市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)制式比選及建議

成正波 劉華祥

(1.上海軌道交通無人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,200071,上海;2.卡斯柯信號有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，工程師)

市域(郊)鐵路具有高密度、通勤化、公交化的服務(wù)特性，以及距離長、速度快、服務(wù)范圍廣、站間距大等特點(diǎn)。其服務(wù)范圍、技術(shù)特征和運(yùn)輸組織特點(diǎn)均介于國家鐵路和常規(guī)地鐵(輕軌)之間。為增強(qiáng)城市對外輻射能力，市域(郊)鐵路要實(shí)現(xiàn)與國家鐵路干線的互聯(lián)互通。

1 現(xiàn)有信號系統(tǒng)

目前，我國軌道交通信號系統(tǒng)主要有國家鐵路的CTCS(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng))和地鐵的ATC(列車自動控制)系統(tǒng)。當(dāng)前已開通的市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)也主要來自于這兩大系統(tǒng)[1]，以及STCS(Suburban Train Control System，市域鐵路列車控制系統(tǒng))。

1.1 CTCS

CTCS主要有CTCS-2級和CTCS-3級列車運(yùn)行控制(以下簡為“列控”)系統(tǒng)。為滿足城際鐵路的公交化運(yùn)行需求，珠三角城際鐵路采用了CTCS-2+ATO(列車自動運(yùn)行)信號系統(tǒng)。

CTCS-2級信號系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計(jì)時(shí)速不高于250 km的線路，采用準(zhǔn)移動閉塞制式。其采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路來檢查列車占用情況，并向列車傳送列車運(yùn)行前方的空閑閉塞分區(qū)數(shù)或進(jìn)路信息；通過點(diǎn)式應(yīng)答器向車載設(shè)備傳送臨時(shí)限速、列車定位、線路參數(shù)等信息。地面可不設(shè)通過信號機(jī)，以ATP(列車自動保護(hù))車載信號設(shè)備的信號作為行車憑證。列控車載設(shè)備根據(jù)軌道電路和應(yīng)答器傳送的信息生成目標(biāo)-距離速度控制曲線來監(jiān)控列車運(yùn)行。

CTCS-2+ATO信號系統(tǒng)在CTCS-2級基礎(chǔ)上疊加了ATO系統(tǒng)，能滿足列車超速防護(hù)、列車自動運(yùn)行調(diào)整、列車自動駕駛、站臺精確定位停車、列車車門與站臺門防護(hù)及聯(lián)動控制、防淹門、站臺緊急關(guān)閉防護(hù)的需求。

CTCS-3級信號系統(tǒng)應(yīng)用于時(shí)速不高于350 km的線路，仍采用準(zhǔn)移動閉塞制式。其增加了RBC(無限閉塞中心)和GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng))設(shè)備。軌道電路僅用于檢查列車占用情況；應(yīng)答器用于列車定位，傳輸GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊及RBC切換等信息；地面RBC和車載設(shè)備通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)傳輸行車許可和線路數(shù)據(jù)等信息。CTCS-3級列控系統(tǒng)配合ZPW-2000系列無絕緣軌道電路提供的低頻信息，可自動向下兼容CTCS-2級列控系統(tǒng)。

CTCS-2和CTCS-2+ATO及CTCS-3目前已大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，這些系統(tǒng)較為成熟穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)市域(郊)鐵路與國家鐵路的跨線運(yùn)營及互聯(lián)互通。

1.2 ATC系統(tǒng)

地鐵ATC系統(tǒng)采用CBTC(基于通信的列車控制)方案，為移動閉塞制式。CBTC系統(tǒng)的控制精度高，后車可以追蹤到前車的尾部，最小行車間隔可達(dá)到90 s；CBTC系統(tǒng)的自動化程度非常高，可實(shí)現(xiàn)ATO乃至UTO(無人駕駛)，可使列車自動化等級達(dá)到GoA 4級。

CBTC系統(tǒng)采用車地?zé)o線通信傳輸方式，不僅可大量減少軌旁設(shè)備，而且可實(shí)現(xiàn)高精度的主動列車定位及車地之間的雙向?qū)崟r(shí)通信，具有更高的效率和靈活性。

1.3 STCS

STCS是一種充分借鑒國內(nèi)外類似項(xiàng)目的建設(shè)案例和經(jīng)驗(yàn)，以目前既有成熟列車控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以功能需求為導(dǎo)向構(gòu)建的兼容CTCS-2和CBTC的移動閉塞列車控制系統(tǒng)，具備以移動閉塞為基礎(chǔ)的高密度、公交化運(yùn)營能力，并能實(shí)現(xiàn)與CTCS-2線路的互通運(yùn)行。

2 市域(郊)鐵路功能需求分析

《關(guān)于促進(jìn)市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改基礎(chǔ)[2017]1173號)要求：市域(郊)鐵路在充分利用既有鐵路的基礎(chǔ)上，有序新建部分線路，優(yōu)化完善市域(郊)鐵路網(wǎng)絡(luò)；市域(郊)鐵路原則上應(yīng)采用公交化運(yùn)營模式。

