軌道交通“三網(wǎng)融合”跨線運(yùn)行的方案分析

呂文龍，韓 臻，麻吉泉

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；3.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

地鐵作為城市軌道交通的主要制式，目前所配置的信號系統(tǒng)主要為基于通信的列車自動控制(communication-based train control，CBTC)系統(tǒng)。現(xiàn)階段，市域(郊)鐵路信號系統(tǒng)可采用CBTC系統(tǒng)、中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(Chinese train control system，CTCS)，以及兩者兼容的車載或者地面新制式系統(tǒng)。同時(shí)，考慮國鐵干線高速特性，其與城市軌道交通貫通運(yùn)行可行性極低。目前，國內(nèi)諸多城市正在研究“三網(wǎng)融合”的技術(shù)方案，但尚無“三網(wǎng)融合”的具體工程運(yùn)營案例。因此，要實(shí)現(xiàn)不同信號制式的線路間跨線運(yùn)行，存在相同制式的CBTC系統(tǒng)間、CBTC系統(tǒng)與CTCS間以及CBTC與兼容系統(tǒng)間的制式這三種方式。

國內(nèi)大陸城市對區(qū)域內(nèi)城際軌道交通及“三網(wǎng)融合”的研究尚處于研究階段[1]。國際上城市軌道交通信號系統(tǒng)互聯(lián)互通的工程應(yīng)用，基本通過以下三種方式實(shí)現(xiàn)。其一，采用通用型信號車載設(shè)備，以兼容不同廠家或相同廠家不同版本基線的地面信號系統(tǒng)，如巴西地鐵13號線通過中國通號新開發(fā)的新型車載設(shè)備兼容既有西門子地面設(shè)備、北京地鐵5號線備兼容西屋地面設(shè)備及后續(xù)CBTC升級條件[2]、上海地鐵2號線CBTC兼容固定閉塞[3]。其二，加裝多套信號車載設(shè)備以兼容不同的地面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在不同制式或信號廠家的地面設(shè)備上互聯(lián)互通或通過切換車載設(shè)備運(yùn)行，例如東京總武線、日本鐵路公司(Japan railways,JR)線等。其三，加裝多套信號地面設(shè)備保證車載設(shè)備不改動，在地面安裝多套匹配車載設(shè)備的軌旁設(shè)備，如香港將軍奧線。

本文分析不同信號制式間的具體切換方案，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)，從制式選擇與功能定位匹配[4]、切換方式、運(yùn)營管理以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則角度進(jìn)行分析。

1 跨線運(yùn)行方案及交路分析

1.1 方案一

方案一為地鐵線路采用CBTC，而其余線采用中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)2級(C2)+列車自動運(yùn)行系統(tǒng)(automatic train operation，ATO)。

1.1.1 應(yīng)用場景分析

①場景一為城際國鐵線路A和市(郊)線路C均按照C2+ATO制式建設(shè)，兩線可采用貫通運(yùn)行方式組織交路運(yùn)行；地鐵線路B采用獨(dú)立的運(yùn)行交路，通過車站換乘方式實(shí)現(xiàn)與城際及市域(郊)線的跨線乘車。A線與C線采用C2+ATO制式跨線運(yùn)行如圖1所示。

圖1 A線與C線采用C2+ATO制式跨線運(yùn)行

②場景二為地鐵線路B、市域(郊)線路C地面及車載設(shè)備采用CBTC系統(tǒng)設(shè)備。若線路條件滿足，兩線間按照CBTC制式組織跨線貫通組織交路運(yùn)行；城際國鐵線路A采用獨(dú)立的運(yùn)行交路，通過車站換乘方式實(shí)現(xiàn)與地鐵及市域(郊)線的跨線換乘。B線與C線采用CBTC制式跨線運(yùn)行如圖2所示。

圖2 B線與C線采用CBTC制式跨線運(yùn)行

1.1.2 技術(shù)點(diǎn)分析

①成熟條件：互聯(lián)互通線路間的系統(tǒng)采用CBTC或C2+ATO制式，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)成熟，工程開通風(fēng)險(xiǎn)低。

