高铁的闭塞区间与行驶安全10.docx

2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛承 诺 书我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： 我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： 18 所属学校（请填写完整的全名）： 杭州电子科技大学 参赛队员 (打印并签名) ：1. 单妤青 2. 左罡 3. 吴渊 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 日期： 2011 年 8 月 2 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛编 号 专 用 页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：评阅人评分备注全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：摘要自铁路第六次全面提速以来，动车越来越多的进入的我们的生活，先近的技术带来了更快的速度。但在723严重追尾事故发生前，动车的安全问题很少被我们关注。本文中，我们将以闭塞区间为切入点，以沪深线、深杭线为例讨论动车的安全问题。针对第一问，要求我们对闭塞区间进行计算，因为目前我国铁道采用自动闭塞区间法，我们将以列车高速行驶的制动距离为基础，再结合四显示制式建立模型。根据我国地形差异大等国情，对运行在不同线段上运行速度也不尽相同的动车求解适合的闭塞区间长度，再对速度分级、信号机的布置、信号机布置后的检查等与闭塞区间相关的因素进行分析。针对第二问，要求我们基于闭塞区间对高铁进行安全评估，我们首先以闭塞区间长度为切入点建立物理追踪模型，求解安全行车下的最小发车时间间隔，再通过与杭深线上各站的发车时间间隔进行对比，从而对高铁安全进行评估。其次我们建立闭塞区间系统仿真模型，从通信与轨道电路的角度对闭塞区间系统进行可靠性、安全性测试评估。针对第三问，我们认为，影响高铁安全的因素较多，在高铁安全系统中，各因素之间的关系又是极其错综复杂的，该系统的评价是一个多指标、多属性的问题。为此，在模糊集合理论的基础上，我们采用系统工程学的层次分析法(AHP)来确定影响高铁安全的各因素的权重，应用模糊区间综合评判法，对高铁安全系统进行了评价。关键词：制动距离 安全评估 模糊集合理论 层次分析法(AHP)一、 问题重述2011年7月23日晚上20点30分左右，甬温线永嘉站至温州南站间，北京南至福州D301次列车与杭州至福州南D3115次列车发生追尾事故。截至7月29日，事故已造成40人死亡（有数名外籍人士），200多人受伤。事故原因有多种说法，有“雷击停驶说”，有“信号误判说”，而其中，铁路的闭塞区间的合理管理，毫无疑问与高铁行驶安全至关重要。所谓闭塞，就是保证区间或闭塞分区在同一时间内只能运行一个列车，而保证一个区间或闭塞分区在同一时间内只能运行一个列车的设备称为闭塞设备。闭塞是铁路上防止列车对撞或追撞（追尾）的方式，是铁路上保障安全的一个较主要的方法。铁路的闭塞方式可分为人工闭塞、半自动闭塞、自动闭塞和移动自动闭塞。723动车追尾事故，对我国刚刚起步的高铁发展，有着非常深刻的影响，以血的代价影响着我国高铁的发展进程。本题要求大家以723动车追尾事故为例，展开对高铁安全的理性思考，防止技术上低级错误的发生。1) 就我国动车组的主要类型，展开闭塞区间的计算，讨论闭塞区间的比较和相关因素的讨论；2) 以沪深线，或更短的杭深线高铁发车时刻为例，讨论基于闭塞区间的高铁安全评估。3) 可以更广泛的角度，讨论高铁的安全管理。参考文献：1/98812804.html （动车组数据积累）2/gwtl2/2006/200612/2006-12-28/20061228163329_20653.html3/note/158556269/ CRH动车组简介4李俊虎 五型动车组数据分析及故障处理 郑铁科技通讯 2010 年03期5/chezhan.asp?Chezhan=%BA%BC%D6%DD （杭州发车高铁时刻表）二、 背景介绍自铁路第六次全面提速以来，动车越来越多的进入的我们的生活，先进的技术带来了更快的速度。但这高速下依然存在着很多隐患。本文将以自动闭塞区间为切入点分析动车组的运行安全问题。. 名词解释闭塞所谓闭塞，就是保证区间或闭塞分区在同一时间内只能运行一个列车，而保证一个区间或闭塞分区在同一时间内只能运行一个列车的设备称为闭塞设备。闭塞是铁路上防止列车对撞或追撞（追尾）的方式，是铁路上保障安全的一个较主要的方法。