基于區域聯動和多制式協調的鐵路信號系統技術研究

邢科家 郜洪民 黃蘇蘇

1 需求分析

現階段我國的城鎮化已經進入大城市群化、大都市區化的發展階段，各個城市之間的通勤需求日益增加。面對這些需求，大力發展高效、綠色、快速的公共軌道交通是在大城市群之間實現最大限度流動、促進城市和區域經濟健康有序發展的關鍵［1］。從技術角度看，提高單條線路的運行效率已經不能解決大城市群之間的交通問題，實現區域聯動、協調多種制式的鐵路信號系統，加強高速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通之間的平滑連接，才能有效提高超級大城市群間的軌道交通運行效率，保障區域經濟有序發展。為此，越來越多的干線鐵路需要考慮穿越城市中心區域、連接主城和衛星城、“組團”城區之間及沿途城鎮的客流出行問題。

2019年2 月，國家發改委發布了《關于培育發展現代化都市圈的指導意見》［2］，明確提出“打造軌道上的都市圈”，在有條件的地區編制都市圈軌道交通規劃，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網融合”。2020年4月，國家發改委和交通運輸部聯合印發了《長江三角洲地區交通運輸更高質量一體化發展規劃》［3］，加快構建長三角地區現代化綜合交通運輸體系，推進區域軌道交通智能化發展。同時，廣州地鐵代管珠三角城際鐵路，承接4條城際鐵路運營管理，構建“一張網、一張票、一串城”的粵港澳大灣區軌道交通運營模式。國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、公交化運營的區域公共交通服務。以上一系列舉措得到社會各界的廣泛關注。

實際上，現有的信號系統中還沒有能夠完全滿足區域軌道交通聯動中“四網融合”需求的成熟產品。基于通信的列車自動控制系統（CBTC）是最主流的地鐵信號系統，能夠提高線路運力，但對整個系統的配置要求很高，而且CBTC是供應商專有技術，無法實現不同供應商產品之間的互通操作。這雖然對于主要采用隔離線路的地鐵來說是可以接受的，同時國內的城市軌道交通行業一直在推進CBTC系統的互聯互通工作，但對于需要大量互通操作的系統，如實現長期可持續發展的大型干線網絡，其適用性依然是個未知數［4］。目前的CBTC系統主要應用于城市軌道交通，對于應用于遠距離高速運營線路缺少技術支撐，特別是在與國鐵互聯互通、成網運行方面，缺乏實際應用經驗［5］。中國列車運行控制系統（CTCS）是我國干線鐵路普遍采用的信號系統，能夠適應從160 km/h到350 km/h的不同速度干線鐵路需求，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。市域鐵路通常采用CTCS-2級系統，存在列車追蹤間隔較大，精確停車精度不夠的缺點，不能完全解決大城市群之間的互通問題。

表1對CTCS-2級系統和CBTC系統的整體屬性進行了對比分析。可以看出，單獨使用CTCS-2級系統或CBTC系統都不能滿足區域軌道交通“四網融合”的需求。

區域軌道交通發展需要實現以出行需求為導向的運輸資源優化配置，達到客流、列流網絡匹配的耦合關系，從而提高區域軌道交通整體運能和效率，這就要求鐵路信號系統能夠實現多種制式協同工作、具備跨制式運輸組織聯動的能力。本文從適應性出發，分析了3種實現區域聯動和多制式協調的信號系統方案，并對其優缺點和適用條件進行對比。

2 技術方案

為了實現國鐵干線鐵路與城市軌道交通區域聯動，協調多種制式的鐵路信號系統，加強高速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通之間的平滑連接，信號系統需要適應各種各樣的工程環境和改造需求。根據不同項目的實際情況，目前行業內提供的信號系統解決方案主要有CTCS2+ATO方案、CTCS與CBTC切換方案，以及CTCS與CBTC疊加方案3個方向。