2.1 互聯(lián)互通運(yùn)營需求

無論是新建線路，還是利用既有鐵路線改造的線路，市域(郊)鐵路內(nèi)部及其同國家鐵路、城際鐵路或其他市域(郊)鐵路均有互聯(lián)互通運(yùn)營的需求，其信號系統(tǒng)也必須滿足互聯(lián)互通的運(yùn)營需求。

2.2 公交化運(yùn)營需求

市域(郊)鐵路是連接新城及新市鎮(zhèn)的紐帶，肩負(fù)減輕城市交通壓力、構(gòu)建“公交-市域鐵路-鐵路出行”便捷出行鏈的重任，具有公交化運(yùn)營的服務(wù)特性。

為了實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營，市域(郊)鐵路還須具備自動駕駛、精確停車、自動開關(guān)門、聯(lián)動屏蔽門及安全門等ATO相關(guān)功能，既能為列車精確對標(biāo)停車及正確開門提供有力的技術(shù)保障，也能有效減輕司機(jī)和站臺客運(yùn)人員的勞動強(qiáng)度，提高自動化水平和運(yùn)營效率。

可見，市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)必須滿足公交化運(yùn)營的需求，具備ATO相關(guān)功能。

3 信號系統(tǒng)對功能需求的適應(yīng)性分析

3.1 信號系統(tǒng)對互聯(lián)互通及ATO功能的適應(yīng)性分析

不同信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通適應(yīng)性分析如表1所示。

表1 不同信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通適應(yīng)性分析

在中國鐵路總公司主導(dǎo)下，制定了CTCS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不同系統(tǒng)設(shè)備、不同車載設(shè)備及不同等級CTCS間的互聯(lián)互通要求。

地鐵CBTC系統(tǒng)目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。互聯(lián)互通型CBTC系統(tǒng)雖可實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商CBTC之間的互聯(lián)互通，卻不能滿足與CTCS互聯(lián)互通的要求。

CTCS-2+ATO系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)ATO相關(guān)功能。CTCS-2及CTCS-3均未能實(shí)現(xiàn)ATO相關(guān)功能。

根據(jù)互聯(lián)互通及ATO相關(guān)功能的要求，市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)應(yīng)采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)或能兼容CTCS-2+ATO的STCS。

3.2 信號系統(tǒng)對公交化運(yùn)營的適應(yīng)性分析

3.2.1 CTCS-2+ATO系統(tǒng)

CTCS-2+ATO系統(tǒng)的核心理念是區(qū)間自動閉塞追蹤運(yùn)行。CTCS-2+ATO系統(tǒng)通過調(diào)整閉塞分區(qū)的長度來優(yōu)化區(qū)間追蹤間隔，可使得最小區(qū)間追蹤間隔縮至3 min。CTCS-2+ATO系統(tǒng)的區(qū)間追蹤間隔取決于站臺區(qū)域追蹤間隔與折返區(qū)域追蹤間隔。

3.2.1.1 站臺區(qū)域追蹤間隔

站臺區(qū)域追蹤有兩種情況:①到通,當(dāng)車站存在配線時(shí)，前行列車到發(fā)線進(jìn)站停車，后行列車正線通過；②到到,當(dāng)車站沒有配線時(shí)，前行列車到發(fā)線進(jìn)站停車，后行列車到發(fā)線進(jìn)站停車。

與到通追蹤間隔相比，到到追蹤間隔需要多考慮停站時(shí)間及列車出清站臺的時(shí)間。因此，站臺區(qū)域追蹤間隔的最大值為到到追蹤間隔。

站臺區(qū)域追蹤間隔時(shí)間計(jì)算為:

t到到=(L制+L防+L進(jìn)站)/v到達(dá)+(L標(biāo)+L列)/v出發(fā)+t到達(dá)作業(yè)+t停站

1)

式中：

t到到——前后兩列車到達(dá)站臺的時(shí)間間隔；

L制——列車制動距離；

L防——安全防護(hù)距離；

L進(jìn)站——從進(jìn)站防護(hù)信號機(jī)至站臺停車點(diǎn)的距離；

v到達(dá)——列車到達(dá)進(jìn)站防護(hù)信號機(jī)干擾點(diǎn)時(shí)的運(yùn)行速度；

L標(biāo)——站臺停車后，列車車頭與出站信號機(jī)的距離；

L列——列車的車長；

v出發(fā)——列車出清(L標(biāo)與L列)的運(yùn)行速度；

t到達(dá)作業(yè)——列車到達(dá)時(shí)接車作業(yè)時(shí)間；

t停站——列車停站時(shí)間。

當(dāng)設(shè)計(jì)行車速度為160 km/h、t停站=40 s、t到達(dá)作業(yè)=16 s時(shí)，閉塞分區(qū)長度為800 m時(shí)，經(jīng)過牽引計(jì)算，t到達(dá)=103 s，t出發(fā)=42 s。由式(1)可得，t到到為201 s。

