多網融合下的市域鐵路列車控制系統方案研究

王珮瑤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 610031， 成都∥高級工程師)

1 不同信號制式軌道交通線路間互聯互通的必要性

從宏觀層面看，市域鐵路既不是國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)高速客運專線，也有別于城市軌道交通，其自成體系、獨立運營。建設市域鐵路是推進我國城鎮化發展大背景下產生的剛性需求，市域鐵路重點為城鎮居民的日常出行提供服務，并輔以相應的功能配套，承擔“內聚外聯”的重要功能。即：在城市外部與國鐵相連，在城市內部與城市軌道交通連接，使城市軌道交通、市域鐵路、國鐵之間能互聯互通或便捷換乘。

實現軌道交通線路間的互聯互通運營是軌道交通建設最理想的模式，可提高運輸組織的靈活性，節約大量的人力、物力，符合國鐵干線、城際鐵路、市域鐵路及城市軌道交通“四網融合”模式的發展要求。信號系統是保障軌道交通線路安全運行和高效運營的重要系統，本文針對當前軌道交通建設中互聯互通的實際需求，提出市域鐵路信號系統下一步應重點研究的內容，以期為多網融合下市域鐵路信號系統互聯互通性設計提供參考，為不同信號制式軌道交通的互通性發展提供思路。

2 市域鐵路列車控制系統選型方案

公交化運營是我國市域鐵路建設與運營的首要需求，因此市域鐵路對線路折返能力的要求較高。目前，在我國市域鐵路列車控制(以下簡稱“列控”)系統中，應用較多的是國鐵CTCS(中國列車運行控制系統)和城市軌道交通ATC(列車自動控制)系統。

2.1 國鐵CTCS-2(中國列車運行控制系統2級)+ATO(列車自動運行)系統

由中國鐵路總公司建設管理的國鐵線路一般都采用CTCS系統。CTCS-2+ATO系統是指在CTCS-2基礎上，根據線路的功能需求，新增了地面精確定位應答器、通信控制服務器、車載安全計算機ATO單元及車輛牽引制動接口等設備，以滿足列車以250 km/h的最高速度運行的要求，線路的列車最短追蹤間隔可達到3 min，并具備站間自動運行、車站定點停車、車站通過及列車運行自動調整等功能。因此，CTCS-2+ATO系統綜合了高速鐵路和城市軌道交通的列控技術特點，可實現與采用CTCS-2、CTCS-3(中國列車運行控制系統3級)的國鐵線路互聯互通。

CTCS-2+ATO系統主要由CTC(調度集中)系統、CTCS-2、車站聯鎖系統、信號集中監測系統及ATO等構成。

2.2 城市軌道交通ATC系統

由城市軌道交通部門建設管理的城市軌道交通線路一般采用ATC系統，現在應用較多的是CBTC(基于通信的列車控制)系統。CBTC系統主要由ATS(列車自動監控)、ATP(列車自動防護)、ATO、聯鎖、DCS(數據通信子系統)等子系統構成，車輛基地一般采用計算機聯鎖和微機監測系統，車地通信多采用LTE(長期演進)技術方案。CBTC系統可車地雙向通信，在正線區間一般可實現90 s的列車最短追蹤間隔，在車站及折返站可實現2 min的行車間隔，線路的運營調整能力強。

但是，CBTC系統也存在以下問題：① 技術標準和技術體系與國鐵CTCS制式不一致，無法實現與既有國鐵/城際鐵路的互聯互通；② 與CRH6系列車輛的接口配合不夠成熟；③ ATS子系統適合單線路調度指揮，如要實現跨線調度指揮，需在ATS系統上層開發設置線網調度指揮系統。

2.3 CTCS-2和CBTC雙車載設備方案

2.3.1 方案描述

基于市域鐵路與國鐵、城市軌道交通跨線運行的需求，結合國外軌道交通的發展經驗，可以認為各軌道交通網絡間的互聯互通運營是不可避免的發展趨勢，這也是影響列控系統技術發展的重要因素。本文以CBTC線路單向跨線運行至CTCS線路為例，對不同制式信號系統間互聯互通方案的可行性進行分析。

