都市圈軌道交通多網融合的信號系統方案研究

池春玲，張 偉，宋 睿，符 萌

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

2019 年2 月，中華人民共和國國家發展和改革委員會頒布《關于培育發展現代化都市圈的指導意見》，提出打造軌道上的都市圈、城市群，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”。2022 年《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》中提出：強化重點城市群城際交通建設。圍繞京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝、長江中游等城市群，以軌道交通、高速公路為骨干，提升城際運輸通道功能。加強核心城市快速直連，構建多節點、網絡化的城際交通網，實現城市群內主要城市間2 h 通達。

為響應國家相關發展要求，全國各大城市地區開展了大量城市群、都市圈多層次軌道交通的規劃研究及建設工作。為實現都市圈“網絡化的城際交通網”，提出了軌道交通“多網融合”的要求，其中信號系統融合成為實現多網融合的關鍵技術之一。

1 都市圈多網融合的內涵

1.1 多網內涵

結合國內城市群及都市圈城鎮體系、多層次軌道交通網絡布局規劃，軌道交通的“多網”包括承擔區際交通功能為主，兼顧城際交通、都市圈通勤功能的“干線鐵路、城際鐵路、市域(郊) 鐵路、城市軌道交通”四網；承擔城際交通功能為主，兼顧都市圈通勤功能的“城際鐵路、市域(郊) 鐵路、城市軌道交通”三網；以及銜接市域、城軌交通的“市域(郊)鐵路、城市軌道交通”兩網。

1.2 多網融合內涵

西南交通大學彭其淵教授對軌道交通“四網”融合的定義及內涵作出了全面系統的闡述，提出了“四網-四域-多功能”一體的理念，其中四網和上文提到的一致，四域指“時間-空間-資源-信息”，多功能指“運輸組織-安全保障-旅客服務”復合網絡。“四網”融合應實現“四網-四域-多功能”一體，實時智能聯動，主動安全保障，主動出行服務，一站式出行。還有其他專家和研究機構也對軌道交通融合內涵提出了建設性的意見。

總結相關專家意見，“多網融合”就是不同層次、不同制式的軌道交通通過樞紐銜接、互聯互通、接駁換乘、安檢互信等多種方式實現功能互補、換乘便捷、資源共享和服務融合。這是一個綜合性的“融合”概念，完善的換乘樞紐體系、良好的互聯互通技術、靈活的運營組織、統一兼容的安檢及票制、有效的資源共享、一體化的運營管理等都是融合。其中互聯互通技術是實現都市圈軌道交通融合重要的“融合”方式之一，互聯互通技術是指通過工程技術改造和技術處理，實現不同制式的線路或制式相同而設備系統不同的線路列車貫通運行的融合技術。要求線路、站場、運營管理、行車組織、列車車輛、限界、牽引供電、站臺屏蔽門、信號、通信等多個專業協同發展，共享網絡資源，共同實現多層次、多模式、多制式的軌道交通多網融合。本文將基于假定其他專業都可實現互聯互通條件的前提下，重點研究都市圈軌道交通融合的信號系統方案。

2 都市圈軌道交通信號系統融合的技術目標分析

2.1 主流信號系統制式技術標準及互聯互通性

國內當前主流信號系統制式為CTCS 制式和ATC 制式。

CTCS 系統由中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）和國家鐵路局主導的制定了統一的標準技術文件和建設管理程序，不同廠商的同一信號設備可相互兼容，不同廠商的不同信號設備間在接口方面也可以互聯互通。工程設計通過在CTCS-0（簡稱C0）線路與CTCS-2（簡稱C2）線路之間、C2 線路與CTCS-3（簡稱C3）線路間設置列控等級轉換點，可實現C0 與C2、C2 與C3 列控系統的自動切換。

早年ATC 制式系統一般為獨自設計、研發和實施，不同廠家的ATC 系統的設備組成、設備架構、軟件功能、傳輸協議、接口形式和內容等均有很大差別，不支持互聯互通。近年來隨著軌道交通協會和各地軌道公司積極推進，制定了一批包括系統規范、接口規范、測試規范的標準化成果，多家國內供應商也完成了相應裝備的研制，目前執行該標準體系的CBTC 系統間可以實現互聯互通。

2.2 主流信號系統制式應用現狀

1）干線鐵路

目前，干線鐵路信號系統一般采用CTCS 系列列控系統，C0 級列控系統主要用于160 km/h 以下鐵路，C2 級列控系統主要用于160 km/h 以上鐵路（如200 km/h 客貨共線鐵路）和200 km/h 以下的城際鐵路（國鐵運營），C3 主要用于250 km/h 以上的高速鐵路。城際動車組裝備C2 級列控車載設備和列車運行監控記錄裝置（LKJ），可在C0 線路運行；250 km/h 以上高速動車組裝備具有C3 兼容C2 列控功能的車載設備，可在C2 線路上運行。

