市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用及 方案選擇

梁紫玥

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 430063, 武漢∥助理工程師)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,市域軌道交通逐漸成為了城市軌道交通的主要建設(shè)領(lǐng)域。國(guó)家鐵路局頒布的TB 10624—2020《市域(郊)鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》已于2021年2月開(kāi)始實(shí)施,為市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇提供了方向指引。但由于信號(hào)系統(tǒng)方案的選擇與線網(wǎng)工程的應(yīng)用受到線路功能定位、建設(shè)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)、投資主體及城市軌道交通與國(guó)鐵間的互聯(lián)互通等較多因素的影響或制約,信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇仍面臨較大的困難,信號(hào)系統(tǒng)制式對(duì)線路運(yùn)營(yíng)組織管理模式具有決定性的作用,因此有必要對(duì)影響市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的相關(guān)因素進(jìn)行深入研究,選擇適宜的信號(hào)系統(tǒng)制式。

本文針對(duì)不同的信號(hào)系統(tǒng)制式,從技術(shù)限制及運(yùn)營(yíng)管理模式等決定性影響因素、客流特征及投資效益等重要因素和技術(shù)發(fā)展及乘客體驗(yàn)等其他因素三方面進(jìn)行了分析研究,確定了市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式方案的選擇比選依據(jù)。本文研究可為實(shí)際工程項(xiàng)目提供一定的借鑒與參考。

1 現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)制式選擇存在的問(wèn)題

目前,網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式選擇主要存在兩大技術(shù)路線,即以國(guó)鐵為主體的CTCS(中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng))信號(hào)系統(tǒng)和以軌道交通為主體的ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)信號(hào)系統(tǒng)。“四網(wǎng)”中的國(guó)鐵、軌道交通線路路權(quán)明確,管理模式和功能定位清晰,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,均采用CTCS信號(hào)系統(tǒng)和ATC信號(hào)系統(tǒng)。但對(duì)于市域軌道交通而言,由于其工程前期管理權(quán)模糊,系統(tǒng)功能定位、運(yùn)營(yíng)管理模式、設(shè)備維護(hù)方式、工程投資均難以確定,這就使得市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇也較為復(fù)雜和艱難。若信號(hào)系統(tǒng)制式選擇錯(cuò)誤,與線路功能定位不匹配,則將對(duì)土建規(guī)模、運(yùn)營(yíng)管理、線路效益產(chǎn)生反作用,也會(huì)為后期線路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大的隱患。

信號(hào)系統(tǒng)是保證列車(chē)運(yùn)行安全、提高列車(chē)運(yùn)行效率的重要基礎(chǔ)設(shè)施,信號(hào)制式的選擇應(yīng)與線路特征、功能定位、運(yùn)營(yíng)模式、系統(tǒng)能力及乘客服務(wù)等密切相關(guān),同時(shí)還應(yīng)結(jié)合線路管理權(quán)、投資需求、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)和資源共享等因素綜合確定。

2 我國(guó)主要的信號(hào)系統(tǒng)制式

市域軌道交通的線路長(zhǎng)度一般介于城際鐵路和城市軌道交通線路長(zhǎng)度之間,其功能定位根據(jù)線路服務(wù)對(duì)象的不同而有所不同。信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇范圍較為廣泛,目前應(yīng)用于我國(guó)的信號(hào)系統(tǒng)制式主要有:國(guó)鐵CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)、軌道交通ATC系列信號(hào)系統(tǒng)和多網(wǎng)融合STCS(市域軌道交通列車(chē)控制系統(tǒng)),即CTCS2+CBTC(基于通信的列車(chē)控制),兼容型信號(hào)系統(tǒng)。

2.1 國(guó)鐵CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)

CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)在我國(guó)鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司的主導(dǎo)下,CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),非常容易實(shí)現(xiàn)國(guó)鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)下的資源共享和互聯(lián)互通功能,可延伸應(yīng)用于市域軌道交通和城際鐵路。CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)分為5個(gè)應(yīng)用等級(jí)(0～4級(jí))。CTCS0級(jí)信號(hào)系統(tǒng)沒(méi)有ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù)),不滿(mǎn)足國(guó)家交通部新頒布的運(yùn)營(yíng)條件要求;CTCS1級(jí)信號(hào)系統(tǒng)在我國(guó)幾乎沒(méi)有應(yīng)用;CTCS2級(jí)信號(hào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于城際鐵路和作為高速鐵路的降級(jí)系統(tǒng);CTCS3級(jí)信號(hào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于高鐵,產(chǎn)品價(jià)格較貴,在市域軌道交通應(yīng)用的性?xún)r(jià)比較差;CTCS4級(jí)信號(hào)系統(tǒng)目前技術(shù)應(yīng)用不成熟,因此市域軌道交通CTCS信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇主要為CTCS2級(jí)。為減少司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化功能,文獻(xiàn)[1]提出一種CTCS2+ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)。

國(guó)鐵CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是工程應(yīng)用性?xún)r(jià)比高,易實(shí)現(xiàn)資源共享。國(guó)鐵CTCS系列信號(hào)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:對(duì)不同運(yùn)營(yíng)需求的適應(yīng)性差,特別是產(chǎn)品功能需求調(diào)整方面的適應(yīng)性較差;對(duì)地下段占比高的線路易造成站場(chǎng)規(guī)模較大、總投資費(fèi)用較多的情況,總體性?xún)r(jià)比較低。

2.2 軌道交通ATC系列信號(hào)系統(tǒng)

軌道交通ATC系列信號(hào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市軌道交通線路,可以延伸應(yīng)用于市域軌道交通和城際鐵路。軌道交通ATC系列信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)成熟,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),在中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)的主導(dǎo)下,逐漸建立起了軌道交通ATC信號(hào)系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的資源共享。此外,由于該信號(hào)系統(tǒng)的供貨商較多,行業(yè)處于公平、自由競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài),業(yè)主的選擇自由度較大,ATC系列信號(hào)系統(tǒng)集成供貨商選擇范圍較廣。ATC系列信號(hào)系統(tǒng)主要有CBTC系統(tǒng)和點(diǎn)式ATP/ATO系統(tǒng)。為了提高自動(dòng)化應(yīng)用水平,該信號(hào)系統(tǒng)在CBTC基礎(chǔ)上發(fā)展形成了全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。點(diǎn)式ATP/ATO系統(tǒng)雖然能夠節(jié)約投資成本,但由于其在安全性、運(yùn)營(yíng)調(diào)整、系統(tǒng)運(yùn)行能力等方面較差,逐漸被市場(chǎng)淘汰,目前僅作為CBTC降級(jí)模式應(yīng)用。目前,應(yīng)用較為廣泛的是CBTC信號(hào)系統(tǒng),其可根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求,適當(dāng)增加少量投資,還能夠建設(shè)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。

CBTC信號(hào)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)化程度高、列車(chē)運(yùn)行間隔小、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)調(diào)整能力強(qiáng),其缺點(diǎn)是建設(shè)期投資較高,但全壽命周期成本較低。CBTC信號(hào)系統(tǒng)特別適合中大運(yùn)量的市域軌道交通,其技術(shù)局限性主要在于交流牽引線路存在應(yīng)用弊端,計(jì)軸設(shè)備抗電氣化干擾能力較差[2],且不具備斷軌檢查功能。CBTC信號(hào)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

注:ATS為列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控;DCS為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng);COM為串行通信;ZC為區(qū)域控制器;CI為計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖;AP為無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)。

2.3 多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng)

針對(duì)市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)特點(diǎn),我國(guó)一些信號(hào)系統(tǒng)集成商開(kāi)始研發(fā)兼容CTCS2和CBTC的多網(wǎng)融合列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng),其可以適用于裝備了CTCS2的車(chē)載設(shè)備列車(chē),也可以適用于裝備了CBTC的車(chē)載設(shè)備列車(chē)。此外,多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng)還適用于兼容CTCS2和CBTC的車(chē)載設(shè)備列車(chē),也可以使裝備了STCS(CTCS2+CBTC)車(chē)載設(shè)備的列車(chē)分別在CTCS2線路和CBTC線路上運(yùn)行。

該信號(hào)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)適應(yīng)性強(qiáng),兼容國(guó)鐵CTCS2和軌道交通CBTC制式,特別適合市域軌道交通與國(guó)鐵、軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)和既有線改造,其缺點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,軌旁設(shè)備較多,不利于運(yùn)營(yíng)維護(hù)。多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

