市域軌道交通信號系統方案選擇芻議

鄧志翔

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

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市域軌道交通信號系統方案選擇芻議

鄧志翔

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

市域軌道交通是我國交通運輸體系的一個重要組成部分,其信號系統的選擇應遵循市域軌道交通的實際工程特點及運營需求。針對目前國內3種主流信號系統——CBTC(基于通信的列車控制)系統、點式ATC(列車自動控制)系統和CTCS(中國列車運行控制系統)-2+ATO(列車自動運行)系統——進行了分析和對比,闡明了3種系統在市域軌道交通運營需求下的優缺點,并給出了信號系統選擇的建議。

市域軌道交通; 信號系統; 運營需求; 點式列車自動控制系統

Author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

隨著城市化進程的加快,城市規模不斷擴大。然而，我國鐵路干線的速度目標值均在160 km/h以上,客運專線和高鐵的設計速度分別為250 km/h和350 km/h,主要服務于長距離、大運量的客流,其服務半徑一般在70 km以上，因此國鐵干線無法解決單一城市內部的交通運輸問題。而在城市內部，中心城區的城市軌道交通設施由于其高昂的工程造價和較為漫長的工期,往往無法適應新城區的快速增長。城市軌道交通的速度目標值一般不超過100 km/h,主要服務于中心城區的通勤客流,其服務半徑一般不超過35 km。

市域軌道交通概念的提出,旨在為主城和衛星城、組團城區之間以及沿途城鎮的客流出行提供快速、大容量、公交化運營的公共交通服務,滿足大型城市的經濟發展需求,促進城鄉統籌發展，帶動沿線經濟及社會進步[1]。市域軌道交通是立足于國鐵干線網與城市軌道交通之間的新型軌道交通模式,是我國軌道交通運輸體系中的重要組成部分。

國外的市域軌道交通一般稱為市郊鐵路(Suburban Railway),主要提供通勤服務,也稱通勤鐵路(Commuter Rail)。市郊軌道交通對城市功能的支撐起到非常大的作用，在國外特大城市占整個軌道交通線路長度的70%以上(見表1)。

表1 部分國外特大城市地鐵及市郊鐵路規模表 km

現階段,我國在建和規劃的市域軌道交通類型的項目較多,主要包括溫州市域鐵路S1～S4線,昆明市域軌道交通嵩明線,南京市域軌道交通S1、S2線,以及《浙江省都市圈城際鐵路近期建設規劃》中所批復的杭州、寧波、金華、臺州4大都市圈共11條軌道交通線路,等等。另外,近期北京市規劃了近1 000 km的市域快軌,重慶市也規劃了近2 000 km的市域軌道交通。

目前,市域軌道交通的建設正處于起步階段,沒有既定的規范和建設模式可遵循。另外,鑒于市域軌道交通特殊的服務對象和自身的運營特點,其信號系統應借鑒我國國鐵和城市軌道交通信號系統的建設經驗,同時應積極響應國家對交通運輸系統互聯互通和資源共享的指導方針,在滿足運營需求、技術先進、系統成熟、經濟合理的原則下,選擇并確定市域軌道交通信號系統方案[2]。

1 市域軌道交通的工程特點及運營需求

1.1 工程特點

市域軌道交通的功能定位介于國鐵干線和城市軌道交通之間。相比國鐵干線，市域軌道交通更具公交化運營特點,其運營需求和工程體量更接近于城市軌道交通。相比城市軌道交通,市域軌道交通在工程體系上具有如下特點:

(1) 工程規模：線路運營里程較長,單一工程規劃一般在50～100 km。區間和車站均以高架為主,中心城區或跨江(河、湖)區域采用隧道方式。

(2) 平均站間距：一般不小于3 km,最長站間距可達到5～8 km。

(3) 速度目標值：一般線路允許最高運行時速為120～160 km/h,且旅行速度不低于50 km/h。

(4) 行車密度：一般初、近期高峰時段的最小行車間隔在5 min以上,遠期則不小于2.5 min。

(5) 公交化運營模式：乘客即到即走,無需對票入座。一般采用站站停的運營方式;當運量增長且具有相關需求之后,可開行大站快車。

1.2 運營需求

1.2.1 互聯互通、資源共享需求

隨著城市化進程的加快,城市的土地資源更顯珍貴,人力成本節節攀升。目前,城市軌道交通仍是采取一線一特色的建設現狀,對于建設和運營方而言,品類繁多的機電設備維護保養將消耗大量人力、物力和財力。市域軌道交通是新興領域,若能在線網規劃和建設之初便以互聯互通、資源共享為建設目標,那么將會帶來以下便利:

(1) 其建設將符合國家對于軌道交通互聯互通的政策導向;

(2) 線網內部運營車輛可統一調配、減少備用車輛,共享檢修資源,減少工程用地;

(3) 各機電設備的備品備件可大幅減少,降低工程造價和檢修難度;

(4) 便于運營、維護、司乘人員在線網內部的調用,減少人力資源成本。

1.2.2 列車自動駕駛的需求

市域軌道交通一般采用高架敷設線路,部分區間還可能設置路基和隧道段,線路起伏坡度較大;為了避開城市建筑物,減小拆遷量,局部區段的轉彎半徑較小。為了實現公交化運營模式,列車在線路上運行時每隔幾分鐘便要進站停車。若采用司機人工駕駛列車,司機必須精神高度集中,緊盯列車速度曲線來推送速度桿,容易緊張和疲勞。一旦高峰時期出現列車晚點,人工駕駛很難“趕點”,后續列車運營時刻必須順延。

另一方面,ATO(列車自動運行)自動駕駛相較人工駕駛具有以下優勢:①可實現對列車運行狀態的合理控制,自動實現列車起動、加速、巡航、惰性及制動等基本自動駕駛功能,保障列車運營的準點率;②合理加速和制動列車,提高旅客的舒適度;③實現節能運行;④站臺精確定位和停車,并實現車門與站臺門的聯動。故ATO自動駕駛是市域軌道交通重要的運營需求之一。

2 市域軌道交通的信號系統

鑒于上述市域軌道交通的工程特點和運營需求,可適用的主流信號系統包括:

(1) 基于通信的列車自動控制(CBTC)系統;

(2) 基于ETCS(歐洲列車運行控制)-1平臺的點式ATC(列車自動控制)系統;

(3) 國鐵CTCS(中國列車運行控制系統)-2 + ATO系統。

2.1 CBTC系統

CBTC系統能夠實現移動閉塞,大大提高了線路的通過率,增加了運營效率,尤其適用于大客流、高密度的城市軌道交通工程。

CBTC系統的原理如圖1所示。軌旁ATP(列車自動防護)地面設備周期性地接收本控制范圍內所有列車傳來的列車識別號、位置、方向和速度信息;ATP地面設備根據接收到的列車信息,確定各列車的移動授權,并向本控制范圍內的每列列車周期性地傳送移動授權(ATP防護點)的信息。移動授權由前行列車的位置來確定,移動授權將隨著前行列車的移動而逐漸前移。ATP車載設備根據接收到的移動授權信息以及列車速度、線路參數、司機反應時間等,計算出列車的緊急制動觸發曲線和緊急制動曲線,以確保列車不超越現有的移動授權。因此在移動閉塞系統中,ATP防護點不是在軌道區段的分界點,而是在前行列車車尾后方加上安全距離的位置,它隨著列車的移動而移動。后續列車可最大限度地接近前行列車尾部,與之保持一個安全距離。在保證安全的前提下,CBTC系統能最大程度地提高區間通過能力。

圖1 CBTC系統原理圖

CBTC系統在系統結構和功能日趨一致或接近的情況下,車-地雙向連續通信方式是系統的關鍵技術之一。根據車-地數據通信方式的不同,又可將CBTC分為以下兩種系統:基于交叉感應環線方式的環線CBTC系統(CBTC-L);基于無線通信方式的無線CBTC系統(CBTC-R)。

目前,由于環線CBTC系統的供貨商單一,且不具備互聯互通性,因此限制了其更廣泛的應用;無線CBTC系統則成為了軌道交通主流信號系統。而無線CBTC系統根據車地無線通信技術的不同,可以分為基于WLAN(無線局域網)的CBTC和基于LTE(Long Term Evolution，長期演進)的CBTC系統。

2.1.1 基于WLAN無線通信的CBTC系統

WLAN擴頻通信即擴展頻譜通信,CBTC系統中的無線擴頻通信多采用開放ISM(工業、科學、醫療)頻段2.400 0～2.483 5 GHz,也可采用5.725～5.850 GHz頻段。近年來,國內幾乎所有城市軌道交通項目的信號系統均采用的是CBTC-WLAN系統,如上海軌道交通10、11、12、13、16號線,廣州地鐵5、6號線,北京地鐵4號線、10號線、亦莊線,鄭州地鐵1號線,武漢地鐵2、4號線,杭州地鐵1、2、4號線,寧波軌道交通1號線、昆明首期工程等。

