一種不同制式信號系統的貫通運行方案

陳爾超

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

截至2018 年底，國內共有35 個城市開通城市軌道交通運營線路185 條，運營線路總長度5 761.4 km。擁有4 條及以上運營線路，實現網絡化運營的城市16 個，占開通城軌交通運營城市總數的45.7%。過去各條線路獨立運營，乘客在換乘站進行不同線路換乘。隨著網絡化運營的發展，越來越多的城市提出了線路間貫通運行的需求。線路間貫通運行可提升通勤服務、減少換乘直達目的地，實現資源共享和調配，提高線路和列車的利用率等。

線路間貫通運行涉及到多個專業系統，包括線路、車輛、供電系統、通信系統、信號系統等。其中信號系統是城市軌道交通的重要組成部分，以安全為核心，以保證和提高列車運行效率為目標，信號系統是實現線路間貫通運行的關鍵制約條件。從線路基礎條件來看，城市軌道交通線路間貫通運行可以在地鐵、輕軌、市域快軌之間。地鐵、輕軌的信號系統制式主要采用基于軌道電路的固定閉塞/準移動閉塞系統、基于通信的列車自動控制系統（CBTC），CBTC 系統又通常采用點式降級系統。市域快軌信號系統制式可采用基于軌道電路的中國列車控制系統2 級加ATO（CTCS2+ATO）、CBTC、點式列車自動控制系統（IATC）。

關于CBTC 信號系統制式線路間的貫通運行，中國城市軌道交通協會已經發布團體標準《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統（CBTC）互聯互通系統規范》，包括系統規范、接口規范、測試規范、工程規范。典型應用案例為重慶軌道交通二輪建設的4 條線采用4 家信號供貨廠商，4 條信號供貨商均采用CBTC 系統，統一通信協議、統一系統架構、統一規劃和設計。

除了CBTC 與CBTC 信號系統制式線路間的貫通運行，國內針對不同制式信號系統的貫通運行并無有效銜接與融合，為此研究不同制式信號系統的貫通運行將有重要意義，本文將對CBTC 制式信號系統與基于軌道電路制式信號系統的貫通運行方案進行研究。

2 應用場景

本文研究的不同制式信號系統的貫通運行方案可適用于以下場景。

1）新建CBTC 制式與既有基于軌道電路制式貫通

建設較早的城市軌道交通線路多采用基于軌道電路的信號系統制式，近些年隨著CBTC 技術的發展，新建地鐵線路基本均采用CBTC 制式的信號系統。場景1：新建線路與既有線路有貫通運行需求，新建線路采用CBTC 制式信號系統，既有線路采用基于軌道電路制式的信號系統。

2）基于軌道電路制式的Y 字形交路的單邊CBTC 改造

場景2：Y 字形交路的線路，原線路采用基于軌道電路制式的信號系統。開展Y 字形線路的單邊改造，另一邊由于設計年限等暫不進行改造，由于原Y字形為貫通運行，改造后依然有貫通運行需求。

3）CBTC 制式的地鐵線路與CTCS2+ATO 制式的市域快軌貫通

市域快軌一般服務于城市與市郊、中心城市與衛星城，是一種具有通勤服務功能、中長距離的城市軌道交通形式。從服務乘客的角度來看，市域快軌與市內地鐵有強烈的貫通運行需求。對于市域快軌信號系統制式，CTCS2+ATO 制式已有應用，比如溫州市域快軌。場景3：市內地鐵線路與市域快軌線路貫通運行，市內地鐵線路采用CBTC 制式的信號系統，市域快軌線路采用CTCS2+ATO 制式的信號系統。

