高速铁路车站道岔选型对咽喉长度及追踪间隔的影响

Influence of Turnout Type Selection on Throat Length and Headway of High-Speed Railway Station

摘要

针对高速铁路车站采用大号码道岔造成的咽喉长度过长、列车走行距离远等问题，在明确车站咽喉长度和列车间隔时间计算方法的基础上，依托某尽端式高铁车站进行仿真计算，先设计不同道岔选型优化方案，再探究道岔选型、列车进站前速度和第一离去闭塞分区（简称“一离去”）长度对车站咽喉长度及列车间隔时间的影响。结果表明：若车站全部或部分采用12号道岔，与全部采用18号道岔相比，尽管列车追踪间隔时间会小幅增加，但车站咽喉长度可分别缩短30.66%和13.40%；在站外线路受到一定地形条件制约的情况下，若全部采用12号道岔时列车区间限行速度为260 km · h^-1、部分采用12号道岔时限行速度为280 km · h^-1，则可同时压缩车站咽喉长度与到达追踪间隔；若全部采用12号道岔时限制一离去的无岔区长度不超过1 000 m，部分采用12号道岔时限制长度不超过1 400 m，则可同时压缩车站咽喉长度与出发追踪间隔。

Abstract

Aiming at problems such as extra-long throat length and long train running distances caused by the use of large number turnouts in high-speed railway stations, based on the clear calculation method of the station throat length and train headway time, simulation calculations were carried out relying on a certain end type high-speed railway station. Firstly, optimization schemes of different turnout type selection were designed, and then the effects of turnout type selection, train speed before entering the station, and the length of the first departure block track section (short for "one departure") on station throat length and headway time were explored. The results showed that if all or part of No.12 turnouts were used in the station, the station throat length could be shortened by 30.66% and 13.40% respectively, although the headway time of trains would slightly increase compared with that of No.18 turnouts. Under the condition that the line outside the station was restricted by certain terrain conditions, the limited speed of train interval was 260 km · h^-1 when all of No.12 turnouts were used. The limited speed was 280 km · h^-1 when part of No.12 turnouts were used, then the length of the station throat and the arrival headway could be compressed simultaneously. If all of No.12 turnouts were used to limit the length of the no-switch area in one departure to no more than 1 000 m and part of No.12 turnouts were used to limit the length to no more than 1 400 m, the station throat length and departure headway time could be compressed simultaneously.

Graphical abstract

我国已建立起适用于高速铁路、城际铁路等客运专线、客货共线、重载铁路等不同等级铁路的道岔类型标准，包括6号对称、7号三开以及9，12，18，42和62号单开标准系列道岔等^［1］。目前，我国高速铁路车站选用的道岔通常为18号及以上大号码道岔。18号道岔的侧向允许通过速度可达80 km · h^-1，较高的通过速度能够允许列车更加平稳地通过道岔，在满足最小追踪间隔的基础上，提高了车站的列车到发或转线作业效率以及乘客的舒适度。但与小号码道岔相比，大号码道岔长度长，铺设、调试及维修作业难度大，使得车站咽喉区明显加长，列车在进出站时需要走行更远的距离。尤其对于不办理列车通过作业的尽端式车站，列车在站内的运行速度常处于较低水平，在经过道岔时可能低于道岔侧向允许通过速度。此时，较长的咽喉区长度使列车到发作业时间增加，制约了车站工作效率。因此，对于此类不办理通过作业的车站，在满足车站通过能力的条件下，可考虑采用小号码道岔（如12号道岔），以缩短车站咽喉区及站坪长度，提高列车作业效率。