制动距离制动距离(StoppingDistance，mm)是驾驶员在列车处于某一时速的情况下，从开始制动到列车完全静止时，所开过的路程。其中包括反应距离和制动距离两个部分。四显示自动闭塞制式指区间通过信号机显示红、黄、绿黄、绿四种信号的自动闭塞。绿色灯光准许列车按规定速度运行，表示运行前方至少有三个闭塞分区空闲。黄绿色灯光要求列车减速运行，表示运行前方至少有两个闭塞分区空闲。 黄色灯光要求列车进一步减速运行，表示运行前方只有一个闭塞分区空闲。红色灯光列车应在该信号机前停车。在新建或改建铁路上，列车运行速度超过120km/h的区段应采用四显示自动闭塞。即在本文是针对动车组的研究，因此本文中主要考虑四显示自动闭塞制式。2.2. 动车使用现状分析目前，国内运行的动车都为CRH系列高速列车，其采用动力分布式的高速电力动车组。各款CRH系列高速列车均被命名为“和谐号”1，现有车款有：CRH1、CRH2、CRH3、CRH5。按速度又可分为200km/h-250km/h客运线300km/h-350km/h高速客运线。CRH1A目前主要行走广深线、沪杭线、沪宁线、沪昆线等，CRH3现于京津城际铁路北京南站。由于目前动车都是纯客运的客运专线，因此在本文中不考虑货运专线或近期临时调做客运动列车。由于国内动车组的时速不尽相同，而我国的地形多样，必须要考虑不同点时速和不同点地形来划分闭塞区间，做到系统兼容和运算能力的充分发挥。三、 问题假设与符号约定3.1问题假设(1) 暂不考虑7.23事故后动车组的大幅度减速。(2) 同一型号的动车的行驶速度相同，基本保持不变。(3) 空走时间内速度保持不变，为初速度。(4) 动车的各个技术参数均为准确值。3.2 符号符号约定 各符号约定详见论文正文。四、 自动闭塞区间设计目前我国铁道采用自动闭塞区间法，我们将以列车高速行驶的制动距离为基础，再结合四显示制式建立模型。再根据我国地形差异大等国情，对运行在不同线段上运行速度也不尽相同的动车求解适合的闭塞区间长度。. 自动闭塞区间设计相关因素信号显示制式：影响自动闭塞区间分布数量；列车制动距离：保证列车安全运行的重要因素；铁轨电路长度：布置信号机的位置点应在轨道电路的分界点，因此闭塞区间的长度应尽量避免轨道电路的有效长度；列车种类：信号机布置要兼顾不同种类的动车运行速度的要求；线路条件：固定闭塞是依靠地面信号的列车运行闭塞模式，许多地点并不适合设置信号机，应尽量避免在弯道处、大桥、隧道内等设置信号机；列车运行组织模式：运输组织模式也是影响信号系统配置的关键因素。4.2. 闭塞区间的长度确定分析闭塞分区的长度，即通过信号机之间的距离。目前，我国既有的自动闭塞分区长度大都是按运行时间间隔而不是按制动距离空间间隔划分的，一般均比所要求的制动距离大，从而影响了行车密度。为提高列车密度将闭塞分区长度按制动距离来划分，可以缩短列车运行的空间间隔。但是，在某些繁忙的客、货混运区段，各种列车由于牵引类型、运行速度以及载重的不同，对制动距离要求相差很大。对于低速列车，制动距离短，则闭塞分区长度可以短。对于速度高的旅客列车或重载货物列车，制动距离长，则闭塞分区长度要长。随着列车速度和密度的不断提高，一方面要实现最小运行间隔，闭塞分区要短，以达到必要的行车密度。另外，闭塞分区长度又不能太短，以满足速度高的列车和重载列车制动距离要求，保证安全。在客货列车混合运行的双线自动闭塞区段，最小闭塞分区长度的设计，既要满足货物列车正常运行和区间能力的需要，同时也要保证旅客列车的行车速度和运行安全。闭塞分区长度一般不要超过轨道电路的极限长度L轨道。在闭塞分区长度的计算中，除制动距离外，列车在信号响应时间、司机确认信号时间中走行的距离，以及列车制动安全防护距离等附加距离均应考虑在内，而这些因素均与铁路信号系统设备有关。自动闭塞分区长度L区间闭由制动距离S制动。和附加距离S其他组成，即L区间=S制动+S其他若S制动制为0.8系数常用制动距离，则附加距离S其他附由三部分组成，即S其他=S信便+S确认+S防护式中：S信便机车信号从地面接收信息到能有稳定显示所需时间的走行距离(m)，该反应时间与采用的轨道电路制式有关，采用ZPw2000，不到2s，采用18信息移频，不到3s; S确认确认司机确认信号，并开始操作制动系统所需时间的走行距离(m)，该时间一般情况下可取3s;S防护防护列车减速或停车时需要增加的安全防护距离(m)。若S制动为自动停车装置紧急制动的制动距离，则附加距离由两部分组成，即S其他=S信便+S启动式中:S信便机车信号从地面接收信息到能有稳定显示所需时间的走行距离(m)，该反应时间与采用的轨道电路制式有关，采用ZPw2000，不到2s，采用18信息移频，不到3s;S启动启动自动停车装置时间列车走行距离，该时间一般取为6s。4.2.1. 