然而由于WLAN擴頻通信技術的局限性,工況條件下可靠的移動接入速度一般不超過100 km/h,且WLAN技術的抗干擾能力相對較弱,容易出現無線受擾、列車無法接收移動授權導致列車緊急制動等問題。因此基于WLAN的CBTC系統在時速120～160 km/h、高架線路居多的市域軌道交通中難以得到應用。

2.1.2 基于LTE無線通信的CBTC系統

LTE移動通信是近年來熱門的主流無線通信技術,也是無線通信技術的發展方向,其相關參數和性能全面優于WLAN。LTE移動通信技術還具備傳輸帶寬高、移動接入性強、抗干擾能力強、頻譜申請靈活、上下行資源可調配等特點。國內主流通信設備廠商也在350 km/h的高速鐵路上對LTE系統的接入性做了相關研究和試驗,驗證了高速移動下接入的可靠性。北京地鐵燕房線、上海軌道交通6號線試車線上,均對信號系統采用LTE技術進行試驗和試用;武漢地鐵6號線即將成為我國第一條基于LTE的CBTC運營線路,于2016年底通車運營。另外,現階段規劃中的軌道交通項目均是采用LTE作為CBTC的車地無線通信方案。鑒于此,基于LTE的CBTC系統同樣可以適應于市域軌道交通的工程條件。

另一方面,中國城市軌道交通協會于2016年正式發布了《城市軌道交通基于通信的列車自動控制系統(CBTC)接口規范-互聯互通接口規范》,為實現CBTC系統的互聯互通掃清了障礙。然而CBTC的互聯互通至今尚沒有成熟案例,有待進一步驗證。

CBTC-LTE系統應用于市域軌道交通中,其優勢在于:系統成熟、可靠,自動化程度高，可以實現移動閉塞,能適應大運量、高密度運營需求。其劣勢在于:工程造價較高,在初、近期較大列車時間間隔的線路上應用性價比不高，互聯互通方面尚無成熟應用[3]。

2.2 基于ETCS-1平臺的點式ATC系統

ETCS控制系統,在2001年由歐盟立法確定其為歐盟國家鐵路列車控制系統的強制性技術規范,目的是為了保證高速列車在歐洲鐵路網內互聯互通。其中ETCS 1級(即ETCS-1)主要是由有源和無源的歐式應答器(Eurobalise)、線路電子單元(LEU)、車載控制計算機設備(EVC)組成,并與計算機聯鎖設備結合實現列車運行控制。目前,ETCS-1平臺中主要采用計軸設備來實現軌道區段占用、檢測功能,并通過有源應答器向列車發送移動授權,實現點式ATP系統的超速防護功能。

基于ETCS-1平臺的點式ATC系統可視為簡化的CBTC系統,即CBTC的車載控制平臺與ETCS-1標準的軌旁設備相結合的系統,亦可稱為ETCS/CBTC系統。它取消了CBTC系統在區間的車地無線通信設備,列車在區間中按照“點式”方式行車,即在區間采用歐式應答器點式通信方式上傳列車移動授權,控制列車安全運行;在車站(含折返線、存車線等)及站臺接近區域布設無線通信設備(該區域內列車運行速度較低,不存在車地無線通信連接可靠性問題),可實現列車精確停車、站臺門車門聯動、站臺區域防護、無人自動折返、臨時限速等功能。圖2為點式ATC系統原理圖。

圖2 點式ATC系統原理圖

點式ATC系統在列車運行控制方面采用準移動閉塞控制方式[4]。利用閉塞分區控制列車的運營間隔,在每個閉塞分區的入口設置信號機,每架信號機配置有源應答器。ATS(列車自動監控)子系統結合聯鎖子系統,根據列車的運行和進路設置情況編制列車運行移動授權信息,發送給LEU(軌旁電子單元)。LEU設備進行編碼后通過有源應答器發送至列車,車載設備將根據獲得的移動授權信息,結合無源應答器提供的線路數據以及列車自身的運行數據,按照速度-目標模式計算列車的運行控制曲線,實現列車運營間隔及安全間隔的控制、超速防護,也可實現ATO列車自動駕駛[5]。

點式ATC系統基于ETCS-1平臺,所有軌旁設備均是標準化產品,通信接口和協議均為開放式,國內主流信號設備均是在ETCS平臺上衍生而來。因此只要規范車地通信接口及原則,點式ATC系統即可依此實現市域軌道交通線網內部互聯互通和資源共享。基于ETCS-1的點式ATC系統在溫州市域鐵路S1、S2線,南京S1線中得到了應用。