列车运行间隔是高速铁路通过能力计算的重要因素。张岳松等^［2］、田长海等^［3］对高速列车追踪间隔的计算方法做出了系统的阐释说明。为准确计算追踪间隔时间，陈雷^［4］、马宇航^［5］通过分析列车受力提出了列车牵引仿真模型。Zhou等^［6］提出了列车逐秒运动轨迹和离散化时间的统一建模框架，可以更好地处理求解运动微分方程时的非线性问题。Fu等^［7］建立了列车追踪间隔动态控制模型，设计了启发式算法降低了列车运行延误，并保证了列车之间的安全距离。侯黎明等^［8］在仿真算例中通过减小闭塞分区长度和咽喉区长度、增加道岔侧向限速等优化措施实现了追踪间隔3 min的目标。杨晓^［9］用Opentrack软件仿真论证了咽喉长、一离去长度及过岔速度对追踪间隔的影响，提出了缩小列车间隔的建议。高国隆等^［10］提出了长大下坡道下的高速铁路闭塞分区布置模型，有效地缩短了列车区间追踪间隔与运行时分。Gill等^［11］以闭塞分区布局和速度目标值最优为目标，设计了启发式梯度算法进行求解。贺广宇等^［12］通过提出多种列控车载设备制动曲线优化的方案，提升了咽喉区通过能力利用率。鲁工圆等^［13-15］分别提出在接近车站的闭塞分区向地面应答器写入限速命令控制列车速度、为列车开放预发车信号以及准移动闭塞条件下的列车运行时空轨迹优化三种方法以压缩列车间隔时间。TAKAGI^［16］在移动闭塞的基础上提出了列车启停同步策略以压缩追踪间隔时间。除列车间隔时间外，道岔选型对铁路车站通过能力也有显著的影响。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》^［17］指出，高速铁路车站正线道岔及侧向接发动车组列车的到发线上道岔应采用18号。困难条件下，绝大多数列车均停站的个别车站可采用12号。魏玉光等^［18］计算了不同道岔类型与列车牵引质量下的重载铁路车站通过能力，分别对重载单、双线车站提出了道岔型号选取的建议。朱长青等^［19］通过综合对比分析提出城际铁路车站采用12号道岔比18号道岔在平纵断面设计上更具优势。李潇^［20］分析了不同的道岔选型、咽喉长度以及侧向速度等对高速列车间隔时间的影响，提出采用18号道岔并在列车进站前限速可压缩到达间隔。

在国内外现有研究中，从道岔选型角度出发并探究高速铁路车站通过能力的研究较少。本文主要从道岔选型的角度，研究尽端式高速铁路车站采用不同型号道岔对车站咽喉长度及追踪间隔的影响，探究道岔选型与列车进站前运行速度、一离去长度对出发间隔时间的影响，论证得出较优的道岔选型优化方案。

1 尽端式车站间隔时间计算方法

高速铁路车站的通过能力主要通过列车在车站的间隔时间来体现，该时间指标一方面会受到列车走行距离的影响，另一方面也会受到列车速度的影响。计算车站间隔时间时，需要先计算车站咽喉长度，再确定列车进、出站的时间。

为缩短咽喉长度，节省工程投资并减小不同方案间因道岔分布对咽喉长度产生的影响，应在保证平稳安全行车的前提下使站内道岔紧凑排列，按照最小岔心距推算咽喉长度。由于列车进出站过程中速度是变化的，很难简单地确定一个平均速度来计算列车的进出站时间。对列车的进出站过程进行仿真是确定列车进出站时间的常用方法。仿真计算时，可以忽略列车内部受力，将列车看作一个质点，此时列车整体受到的力包括牵引力、阻力和制动力，其中牵引和制动力可以根据动车组的牵引制动曲线得到^［22］，阻力可以用经验公式求解^［23］。

对于区段内规模较小的中间站、越行站来说，因站内股道数量少，咽喉短，更换小号码道岔压缩咽喉长度有限。限于篇幅，本文以尽端式车站作为主要研究对象。

1.1　咽喉长度计算

作为影响车站通过能力的关键区域，车站咽喉的长度决定了列车进出站的走行距离。车站咽喉越长，列车走行距离越长，则可能导致列车在车站的间隔时间越长。咽喉长度与不仅与道岔类型有关，还与两相邻道岔间的最小岔心距及道岔配列形式有关。车站站内道岔可能涉及多种配列方式^［21］‎，如基线异侧对向（顺向）布置、基线同侧对向（顺向）布置、基线异侧辙叉尾部相对布置等。若相邻道岔采用对向布置，则最小岔心距为两组道岔基本轨起点至道岔中心的距离、插入直线段长及轨缝长度之和；若相邻道岔采用顺向布置，则最小岔心距应为第1组道岔辙叉跟端至道岔中心的距离、第2组道岔基本轨起点至道岔中心的距离、插入直线段长及轨缝长度之和；其他情况下，最小岔心距取决于相邻线路的最小容许间距。

