>面向多網融合的市域鐵路信號調度系統研究

劉華祥 陳恒宇

(1.卡斯柯信號有限公司， 200072， 上海；2.深圳市地鐵集團有限公司， 518026， 深圳∥第一作者， 高級工程師)

伴隨國家多個指導意見的出臺，市域(郊)鐵路的發展已被提升到國家交通戰略發展層面。 “十四五” 期間，京津冀、長江三角洲(以下簡稱“長三角”)和粵港澳3大區域計劃新開工建設的城際鐵路和市域(郊)鐵路總長度約10 000 km，其目標是將都市圈內已經建成的國家干線鐵路網、城際鐵路網及城市軌道交通線網進行多網融合。

目前，如北京、上海、廣州、成都、溫州等多個城市己經開始嘗試市域快線規劃建設，分別修建了不同類型的市域鐵路。此外，還有多個城市的多條市域鐵路正在規劃籌建中。至2025年，這3個都市圈將基本形成城際鐵路骨架網絡和市域(郊)鐵路骨架網絡。

與此同時，國家多個政策文件也對市域鐵路進行了明確的定位，包括國辦發[2018]52號《關于進一步加強城市軌道交通規劃建設管理的意見》、發改基礎[2017]1173號《關于促進市域(郊)鐵路發展的指導意見》及發改規劃[2019]328號《國家發展改革委關于培育發展現代化都市圈的指導意見》等。這些文件明確了基于四網融合的市域鐵路應具有公交化和網絡化兩大特點。

市域鐵路的信號系統也應滿足多網融合的需求。作為信號系統的指揮大腦，市域鐵路調度系統需具備可同時調度指揮不同層次軌道交通線路列車運行的功能。但是，目前國內可同時支持公交化和網絡化運行的市域鐵路調度系統尚屬空白。基于此，本文結合實際項目的建設需求，圍繞市域鐵路公交化和網絡化的特點，對市域鐵路的信號調度系統展開研究。

1 市域鐵路調度系統需求分析

從建設和運營需求角度分析，目前國內市域鐵路需要考慮3類運營場景：獨立成網運營、與國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)線路互通運營及與城市軌道交通線網互通運營。無論在哪類場景下，市域鐵路信號系統都應能同時滿足公交化和網絡化的運營需求。

1.1 公交化運營需求

1.1.1 通勤化

為了滿足通勤化調度指揮需求，市域鐵路調度系統應具備列車運行計劃的自動調整、在線列車車次號的靈活調整、大小交路同時運營、無人及有人駕駛模式下列車的自動折返/跳停/扣車、調度命令的編輯及下發到車站和列車、信號設備自動和人工控制、區間運營等級和停站時間的靈活調整、在站列車提前發車及列車節能運行等功能。

1.1.2 快速化

為了滿足快速化調度指揮需求，市域鐵路調度系統應具備支持列車以200 km/h的最高速度在線運行。

1.1.3 大運量

為了滿足大運量線路的調度指揮需求，市域鐵路調度系統應支持列車靈活聯掛和解編、不同編組列車在線混跑及根據客流情況自動調整在線列車數等功能。

1.1.4 智能化

為了滿足智能化調度指揮需求，市域鐵路調度系統應支持最高GoA4(無人干預列車運行)下列車的全自動運行功能(包括自動喚醒、出庫、入庫、休眠、喚醒、段內自動調車、出庫自動領號、回庫自動消號等)，并應與其他系統(包括綜合監控、通信、供電、站臺門、施工管理系統、市域動車組管理系統、司機派班、國鐵旅客服務等)進行信息聯動。此外，還應具備故障處置完成后列車運行圖的自動恢復、運營及維護數據的智能化統計分析、設備狀態的智能監控和報警等功能。