列车制动距离分析每个闭塞分区的最小长度必须满足列车牵引计算规程规定的列车制动率全值的80%的常用制动和自动停车装置紧急制动的制动距离。计算制动距离时，必须考虑区间客、货列车近远期可能达到的最高行车速度，以利于提高安全性。对于四显示制式来说，列车之间至少间隔四个闭塞分区运行，在此条件下，列车可以在两个闭塞分区内，实施从最高运行速度至停车的分级制动。但是，每个闭塞分区长度必须既满足从最高运行速度至黄灯限制速度，又满足从黄灯限制速度至停车的制动距离要求，该制动距离是按制动性能最差的列车来计算的。4.3. 列车制动距离建模4.3.1. 列车制动距离的计算制动距离是指从司机施行制动时起到列车停车为止列车所运行的距离。各车辆闸瓦压力的变化过程受很多因素的影响且较复杂。为便于计算，一般作如下假设:由司机施行制动起，经过一段时间以后，全列车闸瓦压力同时并立即由零增大到最大值，而在这段时间内闸瓦压力等于零，且不考虑外力，以制动初速作等速运行。这段假定的时间称为制动空走时间，在此期间内列车所走行的距离称为制动空走距离。从制动空走时间以后直到列车停止的时间称为列车制动有效时间，这段时间内列车所运行的距离称为制动有效距离。故有:Sb=Sk+Se式中:Sb列车制动距离;Sk制动空走距离;Se制动有效距离。1) 制动空走时间和空走距离的计算牵规规定空走时间八按下列各式进行计算:旅客列车:紧急制动:tk=3.5-0.08ij (s)常用制动: tk=4.1+0.00o2rn1-0.03ij (s)式中:n牵引辆数;r列车管减压量;ij 加算坡道坡度，若ij 0按ij =0计算2) 高速列车制动与其制动距离的计算高速列车(或动车组)的编组辆数一般不会太多。最多的如日本的300系也只有16辆(10辆动车和6辆拖车)，最少的如德国的ICE一V才5辆(2辆动车和3辆拖车)。高速列车的运行速度很高，其构造速度相当于我国现在一般旅客列车 (100一140km/h)的2倍左右(200一300km/h)。动能与速度的平方成正比，故高速列车的动能很大。要在不太长的制动时间和距离内将此巨大的动能转化、消散或移走，没有足够大的制动功率和更灵敏的制动操纵控制系统是不行的。这是因为，速度越高，空走时间对制动距离的影响越大，而且有效制动距离决定于制动力和制动功率的大小，制动功率与速度的三次方成正比。高速动车组的制动力一般由生产厂家以制动特性曲线或制动减速度给出，由此可得高速列车制动距离公式为:Sb=v0tk3.6+125.96v1-v2ab+ijg1+r1000 (m)式中:tk一制动空走时间;v0一制动初始速度;v1, v2一分别为速度间隔段的初速和末速.通常不应超过10kln/h，间隔越小越精确。r一回转质量系数;ab制动减速度(包括各种制动力、基本阻力引发的减速度);ij一制动地段的加算坡度。g一重力加速度，约为9.81m/s2。4.3.2. 安全防护距离为防止列车制动性能误差等因素的影响，需人为确定一定长度作为安全防护距离，使列车可靠地停在红灯信号机前。安全防护距离可以有三种选择考虑:一是取为定数;二是按制动距离计算值的比例选取，一般为制动距离的2%10%，三是按安全秒数(对应制动初速)取值，一般为ls2s。本文按定数取值，对于200km/h以上的列车来说，安全防护距离取为200m。4.3.3. 轨道电路的极限长度闭塞分区长度一般不要超过轨道电路的极限长度，如果超过了可以用增加分割点的办法来解决，但这样会增加投资。有柞轨道电路路基结构的极限长度为1600m，无柞轨道电路路基结构的极限长度为1400m。当有隧道或桥梁结构时，轨道电路的极限长度要比路基时短一些。4.4. 列车速度等级划分160km/h及其以下旅客列车和120kjm/h及其以下货物列车需采用分级制动方式。客货列车速度差的客观存在，表现在运行图上使产生旅客列车扣除系数，具体对闭塞分区划分来说，则是制动距离的差异。满足较长制动距离的闭塞分区的划分，必然造成制动距离较短的列车的能力浪费及其运行效率的发挥。因此需要找出一种划分闭塞分区的合理方式，使这种因制动距离的差异造成的浪费最小。对于速度等级的划分，通过牵引计算分析以达到最优的速度等级划分。如何按合理的速度等级划分自动闭塞分区，以满足不同速度级别的列车追踪需要，其主要原则是:列车从任一级速度用规定的减速度降至下一级速度所走行的距离应基本相同，并尽可能与现有列车速度等级取得一致。值得注意的是速差等级不能划分过多，原因在于:1) 速度分级过多，机车需要的信息量加大，给司机操纵带来不便，并且会增加轨道电路数量及其码序，加大投资。2) 一般来说，列车追踪间隔时间随着速度分级增多而减小，但随着速度等级的增多，这种减小会越来越不明显。与投资综合考虑，只要速差等级的划分能满足所要求的列车追踪间隔时间即可。