基于區(qū)域聯(lián)動(dòng)和多制式協(xié)調(diào)的鐵路信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)研究

邢科家 郜洪民 黃蘇蘇

1 需求分析

現(xiàn)階段我國(guó)的城鎮(zhèn)化已經(jīng)進(jìn)入大城市群化、大都市區(qū)化的發(fā)展階段，各個(gè)城市之間的通勤需求日益增加。面對(duì)這些需求，大力發(fā)展高效、綠色、快速的公共軌道交通是在大城市群之間實(shí)現(xiàn)最大限度流動(dòng)、促進(jìn)城市和區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康有序發(fā)展的關(guān)鍵［1］。從技術(shù)角度看，提高單條線路的運(yùn)行效率已經(jīng)不能解決大城市群之間的交通問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動(dòng)、協(xié)調(diào)多種制式的鐵路信號(hào)系統(tǒng)，加強(qiáng)高速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通之間的平滑連接，才能有效提高超級(jí)大城市群間的軌道交通運(yùn)行效率，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展。為此，越來(lái)越多的干線鐵路需要考慮穿越城市中心區(qū)域、連接主城和衛(wèi)星城、“組團(tuán)”城區(qū)之間及沿途城鎮(zhèn)的客流出行問(wèn)題。

2019年2 月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見(jiàn)》［2］，明確提出“打造軌道上的都市圈”，在有條件的地區(qū)編制都市圈軌道交通規(guī)劃，推動(dòng)干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”。2020年4月，國(guó)家發(fā)改委和交通運(yùn)輸部聯(lián)合印發(fā)了《長(zhǎng)江三角洲地區(qū)交通運(yùn)輸更高質(zhì)量一體化發(fā)展規(guī)劃》［3］，加快構(gòu)建長(zhǎng)三角地區(qū)現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系，推進(jìn)區(qū)域軌道交通智能化發(fā)展。同時(shí)，廣州地鐵代管珠三角城際鐵路，承接4條城際鐵路運(yùn)營(yíng)管理，構(gòu)建“一張網(wǎng)、一張票、一串城”的粵港澳大灣區(qū)軌道交通運(yùn)營(yíng)模式。國(guó)鐵干線鐵路與城市軌道交通相互銜接，從而提供快速、大容量、公交化運(yùn)營(yíng)的區(qū)域公共交通服務(wù)。以上一系列舉措得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

實(shí)際上，現(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)中還沒(méi)有能夠完全滿足區(qū)域軌道交通聯(lián)動(dòng)中“四網(wǎng)融合”需求的成熟產(chǎn)品?；谕ㄐ诺牧熊?chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC）是最主流的地鐵信號(hào)系統(tǒng)，能夠提高線路運(yùn)力，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置要求很高，而且CBTC是供應(yīng)商專(zhuān)有技術(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互通操作。這雖然對(duì)于主要采用隔離線路的地鐵來(lái)說(shuō)是可以接受的，同時(shí)國(guó)內(nèi)的城市軌道交通行業(yè)一直在推進(jìn)CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通工作，但對(duì)于需要大量互通操作的系統(tǒng)，如實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的大型干線網(wǎng)絡(luò)，其適用性依然是個(gè)未知數(shù)［4］。目前的CBTC系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市軌道交通，對(duì)于應(yīng)用于遠(yuǎn)距離高速運(yùn)營(yíng)線路缺少技術(shù)支撐，特別是在與國(guó)鐵互聯(lián)互通、成網(wǎng)運(yùn)行方面，缺乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［5］。中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）是我國(guó)干線鐵路普遍采用的信號(hào)系統(tǒng)，能夠適應(yīng)從160 km/h到350 km/h的不同速度干線鐵路需求，主要服務(wù)于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的客流，其服務(wù)半徑一般在70 km以上。市域鐵路通常采用CTCS-2級(jí)系統(tǒng)，存在列車(chē)追蹤間隔較大，精確停車(chē)精度不夠的缺點(diǎn)，不能完全解決大城市群之間的互通問(wèn)題。

表1對(duì)CTCS-2級(jí)系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的整體屬性進(jìn)行了對(duì)比分析。可以看出，單獨(dú)使用CTCS-2級(jí)系統(tǒng)或CBTC系統(tǒng)都不能滿足區(qū)域軌道交通“四網(wǎng)融合”的需求。