點式ATC系統應用于市域軌道交通中,其優勢在于:系統架構簡單,區間設備少,后期維護量較小;工程造價較低,適應市域軌道交通初、近期中運量的運營需求,性價比高;遠期客流上升,點式ATC可平滑升級至CBTC,實現更小間隔的運營需求。依據ETCS標準可實現線網內部的互聯互通。其劣勢在于:由于區間采用點式方式控車,系統的實時調節能力稍弱,不利于復雜工況(如大站快車等)。

2.3 CTCS-2+ATO系統

CTCS控制系統是我國列車控制系統的標準平臺，實現了國鐵線網內的互聯互通及資源共享。其中CTCS-2級是我國城際鐵路的主要信號方案,主要由調度集中系統(CTC)、CTCS-2級列車運行控制系統、車站聯鎖系統、信號集中監測系統等構成,是一個以調度中心為龍頭，車站設備為基礎，通信網絡為骨架,集中調度指揮、行車控制、設備集中監測等功能于一體的自動化系統。系統原理如圖3所示。

圖3 CTCS-2系統原理圖

我國城際鐵路采用的都是CTCS-2列車運行控制系統。為適應公交化運營需求,在CTCS-2的基礎上疊加了ATO功能,實現了站間自動運行、車站定點停車、自動折返、列車運行自動調整、車門站臺門防護及聯動控制、列車節能運行等功能。CTCS-2+ATO系統,在珠三角城際線路中得到了應用[6]。

CTCS-2+ATO系統應用于市域軌道交通中,其優勢在于:系統成熟、可靠,自動化程度高;工程造價低,適應低密度運營的市域軌道交通線路,性價比高;依據CTCS標準可實現線網內部的互聯互通。

其劣勢在于:軌旁設備較多,后期維護量較大;其ATO功能基于GSM-R(Globle System of Mobile for Railway)平臺開發,地方業主難以取得GSM-R的頻率資源;CTCS平臺尚無3 min以內的運營業績,不確定是否能適應線路遠期的運營需求。

3 結論

目前,隨著城鎮化建設步伐的加快,市域軌道交通即將迎來全面建設的高峰期。然而市域軌道交通還處于發展的初始階段,缺乏相關的工程經驗和建設規范。作為市域軌道交通中負責安全和效率的信號系統,其方案的選擇和確定則更顯重要。

根據上文分析,CBTC-LTE、點式ATC、CTCS-2+ATO均可作為市域軌道交通的信號系統,三者應用于市域軌道交通卻各有優缺點。然而信號系統的選擇必須切實依據運營需求,可遵循如下原則:

(1) 市域軌道交通為某既有城市軌道交通線路的延伸線,或需要與既有城市軌道交通實現貫通運營,或可以預見在線路開行不久即將面臨客流爆發式增長達到高密度運營的線路,建議采用CBTC-LTE系統。

(2) 市域軌道交通作為城市的新型、獨立的交通運輸體系,只需實現市域軌道交通線網內部的互聯互通,且可預見的客流增長較為緩慢,運營列車時間間隔要求較低的線路,建議采用點式ATC系統。

(3) 市域軌道交通由鐵路總公司參與建設,且需要與國鐵互聯互通,則必須采用CTCS-2+ATO系統。

[1] 楊舟.溫州市域軌道交通建設和發展研究[J].鐵道工程學報,2013(6):80-84.

[2] 李晶.市域快速軌道交通信號制式的選擇[J].城市軌道交通研究,2014(12):71-75.

[3] 于超,鄭生全,石文靜.城市軌道交通CBTC系統互聯互通方案研究[J].鐵道通信信號,2010,46(1):44-74.

[4] 黃克勇.一種市域信號系統的控制方案[J].信息化研究,2015,41(1):62-65.

[5] 鄭生全.市郊軌道交通信號系統方案研究[J].現代城市軌道交通,2011(4):89-92.

[6] 羅松.CTCS2+ATO城際鐵路列控系統總體技術研究[J].鐵道通信信號工程技術,2015(6):1-5.

Research on Signal System Selection for Suburban Rail Transit

DENG Zhixiang

Suburban rail transit is an important component in railway transportation of China, the selection of its signal system should be in accordance with actual suburban rail transit project and operational requirements. In this paper, three kinds of wildly used signal system (CBTC, intermittent ATC and CTCS2+ATO) are analyzed and compared, the merits and drawbacks of these systems are elaborated. Finally, suggestions on how to select proper signal system are proposed.

suburban rail transit; signal system; operational requirement; intermittent automatic train control (ATC) system

U 239.57

10.16037/j.1007-869x.2017.05.002

2016-08-22)