1.2 網絡化運營需求

1.2.1 列車運行圖的統一編制和調整

為了滿足網絡化調度指揮需求，市域鐵路調度系統應具備跨線路列車統一編圖的功能，支持按照線路、線網、調度臺管轄區等不同方式進行編圖，多線間交界站列車間的接入和交出可實現自動勾連。統一編制后的線網列車運行圖可以按照不同線路、不同調度臺管轄范圍自動拆分，并下達給對應的調度臺。如對線網列車運行圖進行修改，修改后的列車運行圖將會及時通知并更新至每個相關的調度臺，以實現線網列車運行圖的實時同步更新。

1.2.2 調度管轄區的靈活劃分

為了滿足網絡化調度指揮需求，市域鐵路調度系統的調度臺管轄范圍應能靈活配置，支持按照線路、區段或區域進行調度指揮。一個調度臺的管轄車站可以僅僅是ATS(列車自動監控)車站或CTC(調度集中)車站，也可以是ATS和CTC車站的組合，可根據新建市域鐵路的列車控制制式及運營需求進行配置。

1.2.3 與其他層次軌道交通建立調度系統接口

為了實現市域鐵路與既有國鐵線路或城市軌道交通線路間的互通運營，市域鐵路調度系統需要與既有國鐵線路的CTC、城市軌道交通線路的ATS進行接口互聯，以實現不同層次軌道交通列車運行計劃的順利實施，不同層次軌道交通信號設備狀態信息的共享，以及不同層次軌道交通調度命令的相互傳遞等，滿足列車跨線運營所需的信息交互需求。

2 既有軌道交通調度系統簡述

目前我國的軌道交通信號調度指揮系統主要有兩種類型：一類是國鐵線路的CTC系統及TDCS (列車調度指揮系統)，另一類是城市軌道交通線路的ATS系統。其中，TDCS僅有監視功能，與市域鐵路的調度需求差距較大。本文僅對CTC和ATS進行簡要介紹和對比。

2.1 國鐵線路CTC系統

CTC主要用于國鐵干線、城際線路的信號調度指揮。CTC具有很好的網絡化調度功能[1]，但在公交化運營方面尚需提升。

1) 由于國鐵的列車種類眾多、線路范圍較廣、業務種類繁多、標準化程度較高，因此， CTC功能較為復雜；CTC需要完全按照國鐵車站管理細則的要求進行業務邏輯設計，其中有很多業務目前尚需依靠人工進行操作和確認。

2) CTC的運輸計劃主要包括客運計劃、貨運計劃、施工計劃等。如圖1所示，CTC通過與TDMS(運輸調度管理系統)接口實現基本列車運行計劃(又稱“基本圖”)的編制，并實時獲取國鐵線路的日班計劃；運營期間列車運行計劃主要依靠調度員進行人工調整，尚不具備成熟的自動調圖功能。

3) CTC尚不具備自動領取列車運行計劃、列車自動折返、自動跳停和扣車、自動調整運行交路、靈活自動聯掛和解編、與旅客服務系統直接接口等功能。

CTC具有強大的網絡化調度指揮優勢，如圖2所示。一個鐵路局管轄范圍內的所有高速鐵路和城際線路可以共用一套CTC軟硬件系統，且不同鐵路局間可通過中國國家鐵路集團有限公司制定的標準化接口進行互聯，以實現列車的跨局交接，進而實現全國范圍列車的網絡化調度指揮。

注：軍特調度是指軍隊列次及其他特殊列次的調度。

注：每個站段的管轄范圍在15個車站以內。

CTC應用在國鐵線網上具有強大的網絡化調度優勢，但CTC與城市軌道交通線網信號系統間無接口。市域鐵路需具備可同時調度指揮國鐵線路列車和城市軌道交通線路列車運行的功能，僅采用CTC系統不能滿足市域鐵路的調度指揮需求。