定义车站咽喉长度为最内方出站信号机与最外方反向进站信号机之间的距离^［3］。为便于表示道岔位置，将其简化为岔心位置，并以位于该站最外方的岔心为原点，沿该站线路方向建立一维坐标系，用x表示坐标系中各点的坐标值。若岔心至基本轨始端的距离为a，则该最外方道岔的基本轨始端坐标为-a。由于进站信号机需设于距离车站最外方道岔基本轨始端至少50 m远的位置，因此可得到最外端反向进站信号机的坐标x_{\mathrm{S}\mathrm{N}}=-(\mathrm{50}+a)。

按照道岔紧凑排列的原则依次计算各岔心坐标值，由最内方道岔坐标值得到最内方出站信号机的坐标x_{X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}，故咽喉长度L_{\mathrm{咽}}为

L_{\mathrm{咽}}=x_{X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}-x_{\mathrm{S}\mathrm{N}}=x_{X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}+\mathrm{50}+a（1）

根据以上计算方法可以得出各种道岔选型及布局下车站的咽喉长度。在此基础上，结合列车运动仿真试验，即可得到车站的各项列车间隔时间。

1.2　尽端式车站列车间隔时间

若某一高速铁路车站为尽端式车站，只办理到达作业与出发作业，不办理列车通过作业，则会对车站通过能力产生影响的列车间隔时间有追踪间隔时间（出发追踪间隔时间I_发与到达追踪间隔时间I_到）和列车在车站的间隔时间（敌对进路相对方向列车不同时到发间隔时间τ_敌到发与敌对进路相对方向列车不同时发到间隔时间τ_敌发到）。一般来说，在其他因素不变的条件下，咽喉区长度越长或列车进出站过程中运行速度越低，车站间隔时间越长、车站通过能力越低。因τ_敌到发只在进路有交叉时存在且与车站作业流程相关，车站咽喉布局方式对其无显著影响，在此不做讨论。

1）I_发

I_发是车站向出站方向发出一列车时起，至该站向同一方向再发出另一列车时止的最小间隔时间，包括前行列车从车站出发至出清一离去时间和办理后行列车出发作业时间^［3］。计算I_发所需的出发追踪最小间隔距离如图1所示。图中：L_列为列车长度，m；L_标为列车停车标与出站信号机间的距离，m；L_闭为出站信号机与区间第1个通过信号机间的距离，m；L_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{出发}}为车站办理列车出发作业期间前行出发列车的走行距离，m；L_发为在出发追踪间隔时间内前行列车的走行距离，m；G1和G3分别表示前行列车与后行列车。

由图1得到I_发的计算式为

I_{\mathrm{发}}=\mathrm{3.6}\times \frac{L_{\mathrm{列}}+L_{\mathrm{标}}+L_{\mathrm{闭}}}{v_{\mathrm{出站}}}+t_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{出发}}（2）

式中：I_发为同方向列车出发追踪间隔时间，s；v_出站为列车出站过程中的运行速度，km · h^-1；t_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{出发}}为车站办理列车出发作业的时间，s。

2）I_到

I_到是自前行列车到达车站时起，至后行列车从相同方向到达该车站时止的最小间隔时间，包括办理后行列车到达作业的时间和后行列车减速至站内限速进站停车的时间^［3］。计算I_到所需的到达追踪最小间隔距离如图2所示。图中：L_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{到达}}为车站办理列车出到达作业期间后行到达列车的走行距离，m；L_制为根据列控车载设备的制动减速度得到的列车制动距离，m；L_防为安全防护距离，m；L_咽为车站咽喉区长度，m；L_到为在到达追踪间隔时间内后行列车的走行距离，m。