②限制條件：若市域(郊)線路歸屬大鐵運(yùn)營管理，相應(yīng)的運(yùn)營體制需要改變，對運(yùn)營人員能力的要求較高。

1.2 方案二

方案二為各線均采用CTCS+CBTC通用型車載設(shè)備。地鐵線路地面安裝CBTC設(shè)備，市域及城際線路地面設(shè)置C2+ATO設(shè)備。列車裝載兼容CBTC以及C2+ATO制式的通用新型車載設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)任意兩線間以貫通運(yùn)行方式組織交路運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同制式線路的互聯(lián)互通運(yùn)營。但在CBTC制式線路和C2+ATO制式線路跨線運(yùn)行時(shí)，兩線間需要設(shè)置制式轉(zhuǎn)換區(qū)[5](可以為站臺區(qū)或者線路某一區(qū)域，詳見下文)。

1.2.1 應(yīng)用場景分析

①場景一為地鐵線路B及市域(郊)線路C間采用貫通運(yùn)行的交路，地鐵線路上以CBTC方式運(yùn)行，市域(郊)線路上以C2+ATO方式運(yùn)行；城際線路可采用獨(dú)立運(yùn)行的交路。

B線與C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設(shè)備如圖3所示。

圖3 B線與C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設(shè)備

②場景二為地鐵線路B與市域(郊)線路C、地鐵線路B與城際線路A間采用貫通運(yùn)行的交路，地鐵線路上以CBTC方式運(yùn)行，市域(郊)線路及城際線路上以C2+ATO方式運(yùn)行；同時(shí)，城際線路A和市域(郊)線路C因地面制式相同，可直接采用跨線運(yùn)行的交路。A線、B線及C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設(shè)備如圖4所示。

圖4 A線、B線及C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設(shè)備

1.2.2 技術(shù)點(diǎn)分析

①成熟條件：可實(shí)現(xiàn)地鐵線路、市域(郊)線路、城際線路間的互聯(lián)互通貫通運(yùn)營；為節(jié)省投資，可優(yōu)先實(shí)現(xiàn)地鐵線路和市域(郊)線路以及地鐵線路的跨線運(yùn)行；域(郊)線路和城際線路間具備跨線運(yùn)行條件，因此對于整個“三網(wǎng)融合”建設(shè)投資較小。

②限制條件：采用兼容兩種制式的車載設(shè)備方案，目前無成熟應(yīng)用的產(chǎn)品；車載設(shè)備需獲得國鐵和城軌上道認(rèn)證許可。

1.3 方案三

方案三為各線采用C2+ATO和CBTC兼容性地面設(shè)備，不同跨線需求的線路的地面設(shè)備相互兼容。新建地鐵線路及市域(郊)線路地面安裝兼容C2+ATO和CBTC的設(shè)備，城際國鐵線路根據(jù)不同場景可安裝C2+ATO或兼容C2+ATO和CBTC的設(shè)備。列車裝載兼容CBTC以及C2+ATO制式的通用新型車載設(shè)備，實(shí)現(xiàn)任意兩線間以貫通運(yùn)行方式組織交路運(yùn)行，以及不同制式線路的互聯(lián)互通運(yùn)營。

因車載采用兼容兩種制式的通用新型設(shè)備，車載設(shè)備能自動實(shí)現(xiàn)不同制式的控制轉(zhuǎn)換。在CBTC制式線路和C2+ATO制式線路跨線運(yùn)行時(shí)，兩線間無需設(shè)置制式轉(zhuǎn)換區(qū)。

1.3.1 應(yīng)用場景分析

隨著國內(nèi)都市圈的發(fā)展，地鐵與市域或與城際鐵路跨線運(yùn)營的需求較為迫切，采用地面兼容CBTC+C2+ATO的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行的有效途徑。同時(shí)，根據(jù)線網(wǎng)的城市軌道交通的規(guī)劃及建設(shè)進(jìn)度，跨線運(yùn)行可分為：地鐵與市域(郊)線或地鐵與城際鐵路線、城際鐵路線與市域或(郊)線跨線運(yùn)行，以及三網(wǎng)完全融合的方案。B線與C線路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設(shè)備如圖5所示。A線、B線及C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設(shè)備如圖6所示。

圖5 B線與C線路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設(shè)備

圖6 A線、B線及C線路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設(shè)備

1.3.2 技術(shù)點(diǎn)分析

①成熟條件：實(shí)現(xiàn)地鐵線路與市域(郊)線路和城際線路間的互聯(lián)互通貫通運(yùn)營；對于不具備兼容通用型車載功能的既有列車，可實(shí)現(xiàn)與本制式線路、地面兼容制式線路間的貫通運(yùn)營。