每一级速度等级所确定的闭塞分区长度不能超过轨道电路的传输极限长度，如果超过了，速度等级应再多划分一个等级，如果条件不允许，可以用增加分割点的办法来解决。轨道电路的传输极限长度除取决于所采用的自动闭塞设备，轨道电路的类型、道床电阻有很大关系，还与电力牵引、站间距离有一定的关系。因此，设计时应根据具体情况灵活掌握。速度分级原则上应考虑以下三个方面:1) 首先应明确线路旅客列车最高运行速度，以及线路上各种列车的开行情况(包括不同速度等级的客、货列车)，以此来确定可能的速度分级;2) 速度分级使各闭塞分区长度基本相等;3) 考虑轨道电路极限传输长度的限制。若设列车最高运行速度为v0，速度等级分为n级，即v0，v1，v2，vn-2，vn-1，(n3，且vn-1=0)。列车从任一级速度制动至下一级速度所走行的距离为:Sbvi,vi+1,ij=vitk3.6+4.17(v12-v22)1000hhc+w0+ij 5-1式中:tk一一一制动空走时间;vi制动初始速度；v1，v2一一一分别为速间隔段的初速和末速.通常不应超过10km/h，间隔越小越精确；h换算摩擦系数;h车换算制动率;c常用制动系数，紧急制动时c=1；w0列车运行单位基本阻力;ij制动地段的加算坡度。由速度分级的原则，则上式成立，即：Sbv0,v1,ij=Sbv1,v2,ijSbv1,v2,ij=Sbv2,v3,ijSbvn-3,vn-2=Sbvn-2,0即在v0和0之间，寻求vi1in-2，使得上式成立。为了减小搜索空间，假定列车空走时间tk=0，列车制动平均减速度为bs，则有:Sbvi,vi+1=vi2-vi+1223.62bs 化简为：v02-v12=v12-v22v12-v22=v22-v32vn-32-vn-22=vn-22-0 由数学归纳法可得：vi=n-1-in-1v01in-3 vi为与实际的最优化的速度等级vi区别，这里经简化后所求得的速度等级用vi表示。确定vi之后，再向vi的邻域内搜索vi的值。一般地，由于列车在高速时减速度比低速时减速度小，并且高速时的空走距离比低速时长，故vi一般都大于vi。在工程设计中vi一般取为5的倍数，故当速度等级取为vi时，式(5一2)不一定成立。为此，需设计目标函数为:minFv0,v1,vn-2,0=k=1mSbv0,v1,ik-Sbv1,v2,ik +k=1mi=1n-4Sbvi,vi+1,ik-Sbvi+1,vi+2,ik+k=1mSbvn-3,vn-2,ik-Sbvn-2,0,ik式中:ik为了计算速度分级而选取的适度坡度值。例如，若线路坡度为-6%。6%。，则可选取适度坡度值为-6%，-3%。，0，3%。，6%。当Fv0,v1,vn-2,0达到最小值时，vi的值即为最优的速度等级值。算法流程图如下i=0开始选取初始值速度等级n，选取坡度范围按(5)式确定vi的值vi=intvi5*5+5按(6)式计算F的值，令Fmin=FSbvi,vi+1Sbvi+1,vi+2按(6)式计算F的值，求Fmin=min(Fmin,F)in-3maxSbvi,vi+1,ij+S其他L轨道L轨道按Fmin输出最优速差等级vi的值结束n+i+vi+1=vi+1+5按(6)式计算F的值，求Fmin=min(Fmin,F)YYYNNN4.5. 模型求解与闭塞区间长度的确定设线路坡度为-6%6%。利用牵引计算(计算参数如表3-1所示)根据上述的制动距离与速度分级模型，以CRH1号列车为例，可求得该型号列车的速度分级速度表如表3-2所示。(其它4种型号动车见附件)表3-1 制动距离计算参数项目电空制动旅客列车（200km/h）紧急制动空走时间常用制动空走时间列车换算制动率0.32换算摩擦系数常用制动系数0.8常用制动减压量130列车单位基本阻力1.61+0.0040v+0.000187注: n牵引辆数，取9辆; 制动地段的加算坡度; 制动初速度 km/h;v瞬时速度 km/h.表3-2 CHR1 动车速度分级表制动速度范围 （km/h）坡度200140 0.8常用制动距离（m）1400 0.8常用制动距离（m）200135 0.8常用制动距离（m）1350 0.8常用制动距离（m）68681039958 974 38941071 982 999 092211051008 1025 -39511139 1034 1051 -69751168 10601078从表3-2可以看出，CRH1型动车采用2001350 km的分级制动方式，每个闭塞分区的制动距离较为均匀，因此CRH1型动车可采用2001350 km的分级制动方式。列车在设备应变和司机确认信号并开始动作时间内走行的距离叫附加距离。若司机确认车载信号设备信号显示至操作制动系统的时3s,信息传输的延误时间不大3.5s,向上取整7s。即:附加时间为7s。 ，制动空走时间0.472s，则200km/h的CRH1型动车附加走行距离为320m。