由图2得到I_到的计算式为

I_{\mathrm{到}}=\mathrm{3.6}\times \frac{L_{\mathrm{制}}+L_{\mathrm{防}}+L_{\mathrm{咽}}+L_{\mathrm{列}}}{v_{\mathrm{到站}}}+t_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{到达}}（3）

式中：I_到为列车到达追踪间隔，s；v_到站为列车到站过程中的运行速度，km · h^-1；t_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{到达}}为车站办理列车到达作业的时间，s。

3）τ_敌发到

当车站存在敌对进路时，τ_敌发到是指自车站发出一列车时起，至对向的一列车到达该车站时止的最小间隔时间，包括出发列车出清车站的时间、车站办理列车到达作业的时间以及到达列车减速进站停车的时间^［2］。因此其计算式为

{\tau }_{\mathrm{敌发}\mathrm{到}}=t_{\mathrm{出清}}^{\mathrm{车站}}+I_{\mathrm{到}}（4）

式中：τ_敌发到为列车到发间隔时间，s；t_{\mathrm{出清}}^{\mathrm{车站}}为列车从车站出发到出清车站的时间，s。

2 案例分析

以某尽端式高铁车站的高速场为例分析道岔选型方案。该高速场规模为6台12线，咽喉区道岔均选取18号道岔，其站场平面示意图如下图3所示。图中：1—12表示站内线路；206—256表示道岔编号；X1—X12表示出站信号机编号；S表示进站信号机；SN表示最外方反向进站信号机；小括号内为站台长×宽×高尺寸。

取该站安全防护距离L_防为60 m，办理列车到达作业、列车出发作业所需时间t_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{到达}}和t_{\mathrm{作业}}^{\mathrm{出发}}分别为40和51 s。该站采用的18号单开道岔直向、侧向允许通过速度分别为350 和80 km · h^-1。目前我国同一速度等级的动车组的牵引制动特性区别不大，追踪间隔大致相同，因此设线上运行的动车组为CRH380BL型，采用16辆编组，编组方式为8动8拖；车体总长度L_列为399.27 m。当列车在区间内以300 km · h^-1的速度限速运行时，在4N级常用制动模式下的制动距离L_制为8 011.35 m，制动时间为182.30 s，列车停车标至出站信号机的距离L_标为65 m。

假设列车按300 km · h^-1的限制速度在线路区间内运行，在进站前开始制动，到达车站进站信号机处减速至道岔侧向允许通过速度，并保持该速度通过咽喉区，整列车进入对应线路后减速停车；出站时，先加速至道岔允许通过速度，待整列车离开反向进站信号机后继续加速，直至出清一离去时开放后行列车的出站信号，再进行后行列车的出发作业。

2.1　道岔选型优化方案设计

12号单开道岔的各项尺寸（如道岔始端至道岔中心距离、道岔中心至道岔跟端距离）均小于18号单开道岔，而使用小号码道岔可压缩相邻道岔间的最小岔心距，使其呈现更加紧凑的排列。站内设置道岔的型号不同，则列车进、出站过程中产生的允许通过速度不同。如18号道岔的侧向允许通过速度为80 km · h^-1，即仿真过程中列车运行速度保持在78 km · h^-1（留出2 km · h^-1安全余量）；12号道岔的侧向允许通过速度为50 km · h^-1，即仿真过程中列车运行速度保持在48 km · h^-1。显然12号道岔的侧向允许通过速度低于18号道岔，这会导致列车进出站走行时间有所增加。

考虑到列车在尽端式车站无通过作业且进出站速度较低，采用小号道岔导致的速度降低可能不会引起追踪间隔的明显增加；而采用小号道岔能够压缩车站咽喉长度、缩短列车站内走行距离，在一定程度上压缩了追踪间隔。基于压缩咽喉长度的原则，在车站咽喉区道岔全部为18号（原方案）的基础上，提出如下2种道岔选型优化方案。

