市域(郊)鐵路信號系統制式比選及建議

成正波 劉華祥

(1.上海軌道交通無人駕駛列控系統工程技術研究中心,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、公交化的服務特性，以及距離長、速度快、服務范圍廣、站間距大等特點。其服務范圍、技術特征和運輸組織特點均介于國家鐵路和常規地鐵(輕軌)之間。為增強城市對外輻射能力，市域(郊)鐵路要實現與國家鐵路干線的互聯互通。

1 現有信號系統

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

1.1 CTCS

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

CTCS-2級信號系統應用于設計時速不高于250 km的線路，采用準移動閉塞制式。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行前方的空閑閉塞分區數或進路信息；通過點式應答器向車載設備傳送臨時限速、列車定位、線路參數等信息。地面可不設通過信號機，以ATP(列車自動保護)車載信號設備的信號作為行車憑證。列控車載設備根據軌道電路和應答器傳送的信息生成目標-距離速度控制曲線來監控列車運行。

CTCS-2+ATO信號系統在CTCS-2級基礎上疊加了ATO系統，能滿足列車超速防護、列車自動運行調整、列車自動駕駛、站臺精確定位停車、列車車門與站臺門防護及聯動控制、防淹門、站臺緊急關閉防護的需求。

CTCS-3級信號系統應用于時速不高于350 km的線路，仍采用準移動閉塞制式。其增加了RBC(無限閉塞中心)和GSM-R(鐵路綜合數字移動通信系統)設備。軌道電路僅用于檢查列車占用情況；應答器用于列車定位，傳輸GSM-R網絡注冊及RBC切換等信息；地面RBC和車載設備通過GSM-R無線網絡傳輸行車許可和線路數據等信息。CTCS-3級列控系統配合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。

CTCS-2和CTCS-2+ATO及CTCS-3目前已大規模應用。根據相關經驗，這些系統較為成熟穩定，可實現市域(郊)鐵路與國家鐵路的跨線運營及互聯互通。

1.2 ATC系統

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

CBTC系統采用車地無線通信傳輸方式，不僅可大量減少軌旁設備，而且可實現高精度的主動列車定位及車地之間的雙向實時通信，具有更高的效率和靈活性。

1.3 STCS

STCS是一種充分借鑒國內外類似項目的建設案例和經驗，以目前既有成熟列車控制系統為基礎，以功能需求為導向構建的兼容CTCS-2和CBTC的移動閉塞列車控制系統，具備以移動閉塞為基礎的高密度、公交化運營能力，并能實現與CTCS-2線路的互通運行。

2 市域(郊)鐵路功能需求分析

《關于促進市域(郊)鐵路發展的指導意見》(發改基礎[2017]1173號)要求：市域(郊)鐵路在充分利用既有鐵路的基礎上，有序新建部分線路，優化完善市域(郊)鐵路網絡；市域(郊)鐵路原則上應采用公交化運營模式。

2.1 互聯互通運營需求

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

2.2 公交化運營需求

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

為了實現公交化運營，市域(郊)鐵路還須具備自動駕駛、精確停車、自動開關門、聯動屏蔽門及安全門等ATO相關功能，既能為列車精確對標停車及正確開門提供有力的技術保障，也能有效減輕司機和站臺客運人員的勞動強度，提高自動化水平和運營效率。