，若安全距离取200m，从而在6%的上坡道的闭塞分区长为1330m左右，在6%的下坡道的闭塞分区长度为1160m左右。一般无坡度的闭塞区间长度为1260m左右。通过对几种动车分别的计算，得出我国几种不同类型动车车在无坡度的情况下的闭塞区间长度如表3-3所示。表3-3 各类型动车无坡度闭塞区间长度动车类型CHR1CHR2CHR3CHR5闭塞区间 长度（m）12602130266013204.6. 区间通过信号机的布置4.6.1. 区间通过信号机的布置原则1)区间通过色灯信号机在以货运为主的线路上，应按货物列车运行速度曲线及时间点布置，但闭塞分区长度应满足较高速度旅客列车制动距离要求;在以客运为主的线路上，应按旅客列车运行速度曲线及时间点布置。2)区间通过信号机应在车站进站、出站信号机位置确定后开始布置;3)为了节省投资及维修方便，上、下行方向的通过信号机，在不影响行车效率和司机了望的情况下，尽可能并列布置;4)在利用动能闯坡和在列车停车后可能脱钩的处所，不宜设置信号机，如必须设置时，应装设容许信号。但进站信号机前方第一架通过信号机不得装设容许信号，并应涂三条黑斜线，以与其他通过信号机相区别;5)通过信号机在正常情况下应设在便于司机了望的直线上，在不利条件下，信号机显示距离应不小于200m;通过信号机尽量避免设置在桥梁上，隧道内和平立交道口;6)信号机位置确定后，应进行编号，号码以信号机坐标公里数和百米数组成，下行编奇数，上行编偶数;7)信号机的布置应满足设计任务书追踪间隔时间的要求。4.6.2. 区间通过信号机的布置方法区间通过信号机的设置，常规的方法是根据牵引计算作出的列车速度曲线和在其速度曲线上用时分板刻划出的列车在区间运行的时分点进行的。列车运行时分点的刻划是在列车速度曲线上进行的。列车速度曲线，是按照线路纵断面、牵引机车的类型等因素，依据列车牵引计算规程进行计算而绘制出来的，它是列车重心(中心)运行的轨迹。该方法的缺陷在于自动闭塞分区长度是按运行时间间隔而不是按制动距离空间间隔划分的，一般均比所要求的制动距离大，从而影响了行车密度。为此本文提出了一种简便可行的方法:直接将闭塞分区长度按制动距离来划分，以便缩短列车运行的追踪间隔时间，增大行车密度。设线路的加算坡度为ij，则该坡度的最小闭塞分区长度为:L区间ij=maxSbvi,vi+1,ij+S其他v0 5-7按制动距离划分闭塞分区长度的算法步骤如下:1)从出站信号机开始，按maxs。(v，vt+1，0)的长度计算该地段内线路的加算坡度的加权平均值，即ipj=i1l1+i2l2+inlnl1+l2+ln 5-8式中inmaxSbvi,vi+1,0长度中各个坡度值;lnmaxSbvi,vi+1,0长度中各个坡度长度。3) 根据ipj的值，按式(5一7)可求出第一个闭塞分区长度L区间1的值，在该处布置通过信号机。紧接着以该信号机为起点，按(5一8)式求与的值，按式(5一10)求第二个闭塞分区长度L区间2的值。依此类推，直到与进站信号机的距离小于L轨道为止。4.7. 区间通过信号机布置后的检查4.7.1. 闭塞分区长度的检查闭塞分区长度一般不能超过轨道电路的极限长度，因此，需根据实际情况，尽可能地调整信号机的位置，以满足轨道电路的要求。如果某些闭塞分区长度超过了轨道电路极限长度，则可通过适当降低列车运行速度或者增加分割点的方式来满足要求。对不满足制动距离要求的闭塞分区必须进行调整，以保证行车安全。即闭塞分区长度需满足式(5一12)的约束条件:maxSbvi,vi+1,ij+S其他v0L区间L轨道 5-9此式中ij的值应按实际线路坡度取值，而不是取加权平均值。4.7.2. 列车起动检验列车在信号机前方停车后是否能够重新起动需要进行检验，尤其是设置在上坡度的通过信号机，应进行起动验算。其检验过程为:将列车置于要检验的信号机前方，利用列车起动算法计算列车的牵引力是否满足需要。若不满足起动要求且位置不能进行调整的，则必须设置容许信号。列车起动牵引力需满足式(5一10)条件才能保证列车能够在该坡段起动。FqGqwq+iq+Pwq+iqg103kN 5-10式中:Fq机车起动牵引力(kN);Gq列车牵引重量(t);P机车重量(t);wq、wq分别为车辆、机车起动时的单位基本阻力(N/kN);iq起动地段的加算坡度千分数;g重力加速度(9.81m/s).4.7.3. 追踪间隔时间的检算按后面第5章列车追踪间隔模型，对各种车型进行追踪间隔时间的检算。如果信号机之间的列车追踪间隔时间大于给定的间隔时间，则需要对相应信号机位置进行调整，然后重新进行各项检验，直到满足要求为止。一般来说，区间追踪间隔时间裕量很大，可以适当延长区间的某些闭塞分区长度，减少信号机及轨道电路数量，节省投资。对于接近车站的闭塞分区来说，应按确定的最小闭塞分区长度布点，尽可能地减小发车和到站间隔时间。