區(qū)域軌道交通發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)以出行需求為導(dǎo)向的運(yùn)輸資源優(yōu)化配置，達(dá)到客流、列流網(wǎng)絡(luò)匹配的耦合關(guān)系，從而提高區(qū)域軌道交通整體運(yùn)能和效率，這就要求鐵路信號(hào)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種制式協(xié)同工作、具備跨制式運(yùn)輸組織聯(lián)動(dòng)的能力。本文從適應(yīng)性出發(fā)，分析了3種實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動(dòng)和多制式協(xié)調(diào)的信號(hào)系統(tǒng)方案，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行對(duì)比。

2 技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)國(guó)鐵干線鐵路與城市軌道交通區(qū)域聯(lián)動(dòng)，協(xié)調(diào)多種制式的鐵路信號(hào)系統(tǒng)，加強(qiáng)高速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通之間的平滑連接，信號(hào)系統(tǒng)需要適應(yīng)各種各樣的工程環(huán)境和改造需求。根據(jù)不同項(xiàng)目的實(shí)際情況，目前行業(yè)內(nèi)提供的信號(hào)系統(tǒng)解決方案主要有CTCS2+ATO方案、CTCS與CBTC切換方案，以及CTCS與CBTC疊加方案3個(gè)方向。

表1 CTCS-2級(jí)系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的整體屬性對(duì)比

2.1 CTCS2+ATO方案

CTCS2+ATO方案是為了適應(yīng)市域（郊）鐵路公交化運(yùn)營(yíng)的需求，在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，疊加列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO），來(lái)實(shí)現(xiàn)站間自動(dòng)運(yùn)行、車(chē)站定點(diǎn)停車(chē)、自動(dòng)折返、列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、車(chē)門(mén)/站臺(tái)門(mén)防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制、列車(chē)節(jié)能運(yùn)行等功能，其系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。相比傳統(tǒng)的CTCS-2級(jí)系統(tǒng)，CTCS2+ATO系統(tǒng)需要在地面增加精確定位應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)列車(chē)進(jìn)站精確停車(chē)；增加通信控制服務(wù)器CCS設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)/站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制和運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)；車(chē)載設(shè)備增加GSM-R無(wú)線通信單元和列車(chē)自動(dòng)駕駛ATO設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信和列車(chē)自動(dòng)駕駛；CTC增加運(yùn)行調(diào)整功能，以配合ATO功能的應(yīng)用；TCC增加站臺(tái)門(mén)和站臺(tái)緊急關(guān)閉的采集驅(qū)動(dòng)功能［6］。

CTCS2+ATO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)成熟可靠，自動(dòng)化程度高，可以實(shí)現(xiàn)精確停車(chē)；工程造價(jià)低，性價(jià)比高，適應(yīng)低密度運(yùn)營(yíng)的市域軌道交通線路；可以依據(jù)CTCS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)部的互聯(lián)互通。但在目前國(guó)鐵干線鐵路與城市軌道交通相互銜接的應(yīng)用場(chǎng)景中，CTCS2+ATO方案還存在一些不足：軌旁設(shè)備較多，后期維護(hù)量較大；基于GSM-R平臺(tái)開(kāi)發(fā)的ATO，地方業(yè)主難以取得GSM-R的頻率資源；CTCS平臺(tái)尚無(wú)最小列車(chē)追蹤間隔3 min以內(nèi)的運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)，不確定是否能夠適應(yīng)線路遠(yuǎn)期的運(yùn)營(yíng)需求。CTCS2+ATO系統(tǒng)雖然提高了列車(chē)進(jìn)站停車(chē)的精度，但是其最小列車(chē)追蹤間隔并不能滿足大城市對(duì)于軌道交通快速疏散大量人流的需求。因此，CTCS2+ATO系統(tǒng)更適合應(yīng)用在市域（郊）鐵路公交化運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目中。

圖1 城際鐵路CTCS2+ATO列控系統(tǒng)總體構(gòu)成

2.2 CTCS與CBTC互聯(lián)互通的切換方案

跨城市鐵路通常需要連接干線鐵路和城市內(nèi)部的軌道交通線路，因此需要選擇既能實(shí)現(xiàn)高可靠性和密集運(yùn)行，又能保證干線鐵路網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的信號(hào)系統(tǒng)。因此提出CTCS與CBTC互聯(lián)互通的切換方案［7-8］，以滿足城市軌道交通高密度行車(chē)，以及干線鐵路線網(wǎng)內(nèi)部互聯(lián)互通需求。在整條線路上設(shè)置1個(gè)切換過(guò)渡區(qū)域，并在列車(chē)上配置2套不同制式的車(chē)載設(shè)備，通過(guò)定義列車(chē)越過(guò)過(guò)渡區(qū)域完成控制系統(tǒng)切換的具體流程，為干線鐵路和城市軌道交通相銜接的場(chǎng)景提供一個(gè)車(chē)載切換的解決方案。