CTCS-2和CBTC雙車載設備方案(以下簡稱“雙車載方案”)是指為同時滿足市域鐵路折返能力(一般約為3 min)和互聯互通的需求，在市域鐵路采用CBTC系統，并在跨線運營的列車上同時加裝CBTC和CTCS-2兩套車載系統，通過人工操作方式實現CBTC制式市域線路與CTCS制式國鐵線路的互聯互通。雙車載方案在列車的車頭及車尾各安裝一套CTCS-2車載設備和CBTC車載設備，其系統結構如圖1所示。

注：DMI——人機交互界面； GSM-R——鐵路數字移動通信系統； LTE-M——城市軌道交通車地綜合通信系統； TCR——軌道電路接收器； BTM——應答器傳輸模塊； RS——通訊接口； 主控是主控制器的簡稱; CTCS目前一般多采用CTCS-2。

基于雙車載方案，采用了CBTC制式的市域線路，其軌旁只需設置CBTC系統設備，列車在本線采用CBTC制式，按照移動閉塞方式運行。列車運行至采用CTCS制式的國鐵線路后，其信號系統將切換為CTCS-2列控制式。該方案可同時滿足CBTC線路單向跨線運行至CTCS線路的互聯互通需求，并可在市域鐵路上實現公交化運營。但是，該方案不支持CTCS制式的國鐵列車跨線運行至CBTC制式的市域鐵路。

2.3.2 雙車載方案存在問題

雙車載方案在CTCS-2+ATO系統、CBTC系統基礎上進行了一定程度上的整合，但仍存在以下問題：

1) CBTC系統對CTCS-2+ATO系統的干擾問題。為實現CBTC線路與CTCS線路的互聯互通，雙車載設備方案需共用車載天線、HMI(人機接口)、測速設備、車輛接口等部分外圍設備，因此，兩線的車地設備存在互相干擾的可能性。需對CBTC系統與CTCS-2+ATO系統的兼容性作進一步研究，證明CBTC系統對既有CTCS-2+ATO系統無任何干擾后，方可在既有國鐵/城際鐵路上應用雙車載設備方案。為此，待信號廠商明確設計方案后，應將實施方案提交既有國鐵/城際鐵路部門審核，以判斷能否可以實現互聯互通。

2) 安裝空間問題。車載系統機柜、HMI、天線、速度傳感器及加速度儀等設備在安裝空間上可能存在不足，需進一步與車輛廠商進行溝通，協商具體解決措施。

2.4 CBTC和CTCS-2一體化車載設備方案

2.4.1 方案描述

信號系統已開始向不同制式多網融合的技術方向發展，兼容CBTC和CTCS的信號系統已經成為信號系統技術發展的方向。CTCS-2和CBTC一體化車載設備方案(以下簡稱“一體化車載方案”)是指只使用一套車載設備，該設備可以兼容CBTC和CTCS-2+ATO 兩種信號制式。

與雙車載方案相比，一體化車載方案有如下優點：① 可支持城市軌道交通公交化運營，線路可雙向運行，列車追蹤間隔短，線路折返效率高；② 可兼容不同的信號制式，支持采用CTCS-2、CTCS-2+ATO、CBTC等列控系統的列車在線路上混跑；③ 高度自動化，可實現移動閉塞CBTC運營；④ 支持跨線互通，可實現市域內各軌道交通線路間列車的互聯互通。一體化車載方案在列車的車頭及車尾各安裝一套一體化車載設備，其系統結構如圖2所示。

中國鐵路總公司在2019—2020年立項的科研課題《基于海南東環CTCS-2疊加CBTC實現高速鐵路能力提升的方案研究》目前已完成理論研究且結題，相關結論認為研究方案可行。信號廠商也在積極研究一體化車載方案的可行性。但是，一體化車載方案至今尚無實際的工程應用。此外，一體化車載方案與雙車載設備方案類似，均存在相應的行政審批問題。

注：VOBC——車載控制器。

2.4.1.1 信號系統車載兼容方案

為了同時兼容CTCS-2系統和CBTC系統，減少科研開發的難度，一體化車載系統方案要盡可能利用既有CTCS-2、CBTC系統的成熟經驗，復用既有信號系統設備，如CTCS-2系統的列控中心、臨時限速服務器、ZPW2000設備，以及CBTC系統的區域控制器等。此外，聯鎖設備、CTC設備、車載設備均屬于通用產品，在CTCS-2、CBTC中均有應用，可以考慮在既有產品上進行升級、改造。

