點-連式信號系統(tǒng)在市域鐵路的可行性研究

陳衛(wèi)華，劉江，李聰

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

點-連式信號系統(tǒng)在市域鐵路的可行性研究

陳衛(wèi)華，劉江，李聰

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

針對市域鐵路運營需求進(jìn)行分析；從基于WLAN無線通信的CBTC移動閉塞信號系統(tǒng)、基于LTE無線通信的CBTC信號系統(tǒng)、基于信標(biāo)通信的點式ATC信號系統(tǒng)、基于部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線通信的點-連式信號系統(tǒng)、基于音頻數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞ATC信號系統(tǒng)和基于LTE無線通信的點-連式信號系統(tǒng)等方面對市域鐵路的信號系統(tǒng)制式進(jìn)行分析；闡述基于LTE無線通信的點-連式信號系統(tǒng)的構(gòu)成、基本控制原理和功能優(yōu)勢，其能很好地滿足市域鐵路的運營需求，具備市域鐵路信號系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)的可行性。

市域鐵路；點-連式信號系統(tǒng)；LTE；無線通信；信號系統(tǒng)

0 引言

市域鐵路是位于中心城區(qū)與其他組團(tuán)間、組團(tuán)式城鎮(zhèn)之間或與大中城市具有同城化需求的城鎮(zhèn)間，服務(wù)通勤、通學(xué)、通商等規(guī)律性客流，設(shè)計速度100～160 km/h，快速、高密度、公交化的客運專線鐵路[1]。

不同城市對市域鐵路的功能定位不同，因此市域鐵路的信號系統(tǒng)解決方案目前沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在分析市域鐵路運營需求基礎(chǔ)上，結(jié)合不同信號系統(tǒng)制式的特征，探討一種可應(yīng)用于市域鐵路的信號系統(tǒng)，并對其可行性展開分析。

1 運營需求分析

市域鐵路與市中心的地鐵線路相比，具有行車間隔較大、線路長度長、運行速度高、站間距大等特征。因此，市域鐵路對運營目標(biāo)的需求與普通的地鐵線路不同。部分市域鐵路及類似線路的運營需求及線路數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分市域鐵路及類似線路的運營需求及線路數(shù)據(jù)

（1）由于市域鐵路的客流以市域范圍通勤、通學(xué)、通商等規(guī)律性客流為主，客流量基本集中在早晚高峰期間，而平峰期間客流量較小。因此，最小行車間隔比市區(qū)地鐵線路要求低，初期、近期對信號系統(tǒng)要求的最小行車間隔大部分在4.0 min及以上，遠(yuǎn)期最小行車間隔為2.5 min或以下。

（2）市域鐵路的最高運行速度基本要求在100 km/h及以上，未來不排除更高的速度要求，同時需要實現(xiàn)車-地間的PIS、CCTV等通信業(yè)務(wù)的綜合承載。在高速運行環(huán)境下，對車-地通信的技術(shù)指標(biāo)（如頻寬、丟包率、傳輸時延、抗干擾能力、數(shù)據(jù)傳輸速率等）提出了更高要求。

（3）市域鐵路線路通常位于城市的市郊、遠(yuǎn)郊區(qū)域，且線路較長、站間距大。因此，導(dǎo)致信號系統(tǒng)的設(shè)備安裝和調(diào)試工期較長，同時也增加了軌旁信號設(shè)備運營維護(hù)和保養(yǎng)的難度。

（4）當(dāng)前的城市規(guī)模發(fā)展迅速，市域鐵路的客流預(yù)測具有不確定性。因此，信號系統(tǒng)的運營能力需要超前規(guī)劃，其中較關(guān)鍵的車-地通信制式必須具有技術(shù)前沿性和預(yù)留條件，以便系統(tǒng)升級、與市區(qū)地鐵線路互聯(lián)互通及兼容等。

2 應(yīng)用于市域鐵路的信號系統(tǒng)制式分析

針對市域鐵路的運營需求和特點，目前主要應(yīng)用的ATC信號系統(tǒng)制式如下：基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）、點式列車自動控制（ATC）信號系統(tǒng)和基于音頻數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞ATC系統(tǒng)；根據(jù)車-地通信方式的不同，CBTC信號系統(tǒng)可分為基于無線局域網(wǎng)（WLAN）無線通信的CBTC信號系統(tǒng)和基于長期演進(jìn)（LTE）無線通信的CBTC信號系統(tǒng)；點式ATC信號系統(tǒng)可分為基于信標(biāo)通信的點式ATC信號系統(tǒng)和基于部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線通信的點-連式信號系統(tǒng)。

2.1 基于WLAN無線通信的CBTC信號系統(tǒng)

