周书乐，张子群，周家梁

(1.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；2.中国兵器工业计算机应用技术研究所 产品研发部，北京 100089)

0 引言

接近锁闭是指接近区段有车占用时构成的锁闭，设置接近锁闭的目的是防止道岔因进路解锁而转换时列车冒进信号造成的挤岔、脱轨等风险[1]。我国铁路目前采用固定接近锁闭的方式，无法根据列车实际运行情况动态地设置接近区段的长度，很大程度上影响了列车的运行效率，在列车因故障而降级运行时尤为明显。

目前国内研究人员对接近区段的设置进行了大量研究，卫和君[2]提出了高速铁路车站接近锁闭区段长度的计算模型，提出接近锁闭区段的长度要考虑最不利因素条件下列车的最大常用制动距离。张亮等[3]提出基于通信的列车控制系统(CBTC)的动态接近锁闭区段计算模型，由中心控制单元确定接近区段内的列车是否能在进路前方停车，如果能停车则不执行人工延时解锁，从而达到提高效率的目的。李启翮[4]研究了通过车载设备、无线闭塞中心(RBC)以及计算机联锁系统之间的相互协作缩短行车许可的方法，由车载设备判断列车是否能在进路信号机前方停车，由计算机联锁执行取消进路或者人工延时解锁命令。谢林[5]针对不同进路类型和不同站场布局，研究了接近区段延长的方法，有效避免列车冒进信号的风险。于晓泉[6]研究了400 km/h运营线路的接近锁闭设置方法，认为其接近区段长度至少为 18295 m。闫贝贝等[7]研究了CBTC 系统中接近锁闭区段长度的计算方法，分别计算了不同信号模式下列车所需接近区段的长度，验证了信号系统对接近区段长度的影响。马茂斐[8]研究了车载中心化列控系统下的进路控制方法，提出进路触发时机应考虑进路建立的最不利时间、列车当前速度、接近区段长度等信息，并提出了实现接车进路的使用效率最大化的动态位置触发方法。

既有研究着重于分析接近锁闭设置方法和列车运行速度之间的关系，缺少对固定接近锁闭方式影响行车效率问题的研究。本研究根据接近区段的设置要求提出了可变接近锁闭方法，根据车速、制动性能和列控等级合理设置接近锁闭区段长度和接车进路办理时机。列车与车站之间没有无线通信渠道，无法实现可变接近锁闭，研究提出了可变接近锁闭系统架构，并对系统工作流程进行介绍。最后，搭建了可变接近锁闭系统仿真平台，仿真验证可变接近锁闭方法在提高车站通过能力方面发挥的作用。

1 可变接近锁闭系统架构

现行固定接近锁闭方法是传统信号理念，是在当时的技术条件下制定的行车作业规则。由于没有无线通道，车地之间无法进行实时双向通信。列车速度、列控等级和制动性能参数无法发送到地面调度中心子系统。车站无法根据列车实际运行数据，动态计算办理进路的时机和接近区段的长度。CTCS-3 列控系统虽然具备GSM-R 无线通信，但目前仍无法实现列车和车站之间的直接双向通信。为解决此问题，提出了可变接近锁闭系统架构。可变接近锁闭系统架构如图1所示。

车载设备由卫星定位接收机、数据采集单元和无线通信设备构成，数据采集单元集中获取列车速度、位置、列控等级等列车状态信息，通过无线通信设备传输到骨干通信网络。调度中心子系统由列车信息采集器、调度中心应用服务器和调度电话等设备构成。列车信息采集器实时接收路网内运行列车的列车状态信息。车站子系统由联锁设备、车站分散自律机和可变接近锁闭应用服务器构成。可变接近锁闭应用服务器从骨干通信网络中获取列车状态信息和行车计划，并利用这些信息计算接近区段长度以及触发办理进路的时机。系统的工作流程如下。