4.7.4. 线路条件的检查许多地点并不适合设置信号机，如弯道处视距较近的地点附近，大桥与隧道内等。应尽量避免信号机设在这些地段。五、 基于闭塞区间的高铁安全评估随着我国交通事业的跨越式发展，火车的速度不断提高，尤其是动车组的加入后，为纯客运列车运输带来高效、快捷、方便。但与此同时，不可避免地也带来了事故损害等诸多问题。尤其是我国列车事故率居高不下，死伤人数逐年增长，经济损失不断加大，这已日益成为影响我国铁道交通可持续、高速发展的重大问题。而723事件又给我们以当头棒喝。动车组的使用在我国起步较晚，尚缺乏规律性认识，因而深入分析当前我国高铁安全中存在的各种问题，探讨其内在的规律性，对有效预防事故的发生，提高动车出行的安全，具有现实意义。由于影响铁道安全的因素极其复杂多样，既有内部因素(如轨道线型、车辆型号性能等)，又有外部因素(如管理水平、气候因素等)，所以，如何建立其合理的评价指标体系，至今还没有个公认的行之有效的方法。在此，我们首先以闭塞区间为切入点建立物理模型，再结合杭深线的出站时刻表进行分析。但由于本次723事故发生的直接原因是雷击使ATP系统受损，导致信号灯无预警信号显示，因此在本节中我们还将从通信与轨道电路的角度对自动闭塞系统进行分析评估。5.5.1. 基于闭塞区间长度的高铁安全评估5.1.1. 列车同方向发车最短间隔时间物理模型若按既有线发车的确定条件，则当出站信号机显示绿灯时才可发车，这样前后列车间隔三个闭塞分区。对于动车组来说，若按这种方式发车的话，会造成发车追踪间隔时间很大，严重影响行车效率。有些文献提出在列车出清第二离去区段后办理发车作业。但由文献【6】可知，由于动车组已经装备了ATP超速防护设备，列车发车间隔时间可以按照前行列车出清车站一离去区段后，后行列车按照允许发车的原则进行计算。下面说明该原则的可行性。发车时，由于前行列车的速度比后行列车大，随着时间的推移，它们之间的间隔距离将越来越大。所以，此段时间内后行车不会因前行车出现非正常减速情况。当两车速度一致时，其间隔距离达到最大值。要使后行车不受前行车影响而非正常减速，最大间隔距离必须大于三个闭塞区间长度。可知，前行动车在后方列车发车时以已经达到最大速度。后行列车的运动情况分析：后行列车加速到 所走行的时间为： （1）走行距离为 ： （2）式中：列车运行最大速度；列车平均加速度；列车匀速通过道岔的距离；道岔限速；最小发车间隔时间；闭塞区间长度。前行列车的运动情况分析：前行列车在间隔时间 内所走的距离 可分为两段，从开动加速至最大速度行走距离： （3）匀速行走距离： （4） (5)前行列车在后行列车加速至最大速度时行走距离 (6)分析可知当后行列车达到最大速度时，两车距离最大 (7)因为两车的距离要满足相差3个闭塞区间，在四显示的条件下才能保证后行车不受前行车影响而非正常减速所以 （8）通过以上物理运动方程，可计算出最小间隔时间。5.2. 模型求解及结果分析根据第二问题意，选取杭深线高铁进行分析。根据查阅资料可知，杭深线上运行的动车型号均为CHR2 。下表为该型号动车部分参数。表4-1 CHR2动车技术数据动车类别紧急制动距离（m）最高运营速度 （km/h）最高实验速度（ km/h）制动空走时间（s）启动加速度（m/s2）CRH218002503000.6390.406根据上述物理模型以及查阅数据计算得出，最小发车间隔时间： = 168 秒= 3 分 48 秒选取杭深线上的两个重要火车站杭州站以及宁波站为代表，统计一天内从这两个站向杭深线方向发车的车次。按时间先后排列，计算出各车次间的间隔时间（见附表1）。将统计出来的间隔时间与计算所得最小发车间隔时间比较。发现发车间隔时间均大于计算得出的最小发车间隔时间。真如我们猜想的一样，发车现行的发车时间间隔，具有较强的合理性，不会对高铁的安全造成影响。 虽然我们在此只分析讨论了杭州、宁波两个站，但我们同时也查阅了杭深线的其他各站点出站间隔时间，其时间也都符合上述条件。在第一问中，我们讨论的是空间条件，但这一条件在列车的排版布置时很难直接运用，因此我们借由4.1.1的模型将闭塞区间长度这一空间条件转为时间条件，由此可借助列车的出站时间对高铁的安全评估。5.3. 基于自动闭塞系统的高铁安全评估5.3.1. 自动闭塞系统可靠性、安全性测试评估模型研制自动闭塞系统测试评估平台的目的就是要建立自动闭塞系统运行的仿真环境, 以便在该仿真环境下可对自闭系统的安全性和可靠性进行测试评估。随着高速铁路的发展, 地面信号将逐渐被机车信号取代. 因此, 为了满足未来的需求, 在系统总体框架设计过程中也考虑了与机车信号处理系统的接口. 图5描述了该平台的组成原理( 机车信号处理系统用虚线框给出)。