（交通运输规划与管理专业论文）基于模式曲线列控方式的列车追踪行车模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，为了配合列车的提速以及客运专线的开行，我国引入了一些新 的列控技术，但对应用方式的设计，依然局限于原有思路，仅仅是把旧有模 式与新技术简单叠加，一般是单纯地压缩闭塞分区长度来提高密度。结合我 国实际情况，一些专家、学者在理论上开始作了进一步的探讨，如有的对提 速与闭塞制式信号显示进行了分析，有的对提速列车自动闭塞的信号设计进 行了研究，有的更是对提速线路列车运行组织的合理匹配问题进行了剖析。 因此，客观上已表明了国内在新形势下对列车控制以及速度与密度组合匹配 控制理论的需求。借国内列车不断提速以及高速客运专线开行的东风，国内 专家在借鉴国外先进列控方式的基础上，已开始着手一次制动模式曲线列控 方式以及速度分级模式曲线列控方式的设计与开发，力图找到一种适合我国 铁路实际情况的速度控制模式，从而达到最终实现速度与密度的最优匹配， 做到运输能力与服务质量的双重优化。 本论文通过对模式( 一次制动模式与速度分级模式) 曲线列控方式的剖 析，提出了基于模式曲线控制方式条件下，行车控制制式设计的一系列模型 及其相关算法。作为论文的主要成果之一，针对提出的理论概念与模型，丌 发了基于一定控制方式的列车追踪运行实时模拟系统。该软件可完成按设定 情况下不同线路环境、不同列车及其不同追踪组合情况下对列车从起动出站、 到进入区间运行、直至进站停车的全程追踪运行进行模拟以及分阶段对列车 追踪运行所能实现的各种时间间隔进行模拟计算，这为配合理论研究，替代 现场试验运行提供了有效的实验手段。上述算法及运行模拟程序，能适应多 种目的研究所需。 基于前述研究可完善在高速客运专线下以及提速环境下的客货混行及多 种类、多速度列车共线混跑下各匹配关系相关能力计算与优化上的方法和手 段。 关键词一次制动模式曲线；速度分级模式曲线；模型及算法；追踪行车模 拟：间隔模拟计算：计算与优化 西南交通大学硕士研究生学位论文第| l 页 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，n e wt e c h n o l o g i e sa b o u tt r a i nc o n t r o lh a v eb e e ni n t r o d u c e d c o n c e r t i n gs p e e dr a i s i n g o ft r a i n sa n dt h eo p e r a t i o no ns p e c i a lr a i l w a y sf o r p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n t h ed e s i g no fa p p l i c a t i o nw a sc o n f i n e di nt h eo r i g i n a l b r a i n c h i l d n e wt e c h n o l o g i e ss i m p l ys u p e r i m p o s ew i t ht h ep a t t e r ni ne x i s t e n c e ， r e d u c i n gt h es e c t i o nl e n g t hh a sb e e nc o n s i d e r e da st h eo n l ym e t h o d t oi n c r e a s i n g d e n s i t y a c c o r d i n gt ot h es t a t eo fo u rc o u n t r y , s o m ee x p e r t sh a v eb e e nm a k i n g t h ea d v a n c e dr e s e a r c ho nt h e o r e t i c s t h e ya n a t o m i z e dt h er e l a t i o nb e t w e e ns p e e d r a i s i n ga n db l o c ks y s t e m ，s p e e dr a i s i n ga n ds i g n a li n d i c a t i o n s i g n a ld e s i g no f a u t o m a t i cb l o c ka n dt r a i no p e r a t i o no r g a n i z a t i o na b o u tt r a i ns p e e d e du pi l r ea l s o s t u d i e d a c c o r d i n g l y , t h et h e o r yo ft r a i nc o n t r o la n dt h er a t i o n a lc o m b i n a t i o no f s p e e da n df r e q u e n c ya r er e q u i r e di no u rc o u n t r y d u et ot h es p e e dr a i s i n ga n dt h e o p e r a t