3 相關專業基礎條件

線路間貫通運行涉及到多個專業系統，包括線路、行車、車輛、限界、牽引供電、通信、信號，具體需要達到以下條件。

1）線路：線路間貫通或線路間設置跨線運營聯絡線，線路軌距相同。

2）行車：基于客流預測情況，制定貫通運行交路。

3）車輛：車輛限界相同，車輛性能參數基本一致。

4）牽引供電：牽引供電方式相同。

5）通信：無線通信系統兼容互通。

6）信號：在各相關專業具備貫通運行的基礎條件上，信號系統制定貫通運行方案，實現列車在不同線路間的跨線/共線運行。

4 信號系統貫通運行解決方案

4.1 場景描述

以上文的場景1 為例，制定如圖1 所示的具體場景。

1）線路I 為基于軌道電路的信號系統制式，路徑從A 至B；

2）線路II 為CBTC 信號系統制式，路徑從B至C；

3）列車運行交路包括線路I 的獨立運行交路（A ←→B）、線路II 的獨立運行交路（B ←→C）、以及貫通運行（C 至A）的交路。

圖1 線路場景示意圖Fig.1 Schematic diagram of line scenario

4.2 系統構成及配置方案

線路I 的基于軌道電路信號系統主要由聯鎖設備、ATS 設備、軌道電路占用檢查和發碼設備、車載設備組成。獨立運行交路列車通過接收軌道電路的碼序來行車。

線路II 的CBTC 系統主要由聯鎖設備、ATS 設備、車地無線通信設備、車載設備組成，其降級采用點式降級系統。獨立運行交路列車以CBTC 控制方式和點式控制方式來行車。

為實現貫通運行（C 至A）的交路，同時需在線路I 布置線路II 系統的點式設備。由于C 至A 的貫通運行交路，則A-B 段上存在線路I 和線路II 兩條線路列車的共線運行情況。共線運行段的信號系統整體結構如圖2 所示。

圖2 共線運行段信號系統整體結構圖Fig.2 Overall structure diagram of signal system of joint operation section

1）聯鎖子系統

線路II 在B-C 段設置聯鎖設備，線路I 在A-B段設置聯鎖設備，線路I 和II 分別控制各自線路上的軌旁聯鎖設備。聯鎖區分界點在B 車站，分界處通過繼電方式進行接口。共線A-B 段采用一套聯鎖設備對該線路上的進路進行控制，A-B 段列車的占用檢查均基于軌道電路設備。

2）ATS 子系統

若為同期建設，可考慮在A-C 段設置一套ATS子系統，對線路I 和線路II 進行統一控制。

若為非同期建設，可分別設置各自線路的ATS子系統。線路I 的ATS 子系統控制范圍為A-B 段，線路II 的ATS 子系統控制范圍為B-C 段，在車站B處進行調度權的移交，并互傳到發站時間。其中的一條線路（假定線路II）負責編制全線A-C 段的總運行圖，并將線路I 的運行圖離線發給線路I 的ATS，線路I 的ATS 根據收到的運行圖到發時間點編制自己的運行圖。

3）ATP 子系統

線路I 在A-B 段設置軌道電路、軌旁信號機等設備，通過軌道電路實現A-B 段列車的占用檢查和發送地車信息報文。線路I 列車配置本線路的車載設備，以實現接收軌道電路報文來控車。

線路II 在B-C 段設置無線通信設備，通過無線通信方式實現地車雙向通信；同時線路II 在A-B-C段設置點式應答器設備，在B-C 段的點式應答器連接線路II 的信號機，在A-B 段的點式應答器連接線路I 的信號機，通過點式通信方式實現地車通信。線路II 列車亦配置本線路的車載設備，接發車地信息和計算列車運行曲線實現列車控制。

4.3 列車運行方式

1）A-B 段共線運行

A-B 段運行時存在兩線列車共線運行的情況，但區段內列車的占用檢查均基于軌道電路進行監督。

對于線路I 列車來說，無論前車是線路I 列車還是線路II 列車，其均基于A-B 段軌道電路的報文來行車。通過軌道電路實現列車的位置檢測，無絕緣移頻軌道電路設備根據前車位置計算和發送報文指令信息，追蹤列車接收報文信息并據此行車。

對于線路II 列車來說，無論前車是線路I 列車還是線路II 列車，其均基于A-B 段點式信息來行車。通過點式設備采集信號機的顯示信息，并通過軌旁動態信標把信號機的顯示信息傳送給車載ATP 設備，車載ATP 設備根據信號機狀態計算列車運行曲線，進而實現線路II 列車的點式控制，以點式方式行車。

