賀廣宇，王 菲，馬云鵬，劉 敏，郜新軍

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

0 引言

目前中國部分高速鐵路繁忙干線的運輸能力已達(dá)到局部飽和，如京滬高速鐵路(北京南—上海虹橋)徐州—蚌埠段等，因而有必要研究并進(jìn)一步提升線路通過能力，緩解運力緊張現(xiàn)狀、適應(yīng)市場發(fā)展需要。列車控制系統(tǒng)作為保障高速鐵路安全高效運行的重要基礎(chǔ)，其關(guān)鍵部件列控車載設(shè)備的核心技術(shù)是列車自動防護(hù)系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)制動曲線計算模型，具體來說，即先由車載主控單元根據(jù)高速列車制動性能、線路條件和移動授權(quán)等因素計算生成制動曲線，再由車載設(shè)備根據(jù)制動曲線實時監(jiān)控列車運行速度，一旦列車超速ATP將向車輛輸出制動命令，保障列車安全運行[1]。

高速列車列控車載設(shè)備普遍采用目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式。國內(nèi)主要采用連續(xù)式一次制動的速度控制方式[2]，但不同型號設(shè)備在制動參數(shù)配置和制動曲線計算方法上存在差異[3]，如CTCS3-300T，CTCS3-400T和CTCS2-200C等型號通過實時計算法生成ATP制動曲線，CTCS3-300H和CTCS2-200H等型號通過查表法生成ATP制動曲線，CTCS3-300S，CTCS3-400H和 CTCS3-400C的 C3模塊和后備C2模塊分別通過實時計算法和查表法生成ATP制動曲線等。國外主流的列控系統(tǒng)如法國TVM300/TVM430、日本數(shù)字ATC和歐洲ETCS等，根據(jù)通行的ERTMS和IEEE 1474.1TM標(biāo)準(zhǔn)，采用連續(xù)一次制動的速度控制方式，各系統(tǒng)制動模型間也存在差異[4-6]。以往對ATP車載設(shè)備的制動曲線優(yōu)化研究，往往會從制動模型優(yōu)化、坡度分檔和制動參數(shù)調(diào)整等角度開展，核心目的是縮短制動距離、提高運行效率。

ATP制動曲線既事關(guān)列車運行安全，又影響高速鐵路通過能力，既有研究將ATP制動曲線和高速鐵路通過能力分別歸屬為信號和運輸專業(yè)，對ATP制動曲線的研究多從列車制動模型和制動曲線計算方法[7]的角度單獨開展，未考慮制動曲線對通過能力的影響；而對高速鐵路通過能力的研究又缺少列控車載設(shè)備制動曲線仿真支撐[8-10]，少見利用ATP制動曲線對通過能力提升效果進(jìn)行具體量化的研究。因此，亟需兼顧2種專業(yè)，以列控車載設(shè)備制動曲線基礎(chǔ)理論為出發(fā)點、以提高通過能力為落腳點，通過交叉研究挖掘制動曲線的優(yōu)化空間，更為充分地利用各種型號列控車載設(shè)備對應(yīng)列車的制動效率。綜上，考慮從跨專業(yè)技術(shù)融合的角度，利用列控車載設(shè)備制動曲線優(yōu)化的視角研究高速鐵路通過能力利用率。

1 列控車載設(shè)備制動曲線算法

列控車載設(shè)備制動曲線計算時，根據(jù)線路數(shù)據(jù)和列車廠家提供的車輛制動參數(shù)，采用實時計算法或查表法生成ATP制動曲線，以保證在任何情況下列車絕不越過移動授權(quán)終點。制動參數(shù)均來自列車廠家，并已配置在列控車載設(shè)備中，主要包括最大常用制動和緊急制動參數(shù)，每一類制動參數(shù)包含制動延時及制動減速度。使用車輛制動參數(shù)時須遵守以下原則。

（1）內(nèi)部延時原則。對于制動延時參數(shù)，計算ATP制動曲線時應(yīng)在采用制動延時參數(shù)的基礎(chǔ)上額外考慮車載系統(tǒng)內(nèi)部延時，例如CTCS3-300T，CTCS3-300S內(nèi)部延時取值為1.00 s，CTCS2-200C，CTCS2-200H內(nèi)部延時取值為0.62 s和0.50 s等。