i o no fh i g h s p e e dt r a i n so ns p e c i a lr a i l w a yf o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n ，t h e c o n t r o ls y s t e ma b o u ta i m i n t e r v a lc o n t r o lm o d ec u r v ea n dv e l o c i t ys t e p p e d c o n t r o lm o d ec u r v e ，w h i c hb a s e do nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo v e r s e a s ，h a v e b e e ne x p l o i t i n g t h es p e e dc o n t r o lm o d ee q u a lt oc h i n ar a i l w a yi se x p e c t e di n o r d e rt oo p t i m i z et h ec o m b i n a t i o no fs p e e da n df r e q u e n c y b ya n a l y z i n ge s s e n c eo ft r a i n sc o n t r o ls t y l ea b o u tp a t t e r nc u r v ei n c l u d i n g v e l o c i t ys t e p p e dc o n t r o lm o d ea n da i m - i n t e r v a l , c o n t r o lm o d e ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r das e to ft h e o r e t i c a lm o d e l sa n dr e l a t e da l g o r i t h m sb a s e do nt r a i n sc o n t r o l s t y l ea b o u tp a t t e r nc u r v e o n eo fm a j o ra c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e r i st h e d e s i g n i n go fas e to fs o f t w a r ef o rs i m u l a t i n gt h et r a c i n go p e r a t i o no ft r a i n st oa c e r t a i n t yc o n t r o ls t y l eb a s e do nt h e o r e t i c a lc o n c e p t sa n dm o d e l sp u t t e df o r w a r di n t h i sp a p e r t h i ss i m u l a t i o ns y s t e mc a nc a r r yt h r o u g hs i m u l a t i n gt h et r a c i n g o p e r a t i o no ft r a i n sw i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r si nd i f f e r e n ts u c c e s s i o no nd i f f e r e n t l i n e s ，a n du n d e rc o n d i t i o no r d e r e db yt h er e s e a r c h e r a n dt h i ss i m u l a t i o ns y s t e m c a nc a r r yt h r o u g hc a l c u l a t i n gb ys i m u l a t i n gf o ras e to ft r a c i n gi n t e r v a lo ft r a i n s t h es i m u l a t i o ns y s t e mp r o v i d e sae f f e c t i v ee x p e r i m e n t a lm e a n st or e p l a c et e s t o p e r a t i o n sa n ds u p p o r tt h e o r e t i c a ls t u d i e s t h i sa l g o r i t h m sa n dt h es i m u l a t i o n s y s t e mi sc o n v e n i e n tf o ru t i l i z a t i o na n dc a nm e e tv a r i e t yr e s e a r c hr e q u i r e m e n t s t h i sr e s e a r c hi nt h i sp a p e rc a nc o n s u n