表1 CTCS-2級系統和CBTC系統的整體屬性對比

2.1 CTCS2+ATO方案

CTCS2+ATO方案是為了適應市域（郊）鐵路公交化運營的需求，在CTCS-2級列控系統的基礎上，疊加列車自動駕駛（ATO），來實現站間自動運行、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，其系統構成見圖1。相比傳統的CTCS-2級系統，CTCS2+ATO系統需要在地面增加精確定位應答器，實現列車進站精確停車；增加通信控制服務器CCS設備，實現車門/站臺門聯動控制和運行計劃下發；車載設備增加GSM-R無線通信單元和列車自動駕駛ATO設備，實現無線通信和列車自動駕駛；CTC增加運行調整功能，以配合ATO功能的應用；TCC增加站臺門和站臺緊急關閉的采集驅動功能［6］。

CTCS2+ATO系統的優點在于系統成熟可靠，自動化程度高，可以實現精確停車；工程造價低，性價比高，適應低密度運營的市域軌道交通線路；可以依據CTCS標準實現線網內部的互聯互通。但在目前國鐵干線鐵路與城市軌道交通相互銜接的應用場景中，CTCS2+ATO方案還存在一些不足：軌旁設備較多，后期維護量較大；基于GSM-R平臺開發的ATO，地方業主難以取得GSM-R的頻率資源；CTCS平臺尚無最小列車追蹤間隔3 min以內的運營業績，不確定是否能夠適應線路遠期的運營需求。CTCS2+ATO系統雖然提高了列車進站停車的精度，但是其最小列車追蹤間隔并不能滿足大城市對于軌道交通快速疏散大量人流的需求。因此，CTCS2+ATO系統更適合應用在市域（郊）鐵路公交化運營項目中。

圖1 城際鐵路CTCS2+ATO列控系統總體構成

2.2 CTCS與CBTC互聯互通的切換方案

跨城市鐵路通常需要連接干線鐵路和城市內部的軌道交通線路，因此需要選擇既能實現高可靠性和密集運行，又能保證干線鐵路網絡統一的信號系統。因此提出CTCS與CBTC互聯互通的切換方案［7-8］，以滿足城市軌道交通高密度行車，以及干線鐵路線網內部互聯互通需求。在整條線路上設置1個切換過渡區域，并在列車上配置2套不同制式的車載設備，通過定義列車越過過渡區域完成控制系統切換的具體流程，為干線鐵路和城市軌道交通相銜接的場景提供一個車載切換的解決方案。

圖2描述了CTCS與CBTC切換方案的具體應用場景。通過在運行列車上同時安裝適用于CTCS系統和CBTC系統的車載設備，并在線路上設置相應的過渡切換區域完成車載設備控制切換，當滿足前方線路運行條件后方可離開過渡區域。該方案中，CTCS區域和CBTC區域相對獨立，互不影響。因此，二者各自的地面信號設備沒有變化；車上同時安裝的CTCS、CBTC車載設備之間存在切換接口，設置相應的車載設備越區切換流程；切換過渡區需要布置相關地面設備，并納入到軌旁區域控制設備（CBTC系統的ZC或CTCS-3級系統的RBC）進行管理，保障列車在城軌系統和鐵路干線系統之間完成切換。

該方案的優點是能夠保障CBTC區域的列車全部以移動閉塞方式運行，最大程度地提高核心區域的列車運行效率，同時又不影響國鐵干線鐵路網絡的調度管理。缺點是設置的切換過渡區域對線路條件有一定的要求，部分線路不滿足此方案的改造條件；核心區域不納入干線CTCS鐵路網絡進行管理，一定程度上破壞了國鐵調度網絡的完整性，長遠來看會使CTCS系統喪失在區域軌道交通聯動領域應用的先進性。因此，CTCS與CBTC互聯互通的切換方案適合應用在線路滿足改造條件，由城軌運營方主導的，對核心區域列車運行效率要求非常高的跨區域銜接線路。