（2）安全余量原則。對于制動減速度參數(shù)，ATP安全制動模型的減速度應(yīng)取車輛最不利條件下的減速度，且任一速度等級下減速度取值不應(yīng)超過車輛減速度的90%，預(yù)留10%的安全余量。

以我國自主研發(fā)的復(fù)興號CR300BF型動車組為例，廠家提供的CR300BF制動減速度與列車速度對應(yīng)關(guān)系(部分)如表1所示。

表1 CR300BF制動減速度與列車速度對應(yīng)關(guān)系(部分)Tab.1 Corresponding relationship between braking deceleration and speed of CR300BF trains (partial)

①基于實時計算法的ATP制動曲線計算。列控車載設(shè)備采用將制動減速度分為6段的方式建立安全制動模型，算法詳見文獻(xiàn)[1]，得到的CTCS2-200C型列控車載設(shè)備對CR300BF制動特性的分段擬合情況如圖1所示。擬合時取最不利條件下濕軌加運阻的數(shù)據(jù)，以保證由于超速防護(hù)ATP觸發(fā)緊急制動后列車在不越過移動授權(quán)終點的前提下安全停車。

除了現(xiàn)有研究已經(jīng)涉及的高唐神女、觀音、阿尼瑪、魚、力、死亡與再生、大地母親與智慧老人等原型，沈從文的小說中還存在許多值得探究的原型。比如，《媚金·豹子與那羊》《月下小景》等小說是沈從文根據(jù)湘西神話故事改編而來的，其中涉及“難題求婚”的文學(xué)母題。又如，沈從文筆下有許多雄健俊美的男子，《漁》中的孿生兄弟、《邊城》中的天保、儺送兄弟等，這類反復(fù)出現(xiàn)的男子形象，也可能蘊藏著某種原型。所有這些都有待學(xué)者們的深入探討。

由圖1可知，6段速度分段中，各速度段內(nèi)的減速度均取列車減速度90%的最小值；當(dāng)列車速度大于90 km/h時，濕軌緊急制動減速度小于干軌常用制動減速度。濕軌不利黏著狀態(tài)下的列車緊急制動參數(shù)是列控車載設(shè)備進(jìn)行控制的重要參數(shù)，如果該數(shù)值過于保守，列控車載設(shè)備必須提前進(jìn)行進(jìn)站減速，延長列車走行時間，浪費列車固有的制動性能。因此，濕軌緊急制動參數(shù)的取值直接制約列控車載設(shè)備的制動效率。

圖1 CTCS2-200C型列控車載設(shè)備對CR300BF制動特性的分段擬合情況Fig.1 Segmented fitting of CR300BF braking characteristics by CTCS2-200C onboard train control equipment

在保證安全的前提下，為了提高分段式安全制動模型的效率，列控車載設(shè)備制動曲線在速度-減速度分段選取時，按ATP制動距離(根據(jù)分段減速度計算)與車輛制動距離之差d最小的原則進(jìn)行優(yōu)化求解，使得ATP制動曲線與車輛制動曲線整體擬合最優(yōu)，即

式中：為ATP配置參數(shù)中速度檔位為i(i= 0，1，2，3，4，5)時的制動減速度，m/s2；和分別為對應(yīng)分段的制動初速度和制動末速度，m/s；aj為列車廠家提供的速度檔位為j(j= 0，1，…)時的車輛制動減速度，m/s2；vj+1和vj分別為列車廠家提供的車輛制動初速度和制動末速度，m/s。

②基于查表法的ATP制動曲線計算。此時列控車載設(shè)備通過查詢預(yù)先存儲的制動數(shù)據(jù)表格的方式，簡化制動曲線計算過程。制動數(shù)據(jù)表格根據(jù)不同線路坡度進(jìn)行劃分，線路坡度取值為以下7 檔：0，-5‰，-10‰，-20‰，-25‰，-30‰和-35‰(取上坡為正、下坡為負(fù)，后同)，對應(yīng)生成的CTCS3-300H型列控車載設(shè)備使用的CR400BF列車制動數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 CTCS3-300H型列控車載設(shè)備使用的CR400BF列車制動數(shù)據(jù)Tab.2 Braking data of CR400BF trains used by CTCS3-300H onboard train control equipment