（1）卫星定位接收机接收列车的位置、速度信息。

（2）车载数据采集单元获取列车的位置、速度、列控等级和牵引制动性能并以无线通信的方式发送给骨干通信网络。

（3）调度中心子系统接收到列车状态信息，将列车状态信息和列车行车计划通过骨干通信网络发送至对应车站。

（4）车站可变接近锁闭应用服务器从骨干通信网络获取到列车状态信息，同时根据调度中心子系统给出的列车行车计划得到该列车的进路信息。

（5）可变接近锁闭应用服务器根据进路和列车信息，计算列车是否满足可变接近锁闭规则。

（6）在列车满足可变接近锁闭的情况下，服务器向车站分散自律机发送办理进路指令，并设定此列车的接近区段。

2 可变接近锁闭方法研究

接近锁闭区段的长度应保证按设计速度行驶的列车采用最大常用制动后，停于防护该进路的信号机外方。固定接近锁闭方法按照线路允许的最高速度设置接近区段长度和进路办理时机，C3 线路接近区段长度设置为进站信号机外方8 个闭塞分区，提前15个闭塞分区或者提前9 min为列车办理接车进路。固定接近锁闭方法严格保证了列车运行安全，但是对于不同速度等级列车混行的线路和未经过提速认证的线路，列车运行速度远未达到线路设计的最高速度，在这种情况下采用固定接近锁闭方法会导致列车提前占用车站资源，降低车站通过能力。可变接近锁闭方法以列车实际车速、列控等级和制动能力为输入，计算列车实际需要的接近区段长度和推迟接车进路办理时机，减少车站资源的占用时间。具体分为接近区段计算方法和接车进路办理时机2个部分。

2.1 接近区段长度计算方法

可变接近区段长度计算模型中，接近区段的长度是由列车实际车速、列控等级和列车牵引制动性能决定的。可变接近区段组成如图2所示。

图2 可变接近区段组成Fig.2 Composition of variable approach sections

式中：Lj表示可变接近区段长度，m；Lck表示制动信息传输过程和司机反应过程中列车的走行距离，m；Lb表示列车制动距离，m；Ls表示安全防护距离[9]，m。

结合列车牵引计算方法，可变接近锁闭区段的长度计算公式如下。

式中：v表示列车当前速度，m/s；tc(n)表示移动授权命令传输耗时，s，与该列车的列控等级n有关；tk表示司机反应时间，s；vj和vj+1表示列车牵引计算过程每个时间步开始和结束时的列车速度，m/s；c(vj)表示列车制动过程的等效平均加速度，m/s2，与列车实时速度有关；g为重力加速度，m/s2；r为旋转质量系数。

2.2 接车进路办理时机

车站办理接车进路的触发模式分为时间触发模式和空间触发模式。这里采用空间触发模式，列车运行到指定位置自动触发办理接车进路的命令。接近区段的长度与进路办理时机存在直接关系，进路办理的最佳时机是列车驶入接近区段时刚好办理完接车进路。提前办理进路会过度占用车站资源，迟后办理进路可能会引发安全问题。

式中：Lc表示触发进路办理所需的距离，m，这个距离必须要能划分成整数个闭塞分区；Lhr表示车站办理进路时列车行走距离，m；Lbreak表示保证列车制动后能停在进站信号机外方的安全制动距离，m。

由于可变接近锁闭系统使用卫星定位，能实现对列车位置的精确定位而不是仅仅定位到占用的轨道区段[10]，因而在可变接近锁闭系统中公式⑶演变为公式⑷。

式中：Lcv表示触发进路办理所需的距离，m；Lhr表示车站办理进路时列车行走距离，m；Ljx表示可变接近锁闭区段长度，m。

在计算Lhr时需要考虑每个信息交互环节的最大延时以保证行车安全[10]。

3 仿真测试

根据实际运行情况设置接近锁闭区段长度和接车进路办理时机能有效减少车站资源的占用时间，提高车站通过能力。研究搭建了可变接近锁闭系统仿真平台，计算分别使用可变接近锁闭方法和固定接近锁闭方法的情况下，仿真车站的车站通过能力。

采用可变接近锁闭方法可根据列车实际速度动态设置进路办理时机。闭塞时间对比如图3 所示，一个闭塞分区的占用时间可以分为准备时间、反应时间、接近时间、运行时间、出清时间和关闭时间6 个部分。为方便计算，假设车站咽喉区与到发线采用一体化运用策略，即列车停稳在股道后咽喉区与到发线同时解锁，则接车进路的占用时间可表述为公式⑸。