2）B-C 段獨立運行

B-C 段只有線路II 列車運行，線路II 的地面ATP 設備通過無線通信方式將移動授權發給列車，列車根據移動授權計算列車運行曲線進行控車。

3）A-C 段列車控制級別轉換

對于線路II 列車來說，其在B-C 段常用控制方式為CBTC 級別控車，在A-B 段常用控制方式為點式級別控車。列車運行方式和模式轉換如圖3 所示。

圖3 列車貫通運行模式圖Fig.3 Diagram of train through operation mode

列車自A 至B 以先點式ATP 模式運行，列車在車站B 停車后可轉換為CBTC 模式向車站C 方向運行；列車由C 至A 先以CBTC 模式運行，列車在車站B 停車后可轉換為點式ATP 模式向車站A 方向運行。

4.4 性能指標

1）安全性

對于B-C 獨立運行段，其安全完全由線路II 信號系統保證。對于A-B 共線運行段，其位置監督均基于線路I 的軌道電路，進路控制均由線路I 的聯鎖實現，調度指揮均由線路I 的ATS 系統完成，各自線路列車分別與各自的軌旁設備通信完成列車的追蹤運行。

系統的安全完整性水平要求：列車自動防護(ATP)子系統4 級、計算機聯鎖(CBI)子系統4 級、列車占用檢測設備4 級、列車自動監控(ATS)子系統2 級、列車自動運行(ATO)子系統2 級。

2）運營能力

對于B-C 獨立運行段，其運營能力完全取決于線路II 信號系統，通常為：正線列車最小運行間隔、交路折返站最小折返間隔滿足2 min，正線設計追蹤間隔不大于90 s。

對于A-B 共線運行段，其運營能力主要取決于線路I 的信號系統能力，正線運行能力、折返能力不超過線路I 信號系統自身能力水平，追蹤能力依追蹤列車的控制方式。

3）其他性能

設備的可靠性取決于各設備自身的平均故障間隔時間，系統的可用性應不小于99.98%，設備的可維護性主要取決于線路自身的平均故障修復時間，可按車站設備、軌旁設備、車載設備、控制中心設備進行劃分。

5 工程案例分析

以大連地鐵3 號線、地鐵3 號線支線、大連金普線為例，利用本文方法制定解決方案。

地鐵3 號線從大連站至金石灘站，開行大連站—金石灘、大連站—保稅區的大小交路。3 號線支線從開發區至九里站，開行開發區—九里站交路，且與3 號線共同開行大連站—九里站的長交路。金普線新建段從九里站至振興路站，且與3 號線支線貫通運行，開行振興路至開發區的列車交路。運行交路如圖4 所示。

圖4 運行交路圖Fig.4 The diagram of routing mode

地鐵3 號線和支線為正在運營線路，信號系統為基于軌道電路的固定閉塞制式。金普線為在建線路，信號系統采用基于無線通信的CBTC 系統。根據交路情況，九里站—振興路站為獨立運行段，開發區站—九里站為共線運行段，具體解決方案如下。

金普線工程在九里—振興路設置常規的CBTC設備，除此之外金普線工程在開發區—九里段設置點式應答器設備，點式應答器與支線的信號機連接，實現對信號機狀態的采集和發送。九里—振興路段的調度指揮由金普線工程設置的ATS 控制，開發區—九里段的調度指揮由3 號線和支線ATS 控制。開發區—九里段的位置監督均基于既有的軌道電路，開發區—九里段的聯鎖進路由支線聯鎖控制，并在九里站處與金普線聯鎖采用繼電方式進行接口。

3 號線和支線列車在開發區—九里段基于軌道電路的碼序以固定閉塞方式行車，金普線列車在九里—振興路段以CBTC 方式行車，金普列車在開發區—九里段以點式方式行車，在九里站到站停車期間完成控制模式轉換。

6 結束語

本文提出一種不同信號制式的貫通運行解決方案，本方案尤其適合解決短距離共線運行場景。如果共線運行段開行列車對數較少，還可考慮采用配置兼容性信號車載設備或雙套信號車載設備解決方案。