2）城市軌道交通

目前，城市軌道交通采用CBTC 信號系統。根據車-地無線傳輸方式，CBTC 系統可分為環線的CBTC 系統（CBTC-L）和無線CBTC 系統（CBTC-R）。雖然環線CBTC 系統的車-地無線通信方式相對更加穩定可靠，但是該技術方案存在一定的技術壁壘，且環線的軌旁設備較多，維修維護時與軌道等工務專業存在干擾等，所以CBTC 系統的車-地通信系統逐漸轉向了開放性和適用性更好的無線通信技術。

3）城際、市域（郊）鐵路

城際、市域（郊）鐵路在軌道交通體系中位于干線鐵路與城市軌道交通之間，承上啟下，在運營需求、功能定位上也兼具了干線鐵路和城市軌道交通的一些特點（如干線鐵路的網絡化運營，城市軌道交通的公交化運營）。暫無針對城際、市域（郊）鐵路運輸需求專門開發的成熟信號系統，相關規范對信號系統制式選擇進行了描述，如表1 所示。

表1 城際、市域（郊）鐵路執行規范、標準Tab.1 Implementation code and standard of intercity and suburban railways

目前規劃、設計的都市圈軌道交通目標速度大都集中在100 ～160 km/h（僅少量采用200 km/h），對照表1 規范相關描述，城際、市域（郊）鐵路可供選擇的信號列控系統有CTCS 制式中的C2 及C0 系統，城市軌道交通ATC 制式中的CBTC 與點式ATC 系統。其中，C0 系統由于行車間隔較高（5 min），無法疊加ATO 系統，無法與站臺門等系統接口，不能很好地滿足新建市域鐵路公交化的運營需求；點式ATC 系統，一般作為CBTC 的備用系統使用，為主控系統情況較少，相比CBTC 系統能力低，且尚無實現互聯互通案例。因此目前實施的都市圈城際、市域（郊）鐵主流信號系統制式采用C2/C2+ATO 列控系統及CBTC。

2.3 信號系統融合的技術目標

考慮到都市圈通勤功能，都市圈多網融合主要指“城際鐵路、市域(郊) 鐵路、城市軌道交通”三網融合。結合目前各層級線網信號系統制式的選擇情況，為滿足都市圈列車的跨線運行，都市圈信號系統融合的技術目標就是指采用現有技術C2/C2+ATO 與CBTC 的融合以及采用新型互聯互通技術的信號系統間的融合。

3 現有信號技術融合方案

C2+ATO 信號系統以C2 為核心，根據城際、市域公交化等運營需求，在C2 的基礎上疊加ATO，其架構和功能等均包含C2 系統。下文對C2 系統均以C2+ATO 為例進行分析。

3.1 C2/C2+ATO與CBTC系統差異性分析

3.1.1 系統架構

1）C2+ATO

C2+ATO 系統由調度集中系統（CTC）、C2級列車運行控制系統、ATO 系統、車站聯鎖系統（CBI)、信號集中監測系統(CSM)等構成。其系統架構如圖1 所示。

圖1 C2+ATO系統架構示意Fig.1 C2+ATO system architecture diagram

2）CBTC

CBTC 以行車指揮和列車運行控制為核心，主要由列車自動監控子系統（ATS）、列車自動防護子系統（ATP）、ATO 系統、聯鎖系統、維護監測系統等組成。其系統架構如圖2 所示。

圖2 CBTC系統基本架構示意Fig.2 CBTC system architecture diagram

3.1.2 系統功能

C2+ATO 系統和CBTC 系統各設備主要功能如圖3 所示。

圖3 C2+ATO/CBTC系統功能示意Fig.3 C2+ATO/CBTC system function diagram

3.1.3 差異性分析

1）系統架構及功能差異

結合圖1 ～3，C2+ATO 系統和CBTC 系統架構（含組成及接口）以及系統功能主要差異如表2 所示。

表2 C2+ATO與CBTC系統的架構、功能差異Tab.2 Differences in system architecture and functionality between C2+ATO and CBTC

2）工程實施差異

由于適用不同的標準體系，C2+ATO 系統與CBTC 系統在系統工程實施存在的主要差異如表3所示。

表3 C2+ATO與CBTC在系統工程實施中存在的主要差異Tab.3 Main differences between C2+ATO system and CBTC system in the system engineering implementation