式中：Tbl表示接车进路的占用总时间，即闭塞时间，s；Tbul表示准备时间，即进路建立所需要的时间，s；Tres表示司机的反应时间，s；Tap表示接近时间，即列车行驶到进站信号机前的时间，s；Tru表示运行时间，即列车在进路中行驶消耗的时间，s；Tcle表示出清时间，即系统出清进路用时，s；Tclo表示关闭时间，即系统解锁进路用时，s。

对于低速运行的列车，采用可变接近锁闭方法能适当推迟进路办理的时间，反映在接车进路的闭塞时间中表现为减少了接近时间。

3.1 仿真平台

系统仿真平台分为外部文件读取、接近区段长度计算、办理进路耗时计算及进路办理期间列车走行距离计算、可变接近锁闭判断逻辑、文件输出和用户界面显示6个部分。

（1）外部文件读取。该部分需分别读入时刻表信息文件、列车基本信息文件、列车位置和速度信息文件和进路数据文件，获取列车位置、速度、列控等级、到站时间、接车股道、车次号、列车型号、列车制动能力和接车进路道岔信息。

（2）接近区段长度计算。根据列车制动能力、列控等级、列车位置和速度计算列车当前的制动距离。该距离包含列车本身的制动距离、安全距离和移动授权命令传输及司机反应期间列车的走行距离。

（3）办理进路耗时计算及进路办理期间列车走行距离的计算。根据时刻表和进路数据计算进路办理耗时。根据时刻表信息搜索列车的接车进路，根据进路数据查找办理该进路需要搬动的道岔个数。进路办理耗时为进路办理命令传输和道岔转动耗时的时间之和，进路办理耗时乘以车速得到进路办理期间列车的走行距离。

（4）可变接近锁闭判断逻辑。根据上述3 步计算的结果，判断当前列车是否满足可变接近锁闭条件。判断逻辑在软件中的实现过程：设列车当前位置与前方车站的距离为Dt，接近区段长度和办理进路期间列车走行距离之和为Dj。如果Dt-Dj∈(0，500)，则列车满足可变接近锁闭条件。

（5）文件输出。列车满足可变接近锁闭条件时，软件输出可变接近区段计算结果文件，通知车站分散自律机办理接车进路以及设定接近区段。

（6）用户界面显示。用户界面实时显示可变接近区段计算结果，可变接近锁闭系统界面如图4所示。

3.2 仿真验证

仿真某车站，车站平面布置图如图5 所示。车站设有6 条到发线，上行方向咽喉区道岔组由4，6，10，12 号道岔组成，下行方向咽喉区道岔组由1，7，9，11 号道岔组成。线路设计最高运行速度为350 km/h，车站一昼夜接发列车144 列。按照现有接近锁闭设计原则，仿真车站的接近区段由进站信号机外方前8个闭塞分区组成，长度为 13948 m，接车进路办理的触发时机在第15 个闭塞分区，距离进站信号机 26900 m。

图5 车站平面布置图Fig.5 Station layout

采用可变接近区段计算方法可得到不同车型、不同列控等级的列车接近区段长度，可变接近锁闭列车接近区段长度如表1 所示。其中，CTCS-3 级列控系统中列车制动命令传输的时间为26.8 s，CTCS-2 级列控系统中列车制动命令传输的时间为12.6 s，司机反应时间取1.5 s[11]。

表1 可变接近锁闭列车接近区段长度Tab.1 Length of variable approach locking sections

办理进路过程中列车走行距离如表2 所示，展示了不同速度的列车接车进路空间触发办理时机。从CTC 下达办理接车进路命令开始到车载ATP 收到进路开放命令为止，CTCS-3 级列控系统需要28.8 s外加办理进路时道岔动作时间；CTCS-2级列控系统需要17.6 s 外加办理进路时道岔动作时间。道岔动作时间需要根据进路的不同分别计算。为简化计算过程，假设每个道岔转换的时间均为17.5 s。根据表2可知，对于时速250 km的列车，其接车进路空间触发办理距离最短为 9061.0 m(办理进路需转动3 个道岔)，最长为 10276.2 m(办理进路需转动4 个道岔)，远小于现有固定接近锁闭方法的空间触发办理距离[12]。

