京沪高速铁路与日本新干线列车追踪间隔时间对比研究

Comparative Study on Train Tracking Intervals Between Beijing-Shanghai High Speed Railway and Japan’s Shinkansen

摘要

日本新干线列车追踪间隔时间可实现3 min，而京沪高速铁路列车追踪间隔相比日本新干线较大，仍有进一步优化的空间，京沪高速铁路只能实现连续3列车4 min追踪，且是特定股道，目前京沪高速铁路通过能力已近饱和。通过京沪高速铁路与日本新干线列车追踪间隔时间、动车组牵引和制动及其他技术参数对比分析，可知：京沪高速铁路站场咽喉区较长，是制约列车追踪间隔时间的主要因素。经过仿真测算，以300 km/h动车组列车为例，咽喉区长度每增加100 m，出发追踪间隔时间增加2 s；到达追踪间隔时间增加4.5 s。在咽喉区物理长度已无法进行优化的前提下，可以通过增加或启用进路信号机、优化CTC系统进路办理时机、提升道岔通过速度、优化股道运用等方式，缩短咽喉区的逻辑长度。

Abstract

Japan’s Shinkansen can achieve a train tracking interval of 3 minutes. In contrast, the tracking interval of trains on the Beijing-Shanghai High Speed Railway (BJ-SH HSR) is relatively larger than that of the Shinkansen, leaving room for further optimization. Currently, the BJ-SH HSR can only realize a 4-minute tracking interval for three consecutive trains under specific track conditions, and its throughput capacity is now nearly saturated. Through a comparative analysis of train tracking intervals, electric multiple unit (EMU) traction and braking performance, and other technical parameters between the two systems, it is found that the greater length of the station throat area at the BJ-SH HSR is the primary constraint on reducing train tracking intervals. Simulation calculations indicate that by taking the 300 km/h EMU train as an example, each 100-meter increase in the throat area length leads to a 2-second extension of the departure tracking interval and a 4.5-second extension of the arrival tracking interval. Given that the physical length of the throat area can no longer be optimized, measures such as adding or activating route signals, optimizing the timing of route setting in the computerized train control (CTC) system, increasing the passing speed of turnouts, and improving track utilization can be adopted to reduce the logical length of the throat area.

Graphical abstract

关键词

通过能力 / 咽喉长度 / 运行图参数 / 到发线 / 动车组性能

Key words

Throughput Capacity / Throat Length / Train Working Diagram Parameter / Arrival and Departure Track / EMU Performance

0　引言

我国高速铁路运营里程和运营速度均达到了国际领先水平，与日本新干线相比，在追踪间隔时间方面，仍有进一步提升改进优化空间。目前我国350 km/h速度级高速铁路的设计标准均为追踪间隔时间可实现3 min，但实际铺画运行图时一般采取5 min的追踪间隔时间铺画，仅少部分线路部分股道连续3列车可实现4 min追踪，而日本新干线列车已实现3 min追踪，可见我国相比国外仍然存在进一步优化的可能。