图5 区间自动闭塞系统测试与评估平台组成原理图平台可同时测试多个闭塞分区设备, I/ O 驱动模块和数据采集与处理模块的通道数可按实际需要进行扩充. 区间自闭系统测试与评估平台计划分为两个阶段实施: 第一阶段实现轨道电路传输仿真并对基于轨道电路传输的设备进行测试和安全性评估; 第二阶段实现机车信号传输仿真并对机车信号设备进行测试和安全性评估. 就平台第一阶段的仿真实现而言, 关键是要实现传输信道仿真。由于对轨道电路的技术要求及运用条件不同,区间轨道电路种类繁多, 但其工作原理可用图6的等效四端口网络表示。图6 轨道电路四端网等效电路此四端网由3个级联的等效四端网，和组成。其中为轨道电路发送端匹配器的等效四端网,为钢轨传输线的等效四端网,为轨道电路接收端匹配器的等效四端网。,和为四端网的A参数 ,和为四端网的A参数;,和为四端网的A参数;E为激励源; Z 为负载。E发送的信号( 携带某种行车控制信息) 经过，和的传输后, 加于Z. 对四端网传输仿真主要是仿真其输入输出关系, 这可以通过四端网的A 参数加以描述. 轨道电路对于行车控制信息的传输主要取决于的传输特性, 行车控制信息在传输过程中除受到轨道电路本身的传输特性影响外, 还不可避免地受到外界干扰的影响. 对于一般的四端口网络的传输特性可由图7 描述. 其传输方程为: .图7 四端网传输特性示意图当需具体求A参数时,可以把钢轨线路看作由两根钢轨组成的传输线和大地构成的等效电路。钢轨具有单位阻抗和,两根钢轨之间具有互感抗,这3条传输线间以均匀分布的漏电导, 和连接起来。钢轨传输线的微分段dx 的等效电路,如图8所示。图中:x表示列车与轨道电路接收端的距离;,表示两根钢轨的对地电压; ，表示两根钢轨的对地电流。对于钢轨线路的微分段dx有： , , 图8 钢轨传输线的微分等效电路对不同类型的轨道电路区段,具体微分方程的形式不尽相同。尤其在考虑传输干扰因素时, 不同类型的轨道电路区段, 其干扰来源不同。考虑传输干扰因素时应区分电气化轨道电路区段和非电气化轨道电路的多种存在的组合情况。不同类型的轨道电路的四端口网络传输方程的分析与求解方法和获取A参数的具体算法可参阅文献【6】。这样根据不同环境对A参数的影响, 通过上述传输方程可确定不同环境对传输线路的影响.铁路信号系统的相关标准和技术条件规定了铁路区间自动闭塞系统在不同A参数情况下应达到的性能。自闭系统安全性、可靠性测试评估平台可测试被测系统在不同A参数下的性能, 并在此基础上对其安全性进行评估。5.3.2. 结论利用上述四端网络的仿真模型，自动闭塞系统测试评估平台可以得到被测系统和设备在不同A 参数下的性能。自动闭塞系统测试评估平台的建立弥补了目前国内外对该领域产品可靠性和安全性自动测试与评估上的空白。目前的测试与评估的依据是相关标准或技术条件，标准制定的准确性与合理性直接影响到测试与评估的结果。但如果要精确地确定不同的A 参数所对应的现实环境却需要进行大量基础数据的搜集，同时获取这些基础数据的试验方法也需进行深入细致的研究。目前，国内外对这些基础数据获取的方法和数据的积累方面都很欠缺。因此，国家相关部门应有计划地组织人力和物力加大对这些基础领域的研究，这样才能带动其它领域的发展。1.六、 高铁的安全管理讨论6.6.1. 铁路安全监督管理信息系统近年来，铁路部门运用科技手段，建设和运用了一大批相对成熟、可靠的安全检查监测技术装备和系统【2】；但从全路来看， 目前的铁路安全检查监测系统多是针对某个专业开发和建设的，尚未实现跨专业的信息共享【3】，缺乏统一的规范，且安全监测报警信息和人工检查信息也尚未充分融合，使得安全监督管理部门缺乏完整的信息系统支撑。因此，建立健全铁路安全检查监测保障体系，建设统一的铁路安全监督管理信息系统(以下简称“安监信息系统”)，对确保铁路安全是非常必要的。6.1.1. 系统架构1) 系统总体架构安监信息系统依托铁路计算机网络，在铁道部、铁路局建立统一的铁路安全监督管理信息共享平台，整合、接入既有成熟的各专业安全监测报警、人工检查和事故调查分析等信息，实现铁道部、铁路局和站段的铁路安全监督管理三级联网和安全信息的共享，提供安全信息的综合管理、分析决策和信息服务；通过监测报警信息处置、安全检查信息处置、事故调查分析处置和综合分析处置4个环节，掌握全路安全动态，提高铁路安全监督管理的实时性、针对性和有效性，形成系统化、网络化、信息化程度较高的铁路安全检查监测保障体系。2) 系统逻辑架构系统逻辑架构从系统实现上分为系统应用层、业务逻辑层和数据层3个逻辑层次，其中系统应用层又分为6个应用子系统，即监测报警信息处理、安全检查信息处理、事故调查分析处理、统计分析及决策支持、安全信息共享服务和系统维护管理等6个子系统，如图2所示。6.1.2. 