m l a t em e a n sf o rc a l c u l a t i n ga n d o p t i m i z i n ga b o u tr e l a t e dc a p a c i t ya tt h ep o i n to fh i g h s p e e dt r a i n s o ns p e c i a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 r a i l w a y sf o rp a s s e n g e ra n df r e i g h ta n dp a s s e n g e rt r a i n ss h a r i n gt h es a m el i n ew i t h d i f f e r e n tc h a r a c t e r sa n dd i f f e r e n tv e l o c i t yw h i l et r a i ns p e e di n c r e a s i n g k e y w o r d s a i m - i n t e r v a lc o n t r o lm o d ec u r v e ；v e l o c i t ys t e p p e dc o n t r o lm o d e c u r v e ；m o d e l sa n da l g o r i t h m s ；t r a c i n go p e r a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e m ；c a l c u l a t i n go f i n t e r v a lb ys i m u l a t i n g ；c a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 运输能力紧张一直是我国国民经济发展的制约因素。因此，当前铁路的 主要任务就是在保证行车安全的基础上，加快货物和旅客的送达，并改进对 货主和旅客的服务。为此，除了建新线以外，总的来说都是从增加列车重量， 提高行车速度和加大行车密度三个方面着手。 而上述三项指标的改进是相互关联、相互影响的。例如，货运重载、客 运高速必将使列车制动距离显著增长。同时我国铁路运输有其复杂性，随着 铁路运输的六次提速，在大部分线路上存在着多种类、多速度列车共线混跑 的局面。随着运输市场的发展，对客运造成的压力比货运提前，客货运输争 能力、争质量的矛盾愈加突出，因此在这些线路上提速将会出现一系列的问 题。一方面部分列车提速必将造成通过能力的降低，而提速初期输送能力的 提高难以表现出来；另一方面，线路设备的改造总是由局部向全线分阶段实 施，势必形成新旧并存的状态，不仅同一区段上存在多种类型、多种速度、 多种编成、多种行程的列车，而且同一方向上的各个区段乃至各个区涮内， 列车的运行速度都不尽相同。因此，对列车密度必然要进行新的调整。 近年来，为了配合列车的提速，我国也引入了新的列控技术，但对应用 方式的设计，依然局限于原有思路，仅仅是把旧有模式与新技术简单叠加， 提高密度一般靠单纯地压缩闭塞分区长度，对出现的问题停留在就事论事的 层面上，带有一定的主观性、盲目性，缺乏系统的理论依据和实验论证“1 。 因此对新型自动闭塞系统应用方式的选择，就应当从系统的角度剖析其本质， 在科学地协调各子系统间的相互制约中优化应用。而行车密度是以列车制动 距离为核心因素的各种制约因素的综合反映，特别是随着新技术的横向转移， 速度控制方式已成为决定行车密度的一个不可忽略的决定性因素。行车指挥 方式、列车控制技术的变革对协调运行的各种制约因素，并最终表现为一定 的追踪间隔，有着实质性的影响。因此，提高行车密度实际上是一个优化系 统运行的问题，这又有赖于找出在多种类、多速度列车共线混跑条件下，制 动距离、速度控制方式信号显示方式、追踪间隔以及车站间隔之间各种匹配 关系的量化情况，从而达到最终实现速度与密度的最优匹配，做到运输能力 与服务质量的双重优化。“。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 本研究基于技术工程的基本性质，从列车重量、速度、密度三者的有机 联系出发对实际列车运作形成的系统关系分析如图卜1 所示。 这就是本研究的基本技术背景。当前随着新技术的应用，对其认识多有 模糊不切之处，这是促成本文之发端，对其内在机制及与其它子系统之间关 系的研究与思考形成了本文的主要内容。 图卜1 列车运作系统关系 1 ，2 现状分析 1 2 i 对国外列控技术发展和研究的分析 一、当前列控技术发展综述与分析 随着列车重量、速度、密度的提高，以及对提高运输能力并改善运营管 理和改进服务等方面的要求愈显迫切，原有信号制示与控制技术已不适应新 的要求，伴随一些新学科、新技术如现代控制理论、系统工程理论、可靠性 工程、人机工程、计算机技术、数字通信技术等的飞跃发展，铁路信号技术 与控制系统向两方面进一步深化和扩展： 一是微电子化：这是由于新技术成果特别是微型计算机的应用，使原来 以机械、机电、继电为基础的信号设备电子化，出现了微机连锁、电子闭塞、 微机化调度集中、列车自动控制系统以及铁路行车自动化系统。这充分表现 了电子化这一现实和必然趋势。