3.2.1.2 折返區(qū)域追蹤間隔

根據(jù)折返站的站型，折返區(qū)域追蹤間隔可按站前折返與站后折返兩種情況計(jì)算。站前折返的追蹤間隔往往大于站后折返的追蹤間隔，故本文僅分析站前折返的情況。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第6.1條與第6.5條的規(guī)定，采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)的線路在列車折返作業(yè)時(shí)需執(zhí)行相應(yīng)操作流程[2]。因此，列車在折返站的停站時(shí)間必須滿足完成規(guī)定操作流程的需要。珠三角廣惠城際鐵路為國內(nèi)已開通運(yùn)營的、且采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)的線路，根據(jù)該線路莞惠段(東莞—惠州段)的折返運(yùn)營數(shù)據(jù)，計(jì)算列車按照規(guī)定流程完成折返站從進(jìn)站停車至折返站起動發(fā)車所需的理論時(shí)間：在單司機(jī)配置下為335 s左右，在雙司機(jī)配置下為240 s左右。

上海市域鐵路嘉閔線的嘉定北站站型簡圖如圖1所示。

圖1 嘉閔線嘉定北站站型簡圖

嘉定北站的站前單折返追蹤間隔相關(guān)參數(shù)如表2所示，進(jìn)而可得嘉定北站的站前單折返追蹤間隔見表2。表3及表4為嘉定北站站前交替折返的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而可得嘉定北站的站前交替折返追蹤間隔如表5所示。

表2 嘉定北站站前單折返追蹤間隔

表3 嘉定北站CTCS2+ATO單司機(jī)站前交替折返追蹤間隔相關(guān)數(shù)據(jù)

分析正線與折返區(qū)域的追蹤間隔可知：終端站的折返間隔是整條線路公交化運(yùn)營能力的瓶頸點(diǎn)；在不固定乘客上下車站臺的情況下，采用現(xiàn)有CTCS-2+ATO系統(tǒng)時(shí)的列車最小追蹤間隔可達(dá)到221 s左右，能滿足較低的公交化運(yùn)營能力需求(運(yùn)行間隔大于4 min)。

3.2.2 STCS系統(tǒng)

STCS具備移動閉塞的追蹤能力，控制精度高，可使后車追蹤到前車的尾部，使正線最小追蹤間隔達(dá)90 s。采用STCS時(shí)，限制列車追蹤間隔的主要瓶頸點(diǎn)為列車折返能力。因此主要分析STCS下的站前折返能力。

表4 CTCS-2+ATO雙司機(jī)站前交替折返追蹤間隔相關(guān)數(shù)據(jù)

表5 嘉定北站站前交替折返追蹤間隔

同樣以圖1嘉定北折返站為例，在STCS移動閉塞下的折返能力如表6～8所示。

通過分析表6、表7及表8的STCS追蹤間隔可知：終端站的折返間隔是整條線路公交化運(yùn)營能力的瓶頸點(diǎn)；在固定乘客上下車站臺的情況下，列車最小追蹤間隔可達(dá)約180 s，能滿足較高的公交化運(yùn)營能力需求(運(yùn)行間隔小于3 min)。

表6 移動閉塞站前單折返追蹤間隔計(jì)算表

表7 移動閉塞站前交替折返追蹤間隔

表8 STCS系統(tǒng)站前交替折返追蹤間隔相關(guān)數(shù)據(jù)

3.2.3 STCS互通性分析

STCS是兼容CTCS-2的移動閉塞系統(tǒng)，故STCS可以實(shí)現(xiàn)與CTCS-2線路的互聯(lián)互通跨線和共線運(yùn)營。STCS系統(tǒng)具備互聯(lián)互通CBTC功能，也可以實(shí)現(xiàn)與其他城市軌道交通線路的互通運(yùn)營見圖2。

STCS的架構(gòu)和原理決定了其支持車載兼容和軌旁兼容兩種場景配置：通過配置兼容型的車載設(shè)備來滿足列車同鐵路CTCS線路及地鐵移動閉塞線路的互聯(lián)互通和跨線運(yùn)營；通過配置兼容型的軌旁設(shè)備來滿足鐵路列車與地鐵列車的互聯(lián)互通和跨線運(yùn)營。

4 結(jié)語

對于市域(郊)鐵路而言， CBTC移動閉塞信號系統(tǒng)能更好地發(fā)揮公交化運(yùn)營的優(yōu)勢，同時(shí)為了滿足互通運(yùn)行的需求，至少應(yīng)支持CTCS-2的運(yùn)行，因此：

圖2 STCS市域信號系統(tǒng)互聯(lián)互通場景

1) 對于公交化運(yùn)營間隔(大于4 min)要求不高、接受在不同站臺乘車的線路，可采用CTCS-2+ATO、STCS信號系統(tǒng)。

2) 對于公交化運(yùn)營間隔(小于3 min)要求較高的線路，建議采用STCS的移動閉塞信號系統(tǒng)。