核心业务闭环处理流程设计与优化铁路安全监督管理的核心业务就是通过监测报警信息处置、安全检查信息处置、事故调查分析处置和安全综合分析处置4个环节，对利用各种安全检查、监测手段得到的安全监测报警、人工检查和事故调查分析等安全信息进行实时传递，即时处置，综合分析，把握规律；并采取对策、消除事故隐患。实现4环节管理的基本思路是：部、局、站段(车间、班组)安全管理人员共同组成安全信息传递和使用的主体，系统根据其相关业务处理规则进入不同信息处理流程，各级相关人员分别完成各自的处理，从而构成完整的安全信息处理全过程闭环管理和跟踪控制，促进安全监督管理核心业务流程的优化与再造。事故调查分析处置环节业务流程示意图安全检查信息处置环节业务流程示意图安全综合分析环节业务流程示意图6.1.3. 关键技术1) 信息共享平台技术安监信息系统的信息共享平台是为各专业信息系统与本系统问实现信息交互、信息共享服务及功能共享服务的平台。主要功能包括：接收和集中存储各专业监测系统的安全监测报警信息和相关业务系统的公共基础信息；提供不同格式数据转换的功能；构建安监信息系统共享信息数据库，包括基础信息、空间信息以及相关系统的安全监测及检查信息、事故信息等，并依据主题进行数据存储，本系统各子系统以及其他专业安全监测系统可从信息共享平台获取共享信息；本系统通过信息共享平台提供受权限控制的有关安全监测信息、安全检查信息及相关基础信息的查询服务。信息共享平台提供2种信息交换和共享方式，一种是数据库级共享，另一种是应用系统级共享。数据库级共享指将从各专业安全监测系统获取的监测报警数据和相关业务系统的基础数据进行集中存储，形成共享数据库，以支持系统功能应用和各业务系统间的数据交换。应用系统级共享指直接从应用层面实现不同系统间的数据交换和共享。2) 数据资源优化组织a) 主要数据集按照信息资源集中管理和存储的要求，本系统数据库主要包括7类数据信息，分别对应相应的数据集进行管理，即基础数据集、系统管理配置和运行参数数据集、设备监测数据集、安全检查处理数据集、事故调查处理数据集、集成应用数据集和统计分析数据集。b) 统一的故障预警分级框架为解决各专业安全监测系统故障及报警等级不一致的问题，有必要统一预警级别及报警模式。因此，本系统对监测报警信息按照其危急行车安全的不同程度，统一划分了3个预警级别，即严重(1级)、中等(2级)和一般(3级)，并按照统一的规定对各专业监测系统报警信息进行预警等级的转换，实现安监信息系统报警的统一。c) 统一的公用基础数据管理与维护基础数据包括应用系统运行所必不可少的代码表、数据字典、运行参数等。由于各专业都已先期开发了专业安全检查监测系统应用软件，定义了各自所需的基础编码。因此，在实施开发安监信息系统时，需要根据实际情况以及系统整合的应用功能需求，并兼顾各个专业系统的应用需求，统一各类主要基础数据。对共享的基础数据制定统一的编码方案，并对基础数据进行统一的管理与维护，实现各级间公共基础数据的同步更新。d) 数据集成及共享数据库的建立数据的集成、关联融合、集中存储是信息综合运用的关键。通过对各类数据的整合处理，转换成规范的、集成的逻辑数据模型l6，然后再按照信息共享平台规定的数据存储组织规范进行数据存储。实现数据关联集成，就是通过监控对象的标识信息项与其他安全检查监测信息及相关基础信息进行数据关联、集成和融合。例如，移动设备监测信息主要以车次号、车号为主线索进行关联。通过对各类数据源进行重组，基于规范的元数据管理，构建面向主题的数据仓库和数据集市，以利于实现联机数据分析和数据挖掘。e) 安全问题知识库组织安全问题知识库存储着按归类描述每个问题点的内容以及统计规律等，为实现安全检查问题信息分级分类管理、综合分析应用以及规范检查考核提供基础信息支撑。由于各铁路局和各专业对问题点的归类不尽相同，为实现对安全问题点的规范管理和有利于问题的量化分析和智能分析，需要对知识库的组织及相关基础信息进行规范，基本思路是：(1)问题点的整理可按业务系统、问题性质、问题细类、问题级别、问题点层次等进行归纳；(2)统一“业务系统” 分类编码，包括车务、机务、工务、电务、车辆、客运、货运、工程、公安、物资、信息、通用及其他；(3)统一“问题性质”分类编码，包括安全管理、职工两违、干部作风、人员素质、设备质量、行车安全、人身安全及其他；(4)统一“问题级别” 分类编码，分为4级，即严重问题、重要问题、警示问题、问题苗子(安全隐患)。3) 各专业安全监测、相关业务系统信息接口方案及接口标准由于安监信息系统需要接人的信息种类较多，各类信息源于不同运行平台环境的专业系统，这些系统由不同厂家和研制单位开发，采用不同的应用平台模式，所以研究和制定数据接口标准是1项重要且细致的工作，是实现安全检查监督管理功能和信息共享综合运用的基础。因此，必须详细分析各类安全监测系统及相关业务系统的现状和可能提供的数据，制定接口框架，研究各类接口标准、协议及