就新技术的实用化过程来看，国外发达国家 随着其行车密度的提高，列车重量和高峰密度的增大，并因此随着大站场、 多进路的发展，研究开发了使铁路运输安全、效率、机动性相互协调的新型 铁路运输控制系统，并率先走过了控制制式由进路程式到速差式、多信息自 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 动闭塞、移动闭塞的发展过程，并正在进一步深入发展。 二是单一功能的信号装备向以铁路运输业务为中心的、集多种高新技术 于一体的多功能大系统方向发展。例如国外比较著名的有美国、加拿大开发 的先进列车控制系统( a t c s ) ，该系统通过无线技术把调度所的中央计算机和 列车上的微处理器构成闭环，组成一个综合的铁路指令和控制系统；而美国 洛克韦尔公司和b n 公司开发的先进铁路电子系统a r e s ，采用了卫星定位系 统。硬件设备的新进展也为满足安全、效率的需要提供了必要条件，控制信 息也趋于了多样化、定量化、精细化。由于行车技术性的增加也对操纵者的 素质提出了新的要求，特别是旧有的简单表意性的信号指示日趋演进为涉及 运、机、工、电、辆各业务部门的新型铁路指令系统。对新型控制系统应用 方式的选择，就应当从系统的角度来剖析其实质，在科学地协调各予系统间 的相互制约中优化系统应用，而不应只限于基于原有应用方式的经验性判断。 二、国外研究现状 在列车速度不断增加的情况下，各国都不断开发和研制先迸速度控制系 统，以减少追踪间隔时间，提高线路通过能力。以下对国外控sj j f f j 式进行简 要介绍。 1 法国高速铁路列车速度控制系统”“。 法国列控以u t 系统为代表，它是以u m 7 1 无绝缘轨道电路、t v m 3 0 0 机 车信号为主体的超速防护系统。其基本原则为分级调速，在闭塞分区出口处 检查速度，以防护分区的入口速度作速度监督值，本分区出口速度等于下一 分区入口速度，所以运行中司机按列车上的出口速度显示手动速度，到分区 出口前车速必须减到低于监督速度( 设备有5 k m h 的余量速度) ，如果列车速 度超过本分区出口速度，到下一个分区将超速，列车实施紧急制动；以降至 规定速度后方可进行人工缓解。是一种人机联控、人控为主的列控方式。其 制动方式具有滞后效应，要求设置间隔保护分区。 t v m 3 0 0 系统是法国高速铁路的早期产品，其最大优点是系统构成简单， 造价较低，但由于受当时技术条件的限制，地对车信息传输容量信息有限， 决定了t v m 3 0 0 型机车信号的速度监督采用阶梯式控制方式。阶梯控制方式完 全不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加若干中间速度信号， 因此轨道信息较少，设备相对比较简单。这种传统的控制方式是目前高速铁 路普遍采用的控制方式。 由于t v m 3 0 0 只检查列车离开本分区时的出口速度，当司机因疏忽操作而 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 在出口端未能减速到目的速度，列车进入下一个闭塞分区才能检察出超速。 这种速度监督方式必须设置一个保护区段才能保证行车安全。 针对这些不足，法国在t g v ”q e 方线上开始使用t v m 4 3 0 ，t v m 4 3 0 余t v m 3 0 0 的主要区别在于： 1 ) t 1 4 3 0 连续信息编码使用2 7 个低频，在调制信号中，2 7 种频率组合 可以获得2 7 b i t 的编码，与t v m 3 0 0 的1 8 个速度信息相比，信息量增多。 2 ) t v m 4 3 0 用曲线控制模式代替阶梯型控制模式，使其更符合通常司机 是实施制动时的制动曲线。 3 ) t v m 4 3 0 系统采用信源编码、频率合成和调制技术，车上接收设备用 快速弗里埃衰变变换确认不同的信息，较t v m 3 0 0 的模拟方式在技术上有明显 的提高。 t v m 4 3 0 的控制性能优于t v m 3 0 0 ，但其在控制是建立在高可靠、高水平轨 道电路的基础上。作为传输媒体，要求对整个轨道电路的维护水平较高，尤 其对道床的养护水平较高。t v m 4 3 0 型机车信号速度显示有本区段的目标速度 和表示下区段减速的带闪光的目标速度，如下区段不要求减速，就无此闪光 速度显示，这就能提前发出警告提醒司机注意，深受使用者欢迎。 两种系统的区别见表卜1 所示。 2 。德国l z b 列控系统 该系统是两轨道间敷设交叉电缆”1 ，目u 两条电缆每间隔i o o m 交叉一次， 以此作为传输信道进行地面和车上信息双向交换，列车根据轨间电缆的交义 点( 地址) 和测速、测距装置确定自己的所在位置，并传送给计算机控制中 心；同时出控制中心送给列车各种运行信息，这样就可以连续确定列车间隔 和容许运行速度。因而被称为移动闭塞方式。1 。 1 9 8 8 年5 月，l z b 系统9 “”1 取得了突破性的进展，即在此以前所有装备 l z b 设备的线路均保留地面设备，列车运行过程中以地面信号为主，而在1 9 8 8 年5 月2 9 日在富尔达维尔茨堡高速新线去见，首次正式使用l z b 机车信号 为主体信号的行车控制方法，取得了令人满意的效果。