（1）方案1：将站内18号道岔均更改为12号道岔。该方案虽能通过压缩咽喉长度的形式压缩追踪间隔，但所有道岔均设为12号后，会降低所有进出站列车的运行速度。

（2）方案2：令部分道岔如256，254，252，250，244，206，248和216仍保留使用18号道岔，站内其他道岔更换采用12号道岔，如图4所示。该方案在靠近正线且进路交叉较多的位置使用18号道岔，能够保证部分股道快速接发列车，适当提高了该区域的限制速度，增加了车站股道运用的灵活性。

在不改变原方案道岔位置及布局的前提下，计算得到原方案、方案1和方案2共3种方案下的咽喉长度依次为1 128.56，782.50和977.31 m；相比原方案，方案1与方案2分别将咽喉长度压缩了30.66%和13.40%。

为寻找到能够综合优化车站咽喉长度与追踪间隔时间的合理优化措施，除了道岔选型之外，还需要考虑列车进站前运行速度、一离去长度对追踪间隔影响较为显著的因素。按照这一思路开展仿真实验，以3种影响因素为重点，在3种道岔选型方案及其对应咽喉长度的基础上，进一步计算不同条件下车站的追踪时间，分析多种因素对高铁车站通过能力的影响。

2.2　道岔选型对追踪时间的影响

对不同方案下车站的追踪间隔进行仿真计算。列车的追踪间隔应满足交叉进路最多的股道运用方案，因此以前车进入1号股道、后车进入2号股道计算到达间隔时间。此时两车共同进路较多，前车驶入股道后才能开放后车的进站信号。计算得到不同方案下的车站各项间隔时间见表1。

由表1可知：与原方案相比，方案1和方案2下的出发追踪间隔I_发分别增加10.98%，5.96%；到达追踪间隔I_到分别增加7.73%，3.99%；发到间隔时间τ_敌发到分别增加9.20%，6.07%；方案2部分保留了原方案中的18号道岔，列车能在站内达到较高的运行速度，故进出站时间更短，对原方案的车站间隔时间影响更小，该站宜采用方案2进行改造优化。

方案2在车站咽喉长度比原方案缩短13.40%的同时，出发追踪间隔I_发、到达追踪间隔I_到、发到间隔时间τ_敌发到分别增加5.96%，3.99%和6.07%。该方案在有效压缩车站咽喉长度、减少车站的用地面积的同时，通过在车站出站端保留部分大号码道岔的形式，避免了车站间隔时间的大幅波动，保证了车站作业效率。

2.3　进站前运行速度与道岔选型联合优化对间隔时间的影响

对于某些枢纽车站，其站外线路受到多方面的地形条件制约，列车可能在进站前提前减速，而这会对该站的列车间隔时间产生影响。不同运行速度对应的制动距离不同，通常运行速度越高，制动所需要的距离越长。而制动距离又是车站到达追踪间隔的决定因素之一，制动距离越短，列车在站外的走行距离越短。

根据列车进站前运行速度、制动距离、到达追踪间隔之间的影响关系，按原方案道岔选型，仿真计算得到列车进站前运行速度不同时的制动距离和对应到达间隔时间I_到见表2。

由表2可知：当列车进站前的运行速度从300 km · h^-1逐渐降低至200 km · h^-1，到达追踪间隔I_到从280.72 s压缩至211.71 s，减少了69.01 s；降低列车进站前的运行速度可有效压缩车站的到达追踪间隔，提高进站作业效率。

列车进站前的运行速度降低后，列车经过车站咽喉的运行速度也可适当降低。因此考虑对列车进站前的运行速度和车站的道岔选型进行联合优化。

设置不同的进站前运行速度，仿真得到3种方案下的车站I_到如图5所示。

由图5可以看出：运行速度相同时，方案1和方案2的到达追踪间隔均较原方案有所增加，但对列车进站前运行速度进行限制可以有效抵消该增量；如果改进方案令列车在进站前提前减速，即方案1限制列车运行速度不超过260 km · h^-1、方案2限制列车运行速度不超过280 km · h^-1，即可在压缩咽喉长度的同时达到缩短车站到达追踪间隔的目的。