列控車載設(shè)備緊急制動曲線計算公式為

式中：dEBD為緊急制動曲線中從初速度vj+1到末速度vj的制動距離，m；Aj為速度檔位為j時車輛制動初速度和制動末速度所對應(yīng)的緊急制動減速度，m/s2；ASj為在速度檔位為j時的緊急制動減速度(該值由列車廠家提供)基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)后的緊急制動減速度，m/s2；p為線路坡度值，‰；b為常量系數(shù)，通常取0.9。

2 ATP制動曲線優(yōu)化方案

（1）取消車尾保持。依據(jù)《列控系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定》(鐵總運[2016]222號)，通過取消UUS碼區(qū)段發(fā)車ATP車載設(shè)備由部分模式轉(zhuǎn)入完全模式時車尾保持功能的方式[11]，可提高側(cè)線停開列車的出站速度，進(jìn)而提高列車出站通過能力。優(yōu)化前，ATP以部分模式發(fā)車，允許速度為45 km/h；當(dāng)列車越過出站信號機(jī)并收到出站應(yīng)答器有源報文時，ATP轉(zhuǎn)入完全模式控車，列車執(zhí)行完成45 km/h的尾部保持，允許速度提高至80 km/h。優(yōu)化后，列車越過出站信號機(jī)時ATP由部分模式轉(zhuǎn)入完全模式，將直接取消45 km/h的尾部保持，允許速度從45 km/h提高至80 km/h，從而減少出站運行時間。按16輛編組列車計算，優(yōu)化后，列車的走行時間可壓縮15 s，實現(xiàn)了線路通過能力的提高。

（2）優(yōu)化站內(nèi)停車制動曲線。以列車在終到站實現(xiàn)站內(nèi)停車的場景為例，優(yōu)化前的CTCS2-200C型列控車載設(shè)備站內(nèi)停車曲線示意圖如圖2所示。優(yōu)化前，移動授權(quán)終點距離出站信號機(jī)35 m，當(dāng)列車進(jìn)站運行至信號機(jī)外方70 m位置時，計算得到的允許速度不滿足列車?yán)^續(xù)運行的要求，且部分車站停車標(biāo)位置在信號機(jī)外方70 m左右，ATP允許速度較低，影響司機(jī)對標(biāo)停車。

圖2 CTCS2-200C型列控車載設(shè)備站內(nèi)停車曲線示意圖Fig.2 Parking braking curve of CTCS2-200C onboard train control equipment in station

為盡可能地減少ATP變更對現(xiàn)場的影響，在不改變曲線算法前提下，將移動授權(quán)終點至出站信號機(jī)的距離從35 m調(diào)整為25 m，研究CTCS2-200C制動曲線優(yōu)化前后不同型號列車的允許速度提升空間。

取線路坡度為0‰，采用ATP制動曲線仿真軟件計算CTCS2-200C制動曲線優(yōu)化前后不同型號列車的允許速度對比如表3所示。由表3可知，當(dāng)站內(nèi)對標(biāo)停車距離縮短后，相同位置下的ATP允許速度得到提升，有利于提高司機(jī)對標(biāo)停車效率，如CRH5型動車組距離信號機(jī)70 m處的ATP允許速度由2.1 km/h提升至5.2 km/h。

表3 CTCS2-200C制動曲線優(yōu)化前后不同型號列車的允許速度對比Tab.3 Comparison of allowable speed of different trains before and after optimization of CTCS2-200C braking curves

以列車CRH5-036為例，CTCS2-200C制動曲線優(yōu)化前后在實際環(huán)境下的列車允許速度提升如表4所示。由表4可知，優(yōu)化后，列車站內(nèi)對標(biāo)停車的允許速度提升效果明顯，如哈大線哈爾濱西站(東場)的列車側(cè)線停車時，停車點至出站信號機(jī)距離為74 m，允許速度由9.5 km/h提升至13.3 km/h。