现将德国高速铁路列 控系统“”主要技术及相关性能归纳成表见表1 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 表卜lt v m 3 0 0 与t v m 4 3 0 列控系统分析表 设备名称 t v m 3 0 0 t v m 4 3 0 运行速度最高2 7 0 k m h最高3 2 0 k r o h 闭塞方式固定闭塞固定闭塞 制动模式分级阶梯滞后式分级曲线联结式 控制方式人空为主，设备为辅人空为主，设备为辅 安全信号媒介：无绝缘模拟轨道电路媒介：无绝缘模拟轨道电路 传输方向：地对车方向方向：地对车方向 载频：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、载频：1 7 0 0 h z 、2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 、 2 6 0 0 h z2 6 0 0 h z 信息量：1 8 个信息量：2 7 b i t 其他信号媒介：环线媒介：环线、无线传输 传输方向：地对车单向方向：地对车双向 列车定位轨道电路、车载测距 轨道电路、车载测距 区段占用无绝缘数字轨道电路无绝缘数字轨道电路 设备组成轨道发送单元地面控制中心 轨道接收单元轨道发送单元 电缆匹配单元轨道接收单元 电气绝缘解电缆匹配单元 补偿电容电气绝缘解 补偿电容 设备器件晶体管分立元件、小规模集成电路大规模集成电路、超大规模集成电路 设备布置电子设备集中室内，室外仅有无源匹屯子设备集中室内，室外仅有无源匹 配单元 配单元 设备造价较t v h l 3 0 0 高 系统评价系统结构简单，造价低廉技术先进，通过能力较t v m 3 0 0 有 与移频自动闭塞有较好的兼容性定提高 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表卜2 德国高速铁路列控系统主要技术及相关性能 项目主要技术内容 闭塞方式固定闭塞：高速线不设闭塞信号机。但安装f r s 型机车信号的高 速列车，仍要求按闭塞分区间隔运行，即l z b 闭塞分区，每个l z b 闭塞分区只允许1 列装有f r s 机车信号设备的列车运行，在分割 这些分区的信号点上设虚拟信号机，只有装有f r s 的高速列车才 能接收到这些信号显示，普通速度列车则接收不到。 轨道电路列车定位既有线为有绝缘轨道电路；高速线为无绝缘轨道电路，采用的频 率较高，轨道电路仅仅表示占用；轨道间铺设电缆交叉回路，每 l o o m 交叉一次，利用列车头部通过l o o m 交叉的数量来提供粗定 位，再由车载速度传感器在1 0 0 m 中再划分的1 2 5 m 范同内，测出 走行距离以提供细定位。 列车l z b车上于车下的信息通道利用电缆交叉回路，其中线路一列车的呼 自动叫码为8 3 5 b i t 编码序列，而另外的4 1 b i t 编码序列用作车上一 控制地面的应答码：采用信源编码和f s k 调制技术；呼叫码8 35 b i t 中有8 b i t 校核码。 载频模式地面一机车呼叫码采用3 6 k h z 速率为1 2 0 0 b i t s ，车上一地面使 用5 6 k h z 以间歇方式传送应答码，速率为6 0 0 b i t s 。 控制模式地面控制模式，强调以人为主 运营速度高速线为2 5 0 k m h ，既有客车为1 4 0 - - 1 6 0 k m h 3 日本新干线a t c 列控系统 该系统遵循设备优先的原则，在每个闭塞分区入口处起即以该分区出口 速度作为监督速度值，车内根据与前行车的间隔和线路条件连续显示列车允 许速度，若列车运行速度超过此速度值，a t c 设备即以常用制动自动减速， 低于出口速度后自动缓解，但a t c 不具有加速功能“。 日本开始采用a t c 运营以来，实现了运营以来3 0 年无人员伤亡的奇迹。 这说明a t c 系统有极高的安全性。但与此同时，传统意义的a t c 存在的问题 逐渐暴露出来，如： 1 ) 由于采用多级制动控制，各速度段内存在制动空走时间，并要考虑富 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 裕距离，难以缩短列车运行间隔时间，而且地面向列车传输的信息量最大只 有3 6 个，信息量少。 2 ) 地面闭塞分区长度由列车制动性能决定，制动性能不同的列车在同一 线路行驶时，闭塞分区的长度只能以制动性能最差的列车为依据，这对制动 性能优良的列车而言，难以发挥其最佳效率。 3 ) 在提高速度时，需要分配新的速度信号，这样就对地面设备、车载设 备进行必要的改造，增加了成本。 4 ) 采用最大常用制动，影响乘客的舒适性。 为此，近年来日本已经开始新一代a t c 的研制，新一代的a t c 必须能满 足以下要求；要能适应到速度、高密度的运行；在进一步提速和提高密度时， 地面设备不需要作变动；能够适应加减速性能各异的列车在同一条线路上很 好的运行；提高维修性以及系统要有良好的过渡性；a t c 系统要能够方便地 引入导向系统等。 目前，采用轨道电路作为传送信息和检测列车位置的数字a t c 系统和采 用漏泄同轴电缆l c x 以无线方式“”来传送列车位置和控制信息的l c x a t c 系统正在研究和开发中并取得成果。现将两种方式简述如下 ( 1 ) 数字化a t c 1 1 9 9 5 年，地道综合技术在j r 九州进行包括制动在内的综合实验。