基于WLAN無線通信的CBTC信號系統(tǒng)采用車-地雙向通信設(shè)備對地面區(qū)域控制器、計算機聯(lián)鎖、線路控制器等軌旁設(shè)備與車載設(shè)備之間的信息進(jìn)行傳送，實現(xiàn)連續(xù)式ATP的防護(hù)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)90 s的列車追蹤間隔和折返間隔，出入段/場能力可實現(xiàn)2 min的行車間隔。

WLAN無線通信的最初設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要是滿足市區(qū)地鐵的車-地通信要求，存在的問題是頻寬不可調(diào)整和無線覆蓋距離短，造成越區(qū)切換頻繁，不能較好地滿足市域鐵路100 km/h及以上的高速運行環(huán)境；應(yīng)用頻段為2.4 GHz開放頻段，是非專用頻段，同頻干擾問題嚴(yán)重。WLAN無線通信的實現(xiàn)方式主要是自由無線和波導(dǎo)管，自由無線的軌旁通信基站最大間隔約300 m，而市域鐵路線路距離長，導(dǎo)致軌旁基站接收天線設(shè)備過多；波導(dǎo)管由于工程造價相對過高，建議不應(yīng)用于長距離線路的市域鐵路。

2.2 基于LTE無線通信的CBTC信號系統(tǒng)

目前，基于LTE無線通信的CBTC信號系統(tǒng)已成為CBTC未來的發(fā)展趨勢。由于LTE是針對高速環(huán)境下研發(fā)的無線通信技術(shù)，經(jīng)過測試，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)（如數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸時延、丟包率、頻寬等）均優(yōu)于基于802.11x的WLAN技術(shù)[2-3]，同時支持100 km/h及以上高速環(huán)境的車-地通信要求；由于擁有專有頻段，其抗干擾性強，避免了WLAN的同頻干擾問題。LTE無線通信的實現(xiàn)方式主要為自由無線和漏泄電纜，其軌旁基站間隔大，設(shè)備數(shù)量相對較少。

基于LTE無線通信的CBTC系統(tǒng)完全滿足市域鐵路的遠(yuǎn)期運營間隔及其他運營需求。由于其功能及接口較多，調(diào)試周期較長且工程投資很大。

2.3 基于信標(biāo)通信的點式ATC信號系統(tǒng)

基于信標(biāo)通信的點式ATC信號系統(tǒng)通過軌旁計軸/軌道電路等設(shè)備實現(xiàn)列車的占用/出清檢測，采用計算機聯(lián)鎖通過進(jìn)路實現(xiàn)閉塞間隔控制。車-地通信由有源信標(biāo)實現(xiàn)，其特點是計算機聯(lián)鎖將列車占用/出清區(qū)段狀態(tài)、道岔位置狀態(tài)、信號機開放/關(guān)閉等信息通過軌旁電子單元（LEU）傳送至有源信標(biāo)，有源信標(biāo)再將這些信息發(fā)送至車載ATP設(shè)備，實現(xiàn)ATP的安全防護(hù)及ATO的自動駕駛功能。

點式ATC信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，在成本、工期方面有很大優(yōu)勢，能滿足市域鐵路的高速運行及初期、近期的運營間隔；缺陷是運營調(diào)整能力較差，保護(hù)區(qū)段解鎖時間長，站臺區(qū)域容易誤闖紅燈，不能實現(xiàn)臨時限速、車門與站臺門聯(lián)動等功能[4]，遠(yuǎn)期也不具備與市區(qū)地鐵互聯(lián)互通的條件。

2.4 基于部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線通信的點-連式信號系統(tǒng)

基于部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線通信的點-連式信號系統(tǒng)是將點式ATC系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)而形成的控制系統(tǒng)，其特點是在站臺區(qū)域和信號機接近鎖閉區(qū)域布置無線通信設(shè)備，實現(xiàn)站臺區(qū)域、信號機接近鎖閉區(qū)域的運營調(diào)整、車門與站臺門聯(lián)動、闖紅燈防護(hù)、保護(hù)區(qū)段快速解鎖、連續(xù)監(jiān)督接近鎖閉區(qū)域的信號機狀態(tài)，以及提高折返效率等功能。

點-連式信號系統(tǒng)可滿足市域鐵路初期、近期及遠(yuǎn)期的行車間隔，以及100 km/h及以上的運行速度，軌旁設(shè)備相對較少，便于運營維護(hù)和保養(yǎng)，在投資成本、建設(shè)工期等方面優(yōu)勢明顯；不足之處是運營調(diào)整功能不如CBTC系統(tǒng)，車-地通信不能很好地承載PIS、CCTV等綜合業(yè)務(wù)。

2.5 基于音頻數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞ATC信號系統(tǒng)