注:BTS為基站收發(fā)器;CTC為中央調(diào)度集中;TSRS為臨時(shí)限速服務(wù)器系統(tǒng);GSM-R為國(guó)際鐵路無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn);LTE為長(zhǎng)期演進(jìn);CCS為通信控制服務(wù)器;ISDN為綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng);BSC為基站控制器;OTE為光傳輸設(shè)備;TRAU為碼型轉(zhuǎn)換和速率適配單元;WLAN為無(wú)線局域網(wǎng);GTW為網(wǎng)關(guān)。

綜上所述,網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的市域軌道交通可供選擇的系統(tǒng)制式主要為CTCS制式下的CTCS2+ATO系統(tǒng)和ATC制式下的CBTC系統(tǒng),在特殊運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下,也可以考慮兼容性較強(qiáng)的多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng)。

3 信號(hào)系統(tǒng)制式方案選擇因素分析

3.1 決定因素

市域軌道交通受線路功能定位、乘客服務(wù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求的影響,綜合考慮各專(zhuān)業(yè)的設(shè)備配置。信號(hào)系統(tǒng)制式方案選擇首先應(yīng)考慮系統(tǒng)技術(shù)限制、運(yùn)營(yíng)管理模式和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求等關(guān)鍵決定因素。

1) 系統(tǒng)技術(shù)限制因素。首先,應(yīng)考慮信號(hào)系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)限制因素,其技術(shù)適應(yīng)性主要包括列車(chē)運(yùn)行能力限制、牽引制式對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的選擇制約及運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化等級(jí)要求等主要決定因素,CTCS2+ATO系統(tǒng)不適合直流牽引區(qū)段、列車(chē)運(yùn)行能力要求較高、自動(dòng)化等級(jí)較高GOA3(無(wú)人駕駛列車(chē)運(yùn)行)及GOA4(無(wú)人干預(yù)列車(chē)運(yùn)行),以及地下段長(zhǎng)度占比較高的線路。CBTC系統(tǒng)不適合系統(tǒng)能力要求較低、每公里投資額較低的線路,由于計(jì)軸設(shè)備易受電氣化干擾影響,CBTC系統(tǒng)在交流電力牽引的線路應(yīng)慎重應(yīng)用或選擇干擾能力強(qiáng)的計(jì)軸設(shè)備。

2) 運(yùn)營(yíng)管理模式因素。運(yùn)營(yíng)管理模式的決定因素主要為,考慮運(yùn)營(yíng)單位的管理習(xí)慣和維護(hù)習(xí)慣,市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇應(yīng)盡量與既有線網(wǎng)線路保持一致,充分實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享,降低全生命周期成本,同時(shí)與本地的產(chǎn)業(yè)政策相向,有利于推動(dòng)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3) 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求因素。信號(hào)系統(tǒng)制式方案的選擇應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求,綜合考慮線網(wǎng)規(guī)劃,滿(mǎn)足互聯(lián)互通要求。對(duì)于與國(guó)鐵保持互聯(lián)互通的市域線路,一般選擇CTCS2+ATO制式;未有與國(guó)鐵互聯(lián)互通需求的市域線路,可選擇CBTC制式;有與國(guó)鐵互聯(lián)互通需求、但國(guó)鐵線路列車(chē)不進(jìn)入本線路,本線可采用車(chē)載設(shè)備兼容的多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng);有與國(guó)鐵互聯(lián)互通需求、但本線路列車(chē)不進(jìn)入國(guó)鐵線路的市域線路,本線可采用地面設(shè)備兼容的多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng)。

3.2 重要因素及其他因素

市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式方案的選擇除系統(tǒng)技術(shù)限制因素外,還應(yīng)綜合考慮客流特征、投資效益、設(shè)備故障影響及其他相關(guān)因素。

1) 客流特征。服務(wù)乘客是交通運(yùn)輸應(yīng)當(dāng)考慮的首要因素,客流密度及其構(gòu)成特征也是信號(hào)系統(tǒng)制式選擇需考慮的重要因素。CTCS2系統(tǒng)適用于客流具有旅游、探親、商務(wù)等對(duì)票價(jià)敏感性不高、平均乘車(chē)距離較長(zhǎng)的特征人群,對(duì)列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)率敏感性相對(duì)不高的中小運(yùn)量客流;CBTC系統(tǒng)適用于客流具有通勤、通學(xué)、購(gòu)物等對(duì)票價(jià)敏感性較高、平均乘車(chē)距離較短的特征人群,對(duì)列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)率敏感性相對(duì)較高的中大運(yùn)量客流。