j r 东 日本旅客运输公司的智能化a t c 设备已经安装在上越新干线燕三条一新泻的 下行线，车载设备已安装在s t a r 2 1 高速试验车上，并于1 9 9 4 年进行了实用 化的一级制动试验，试验结果表明从地面向车上发送列车控制所必须的数字 信息非常成功，利用车上装置进行一段式制动的控制功能发挥也令人满意。 数字a t c 的特点是采用了一段式制动控制，从开始制动控制起直到停止 前制动一直不缓解，这样空走时间和富裕距离只存在一次，可以缩短被浪费 的时间。而且由于可以根据车辆的制动性能进行控制，就可以提高制动性能 好的车辆的运转效率。此外，向轨道发送数字信息，现在的a t c 从地面向车 上发送的最大信息量只有3 6 个，而数字a t c 已有飞跃性的增加( 2 “个以上) 。 一段式制动所必需的信息可以区分为固定信息和可变信息。固定信息为线路 的坡度、瞌线、车站等信息和车辆的信息，可变信息为到必须停止地点的距 离、列车运行的位置、有临时限速的地点的信息。 数字化a t c 能可靠地检测列车：可以检测轨道断裂；方便地提高了行车 速度；缩短列车间隔时间，减少轨道电路数；适用于各种不同的区间；节省 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 工程费用，解决的传统a t c 存在的问题。 ( 2 ) 采用无线控制列车系统( c a r a t ) 日本铁道综合技术研究所从1 9 8 8 年左右着手进行新一代行车控制系统 的研究，它是针对随着列车高速、高密度运行以采用既经济又便利的系统为 目的进行研究的。其问经历了基本构思及课题研究、现有列车实地收集基础 数据并进行分析、基本系统初步设计和详细设计、室内模拟试验等阶段，1 9 9 5 年已进入实际列车的长期运用试验阶段。1 9 9 4 年1 1 月下旬到1 2 月初，在 s t a r 2l 试验列车上进行了运行制动试验。 试验系统的部分性能，例如采用l c x 无线的间隔控制性能，几乎到达实 际应用的水准。 1 9 9 9 年，随着东北新干线上开发和试验新型的a t a c 无线列车控制系统， 原有的c a r a t 便完成了其历史使命。 1 2 2 对目前国内应用研究的分析 一、应用现状与存在的问题 从7 0 年代末，国内一些专家、学者便开始在相关杂志上载文介绍具有多 信息特点的信号控制方式，但这类文章仅仅报道系统概况，未触及其技术实 质。从8 0 年代中后期开始，我国运能日益紧张，而国外在这方面技术也更加 成熟，国内科研人员已敏感地预见到多信息列车控制方式所代表的技术趋势 及其在我国的应用前景，开始在不同的铁路学术刊物上撰文评价这一信号控 制技术。尤其是在我国引进u t 系统以后以及在铁路不断提速的大环境下， 对该领域的研究同趋深化，开始从单纯的对国外技术的介绍转入到在国内 背景下对这一技术的应用研究，开始了对四显示的计算分析以及对四显示与 三显示的比较分析，对u t 系统的分析则更深入到信号布点计算、有关参数 的选取等“”“。为了配合提速以及( 准) 高速客运专线的丌行，做到安全 与效率的并重，在一些线路上也采用了较先进的列控方式，如郑武段最早应 用的u t 系统，秦沈客运专线引进的法国c s e e 公司的s e i 列控联锁一体化系 统设备，在广深线上更是采用了由铁科院主持开发的国家科研攻关项目广深 准高速旅客列车速度分级控制系统。该系统采用“人机共用、人控优先”的 控制方式，当司机错过时机未能按要求减速或停车时，设备报警提醒司机采 取响应措施；当司机失去警惕未采取措施，则自动启动设备实施强迫制动， 采用常用制动方式实现速度分级控制，是集信号、安全技术、自动控制技术， 列车制动技术及微机技术为一身的机电一体化的准高速信号安全防护系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 同时，在实际应用及其研究中，也开始暴露出一些不足。一是在引进 国外先进技术时只是从硬件设备的单一优势出发，在理想的环境中阐释理想 状态的硬件设备的运作效果，而没有联系运输背景，或者说没有从系统的观 点出发来揭示行车控制方式的理论实质，研究系统的协调和应用方式的优化 问题，也即没有结合我国铁路运营的实际情况，故在速度分级上存在能力的 浪费；二是随着我国铁路的不断提速，高速客运专线的不断上马，原有的制 式已不能满足新的要求。如从t v m 3 0 0 的分析中可以看出大台阶式的速度分级 模式本身就不能避免能力的浪费，这一点在我国客货混线的线路上表现又尤 为突出。另外，由于采用大台阶式的速度分级模式，必然存在多次的空走时 间和多个防护区段，从提高线路通过能力的进角度上来说这也是不利的，因 此大台阶式的列控模式不能满足提速、扩能的需要。然而在实际运用中，多 数自动化闭塞区段，仍然采用俗称“四显示自动闭塞”的列控方式，其原理 来源于法国u t 系统，采用的仍然是大台阶速差式列控方式，在提高线路通 过能力方面作用有限，且由于闭塞分区的长度较短，司机的操作难度大，不 能很好适应我国铁路的实际情况，因此逐渐被淘汰。 二、模式曲线列控方式研究与应用的产生 基于前述内容，结合我国实际情况，一些专家、学者在理论上开始作了 进一步的探讨，如有的对提速与闭塞制式信号显示进行了分析“，有的对 提速列车自动闭塞的信号设计进行了研究，有的更是对提速线路列车运行组 织的合理匹配问题进行了剖析。因此，客观上已表明了国内在新形势下对列 车控制以及速度与密度组合匹配控制理论的需求。