2.4.1.2 行車調度指揮系統方案

行車調度指揮上，CBTC制式線路采用ATS系統，CTCS制式線路采用CTC系統。為實現不同制式線路運輸組織的無縫銜接，需考慮ATS系統與CTC系統的協調指揮。綜合考慮管理權限等因素，建議CBTC制式線路與CTCS制式線路采用由各自線路OCC(運營控制中心)分別進行調度指揮的方案，即：CBTC制式線路的OCC對在本線運行的列車進行實時監控和調度指揮；當CBTC列車進入CTCS制式線路共線段運行后，車載設備采用CTCS-2系統制式，改由CTCS制式線路的CTC系統統一調度指揮。

不同信號制式線路的調度需根據客流情況，定期協商列車開行計劃，編制無縫銜接的列車運行圖。每日運營開始前，ATS和CTC應互傳并確認當日互聯互通列車運行圖。ATS和CTC按照各自的規則在各自線路上遵照列車運行圖監控列車運行，并將各自的實際運行圖(至少包含互聯互通區域的列車運行圖)互傳對方，以方便接軌站進行運行沖突檢查及列車運行調整。

上述行車調度指揮方案尚未在實際線路上應用。為此，一方面需加快技術研究，解決ATS與CTC間的接口問題；另一方面，兩個運營管理主體需互認相關標準，需針對運營銜接和協調指揮等方面制定配套的規章制度。

2.4.2 一體化車載方案存在問題

對于列車自動防護功能，CTCS線路是由聯鎖和TCC(列控中心)來保證，CBTC線路是由ZC(區域控制器)來保證。TCC和ZC均是通過安全認證且有大量現場應用業績的產品，但其列車追蹤安全防護的有效性僅是在單一的CBTC或CTCS-2模式下得以驗證的。因此，對于CBTC和CTCS-2兩種信號制式下列車混跑的情況，需對各種不同的列車運行場景進行分析，并應在工程試驗過程中結合具體的試驗進展作進一步的討論與功能驗證，如遇問題還應給出解決方案。

3 市域鐵路兼容性車載信號系統的展望

目前能夠兼容CTCS和CBTC的信號系統正在研發當中，但該系統的研發進程及與車輛接口、具體應用場景等相關的工程應用接口仍需實際的項目予以支撐。因此，目前多數城際鐵路車站仍通過線間換乘來實現客流的交換運輸。此外，CTCS-4(中國列車運行控制系統4級)已基本研發完成并投入試驗，該系統采用移動閉塞方式，能夠提供更好的系統能力，且可與CTCS-2或CTCS-3級線路互聯互通。

從技術角度看，國鐵采用的CTCS系統具有完整的技術體系，針對列車最高運行速度的不同等級需求有著相應級別的CTCS系統，且系統間可實現互聯互通，因此從功能需求、工程應用、市場開放及性價比等方面分析，CTCS系統優勢較為明顯，但CTCS系統仍缺乏列車最小行車間隔可達3 min的實例應用；城市軌道交通采用的ATC系統可為列車最高運行速度為160 km/h的線路提供服務，但ATC的系統接口較為復雜。與此同時，ATC系統與CTCS系統之間的互聯互通還需要新技術的支撐。

從經濟效益看，城市軌道交通線路的工程造價約為1 000萬元/km～1 300萬元/km，與國鐵線路相比工程造價較高。CBTC系統在地面設置區域控制中心，鋪設計軸、應答器及信號機等設備，其維護難度和運營成本也較高。

在實際的工程運用中，選擇市域鐵路信號列控系統時，需綜合考慮建設主體、互聯互通需求和經濟效益等具體條件。此外，市域鐵路的建設還需突破體制、機制的阻礙，推行頂層設計，形成自上而下的合作協調機構與機制，在規劃定位、技術體系、建設及監管等方面確立明確的標準及政策，以支撐市域鐵路的規范化發展。

同時建議在工程進展中，時刻關注兼容性車載信號系統的發展情況，利用既有信號廠商的技術儲備，研發滿足互聯互通及公交化運營需求的新型車載信號系統。在條件具備時，應適時引入新技術，共享線路資源，以期用最少的工程投資實現相對最好的運營功能，使市域鐵路更安全、更高效、更經濟、更便捷。