2) 投資效益。投資效益是市域軌道交通建設(shè)考慮的重要因素。折算每公里建設(shè)投資要求較少、地面線路占比較高的線路選擇CTCS2系統(tǒng)較適合,其預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益較好;從社會(huì)效益角度考慮、對(duì)每公里投資敏感性不高的線路、地下段線路占比較高的線路選擇CBTC系統(tǒng)較適合。

3) 設(shè)備故障影響。設(shè)備故障影響包括乘客出行影響和社會(huì)影響,乘客對(duì)因設(shè)備故障導(dǎo)致列車(chē)晚點(diǎn)的容忍度和引起的社會(huì)影響也是衡量信號(hào)系統(tǒng)制式選擇的重要因素,乘客對(duì)設(shè)備故障的容忍度基本與客流特征因素下的信號(hào)系統(tǒng)制式選擇方法一致。

CBTC系統(tǒng)故障弱化及恢復(fù)能力較強(qiáng),大部分信號(hào)設(shè)備故障可以在乘客及社會(huì)公眾未察覺(jué)的情況下恢復(fù),設(shè)備故障影響相對(duì)較弱[3]。CTCS2系統(tǒng)故障恢復(fù)能力弱,若應(yīng)用于大客流線路,其設(shè)備故障對(duì)乘客及社會(huì)易造成較大的影響;若應(yīng)用于中小客流線路,其設(shè)備故障對(duì)乘客及社會(huì)影響則相對(duì)不明顯。

4) 其他因素。信號(hào)系統(tǒng)制式選擇相關(guān)的其他一般因素包括技術(shù)發(fā)展因素,以及乘客體驗(yàn)、服務(wù)舒適性、安全性、外部環(huán)境影響等因素。目前,上述因素對(duì)兩種信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇沒(méi)有明顯的差別。

4 信號(hào)系統(tǒng)制式方案選擇

市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式方案的選擇需針對(duì)信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)外部因素綜合進(jìn)行分析比選。首先,針對(duì)線網(wǎng)規(guī)劃和線路定位,鑒別其決定因素并進(jìn)行初步方案的選擇。若系統(tǒng)技術(shù)限制因素能夠確定信號(hào)系統(tǒng)制式,則選擇完成比選;若無(wú)法確定,則進(jìn)行其他影響因素的詳細(xì)比選分析。

詳細(xì)比選分析應(yīng)根據(jù)需要參考的因素重要性程度進(jìn)行排序,綜合分析后確定最佳信號(hào)系統(tǒng)制式方案,也可通過(guò)量化指標(biāo)進(jìn)行綜合定量比選確定最佳信號(hào)系統(tǒng)制式方案。

若上述方法仍難以確定信號(hào)系統(tǒng)制式方案,則應(yīng)針對(duì)線路特點(diǎn)編制信號(hào)系統(tǒng)制式比選專(zhuān)題,再進(jìn)行深入詳細(xì)論證,最后根據(jù)專(zhuān)家調(diào)查法或組織專(zhuān)家評(píng)審方式確定最佳信號(hào)系統(tǒng)制式方案。市域軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式技術(shù)應(yīng)用及方案選擇的考慮因素如表1所示。

表1 信號(hào)系統(tǒng)制式技術(shù)應(yīng)用及方案選擇的考慮因素

5 結(jié)語(yǔ)

市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)條件下,信號(hào)系統(tǒng)制式主要在CTCS2+ATO和CBTC制式下進(jìn)行選擇,根據(jù)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)要求也可選擇多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號(hào)系統(tǒng)。具體的應(yīng)用方案選擇應(yīng)在確定線路定位、基本功能需求前提下,從系統(tǒng)能力、交直流牽引的適應(yīng)性、地下線路占比等決定性因素中進(jìn)行初步選擇,再輔以客流特征、投資效益、設(shè)備故障影響等因素進(jìn)行深入分析,為市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)選擇適宜的信號(hào)系統(tǒng)制式,在實(shí)現(xiàn)線路及線網(wǎng)整體功能的同時(shí)保證投資效益。