而在u t 系统逐渐退出历 史舞台的同时，借国内列车不断提速以及高速客运专线开行的东风，国内专 家在借鉴国外先进列控“”方式的基础上，已开始着手一次制动模式曲线列控 方式以及速度分级模式曲线列控方式的设计与开发，力图找到一种适合我国 铁路实际情况的速度控制模式，以满足下列要求： 1 ) 实现列车高速运行下的最大安全运行； 2 ) 实现列车追踪间隔时间最小，提高线路通过能力： 3 ) 能适合我国客货混线的客观实际条件； 4 ) 能够与现有铁路设备兼容，尽量减少工程投资。 近年来，速度分级模式曲线已经成功地运用在地铁、轻轨等车辆、线路 条件相对比较简单的线路上并取碍良好的效果，如上海地铁2 号线以及广州 地铁1 号线。然而研究的实质仍然没有触及速度等级的划分，区间速度等级 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 的划分存在不同程度的浪费，因此仅仅能运用于线路条件相对简单的区段， 不能从实质上解决客货混跑情况下的线路提速扩能的问题。此外，由于采用 模式曲线，在列车运行的过程中需要有大量的信息o ，因此，列车运行过程 中信息的传输方式的选用及如何增加轨道电路的轨道信息量成为这种列控方 式的关键问题。随着铁路提速的纵深发展，还需要找出更为先进的速度控制 方式，如一次模式曲线制动模式，以满足不断增加的运输需求。 1 3 研究的基本内容和框架 图卜2 研究基本框架图 在我国铁路己进行六次提速并还会在将来不断提速的背景下，在高速客 运专线不断上马的情况下，在客货混行及多种类、多速度列车共线混跑现象 还将存在的条件下，研究高速客运专线速度一间隔优化问题以及不同列车类 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 型、列车种类以及开行速度的组合匹配关系，探求其制动距离、速度控制方 式信号显示方式、追踪间隔以及车站间隔之间的本质联系，建立一套与之相 适应的理论描述，提出基于模式( 一次模式与速度分级模式) 曲线控制方式 条件下，行车控制制式设计的模型与算法，并针对提出的理论概念与模型， 开发出能有效替代现场实验的列车追踪行车模拟系统，对列车全程追踪运行 进行模拟以及分阶段对列车追踪运行所能实现的各种时间间隔进行模拟计 算。这为理论研究的有效性和可靠性提供了不可缺少的保证。 本研究的基本框架如图卜2 所示。基于前述研究可完善在高速客运专线 下及提速环境下的客货混行以及多种类、多速度列车共线混跑与车站不同作 业方式下各匹配关系相关能力计算与优化上的方法和手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章对模式曲线列控方式的理论描述 众所周知，虽然移动闭塞”“能最大程度的节省追踪间隔，是口前最先进 的列控方式，但由于其需要的信息最大，我国现行的设备还无法满足其要求， 故结合考虑我国的实际情况，在此只对一次制动模式曲线列控方式与速度分 级模式曲线列控方式进行分析研究。 2 ，1 次模式曲线列控方式 2 1 1 原理分析 次模式曲线列控模式是根据前方限速或停车点，一次产生制动曲线控 制列车运行的一种模式。列车车载产生的一次模式曲线可以足基于数字化轨 道电路提供的信息。，也可以用基于无线传输等其它方式提供的信息。在 本研究中，用基于数字化轨道电路来说明一次模式曲线列控模式的情况，基 丁_ 其它设备的列控方式可以以此类推。 唆模式的基本原理类似于移动自动闭塞”“，都是根据前行车的位置来 确定后行车的允许位置与速度，利用前方传输网来的列车速度、线路条件等 信息生成模式曲线，以此保证列车运行轨迹在模式曲线的下方。但移动闭塞 已没有分区概念，它是根据前后行车位置、速度实时生成模式曲线，它能对 前行车位置进行精确定位，类似于道路交通中两辆小汽车的追踪运行”。而 次模式曲线列控方式又被称为准移动闭塞或目标距离控制方式，它仍然保 留了分区的概念，亦即该制式无法对前行车位置进行精确定位，只能准确定 位出前行车所在的轨道分区，根据前行车所在分区以及其它一些相关信息来 生成模式曲线。可以说只要前行车所在分区不变化，那么相应的次模式兰 线便不会改变，这枰也就不可避免的存在一定的浪费，考虑极限情况，当前 行车处于将要出清某个轨道分区的刹那，此时追踪间隔将浪费一个轨道分区 氏。同时，对于一次模式曲线列控方式，其需要的信息量比移动闭塞略小， 但也需要采集与传递，人量信息，如需要采集与传递前行车所处轨道分区，线 路信息( 坡度、坡长等) 、分区空闲数等等，然后以电码的形式传递给机载设 各。且正如前面所述，信息码是按前行车所处轨道分区柬传递的当前轨道 分区变化了，再传递不同信息码与后行车生成不同的模式曲线，但这并不意 昧着信息码是离散传递的，实际上信息码的传递是连续式的。 昧着信息码是离散传递的，实际上信息码的传递是连续式的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 1 2 列车追踪运行间隔的基本关系 同前所述，一次模式曲线列控模式是根据前方限速或停车点，一次产生 制动曲线控制列车运行的一种模式。该模式的基本原理类似于移动自动闭塞， 都是根据前行车的位置来确定后行车的允许位置，利用前方传输回来的列车 速度、线路条件等信息生成模式曲线”，以此保证列车运行轨迹在模式曲线 的下方。因此。对一次制动模式曲线列控方式，其追踪运行间隔”“”设计要 素为： 1 列车加速过程，制动减速过程，最大允许速度v 。； 2 列车的车长l 。