圖2描述了CTCS與CBTC切換方案的具體應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)在運(yùn)行列車(chē)上同時(shí)安裝適用于CTCS系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的車(chē)載設(shè)備，并在線路上設(shè)置相應(yīng)的過(guò)渡切換區(qū)域完成車(chē)載設(shè)備控制切換，當(dāng)滿足前方線路運(yùn)行條件后方可離開(kāi)過(guò)渡區(qū)域。該方案中，CTCS區(qū)域和CBTC區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，互不影響。因此，二者各自的地面信號(hào)設(shè)備沒(méi)有變化；車(chē)上同時(shí)安裝的CTCS、CBTC車(chē)載設(shè)備之間存在切換接口，設(shè)置相應(yīng)的車(chē)載設(shè)備越區(qū)切換流程；切換過(guò)渡區(qū)需要布置相關(guān)地面設(shè)備，并納入到軌旁區(qū)域控制設(shè)備（CBTC系統(tǒng)的ZC或CTCS-3級(jí)系統(tǒng)的RBC）進(jìn)行管理，保障列車(chē)在城軌系統(tǒng)和鐵路干線系統(tǒng)之間完成切換。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠保障CBTC區(qū)域的列車(chē)全部以移動(dòng)閉塞方式運(yùn)行，最大程度地提高核心區(qū)域的列車(chē)運(yùn)行效率，同時(shí)又不影響國(guó)鐵干線鐵路網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度管理。缺點(diǎn)是設(shè)置的切換過(guò)渡區(qū)域?qū)€路條件有一定的要求，部分線路不滿足此方案的改造條件；核心區(qū)域不納入干線CTCS鐵路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，一定程度上破壞了國(guó)鐵調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的完整性，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看會(huì)使CTCS系統(tǒng)喪失在區(qū)域軌道交通聯(lián)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)性。因此，CTCS與CBTC互聯(lián)互通的切換方案適合應(yīng)用在線路滿足改造條件，由城軌運(yùn)營(yíng)方主導(dǎo)的，對(duì)核心區(qū)域列車(chē)運(yùn)行效率要求非常高的跨區(qū)域銜接線路。

2.3 CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案

CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案是一種將應(yīng)用于國(guó)鐵干線的CTCS系統(tǒng)和應(yīng)用于城市軌道交通的CBTC系統(tǒng)深度結(jié)合的解決方案。該方案是在不影響CTCS系統(tǒng)（這里主要是指C2系統(tǒng)）和CBTC系統(tǒng)原有車(chē)載設(shè)備配置的條件下，通過(guò)在重疊區(qū)域的軌旁同時(shí)部署CTCS軌旁設(shè)備和CBTC軌旁設(shè)備2套不同制式的軌旁控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)CBTC列車(chē)和CTCS列車(chē)在重疊區(qū)域內(nèi)的混合運(yùn)行。

CTCS與CBTC疊加覆蓋方案見(jiàn)圖3。CBTC列車(chē)通過(guò)自動(dòng)折返的方式，僅在重疊區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，而CTCS列車(chē)可以直接通過(guò)重疊區(qū)域，重疊區(qū)域內(nèi)的CTCS列車(chē)和CBTC列車(chē)各自獨(dú)立運(yùn)行。

CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案層級(jí)示意見(jiàn)圖4。其中，控制中心層和軌旁信號(hào)層為CTCS系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)共有。為了防止不同系統(tǒng)之間出現(xiàn)的移動(dòng)授權(quán)沖突，CTCS和CBTC使用共同的軌旁信號(hào)設(shè)備（信號(hào)機(jī)、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)、應(yīng)答器等）來(lái)計(jì)算列車(chē)移動(dòng)授權(quán)。CTCS列車(chē)和CBTC列車(chē)向同一個(gè)控制中心報(bào)告其位置和運(yùn)行狀態(tài)，服從同一個(gè)控制中心的調(diào)度。區(qū)別在于：CBTC系統(tǒng)利用ZC和車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，CTCS系統(tǒng)利用地面列控中心和調(diào)度集中數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息通信。