表4 CTCS2-200C制動曲線優(yōu)化前后在實際環(huán)境下的列車允許速度提升Tab.4 Comparison of allowable speed increase in actual environment before and after optimization of CTCS2-200C braking curves

（3）對比不同型號列控車載設(shè)備制動效率提升空間。取線路坡度為0‰，分別對比3種型號列控車載設(shè)備在車輛制動距離和設(shè)備自身制動距離上的差異，CTCS3-300T型列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離對比如表5所示，CTCS3-300S型列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離對比如表6所示，CTCS3-300H型列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離對比如表7所示。制動效率取值為車輛常用制動距離與列控車載設(shè)備常用制動距離的比值。

表5 CTCS3-300T型列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離對比Tab.5 Comparison of braking distance between CTCS3-300T onboard train control equipment and vehicle braking distance

表7 CTCS3-300H型列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離對比Tab.7 Comparison of braking distance between CTCS3-300H onboard train control equipment and vehicle braking distance

由表5可知，對于CTCS3-300T型列控車載設(shè)備，列車廠家要求ATP制動減速度不突破車輛減速度的90%，時速350 km不同列車型號下的CTCS3-300T型列控車載設(shè)備制動效率分別為80%(CRH380BK)和81% (CR400BF)，這表明目前該型列控車載設(shè)備已在保證安全的前提下充分地利用了車輛的制動性能，如果車輛制動參數(shù)不發(fā)生變化，列控車載設(shè)備制動曲線進(jìn)一步優(yōu)化的空間不大。

由表6可知，CTCS3-300S列控車載設(shè)備在C3和C2工作等級下的制動效率均為80%左右，在保證安全的前提下，如果車輛制動參數(shù)不變，ATP難以進(jìn)一步進(jìn)行制動距離優(yōu)化。

表6 CTCS3-300S型列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離對比Tab.6 Comparison of braking distance between CTCS3-300S onboard train control equipment and vehicle braking distance

由表7可知，CTCS3-300H列控車載設(shè)備的制動效率大于80%，ATP計算出的制動距離相比前2種列控車載設(shè)備型號更接近列車廠家提供的制動距離，在保證安全的前提下，如果車輛制動參數(shù)不變，ATP難以進(jìn)一步進(jìn)行制動距離優(yōu)化。

因此，列車制動參數(shù)不變的情況下這3種設(shè)備的ATP制動曲線優(yōu)化空間不大；如果在不改變制動模型的前提下進(jìn)一步優(yōu)化這3種設(shè)備的ATP制動曲線，那么需要結(jié)合列車廠家的制動參數(shù)優(yōu)化，在ATP中進(jìn)行制動參數(shù)調(diào)整。

3 咽喉區(qū)通過能力提升效果研究

以CTCS3-300H型列控車載設(shè)備為例，采用ATP制動曲線仿真軟件驗證ATP制動曲線優(yōu)化對高速鐵路通過能力的提升效果。

（1）咽喉區(qū)通過能力仿真所采用的ATP制動曲線對比分析。取線路坡度為0‰，限制速度為350 km/h，制動參數(shù)分別按制動距離較長的CR400BF型列車和制動距離較短的CR400AF型列車進(jìn)行取值，CTCS3-300H型列控車載設(shè)備對CR400BF型和CR400AF型列車的制動曲線如圖3所示。由圖3可知，從速度350 km/h制動到列車完全停車，配置CR400BF型列車制動參數(shù)時，CTCS3-300H型列控車載設(shè)備的常用制動距離為11 303 m；配置CR400AF型列車制動參數(shù)時，常用制動距離為10 732 m。因此，將CTCS3-300H型列控車載設(shè)備的制動參數(shù)由CR400BF型列車制動參數(shù)優(yōu)化為CR400AF型列車制動參數(shù)，可縮短從速度350 km/h制動到列車停車的制動距離為571 m，有利于提高線路通過能力，為進(jìn)一步仿真計算將制動參數(shù)由CR400BF型列車制動參數(shù)優(yōu)化為CR400AF型列車制動參數(shù)的咽喉區(qū)通過能力提升指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。