在已有的研究成果中，辛亚江^[1]用软件仿真分析不同线路条件、不同列车制动性能和不同咽喉区长度下优化后的列车到达追踪间隔时间，结果表明该策略能有效缩短高速铁路列车到达追踪间隔时间。田长海等^[2]根据高速铁路CTCS-2/CTCS-3级列控系统和CTC的技术特点，遵循我国高速铁路行车组织规则，在不考虑延续进路条件下，分析确定高速列车追踪间隔时间的计算方法，提出计算公式中各参数的取值，检算我国高速铁路可实现的高速列车追踪间隔时间，分析影响高速列车追踪间隔时间的因素，并提出改进建议。张万强^[3]对于CTCS-2+ATO的市域铁路，考虑车务、机务、供电、电务、车辆及线路、坡度、道岔限速等影响因素，对市域铁路追踪间隔时间进行研究计算，为列车运行图编制提供支撑。张岳松等^[4]基于高速铁路一次连续速度模式曲线监控高速列车运行控车模式特点，综合考虑列车长度、运行速度、常用制动距离、安全防护距离、车站作业时间和闭塞分区长度等影响因素，借鉴普速铁路列车间隔时间的计算方法，给出高速铁路列车间隔时间(4种追踪间隔时间和7种车站间隔时间)的定义及其计算方法，为制定规范和统一的高速铁路列车间隔时间计算办法提供理论依据。孙怡平等^[5]通过理论分析法和仿真计算法计算出CR450型动车组在成渝中线上实现3 min追踪间隔时间所需的技术条件，以实现3 min追踪间隔时间为前提，采用控制单个变量的方法，计算出各影响因素的变化情况，对于成渝中线的参数设计提供支撑。张英贵等^[6]以某条地铁线作为案例，仿真计算出虚拟连挂城轨列车的追踪运行性能。胡楚璇等^[7]针对部分高速铁路车站道岔号码大造成的咽喉区较长的问题，对车站咽喉区道岔由18号全部或者部分改为12号道岔，对比分析可知，列车追踪间隔时间相比18号道岔会小幅度增加，但车站咽喉长度可分别缩短30.66%和13.40%。崔佳诺^[8]以高速铁路CTCS-2+ATO列控系统为基础，增加自动折返功能，证明提出的设计方案能够满足市域铁路3 min自动折返的要求。田长海等^[9]提出了高速铁路牵引计算仿真计算方法，根据计算结果可知，列车追踪间隔时间主要受列车出发追踪间隔时间和列车到达追踪间隔时间限制，旅客列车可以实现5 min追踪，表明采用LKJ速度连续控车模式对压缩列车追踪间隔时间、提高线路通过能力具有重要作用，按连续速度控制模式计算列车追踪间隔时间的方法是科学合理的。江明等^[10]定量分析各因素及其组合对不同列车追踪间隔时间的影响。杨晓等^[11]提出基于信号时间补偿的列车到达追踪间隔时间检算方法，并采用实例研究的方法，验证方法的有效性，以及车站股道运用对于列车追踪间隔时间的具体影响。安迪^[12]对400 km/h高速铁路进行仿真研究，计算不同影响因素下对于400 km/h高速铁路追踪间隔大小的影响。赵建勋^[13]以某条高速铁路线路为实例，结合线路相关参数，对列车及车站间隔时间进行计算，总结分析列车及车站间隔随车站的变化情况。Sangphong^[14]主要采用闭塞时间压缩的方式研究列车追踪间隔。Chang等^[15]结合闭塞时间，可以研究列车混行区段的基础设施利用情况，提出基于闭塞时间的利用率计算方法，并提出相应的改进措施。孙民^[16]运用全路机车和货车等统计数据，提出了线路区段通过能力和编组站各场别分方向到发能力的估算方法，为进一步开展能力约束下车流径路智能调整研究奠定了坚实基础。邹健康^[17]从乌西编组站角度系统分析车站到、发体系能力适应情况，优化车场分工方案，经分析实施效果，扩能策略可行且具有针对性，能有效提升车站到发系统作业能力。

现有的研究大多都只针对缩小追踪间隔时间方法的研究，而对国外先进国家追踪间隔时间较小的原因并未做针对性的总结分析，因此，基于我国高速铁路繁忙干线实现3 min追踪间隔时间的设计目标、运输组织达到世界领先水平，通过日本新干线与京沪高速铁路(北京南—上海虹桥)列车追踪间隔时间的对比分析，对当前我国高速铁路实际运营及设计中存在的问题进行系统梳理，以具有实际可操作性为目标，从线路及站场、动车组及列控系统等方面分析优化追踪间隔时间的可行性，进而提出优化京沪高速铁路追踪间隔时间的具体建议。

1　东京站高速场列车追踪间隔时间分析

以东京站为例，分析日本新干线的列车间隔时间。东京站有3个站场，分别是东北新干线车场(以下简称“东北场”)、东海道新干线车场(以下简称“东海道场”)和普速铁路车场。东京站高速场示意图如图1所示。

（1）东北场。根据2020年东北新干线时刻表年报，东北场每天开行始发终到列车391列，其中始发179列，终到212列。东北新干线列车最小追踪间隔时间4 min(个别时段为3 min，如21：16—21：19连续到达)，在高峰时段，组织列车按4 min间隔时间追踪运行，如10：00—11：00，最大发车密度单方向15列/h。东北场到发线仅有20，21，22，23共4股道，东京站东北场股道利用情况表如表1所示，每股道平均接发列车97.75列/d。

同一股道列车到达后立即折返的最短时间是12 min，相同股道的发到间隔时间I_{\mathrm{发到}}^{\mathrm{同}}最短可实现4 min，不同股道间到发间隔时间I_{\mathrm{到发}}^{\mathrm{不同}}=0，即可同时到发。

