,電分相在前端位置時(shí),由于動(dòng)車組處于加速階段,進(jìn)入分閘區(qū)的速度較低,受分相的影響最大；分相在中部時(shí),由于入分相速度較高,受到分相的影響也較小,而分相在后端時(shí),動(dòng)車減速進(jìn)站,處于減速階段,因此受到分相影響最小。圖5(e),圖5(f)是不同分相數(shù)量的仿真結(jié)果,由表1的數(shù)據(jù)可以看出,分相越多對(duì)列車的運(yùn)行影響也就越大,但是由于圖1(f)中最后一個(gè)分相在后端,對(duì)運(yùn)行時(shí)分基本沒(méi)有影響,從而造成了圖1(e)和圖1(f)的增加時(shí)分相同,綜合以上分析,分相如果設(shè)置在動(dòng)車加速階段且動(dòng)車入分相速度較低時(shí),分相對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)行時(shí)分影響最大,而分相如果設(shè)置在動(dòng)車減速階段且動(dòng)車入分相速度較低時(shí),分相對(duì)動(dòng)車組的影響最小,因此在設(shè)置分相時(shí)應(yīng)盡量將分相設(shè)置在動(dòng)車減速階段且動(dòng)車入分相速度較低的位置,同時(shí)分相設(shè)置的數(shù)量應(yīng)越少越好。

注：虛線表示時(shí)分-位移曲線,實(shí)線表示速度-位移曲線

表1 不同分相位置對(duì)運(yùn)行時(shí)分影響

表2 分相位于0‰坡道仿真結(jié)果

表3 分相位于10‰坡道仿真結(jié)果

表4 分相位于20‰坡道仿真結(jié)果

表5 分相位于20‰坡道仿真結(jié)果

表2～表4反映的是分相在不同坡道,不同分相長(zhǎng)度時(shí),對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行速度的影響。分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),隨著坡度和分相長(zhǎng)度的增大,動(dòng)車組的速度損失也將隨之增大。表5則是在最不利條件下,也就是坡道最大,分相長(zhǎng)度最長(zhǎng)的情況下,不同入相速度的仿真結(jié)果。由結(jié)果可以分析得出入相速度越低,速度損失也越大。因此在設(shè)置分相時(shí),為了減少速度損失,確保列車能順利通過(guò)分相而不在分相內(nèi)停車影響行車安全,應(yīng)盡量將分相設(shè)置在坡度較小,入相速度大的位置。在設(shè)計(jì)分相時(shí),也應(yīng)盡量考慮采用較短長(zhǎng)度的分相。

4 結(jié)論

根據(jù)高速鐵路的特點(diǎn),提出了一種新的元胞自動(dòng)機(jī)模型,并用來(lái)分析四顯示固定閉塞條件下斷電過(guò)分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響。在該模型的基礎(chǔ)上,分析了不同分相位置對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)分影響,通過(guò)分析得出,分相如果設(shè)置在動(dòng)車加速階段且動(dòng)車入分相速度較低時(shí),分相對(duì)動(dòng)車組的運(yùn)行時(shí)分影響最大,而分相如果設(shè)置在動(dòng)車減速階段且動(dòng)車入分相速度較低時(shí),分相對(duì)動(dòng)車組的影響最小,因此在設(shè)置分相時(shí)應(yīng)盡量將分相設(shè)置在動(dòng)車減速階段且動(dòng)車入分相速度較低的位置,同時(shí)分相設(shè)置的數(shù)量越少越好。同時(shí)通過(guò)仿真,分析了分相在不同坡道,不同分相長(zhǎng)度時(shí),對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行速度的影響,得出在設(shè)置分相時(shí),為了減少速度損失,確保列車能順利通過(guò)分相而不在分相內(nèi)停車影響行車安全,應(yīng)盡量將分相設(shè)置在坡度較小,入相速度大的位置。在設(shè)計(jì)分相時(shí),也應(yīng)盡量采用較短長(zhǎng)度的分相。

本文側(cè)重于從250 km/h動(dòng)車組運(yùn)行方面進(jìn)行研究,分析了斷電過(guò)分相對(duì)動(dòng)車組運(yùn)行的影響,然而分相位置的設(shè)計(jì),需要考慮的因素較多,其設(shè)置位置和方式需要兼顧供電系統(tǒng)能力、動(dòng)車組的運(yùn)用方式、信號(hào)布點(diǎn)、線路縱坡、道岔布置、橋隧分布、接觸網(wǎng)搶修等實(shí)際情況,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、檢算和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試；此外,在實(shí)踐中電分相一般是上下行方向并置,在設(shè)置電分相時(shí)需結(jié)合上下行考慮。因此本文所得出的研究成果目前還有一定的局限性,需在今后的工作中做進(jìn)一步研究。

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