： 3 防护距离l ，”1 ，由于在定位过程中，设备及操作者都不可避免的存在 误差，所以在确定追踪间隔的时候，必须把这些误差考虑进去，否则不能保 证在指定停车点位置之前安全停车。为此必然存在一个防护距离，以保证在 最不利条件下，列车仍然能在规定距离内停车”： 4 两列车的制动反应时间”“。 一次模式曲线列控模式下列车追踪运行间隔的确定，要考虑到关安全余 量条件下列车之间的一个全制动距离，且后行车不能出现非正常减速的情况。 故其列车群追踪运行间隔的基本关系为： a 、保证列车正常情况下不限速运行，即在绿灯下运行。 b 、保证全速运行的列车在制动减速时能在限速点或停车点前完成调速 任务；触发实施紧急制动时能在停车点前停车。 c 、保证追踪列车进行车站作业时后行车不出现非正常减速的情况。 从速度一间隔的角度上来说，无论是传统的三显示信号制式、速度分级模 式曲线列控方式、一次模式曲线列控方式还是移动闭塞方式，其确定运行追 踪间隔的原则都相同，即上述列车群追踪运行间隔的基本关系”适用于所有 列控模式。 2 1 3 列车追踪间隔基础模型的推导与分析 由2 1 2 分析可得，要保证在区间内后行车一直在绿灯下运行，两列车 之间的最小追踪间隔至少包括三部分“：有效制动走行距离、空走距离以及 安全防护距离。对各车站间隔距离，同样要考虑上述三部分。因此，可以说 区间追踪问隔为列车追踪运行各间隔的基础间隔，敞在此只以区间追踪间隔 为例，对其模型进行推导与分析，其模型也为列车追踪运行间隔的基础模型。 一、制动走行距离 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 关于制动走行距离，在其它关于牵引计算以及对一次模式曲线进行介绍 的资料中已作了较详细的描述，对其概念的理解与把握已较成熟，在此不再 赘述。 二、安全防护距离 正如前面所述，由于在定位过程中，设备及操作者都不可避免的存在误 差，所以在确定追踪间隔的时候，必须把这些误差考虑进去，否则不能保证 在指定停车点位置之前安全停车。为此必然存在一个防护距离，以保证在最 不利条件下，列车仍然能在规定距离内停车。对其可如下表示： i f = m a x ( q + tc 。，! 女1 其中：，一防护距离； 乙一列车从开口速度启动纯空气紧急制动所需要的距离： ，c + 0 由于测速测距引起的误差距离。 屯一测速误差距离；为了方便司机操作，减少或者避免撞墙，加 上由于测速仪器的误差2 ，按照最不利情况处理，由于测速的误差，列车 的初速度为v 。+ v 。2 。则测速误差为： 1 ) 列车从v 。+ v 。2 的初速度制动到v 0 的走行距离； 2 ) 列车接收信号时间、列车空走时间、车载设备启动时间中，由于列车 的初速度不同引起的误差距离。 一测距误差距离；根据我国已有的研究，测距引起的误差可取 2 0 m 。 故最小追踪间隔可表示为：，。= 0 + ，：+ t + o ，+ ) v 。 其中，一列车全制动走行距离； f ，一确定信号司机反应等附加时间； v 。一列车最高速度； ，一防护区地段长度，= m a x ( 。+ 乞，乙) ： t 一列车长度； 语南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 一列车制动空走时间。 由于一次模式制动曲线列控方式中仍然存在分区的概念，因此实际追踪 过程中不可避免地出现走行距离的浪费，上述公式所得的数据只是理论追踪 值，其原因是实际追踪间隔不可能总是正好覆盖整数倍的轨道分区数，因此， 理论值与实际追踪值存在一定差异。可见，轨道分区长度的确定关系到制动 的精度、浪费走行距离最终影响最小追踪问隔的大小。由于对前行车的定位 是按照轨道分区进行的，模式曲线的起点只能够从最靠近列车尾部的轨道分 区分界点开始，按照最不利情况考虑，前行车在将要而并未出清所在分区的 那一刹那，浪费的追踪间隔最大，为1 个轨道分区长度。 综合考虑上述情况，一次模式曲线列控方式下列车运行追踪问隔的基础 模型即区间的追踪间隔模型最终定为： ，= ，r + ，：+ ，。+ z 。+ o ，+ ，) v 。a x 其中，。一轨道分区长度。 令0 ，+ “) v 。为附加距离，其示意图如2 1 所示。 附加距离 ，忑墨w 钟鼽道分晖 耵 冷 图2 - 1 列车追踪间隔示意图 2 2 速度分级模式曲线列控方式 2 2 1 原理分析 分级速度模式曲线列控模式也是近年来发展起来的一种列控模式”，是 根据列车前方停车点或限速点的要求，车载设备根据设定的速度等级逐级产 生分段制动模式曲线，其优点为车载提供的信息量少、传输时间短”。但与 一次模式曲线控制相比，采用固定闭塞间隔，前后行列车间距较长，且司机 作业负荷增加。 因此，一般在高速列车( = 2 0 0 k m h ) 一次模式曲线控制失效时作为备 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 用模式，或在中低速列车( = 1 6 0 k m h ) 的情况下，才考虑使用分级速度模 式曲线控制方式。 2 2 2 客、货混线运行系统确立列车追踪间隔的模型建立与解算 一、列车追踪间隔实用模型的推导与分析 考虑自动闭塞复线大多数都是我国铁路运输最繁忙的干线，必须对现行 客货混线的列控方式进行深层次的研究以找出最合理的区间划分方法。客货 列车速度差的客观存在，表现在运行图上是产生旅客列车扣除系数，具体对 信号机布点而言，也