3.2 C2/C2+ATO與CBTC系統互聯互通方案

通過上述研究可知，C2 系統與CBTC 系統技術層面存在較大差別，兩系統的工作機理不同，系統功能也存在區別。要實現C2 系統與CBTC 系統互聯互通，實現跨線運營的需求，需要解決兩個系統間地面和車載設備的差異性。目前多個單位也開展了類似課題研究，提出了“地對車兼容”和“車對地兼容”的互聯互通方案。

3.2.1 地對車兼容方案

“地對車兼容方案”是指在共線運營區段地面設置一套兼容C2 系統和CBTC 系統的信號系統設備，稱之為C2+CBTC/C2+ATO+CBTC 系統方案。裝備CBTC 車載設備僅接收地面的CBTC 信息，按CBTC 控車；裝備C2 等級車載設備僅接收地面的C2 信息，按C2 控車。

C2+CBTC/C2+ATO+CBTC 系統方案應保證C2+ATO 系統與CBTC 系統兩者基本系統功能不變。在此前提下，對兩者功能相同或相似，子系統或設備進行優化整合；功能不同，子系統或設備進行共存兼容性分析并對其改進。需要解決的關鍵技術問題包括軌道電路功能、應答器的設置、信號機設置、聯鎖技術標準、行車指揮系統網絡化、車-地通信形式等C2 系統與CBTC 系統技術沖突。以C2+ATO+CBTC 系統為例，其系統結構如圖4 所示。

圖4 C2+ATO+CBTC系統結構示意Fig.4 C2+ATO+CBTC system structure diagram

C2+ATO+CBTC 方案中C2 子系統架構與現有C2+ATO 系統相同；由于ZC、CBI、TCC、TSRS等SIL4 級軌旁設備構建的安全數據網與現有C2系統不同，需要配套修改CBI、TCC、TSRS 的通信協議。與現有CBTC 系統相比，ATS（圖4 為CTC）系統單獨組網，新增TSRS 管理電子地圖，新增ZC-TSRS 通信協議，同時配套修改原ZC-ATS接口協議。

3.2.2 車對地兼容方案

“車對地兼容方案”是指跨線運行的列車裝備兩種制式的車載設備（或部分部件共用）或通用型車載設備，列車從一種信號制式的線路駛入另一種信號制式的線路時，車載設備自動切換或停車人工切換到相應信號制式工作。有兩種方案。

1）方案1：獨立兩套車載設備

跨線列車端部（車頭/車尾）同時裝備獨立的車載設備，保持原有車載硬件設備配置，包括DMI（可采用一套顯示屏，也可分開）、LTE-M 天線、GSM-R 天線、C2 的TCR 接收線圈、C2 應答器天線、C2 速度傳感器、C2 雷達、CBTC 應答器天線、CBTC 速度傳感器和CBTC 雷達。

兩套獨立車載設備分別用于在CBTC 區域和C2 區域控車，需要停車人工切換。將來切換技術成熟后可通過切換裝置升級為自動切換方式。

2）方案2：通用車載設備

該方案車載設備采用一套硬件設備，在其上部署兩套軟件（分別對應CBTC 工作模式與C2 工作模式）。每端列車設有CBTC 與C2 車載共用的DMI、應答器天線、速度傳感器和雷達以及LTE/GSM-R 雙模天線。

車載系統可根據接收到的軌旁信息（軌道電路或MA）和存儲的電子地圖數據，自動判斷當前采取何種工作模式，停車或不停車切換CBTC 或C2兩種制式。

3）方案對比分析

方案1 的優點是對單一車載基本無改動，僅需增加切換模塊，技術條件較為成熟，近期內可實施性高。缺點是裝備完全獨立雙套車載，車載費用較高；由于設備分開設置未集成，受車上空間限制，安裝較為困難，可能需要對車進行一些修改；同時，簡單疊加后雙套系統共計7 種控制等級，13 種駕駛模式，對司機的要求較高。

方案2 的優點是節省車載設備硬件，節省車內安裝空間，對車輛的改造較小。其缺點是該方案目前沒有成熟的設備，新研發的設備需對軟硬件架構進行較大改動，需重新做CRCC 或SIL4 認證，在工程上應用時其流程較為繁瑣。

據調研，目前對于不同信號制式間的跨線運行，海外的主流解決方案是車載兼容地面，只是在兼容車載的配置上有所不同。其中倫敦Crossrail 開行列車根據信號制式種類配備CBTC、ETCS、TPWS共3 套不同的車載系統，在相應列控區段自動切換到相應的車載設備運行；日本JR 鐵路和地鐵開行列車配備滿足ATS-P+ATPS 信號系統的多套車載設備，通過司機手動切換，實現對地面列控系統的兼容；巴黎RER-E 融合了NExTEO、KVB 以及EVC系統的一體化車載實現跨線運行，如圖5 所示。國內跨線運行的列車遠期技術成熟后推薦優先采用通用車載方案，近期若為縮短新型車載的研發、上道認證周期，推薦采用“獨立兩套車載設備”。