2.2 城市軌道交通線路ATS系統

ATS系統主要用于城市軌道交通單一線路(以下簡稱“單線”)的信號調度指揮。由于城市軌道交通線路按照公交化要求運營，因此ATS系統具有較好的公交化調度指揮功能。圖3為城市軌道交通單線ATS的系統架構。每條城市軌道交通線路的ATS均可分為車站和中心兩個部分，且各單線ATS的軟硬件互相獨立。不同的城市軌道交通線路歸屬不同的OCC(運營控制中心)和調度系統管轄。對于相互接軌的相鄰線路，每條線的ATS系統可通過其OCC的接口實現與鄰線信息的互傳[2]。

圖3 城市軌道交通單線ATS系統架構

對于采用單一CBTC(基于通信的列車控制)信號制式的市域鐵路線網，可以采用一套兼具軟硬件的ATS作為調度系統，但需對其網絡化功能進行提升，如線網列車運行圖的統一編制和調整、調度管轄區的靈活劃分、線網運營下的PIS(乘客信息系統)和PA(公共廣播)信息的預告等。但由于ATS不具備與國鐵CTC的接口，市域線路若僅采用ATS系統，也不能滿足其調度指揮需求。

2.3 CTC和ATS在市域鐵路中的應用分析

綜上所述，CTC和ATS分別在網絡化和公交化方面具有優勢。本文針對不同類型的市域鐵路，對其信號調度系統采用CTC或ATS的適用性進行了對比分析。如表1所示，提升了公交化功能后的CTC可用于單一國鐵制式的市域鐵路，提升了網絡化功能后的線網ATS可用于單一城市軌道交通制式的市域鐵路。

由表1可知，只采用CTC或ATS，均不能完全滿足基于城市軌道交通和國鐵信號制式的多線互聯互通市域鐵路的調度指揮要求，因此，需要從市域鐵路的運營需求角度著手，對既有的調度系統進行融合和創新，形成一套運營管理模式統一、維護簡便、技術標準化、可靈活配置的市域鐵路調度系統，以滿足表1中各種類型市域鐵路的運營需求，并為既有市域鐵路的接入和改造創造條件，實現真正的多網融合。

表1 市域鐵路應用CTC和ATS的適應性分析

3 市域鐵路調度系統架構設計

由上文可知，CTC的優勢是采用了網絡化的系統架構，ATS的優勢是具備了良好的公交化調度指揮功能，因此，可以借鑒CTC和ATS各自既有的優勢并進行融合創新，即在CTC的架構基礎上增加ATS的功能模塊，形成一套完全滿足公交化、網絡化運行要求，且可根據市域鐵路實際運營需求進行靈活調配的市域調度系統。其系統架構如圖4所示。

3.1 主要功能模塊

本文所提的市域鐵路調度系統采用分布式架構，將CTC和ATS的軟件功能模塊進行融合和再分配，充分利用ATS的公交化模塊和CTC的網絡化模塊，融合后的模塊可同時具備公交化和網絡化功能，并可與既有國鐵線路無縫連接。融合后的調度系統分為調度中心和車站兩層架構。

在唐傳奇中，常常涉及鬼怪神魔，而這些異時空的生物，在白天往往只是偶然現身于人們的生活，到了夜禁開始之后，街道上空無一人，白晝的花花世界此時便為這些“神鬼所占據。

調度中心層主要包括以下功能模塊：① 線網運輸計劃管理；② 在線列車運行圖管理；③ 調度命令管理；④ 設備狀態監控管理；⑤ 與城市軌道交通線路外部接口管理，主要包括與綜合監控、通信、供電等專業的接口，以及與相鄰城市軌道交通線網NOCC連接等；⑥ 與國鐵線路外部接口管理，主要包括與TCC、TSRS、GSM-R、TDMS、動車組管理、旅客服務及設備維修管理等專業/系統的接口，以及與鄰線CTC連接等；⑦ 國鐵車站接入通信模塊；⑧ 調度中心通信模塊；⑨ 調度終端模塊；⑩ 車輛段控制管理；數據存儲管理；培訓管理；維護模塊；統計分析模塊；回放模塊。