（2）东海道场。根据2020年东海道新干线时刻表年报，东海道场每天开行始发终到列车384列，其中始发191列，终到193列。东海道新干线列车最小追踪间隔时间3 min，早晚高峰时段，通常组织3或4列列车按最小间隔时间追踪运行，如9：00—10：00，到达15列，12：00—15：00，最大发车密度单方向14列/h。东海道场到发线仅有14，15，16，17，18，19共6股道，东京站东海道场股道利用情况表如表2所示，每股道平均接发列车64列。

列车最小折返时间t_{\mathrm{折返}}一般为16 min。相同股道的发到间隔时间I_{\mathrm{发到}}^{\mathrm{同}}最短可实现3 min(所有股道均可实现)，如16道，11：00出发1列，11：03到达1列；19道，12：53出发1列，12：56到达1列。不同股道间到发间隔时间I_{\mathrm{到发}}^{\mathrm{不同}}=0，即可同时到发。

2　京沪高速铁路列车追踪间隔时间分析

根据京沪高速铁路2024年第2季度运行图，列车出发追踪间隔时间最小为4 min、通过列车追踪间隔时间最小为3 min、到达追踪间隔时间最小为4 min。北京南站高速场、济南西站、徐州东站京沪场、南京南站京沪场、上海虹桥站高速场等京沪高速铁路主要车站(场)办理列车列数如表3所示。

对于下行方向，京沪高速铁路车站基本已实现到达和出发4 min追踪间隔时间的要求。尤其是北京南站、济南西站、徐州东站、南京南站以及上海虹桥站等车站，对于下行来说，北京南站出发追踪间隔时间已实现4 min，济南西站、徐州东站、南京南站到达和出发追踪间隔时间均实现4 min，上海虹桥站到达已实现4 min追踪间隔时间的要求。另外根据2017年京沪高速铁路列车追踪间隔运行试验测试报告可知，通过实测55321次、55327次北京南站出发追踪间隔时间为3 min 5 s，区间调速后天津南站、沧州西站、德州东站通过追踪间隔时间均小于3 min，济南西站到达追踪间隔时间为3 min 21 s。这也满足列车运行图4 min追踪间隔时间的铺画要求。55321次、55327次北京南—济南西间追踪间隔时间测试数据表如表4所示。

3　日本新干线与京沪高速铁路列车追踪间隔时间主要影响因素分析

3.1　动车组牵引和制动对比分析

（1）牵引性能分析。与日本新干线动车组牵引性能相比，我国高速铁路动车组起动加速度略低，起动加速度对比图如图2所示。300 km/h剩余加速度基本持平，300 km/h剩余加速度对比图如图3所示。

（2）制动性能分析。在制动性能方面，CRH380AL型动车组减速度曲线如图4所示。CR400AF型动车组(四方)减速度曲线如图5所示。日本新干线N700系与700系减速度曲线如图6所示。

在紧急制动方面，京沪高速铁路高速动车组的减速度参数均大于日本新干线动车组；最大常用制动：CR400AF减速度参数均大于日本新干线减速度参数；国内最大常用减速度最低的CRH380AL仅在100~150 km/h速度区段略低于日本新干线减速度参数。

3.2　站场规模及咽喉长度对比分析

北京南站高速场、济南西站、徐州东站京沪场、南京南站京沪场、上海虹桥站高速场，相比东京站东北场及东海道场，在到发线数量、咽喉长度、折返时间及追踪间隔时间方面有以下差异，京沪高速铁路车站与东京站站场规模及咽喉长度对比分析如表5所示。

根据对比可知以下几点。①我国高速列车作业时间标准，与日本新干线存在较大不同，特别是立即折返列车，日本新干线最短为12 min，而我国设计标准为20 min，在相同办理列数的情况下，我国高速铁路站场到发线数量至少是日本的1倍以上。②由于车站(场)到发线数量较多，为了满足站内正线与到发线的相互连通，势必需要更多的道岔进行连接，导致车站(场)咽喉区较长，增加了列车追踪间隔时间，影响列车接发效率，直接导致单位股道列车办理对数的减少。

以300 km/h动车组列车为例，咽喉长度按100 m增加，来测算不同咽喉区长度下列车出发追踪间隔时间如图7所示，不同咽喉区长度下列车到达追踪间隔时间如图8所示。