②限制條件：采用兼容C2+ATO和CBTC制式的地面設(shè)備方案，需要安裝兩套設(shè)備，設(shè)備投資較大。若考慮按照兩種制式兼容的地面設(shè)備，行業(yè)內(nèi)尚無此產(chǎn)品，且根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展，開發(fā)兼容性地面設(shè)備的可行性較低。

2 CBTC制式與CTCS-2控制區(qū)域模式轉(zhuǎn)換

為保證上述方案中，地鐵線路采用CBTC系統(tǒng)制式的列車與采用CTCS-2制式的市域(郊)線路或者城際線路的列車間能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通跨線運(yùn)行，必須在線路上設(shè)置使兩線列車制式相互轉(zhuǎn)換的區(qū)域。切換區(qū)域內(nèi)應(yīng)先設(shè)置切換預(yù)告點(diǎn)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)。預(yù)告點(diǎn)使通用車型車載設(shè)備在經(jīng)過預(yù)告點(diǎn)時(shí)根據(jù)應(yīng)答器信息，進(jìn)入自動切換兩種制式的轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備。轉(zhuǎn)換點(diǎn)使列車在經(jīng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)答器后，通過車載讀取的應(yīng)管器信息實(shí)現(xiàn)兩種模式的完全轉(zhuǎn)換。在正常情況下，兩種模式的控車曲線應(yīng)能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換，確保乘客的舒適度。

①從CBTC控制區(qū)域向CTCS-2控制區(qū)域轉(zhuǎn)換。

列車從CBTC線路跨線運(yùn)行至CTCS-2級線路時(shí)，列車先在CBTC制式下按照區(qū)域控制器(zone controller，ZC)提供的移動授權(quán)(moving authority，MA)運(yùn)行[6](MA跨越CTCS-2區(qū)域適當(dāng)距離)。線路數(shù)據(jù)存儲于列車電子地圖中。列車運(yùn)行至制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點(diǎn)[7]處，CBTC車載列車自動防護(hù)(automatic train protection，ATP)控制模式準(zhǔn)備向CTCS-2級控制模式轉(zhuǎn)換。通過地面預(yù)告點(diǎn)應(yīng)答器的報(bào)文，當(dāng)車載信號設(shè)備[8]接收應(yīng)答器提供的線路數(shù)據(jù)及軌道電路發(fā)送的MA信息后，車載設(shè)備啟動模式轉(zhuǎn)換程序。隨后在制式轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)處轉(zhuǎn)入CTCS-2級運(yùn)行，車載ATP切換至CTCS-2級列控曲線并根據(jù)地面軌道電路發(fā)送的移動授權(quán)控制列車運(yùn)行，完成兩種模式的完全轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換區(qū)的軌旁信號機(jī)按照鐵路信號機(jī)的顯示原則設(shè)計(jì)[9]，并結(jié)合用戶需求和市域設(shè)計(jì)規(guī)制定顯示距離要求[10]。列車從CBTC控區(qū)向CTCS-2控區(qū)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

圖7 CBTC控區(qū)向CTCS-2控區(qū)轉(zhuǎn)換示意圖

②從CTCS-2控制區(qū)域向CBTC控制區(qū)域轉(zhuǎn)換。

列車從CTCS-2級線路跨線運(yùn)行至CBTC線路時(shí)，列車首先接收軌道電路提供的MA控制列車運(yùn)行(MA跨越CBTC區(qū)域適當(dāng)距離)，線路數(shù)據(jù)通過軌旁應(yīng)答器向列車發(fā)送。列車運(yùn)行到制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點(diǎn)處CTCS-2級車載ATP準(zhǔn)備向CBTC級控制模式轉(zhuǎn)換，車載設(shè)備向CBTC控區(qū)的ZC完成列車注冊和位置報(bào)告。ZC自動對該列車完成定位、篩選等操作，并確定列車已越過制式轉(zhuǎn)換預(yù)告點(diǎn)后向車載信號設(shè)備提供MA和制式轉(zhuǎn)換命令。車載信號設(shè)備實(shí)時(shí)計(jì)算CBTC制式下的列車運(yùn)行曲線。當(dāng)列車越過制式轉(zhuǎn)換執(zhí)行點(diǎn)前，車載ATP按照CBTC級列控曲線并根據(jù)ZC實(shí)時(shí)發(fā)送的移動授權(quán)控制列車運(yùn)行。列車從CTCS-2控區(qū)向CBTC控區(qū)轉(zhuǎn)換如圖8所示。