圖5 巴黎RER-E一體化車載系統結構示意Fig.5 Paris RER-E integrated vehicle system structure diagram

3.3 其他融合技術研究

為實現都市圈軌道交通融合，同時滿足其公交化運營，針對現有C2 系統和CBTC 系統，相關單位和人員正在進行或計劃進行以下研究。

1）C2+ATO 自動折返功能

目前C2+ATO 系統未實現自動折返功能，不滿足都市圈城際、市域（郊）鐵路公交化運營對行車密度硬性要求，各設備廠家也已開展相關研究。主要思路是通過增加或利用MVB 貫通線使實現兩頭車載通信，并增加特定功能模塊用于兩頭車載的喚醒與休眠。

2）與站臺門系統融合

目前，C2+ATO 系統與CBTC 系統均具備與站臺門系統通過繼電接口進行信息互傳，從車載發車命令到站臺門動作環節多，時延較大，影響效率；故障點較多、安全性差；站臺門系統與信號系統電源、監測等設備重復設置，成本高且維護不便。需進一步研究站臺門系統與信號系統融合，減少信號與站臺門動作時間，提升運營效率，整合并提高安全性。目前部分廠家已經實現了接口優化、設備整合、站臺門控制器與車載直接通信等功能研究和試驗，但受到站臺門系統達不到SIL4 級、維護部門等影響，距離真正的融合還有一定的差距。

3）CBTC 系統車載地圖地面化

目前，CBTC 線路間車載電子地圖無法實時更新，尚未滿足復雜環境下互聯互通運營要求。線網中只要存在線路信息變化將涉及到全網在此線運行列車的車載電子地圖換裝，工作量大且不便于運營維護。目前一些設備廠家已考慮將電子地圖由車載存儲改為地面發送（如通過地面的ZC 進行發送，在列車連接ZC 時同步更新車載電子地圖）。

4 新型市域鐵路互聯互通技術及新型系統展望

4.1 基于CTCS制式的CTCS-N系統

CTCS-N 系統是由國鐵集團牽頭，在現行CTCS 列控系統的基礎上，為進一步提高系統能力，減少行車間隔，提升系統自動化程度而開發的基于無線通信的新型移動閉塞列控系統。CTCS-N 系統在C3+ATO 的基礎上對模塊功能、系統構架進行了開發、升級，具備向上擴展功能，實現列車位置連續追蹤功能條件下的全自動運行（GoA4）控制功能條件。同時具備向下兼容C2、C3 的能力。

據了解，CTCS-N 系統與城軌CBTC 系統的互聯互通技術已納入開發計劃中。其技術路線主要考慮通過采用融合型車載方式，將CTCS 列控系統中已經設置較為單一軌道電路功能的STM 模塊，擴展增加為軌道電路疊加城軌CBTC 車載主控單元的復合功能STM 模塊，沿用CTCS 與原STM 接口協議，實現與城軌CBTC 系統的互聯互通功能。

4.2 其他多網融合市域信號系統

眾多設備廠家開展了一系列關于融合系統的研究工作，如深圳城際鐵路智能列控系統、STCS、CBTC-R 等。其主要目的都是研發一種能夠同時兼容CTCS 和CBTC 的列車控制系統，不但具備以移動閉塞為基礎的高密度、公交化運營能力，還能實現與采用CTCS 系統的既有國鐵、城際鐵路、與新建采用互聯互通標準的CBTC 系統的城市軌道交通線路的互通運行。

目前都市圈軌道交通信號系統融合的主要技術路線可以概括為：

1）通過車載兼容應對跨線運行場景：列車配置雙制式車載設備，支持人工停車切換和車載自動切換；

2）通過軌旁兼容應對共線運行場景：共線區段地面同時布置CTCS 和CBTC 軌旁設備。聯鎖和列控單套化，對功能進行整合；

3）對CTC/ATS 調度系統進行整合，從而開發出具備兼顧公交化、網絡化運營的新型調度指揮系統。

5 結語

由于都市圈軌道交通跨線融合運營場景不一，信號系統融合方案也不一，應分析城際、市域、城市軌道交通網內、網間不同的運營場景列車跨線需求。結合各線的運營管理體制(國鐵管理還是軌道公司自管自營），產品開發階段與工程建設及規劃需求的匹配（如后期是否有升級改造），既有線路信號系統制式，相關專業配套技術（如無線通信）等，綜合研究后做出合理的融合方案。