圖2 CTCS與CBTC切換方案

圖3 CTCS與CBTC疊加覆蓋方案

圖4 CTCS-2疊加CBTC信號(hào)系統(tǒng)層級(jí)示意

CBTC系統(tǒng)在地面配置區(qū)域控制器ZC和列車(chē)精確停車(chē)應(yīng)答器，部署相應(yīng)的車(chē)地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，為CBTC通信列車(chē)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，同時(shí)確保非通信列車(chē)（CTCS列車(chē)）安全運(yùn)行。CBTC車(chē)載層能夠保障CBTC通信列車(chē)的安全完整性等級(jí)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)進(jìn)站精確停車(chē)、區(qū)間自動(dòng)折返等自動(dòng)駕駛相關(guān)功能。CTCS系統(tǒng)的軌旁層主要包括列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器等，在固定閉塞條件下發(fā)送CTCS列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)。CTCS車(chē)載設(shè)備根據(jù)列車(chē)參數(shù)和地面設(shè)備提供的軌道電路信息、線路數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速等，按照“目標(biāo)-距離”模式生成控制曲線，監(jiān)控列車(chē)安全運(yùn)行。重疊區(qū)域運(yùn)行的列車(chē)可以分為能夠進(jìn)行車(chē)地?zé)o線通信的CBTC列車(chē)和不能進(jìn)行車(chē)地?zé)o線通信的非通信列車(chē)（CTCS列車(chē)）2種。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是保障CBTC列車(chē)和CTCS列車(chē)能夠在重疊區(qū)域進(jìn)行安全可靠的混合運(yùn)行，一定程度上提升了重疊區(qū)域的行車(chē)效率；不需要設(shè)置切換區(qū)域，對(duì)線路條件的要求低；全線都能納入CTCS干線鐵路網(wǎng)絡(luò)管理，維護(hù)國(guó)鐵調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的完整性。缺點(diǎn)是由于重疊區(qū)域內(nèi)有CTCS列車(chē)和CBTC列車(chē)混合運(yùn)行，列車(chē)不是全部以移動(dòng)閉塞方式運(yùn)行，重疊區(qū)域的行車(chē)效率不能最大化。因此，CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案適合應(yīng)用在線路不滿足改造條件，對(duì)核心區(qū)域列車(chē)運(yùn)行效率要求一般的跨區(qū)域銜接線路，特別是一些需要提高運(yùn)行效率的舊線改造項(xiàng)目。

從適應(yīng)性的角度，總結(jié)了目前可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動(dòng)、多制式協(xié)調(diào)的3種信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件和實(shí)際開(kāi)通項(xiàng)目，具體見(jiàn)表2。

表2 3種技術(shù)方案的比較

3 總結(jié)

由于現(xiàn)有的信號(hào)系統(tǒng)解決方案不能完全滿足“四網(wǎng)融合”的需求，本文提出了3種適用于區(qū)域軌道交通聯(lián)動(dòng)的鐵路信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案，這是目前應(yīng)對(duì)亟待開(kāi)通或改造的區(qū)域軌道交通聯(lián)動(dòng)項(xiàng)目較為合理的方案。這些方案的本質(zhì)是將現(xiàn)有的成熟系統(tǒng)組合起來(lái)，達(dá)到適應(yīng)多種制式的目的，實(shí)際上還是會(huì)造成一定的設(shè)備重復(fù)及兼容性問(wèn)題。隨著城鎮(zhèn)化水平和居民出行需求的不斷提高，區(qū)域軌道交通的未來(lái)發(fā)展需求，將不再僅僅是區(qū)域聯(lián)動(dòng)、多種制式信號(hào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，更有協(xié)同運(yùn)營(yíng)、綜合維護(hù)、多制式協(xié)同應(yīng)急處置、一體化聯(lián)動(dòng)指揮等一系列的安全保障需求。從根本上來(lái)說(shuō)，研制基于一體化平臺(tái)的多制式、全專(zhuān)業(yè)的成套系統(tǒng)裝備，達(dá)到數(shù)據(jù)綜合、資源共享、管控一體、負(fù)載均衡、綜合承載等各個(gè)方面的特殊要求，才能更好地服務(wù)于區(qū)域軌道交通發(fā)展，為出行乘客提供一站式全出行鏈的服務(wù)，在區(qū)域范圍內(nèi)形成多層次的綜合交通體系，助力中國(guó)大城市群化、大都市區(qū)化的快速發(fā)展。