圖8 CTCS-2控區(qū)向CBTC控區(qū)轉(zhuǎn)換示意圖

3 列車跨線前置條件分析

地鐵線路與市域(郊)線路及城際線路間實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行。在上述信號系統(tǒng)及跨線運(yùn)行分析的基礎(chǔ)上，需要車輛、限界及牽引供電等前置專業(yè)滿足條件。同時(shí)，道岔、站臺門等與信號運(yùn)行速度及聯(lián)動控制相關(guān)的系統(tǒng)，也需要具備兩線間互聯(lián)互通貫通運(yùn)行的條件。列車跨線運(yùn)行前置條件分析如表1所示。

表1 列車跨線運(yùn)行前置條件分析

3.1 車輛、限界及供電專業(yè)分析及建議

(1)跨線條件可行的已建地鐵線。

①市域(郊)線可選用與地鐵線一致的車型或者僅具備地鐵列車在市域(郊)線跨線運(yùn)行。但考慮到市域(郊)線路高速特點(diǎn)，選用地鐵車型的可行性較低，而選用其他車型在地鐵線因限界較大無法運(yùn)行。因此，本文建議僅考慮地鐵列車在市域(郊)線低峰時(shí)段跨線運(yùn)行。

②若市域(郊)采用AC 25 kV接觸網(wǎng)供電，地鐵線可單獨(dú)采購雙制式供電列車，以實(shí)現(xiàn)在跨線運(yùn)行線供電制式的切換。

(2)跨線條件可行的地鐵線未建或與市域(郊)同步建設(shè)。

①根據(jù)跨線運(yùn)行的需求，確定兩線的車型及限界。

②根據(jù)跨線運(yùn)行的需求，確定兩線相同的供電制式或跨線車采用雙制式供電。

列車跨線需滿足線路道岔及站臺門、運(yùn)營管理模式等前置條件。

3.2 軌道及站臺分析與建議

(1)市域(郊)線列車最高運(yùn)行速度在160 km/h以上，設(shè)置密貼檢查器；鋼軌和道岔型號根據(jù)軌道專業(yè)配置，對互聯(lián)互通基本無影響。

(2)市域(郊)線設(shè)置站臺門。

①僅考慮地鐵列車在市域(郊)線上運(yùn)行時(shí)，市域(郊)線每節(jié)車廂車門中心線和站臺門中心線一致；或地鐵跨線列車間隔一個或若干個車門的中心線和站臺門中心線對齊，通過控制不同的車門聯(lián)動對應(yīng)站臺門開關(guān)。

②若兩線的跨線列車車門中心線和站臺門中心線完全不對應(yīng)，市域(郊)線可采用“廊道式”或“全開式”站臺門。

3.3 運(yùn)營管理模式

若采用兩線相同制式或不同制式互聯(lián)互通的系統(tǒng)，建議將市域(郊)線納入地鐵運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)，可由現(xiàn)有地鐵運(yùn)營公司管理。這有利于管理的統(tǒng)一性以及技術(shù)人員組建。

4 結(jié)論

目前，行業(yè)內(nèi)針對地鐵線路與市域(郊)線路及城際線路尚無成熟的互聯(lián)互通跨線貫通方案，也無成熟產(chǎn)品應(yīng)用的工程[11]。通過本文分析，在跨線制式選擇以及運(yùn)行交路方案選擇上，若按照地鐵線網(wǎng)統(tǒng)一組織運(yùn)營，推薦采用方案一中的場景一， 即地鐵及市域(郊)線地面及車載采用CBTC制式的貫通方式。若實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)融合”：推薦采用CBTC及CTCS-2級兼容性車載設(shè)備；地面根據(jù)制式不同分別安裝對應(yīng)的設(shè)備，運(yùn)營交路推薦方案二中的場景二。

本文所探討的方案對目前地鐵與市域(郊)線以及“三網(wǎng)融合”的技術(shù)發(fā)展有參考價(jià)值。具體跨線運(yùn)行方案應(yīng)結(jié)合貫通運(yùn)營的前置條件以及貫通運(yùn)行的組織及運(yùn)營管理，選擇合適的實(shí)施方案?！叭W(wǎng)融合”前期應(yīng)按照頂層設(shè)計(jì)、一體化發(fā)展的理念，結(jié)合信號系統(tǒng)制式的選擇最終確定[12]。