表2 办理进路过程中列车走行距离Tab.2 Train travel distance during route handling

目前，高速铁路车站通过能力主要还是沿用普通铁路车站通过能力的定义，即车站通过能力指在现有的设备条件下，车站在一昼夜时间内所能接发的列车数。车站通过能力包括咽喉区通过能力和到发线通过能力。但高速铁路车站技术作业与普速铁路有很大区别，因此在计算通过能力时，要充分考虑高速铁路车站技术作业的以下特点[13-14]。

（1）高速铁路车站作业种类单一、车站接发列车种类单一。与既有普速铁路相比，高速铁路车站通常只办理接发和通过列车作业、车站只承担旅客运输业务，不需要进行摘挂和编组等作业。

（2）作业任务时间短。在客流较少的小型高速铁路中间站中，列车停留时间标准为2～5 min。

（3）列车开行不均衡。高速铁路列车开行具有不均衡的特性，存在接发列车的高峰时段。高峰时段是限制车站通过能力的重要因素。

因此，通过能力计算公式如下[15]。

式中：N表示车站通过能力，列；K表示通过能力利用率；T表示一昼夜全部作业占用设备总时间，min；T高峰表示车站接发列车作业高峰持续时间，min；∑t固表示车站固定作业总时间，min；γ为空费系数；n固表示一昼夜固定作业占用设备次数，次；n表示设备一昼夜占用次数，次。

由于高速铁路车站不进行编组和摘挂等作业，因而车站固定作业总时间取0。

传统接近锁闭咽喉区通过能力如表3所示，可变接近锁闭咽喉区通过能力如表4 所示。空费系数取值范围为0.1～0.2，在这里取0.2。从表3、表4 中可以看出，采用可变接近锁闭方法后，车站上行方向咽喉区通过能力提高了85 列，下行方向咽喉区通过能力提高了65列。

表3 传统接近锁闭咽喉区通过能力Tab.3 Passing capacity of throat area using traditional approach locking method

表4 可变接近锁闭咽喉区通过能力Tab.4 Passing capacity of throat area using variable approach locking method

传统接近锁闭到发线通过能力如表5所示，可变接近锁闭到发线通过能力如表6所示。为简化计算，设列车越过进站信号机到股道停车的走行时间为2 min，列车从股道发车到越过出站信号机的走行时间为2 min，列车在到发线的停车时长为2 min。空费系数取值范围为0.25～0.35，在这里取0.35。计算结果表明，采用可变接近锁闭方法后，车站上行方向到发线通过能力提高了32 列，下行方向到发线通过能力提高了24列。

表5 传统接近锁闭到发线通过能力Tab.5 Arrival-departure passing capacity using traditional approach locking method

表6 可变接近锁闭到发线通过能力Tab.6 Arrival-departure passing capacity using variable approach locking method

以上行方向4 股道接车为例对比不同速度占比情况下采用可变接近锁闭方法节省接车进路闭塞时间，节省时间变化图如图6 所示。从图6 变化趋势可以看出，同一进路在一昼夜内服务的低速列车越多，采用可变接近锁闭方法后该进路占用时间越短。

4 结束语

研究提出了一种可变接近锁闭方法，根据列车实际速度和列控等级，动态计算接近区段的长度，并针对不同运营等级的列车采用个性化的进路办理时机。仿真测试表明，在相同的站场布置和行车计划的情况下，采用可变接近锁闭方法能有效提高车站通过能力，其中咽喉区通过能力最大提高了85列，到发线通过能力最大提高了32 列。研究在理论上证明了可变接近锁闭方法在提高车站通过能力方面发挥的作用，在实际应用中，可变接近锁闭涉及对车载设备、调度集中、联锁等信号设备的改造，其可靠性及安全性等需要进一步研究。