2.3 CTCS與CBTC同時疊加的覆蓋方案

CTCS與CBTC同時疊加的覆蓋方案是一種將應用于國鐵干線的CTCS系統和應用于城市軌道交通的CBTC系統深度結合的解決方案。該方案是在不影響CTCS系統（這里主要是指C2系統）和CBTC系統原有車載設備配置的條件下，通過在重疊區域的軌旁同時部署CTCS軌旁設備和CBTC軌旁設備2套不同制式的軌旁控制設備，實現CBTC列車和CTCS列車在重疊區域內的混合運行。

CTCS與CBTC疊加覆蓋方案見圖3。CBTC列車通過自動折返的方式，僅在重疊區域內運行，而CTCS列車可以直接通過重疊區域，重疊區域內的CTCS列車和CBTC列車各自獨立運行。

CTCS與CBTC同時疊加的覆蓋方案層級示意見圖4。其中，控制中心層和軌旁信號層為CTCS系統和CBTC系統共有。為了防止不同系統之間出現的移動授權沖突，CTCS和CBTC使用共同的軌旁信號設備（信號機、軌道電路、轉轍機、應答器等）來計算列車移動授權。CTCS列車和CBTC列車向同一個控制中心報告其位置和運行狀態，服從同一個控制中心的調度。區別在于：CBTC系統利用ZC和車地無線通信網絡，CTCS系統利用地面列控中心和調度集中數據網，實現信息通信。

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信號系統層級示意

CBTC系統在地面配置區域控制器ZC和列車精確停車應答器，部署相應的車地無線通信網絡，為CBTC通信列車計算移動授權，同時確保非通信列車（CTCS列車）安全運行。CBTC車載層能夠保障CBTC通信列車的安全完整性等級，實現列車進站精確停車、區間自動折返等自動駕駛相關功能。CTCS系統的軌旁層主要包括列控中心、臨時限速服務器等，在固定閉塞條件下發送CTCS列車的移動授權。CTCS車載設備根據列車參數和地面設備提供的軌道電路信息、線路數據、臨時限速等，按照“目標-距離”模式生成控制曲線，監控列車安全運行。重疊區域運行的列車可以分為能夠進行車地無線通信的CBTC列車和不能進行車地無線通信的非通信列車（CTCS列車）2種。

該方案的優點是保障CBTC列車和CTCS列車能夠在重疊區域進行安全可靠的混合運行，一定程度上提升了重疊區域的行車效率；不需要設置切換區域，對線路條件的要求低；全線都能納入CTCS干線鐵路網絡管理，維護國鐵調度網絡的完整性。缺點是由于重疊區域內有CTCS列車和CBTC列車混合運行，列車不是全部以移動閉塞方式運行，重疊區域的行車效率不能最大化。因此，CTCS與CBTC同時疊加的覆蓋方案適合應用在線路不滿足改造條件，對核心區域列車運行效率要求一般的跨區域銜接線路，特別是一些需要提高運行效率的舊線改造項目。

從適應性的角度，總結了目前可以實現區域聯動、多制式協調的3種信號系統技術方案的優缺點、適用條件和實際開通項目，具體見表2。

表2 3種技術方案的比較

3 總結

由于現有的信號系統解決方案不能完全滿足“四網融合”的需求，本文提出了3種適用于區域軌道交通聯動的鐵路信號系統技術方案，這是目前應對亟待開通或改造的區域軌道交通聯動項目較為合理的方案。這些方案的本質是將現有的成熟系統組合起來，達到適應多種制式的目的，實際上還是會造成一定的設備重復及兼容性問題。隨著城鎮化水平和居民出行需求的不斷提高，區域軌道交通的未來發展需求，將不再僅僅是區域聯動、多種制式信號系統的協調，更有協同運營、綜合維護、多制式協同應急處置、一體化聯動指揮等一系列的安全保障需求。從根本上來說，研制基于一體化平臺的多制式、全專業的成套系統裝備，達到數據綜合、資源共享、管控一體、負載均衡、綜合承載等各個方面的特殊要求，才能更好地服務于區域軌道交通發展，為出行乘客提供一站式全出行鏈的服務，在區域范圍內形成多層次的綜合交通體系，助力中國大城市群化、大都市區化的快速發展。