車站層主要包括以下功能模塊：① 城市軌道交通車站LATS(本地ATS)分機；② 城市軌道交通車站HMI(人機操作界面)；③ 城市軌道交通車站發車倒計時；④ 國鐵車站下位機；⑤ 國鐵車站上位機；⑥ 復示終端模塊。

3.2 主要設備組成

本方案采用分布式架構，將CTC和ATS的軟硬件設備進行融合。為了實現與既有國鐵線路信號系統接口的標準化，本方案單獨設置外部接口服務器，以實現國鐵線路的非改動接入。本方案包括的主要設備有調度中心設備和車站設備兩部分。

調度中心設備包括：① 調度中心數據庫服務器；② 各種接口服務器；③ 各種工作站終端；④ 網絡連接設備；⑤ 培訓設備。

車站設備包括：① 城市軌道交通車站LATS的下位機設備；② 國鐵車站下位機設備；③ 城市軌道交通車站發車計時器設備；④ 各種工作站終端設備；⑤ 網絡連接設備。

3.3 外部接口

本方案支持同時管理城市軌道交通和國鐵兩種信號制式的列車，因此，調度系統需同時支持與城市軌道交通和國鐵兩種信號制式的軌旁接口。此外，還需按照既有國鐵、城際鐵路的標準接口，實現與既有和新建城際鐵路的接口，同時調度系統還應支持與信號系統外部相關專業的接口。圖5以深圳城際鐵路調度系統為例，對采用本方案時市域調度系統的外部接口進行說明。

圖5中，每個接口均按照最大化復用既有標準原則予以設計，部分接口還根據實際工程項目需求新增了標準或對標準進行了修改。市域鐵路調度系統外部接口標準如表2所示。

3.4 方案的特點及創新

本文提出的市域鐵路調度系統方案對CTC和ATS進行了融合設計，完全滿足市域鐵路的公交化和網絡化運營需求，其具有如下特點和創新點：

1) 靈活配置：可以根據市域鐵路的不同類型配置為僅管轄國鐵信號制式列車運行或僅管轄城市軌道交通信號制式列車運行的調度指揮系統，也可以配置為可同時管轄國鐵和城市軌道交通兩種信號制式列車運行的調度指揮系統。

注：數字1～10為接口編號；CCS——通信控制服務器；CBI——計算機聯鎖；CC——車載控制器；ZC——區域控制器；DSU——數據存儲單元。

2) 靈活部署：本方案采用分布式架構設計，模塊之間相互獨立，可根據市域鐵路項目需要進行靈活的部署和硬件擴容，支持云平臺部署。

3) 軟硬件一體化設計：通過技術手段將CTC和ATS的軟硬件進行融合，降低了城際鐵路市域調度各系統間的耦合度，提高了系統的可靠性，減少了市域鐵路的建設和運維成本，便于保持調度模式上的統一。

4) 采用標準化的外部接口：本方案在設計時盡量復用既有成熟的外部接口，并根據實際工程項目需求對既有接口進行修改或新增接口，與國鐵線路間的接口按照既有國鐵標準執行，可以完全滿足既有國家鐵路和城際鐵路的無縫接入。

表2 市域鐵路調度系統外部接口標準

4 結語

目前，我國著力發展的都市圈主要包括京津冀、長三角、粵港澳大灣區等，北京、上海、深圳、廣州等城市現階段都已經具備了較為完善的城市軌道交通建設體系。但是在都市圈市域鐵路領域，各地的建設需求、信號制式選型及調度系統設計等方面的差異較大。如何實現調度層面的多網融合，建立與之匹配的市域鐵路調度系統尤為重要。

本文從市域鐵路的公交化和網絡化運營需求出發，對國內既有的軌道交通調度系統進行了分析和對比，對CTC和ATS進行了融合設計，提出了市域鐵路調度系統的設計方案，以期為后續基于多網融合的市域鐵路調度系統建設提供參考。