可見，市域(郊)鐵路信號系統必須滿足公交化運營的需求，具備ATO相關功能。

3 信號系統對功能需求的適應性分析

3.1 信號系統對互聯互通及ATO功能的適應性分析

不同信號系統的互聯互通適應性分析如表1所示。

表1 不同信號系統的互聯互通適應性分析

在中國鐵路總公司主導下，制定了CTCS統一標準，以滿足不同系統設備、不同車載設備及不同等級CTCS間的互聯互通要求。

地鐵CBTC系統目前沒有統一的標準?；ヂ摶ネㄐ虲BTC系統雖可實現不同供應商CBTC之間的互聯互通，卻不能滿足與CTCS互聯互通的要求。

CTCS-2+ATO系統與CBTC系統均能實現ATO相關功能。CTCS-2及CTCS-3均未能實現ATO相關功能。

根據互聯互通及ATO相關功能的要求，市域(郊)鐵路信號系統應采用CTCS-2+ATO系統或能兼容CTCS-2+ATO的STCS。

3.2 信號系統對公交化運營的適應性分析

3.2.1 CTCS-2+ATO系統

CTCS-2+ATO系統的核心理念是區間自動閉塞追蹤運行。CTCS-2+ATO系統通過調整閉塞分區的長度來優化區間追蹤間隔，可使得最小區間追蹤間隔縮至3 min。CTCS-2+ATO系統的區間追蹤間隔取決于站臺區域追蹤間隔與折返區域追蹤間隔。

3.2.1.1 站臺區域追蹤間隔

站臺區域追蹤有兩種情況:①到通,當車站存在配線時，前行列車到發線進站停車，后行列車正線通過；②到到,當車站沒有配線時，前行列車到發線進站停車，后行列車到發線進站停車。

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

站臺區域追蹤間隔時間計算為:

t到到=(L制+L防+L進站)/v到達+(L標+L列)/v出發+t到達作業+t停站

1)

式中：

t到到——前后兩列車到達站臺的時間間隔；

L制——列車制動距離；

L防——安全防護距離；

L進站——從進站防護信號機至站臺停車點的距離；

v到達——列車到達進站防護信號機干擾點時的運行速度；

L標——站臺停車后，列車車頭與出站信號機的距離；

L列——列車的車長；

v出發——列車出清(L標與L列)的運行速度；

t到達作業——列車到達時接車作業時間；

t停站——列車停站時間。

當設計行車速度為160 km/h、t停站=40 s、t到達作業=16 s時，閉塞分區長度為800 m時，經過牽引計算，t到達=103 s，t出發=42 s。由式(1)可得，t到到為201 s。

3.2.1.2 折返區域追蹤間隔

根據折返站的站型，折返區域追蹤間隔可按站前折返與站后折返兩種情況計算。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。

根據文獻[2]第6.1條與第6.5條的規定，采用CTCS-2+ATO系統的線路在列車折返作業時需執行相應操作流程[2]。因此，列車在折返站的停站時間必須滿足完成規定操作流程的需要。珠三角廣惠城際鐵路為國內已開通運營的、且采用CTCS-2+ATO系統的線路，根據該線路莞惠段(東莞—惠州段)的折返運營數據，計算列車按照規定流程完成折返站從進站停車至折返站起動發車所需的理論時間：在單司機配置下為335 s左右，在雙司機配置下為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參數如表2所示，進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參數，進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單司機站前交替折返追蹤間隔相關數據

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

3.2.2 STCS系統

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90 s。采用STCS時，限制列車追蹤間隔的主要瓶頸點為列車折返能力。因此主要分析STCS下的站前折返能力。

表4 CTCS-2+ATO雙司機站前交替折返追蹤間隔相關數據

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營能力的瓶頸點；在固定乘客上下車站臺的情況下，列車最小追蹤間隔可達約180 s，能滿足較高的公交化運營能力需求(運行間隔小于3 min)。

表6 移動閉塞站前單折返追蹤間隔計算表

表7 移動閉塞站前交替折返追蹤間隔

表8 STCS系統站前交替折返追蹤間隔相關數據

3.2.3 STCS互通性分析

STCS是兼容CTCS-2的移動閉塞系統，故STCS可以實現與CTCS-2線路的互聯互通跨線和共線運營。STCS系統具備互聯互通CBTC功能，也可以實現與其他城市軌道交通線路的互通運營見圖2。

STCS的架構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備來滿足列車同鐵路CTCS線路及地鐵移動閉塞線路的互聯互通和跨線運營；通過配置兼容型的軌旁設備來滿足鐵路列車與地鐵列車的互聯互通和跨線運營。

4 結語

對于市域(郊)鐵路而言， CBTC移動閉塞信號系統能更好地發揮公交化運營的優勢，同時為了滿足互通運行的需求，至少應支持CTCS-2的運行，因此：

圖2 STCS市域信號系統互聯互通場景

1) 對于公交化運營間隔(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。

2) 對于公交化運營間隔(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。