经过仿真测算，以300 km/h动车组列车为例，咽喉长度每增加100 m，出发追踪间隔时间增加2 s，到达追踪间隔时间增加4.5 s。

3.3　其他技术参数对比分析

对日本新干线和京沪高速铁路列车在起车附加时分、停车附加时分、咽喉区限速(侧向过岔速度)、道岔号码及道岔形式等方面进行对比，日本新干线与京沪高速铁路其他技术参数对比分析如表6所示。可知，日本新干线各种间隔计算附加时间均为30 s，小于京沪高速铁路附加作业时间。

4　京沪高速铁路追踪间隔时间优化措施分析

追踪间隔时间的影响因素归纳起来主要受2方面的影响，分别是基础设施和移动设备。在咽喉区物理长度已无法进行优化的前提下，可以通过增加或启用进路信号机、优化CTC系统进路办理时机、提升道岔通过速度、优化股道运用等方式，缩短咽喉区的逻辑长度。

（1）增加或者启用进路信号机。如北京南站利用发车进路信号机，前行列车出清车站(反向进站信号机)，后行列车即可出发；前行列车出清一离去，发车进路信号机开放；发车时，18号道岔区段限速75 km/h；列车运行到正线区段按允许速度(120 km/h)运行。该技术措施已在北京南站发车作业实现，接车作业未实现。北京南站进路信号机设置图如图9所示。

通过北京南站进路信号机的运用及实际测试，出发追踪间隔时间由原来的3 min 40 s，缩短至3 min 8 s。

（2）优化CTC系统进路办理时机。根据《调度集中场联进路办理三个事项细化规定》(工电函〔2018〕24号)，CTC轮询时间间隔由30 s改为6 s。按照此项优化措施，可压缩I_{\mathrm{到}}，I_{\mathrm{发}}，I_{\mathrm{通}}。该项措施已在沪杭高速铁路(上海东—杭州西)实现，京沪高速铁路在中国铁路上海局集团有限公司(以下简称“上海局集团公司”)管内大部分车站也已实现，仅少部分小站未改造完成。

（3）提升道岔通过速度。运用仿真方法测算，以南京南站为例，若道岔侧向限速为90 km/h，则出发追踪间隔时间缩短5 s、到达追踪间隔时间缩短8 s。其中道岔侧向限速对最小出发追踪间隔时间影响如图10所示，道岔侧向限速对最小到达追踪间隔时间影响如图11所示。

（4）股道运用方案优化。采用合理的股道运用方案能够有效地压缩列车到达追踪间隔时间，股道运用方案对列车到达追踪间隔时间影响如图12所示。

采用高速铁路运行数据采集系统实时采集京沪高速铁路上海虹桥站和南京南站到达追踪间隔时间，车站股道运用方案对列车到达追踪间隔时间影响如表7所示。

（5）进一步优化改进ATP制动模式曲线。前期中国国家铁路集团有限公司组织各ATP厂家就平坡和较小坡度的制动模式曲线做了不同程度的优化，对制动速度段划分也进行了一些优化，但不论是300T型，还是300S型和300H型，其计算模型的效率仍有一定的提升空间，需研究制定统一的制动参数选取标准和模式曲线计算模型，在保证安全制动距离和舒适度的前提下适度释放动车组的制动力，针对不同速度、不同坡度进行穷举，计算出最优制动速度段划分方法，得出最优监控模式曲线。

5　结论

通过对比分析京沪高速铁路与日本新干线在列车追踪间隔时间、动车组牵引制动及其他技术参数方面的差异，得出结论如下。

（1）与日本新干线相比，京沪高速铁路列车追踪间隔时间、到发线运用效率均有一定的差距，主要原因是站场规模较大、咽喉较长，动车组牵引和制动参数虽持平，但列控效率较低。

（2）京沪高速铁路出发追踪间隔优化措施如下。①对于咽喉区较长且有条件的车站，在出发咽喉区中部设置进路信号机；②允许前车出发后出清反向进站信号机即办理后车发车进路；③提高道岔限速，达到少量的出发追踪间隔时间压缩效果。

（3）京沪高速铁路到达追踪间隔优化措施如下。①通过速度优化控制，缩短到达间隔时间，实现区间追踪间隔与到达追踪间隔的协同优化，从而达到到达追踪间隔时间压缩效果；②通过到发线运用方案优化，充分利用进路分段解锁特征，使前后车不同的停靠股道所对应的咽喉进路尽量提前解锁，可一定程度上压缩到达追踪间隔时间。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2024YJ151)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2024X031(JB))