2.4　一离去长度与道岔选型联合优化对间隔时间影响

列车从车站出发的过程中，前行列车出清一离去，车站即可为后行列车开放出站信号。一离去长度定义为车站出站信号机至区间第1个通过信号机之间的距离^［24］，该距离包括咽喉长度与一段可供列车停车的无岔区域。这段无岔区须至少满足列车以侧向道岔允许速度制动到速度为0所需的距离。根据道岔类型，选用18号道岔时须满足列车在80 km · h^-1下的制动距离、选用12号道岔时须满足列车在50 km · h^-1下的制动距离，如按方案2同时使用18号与12号道岔，由于出站端以18号道岔为主，也应满足列车由80 km · h^-1制动到速度为0时的距离。仿真计算得不同侧向道岔允许速度下的列车制动距离如表3。

一离去由车站咽喉与无岔区组成。由于咽喉长主要取决于道岔选型，故此处主要通过改变一离去内的无岔区长度，探究一离去长度的不同取值对车站出发追踪间隔的影响。为使无岔区满足对应制动距离长度并保留一定安全距离，计算无岔区最小长度L_{\mathrm{无岔}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}为

L_{\mathrm{无岔}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}=L_{\mathrm{制}}+L_{\mathrm{防}}（5）

式中：L_制为相应道岔侧向允许速度下的列车制动距离，m；L_防为本站安全防护距离，取60 m。

在3种方案中，无岔区的初始设定长度均为1 950 m。将无岔区长度取为式（7）中得到的最小值，得到对应方案的I_发及其改进效果百分比见表4。

由表4可知：在一离去长度最小的情况下，车站出发追踪间隔I_发分别压缩了17.29%，22.30%和16.37%，缩短区段中无岔区长度，可有效压缩出发追踪间隔；此时3种方案的I_发均在3 min以内，能够达到《高速铁路设计规范》中提出的最小行车间隔目标。

考虑到车站设有18号道岔时的无岔区最小长度为558.85 m，仿真中将无岔区长度取值范围定在600~1 950 m，得到3种方案下的车站I_发如图6所示。

由图6可以看出：3种道岔选型方案下，出发追踪间隔I_发均随着一离去长度的减小而缩短，当一离去中无岔区长度取值相同时，采用小号码道岔会使I_发有所增加；在2种道岔改进方案中，适当缩短无岔区长度，即令方案1中无岔区长度不小于1 000 m、方案2中无岔区不小于1 400 m，则采用小号码道岔引起的I_发增量可被抵消，此时车站咽喉长度与出发追踪间隔I_发均可得到压缩；仿真时，按无岔区长度下限600 m计算得到3种道岔选型方案的出发追踪间隔均在3 min以内。

3 结 论

（1）针对某尽端式高铁车站高速场，在车站咽喉区全部采用18号道岔的原方案基础上，提出全部更换为12号道岔（方案1），以及靠近正线且进路交叉较多的位置使用18号道岔、其余更换为12号道岔（方案2）2种道岔选型优化方案。相比原方案，2种优化方案分别将车站咽喉长度缩短了30.66%和13.40%，与此同时出发追踪间隔I_发分别增加10.98%和5.96%，到达追踪间隔I_到分别增加7.73%和3.99%；发到间隔时间τ_敌发到分别增加9.20%和6.07%。

（2）对于站外线路受一定地形条件制约的车站，降低列车在进站前的运行速度可以有效压缩到达追踪时间，此时若方案1限制列车区间运行速度为260 km · h^-1、方案2限制列车区间运行速度为280 km · h^-1，则可同时压缩车站咽喉长度与到达追踪间隔。

（3）压缩车站一离去长度可显著缩短出发追踪间隔，若方案1限制一离去的无岔区长度不超过1 000 m，方案2限制不超过1 400 m，则可同时压缩车站咽喉长度与出发追踪间隔。

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