（2）京滬高速鐵路上海虹橋站咽喉區(qū)通過能力變化研究。ATP制動曲線優(yōu)化對車站接車和通過進(jìn)路占用時間有直接影響。為了考察制動曲線優(yōu)化對高速鐵路通過能力瓶頸樞紐站咽喉區(qū)[12-13]的通過能力提升效果，選擇京滬高速鐵路上海虹橋站的咽喉區(qū)作為研究對象，在京滬高速鐵路最高時速為350 km的條件下，將制動距離較長的CR400BF制動參數(shù)優(yōu)化為制動距離較短的CR400AF制動參數(shù)，研究ATP制動曲線優(yōu)化后的咽喉區(qū)通過能力提升情況。

仿真得到的ATP制動曲線優(yōu)化前后的上海虹橋站接車進(jìn)路道岔組最小占用時間如表8所示。在表8中，道岔組1—6為根據(jù)文獻(xiàn)[12]對上海虹橋站下行咽喉區(qū)道岔的分組；方案1為優(yōu)化前仿真結(jié)果，采用CR400BF制動參數(shù)；方案2為優(yōu)化后仿真結(jié)果，采用CR400AF制動參數(shù)。

采用利用率法計算咽喉區(qū)通過能力，按道岔分組計算每個道岔組的通過能力利用率，利用率最大的道岔組即為咽喉道岔組，反映咽喉區(qū)通過能力利用情況。咽喉道岔組的通過能力利用率K的計算公式為

式中：T占用為道岔組占用時間，min，高速鐵路采用分段解鎖方式，不同道岔組所在軌道電路的解鎖時間存在差異；T固定為固定作業(yè)時間，min，按動車組運營時段(通常為6 : 00—24 : 00)取值360；r空費為空費系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]取值0.2。

根據(jù)表8，計算ATP制動曲線優(yōu)化前后的上海虹橋站接車進(jìn)路道岔組通過能力利用率如表9所示。

表8 ATP制動曲線優(yōu)化前后的上海虹橋站接車進(jìn)路道岔組最小占用時間Tab.8 Minimum occupancy time of receiving route turnout at Shanghai Hongqiao Railway Station before and after optimization of ATP braking curves

表9 ATP制動曲線優(yōu)化前后的上海虹橋站接車進(jìn)路道岔組通過能力利用率Tab.9 Carrying capacity utilization of receiving route turnout at Shanghai Hongqiao Railway Station before and after optimization of ATP braking curves

ATP制動曲線優(yōu)化后，上海虹橋站咽喉區(qū)各道岔組的通過能力均有提升，利用率最大的道岔組為道岔組1，通過能力利用率從66.06%提升至63.49%，在當(dāng)前列車開行方案下，優(yōu)化后咽喉道岔組節(jié)省的占用時間可額外增開列車5列，咽喉區(qū)通過能力提升效果為4.05%。

4 結(jié)束語

從跨專業(yè)技術(shù)融合的角度，利用列控車載設(shè)備制動曲線優(yōu)化的視角研究咽喉區(qū)通過能力利用率，從取消車尾保持、優(yōu)化站內(nèi)停車制動曲線和對比不同型號列控車載設(shè)備制動效率提升空間3個方面提出列控車載設(shè)備制動曲線優(yōu)化方案，在分析列控車載設(shè)備制動距離與車輛制動距離的差異性基礎(chǔ)上，以京滬高速鐵路上海虹橋站的咽喉區(qū)作為研究對象，分析在京滬高速鐵路列車最高速度為350 km/h條件下，仿真計算ATP制動曲線優(yōu)化前后的咽喉區(qū)通過能力變化情況。結(jié)果表明：采用CR400AF制動參數(shù)的CTCS3-300H型列控車載設(shè)備性能更優(yōu)，相對于采用CR400BF制動參數(shù)的CTCS3-300H型列控車載設(shè)備，前者可提升上海虹橋站咽喉區(qū)通過能力4.05%。