基于音頻數(shù)字軌道電路的準(zhǔn)移動閉塞ATC信號系統(tǒng)是在傳統(tǒng)軌道電路上通過載頻疊加信息報文，向車載設(shè)備發(fā)送目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、區(qū)段占用/出清狀態(tài)等信息。ATP車載設(shè)備計算出連續(xù)的速度-距離控制曲線，實現(xiàn)列車的ATP防護(hù)功能，并可滿足市域鐵路遠(yuǎn)期的行車間隔，以及100 km/h及以上的運行速度。但其車-地通信是基于音頻數(shù)字軌道電路，易受牽引回流和軌旁雜散電流影響，抗干擾能力較差；運營維護(hù)和保養(yǎng)成本大；軌道電路控制距離較短，需要在市域鐵路長大區(qū)間增加中繼站，不利于將來與市區(qū)地鐵的互聯(lián)互通。市域鐵路信號系統(tǒng)主要制式的綜合比較見表2。

通過對比分析，可以看出點-連式信號系統(tǒng)可較好地滿足各種性能指標(biāo)，且結(jié)構(gòu)簡單，投資成本小，建設(shè)工期短，后期運營維護(hù)成本低；但其運營調(diào)整能力較差，車-地通信不能承載PIS、CCTV等綜合業(yè)務(wù)，不具有與市區(qū)地鐵未來實現(xiàn)互聯(lián)互通的條件。結(jié)合市域鐵路的特點和運營需求，提出一種基于LTE無線通信的點-連式信號系統(tǒng)解決方案，即列車的追蹤間隔由軌旁聯(lián)鎖進(jìn)路控制，而車-地通信由覆蓋全線的LTE無線通信和有源信標(biāo)完成，可實現(xiàn)地面控制設(shè)備與車載設(shè)備的實時無線通信；LTE的高頻寬可承載PIS、CCTV等綜合業(yè)務(wù)，豐富了車-地通信的傳輸內(nèi)容。

3 基于LTE無線通信的點-連式信號系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于LTE無線通信的點-連式信號系統(tǒng)主要由軌旁信號設(shè)備、車載ATC設(shè)備和LTE無線通信設(shè)備構(gòu)成。軌旁信號設(shè)備包括計算機聯(lián)鎖、線路控制器、列車自動監(jiān)控（ATS）、自律分機、維護(hù)支持系統(tǒng)（MSS）服務(wù)器等，軌旁設(shè)備還包括信號機、計軸、有源/無源信標(biāo)、轉(zhuǎn)轍機等信號基礎(chǔ)運營設(shè)備。車載ATC設(shè)備包括人機顯示單元、ATP/ATO安全計算機、信息輸入輸出單元等設(shè)備。

LTE軌旁設(shè)備由A/B網(wǎng)基站（射頻拉遠(yuǎn)單元和基帶處理單元集成在基站箱內(nèi)）和漏纜組成，基站可按最大1.2 km布置，漏纜沿著軌道側(cè)面鋪設(shè)；在集中站設(shè)置交換機，運營控制中心（OCC）配置LTE的核心網(wǎng)設(shè)備及網(wǎng)管系統(tǒng)。核心網(wǎng)設(shè)備與信號系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)連接，采用雙機冗余配置，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；網(wǎng)管系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理核心網(wǎng)設(shè)備及LTE基站。軌旁結(jié)構(gòu)示意見圖1。

表2 市域鐵路信號系統(tǒng)主要制式綜合比較

LTE車載設(shè)備由LTE天線、接收單元和A/B網(wǎng)交換機組成。網(wǎng)絡(luò)傳輸實現(xiàn)A/B網(wǎng)冗余配置，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⑻岣邆鬏斝?；在列車車頭和車尾各設(shè)置1套網(wǎng)絡(luò)連接一致的車載接收單元，其通過交換機與車載應(yīng)用系統(tǒng)連接，上傳和下載信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息、CCTV監(jiān)控信息和PIS信息等，實現(xiàn)控制中心、線路控制器、軌旁聯(lián)鎖與車載控制設(shè)備之間的雙向通信。LTE車載設(shè)備配備信標(biāo)天線，實現(xiàn)與有源信標(biāo)的點式傳輸。車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

3.2 控制原理

基于LTE無線通信的點-連式信號系統(tǒng)的基本控制原理與點式ATC系統(tǒng)相同，即列車追蹤間隔防護(hù)由聯(lián)鎖進(jìn)路控制，追蹤列車通過LTE無線通信從聯(lián)鎖系統(tǒng)實時獲取軌旁信號機狀態(tài)、計軸區(qū)段占用/出清狀態(tài)、道岔位置狀態(tài)、站臺門鎖閉/打開狀態(tài)等安全信息；追蹤列車的車載設(shè)備根據(jù)線路限速、目標(biāo)距離等信息生成ATP連續(xù)控制曲線，控制列車安全運行；兩列追蹤列車的追蹤間隔由1個主進(jìn)路+1個保護(hù)區(qū)段的距離確定，保證列車安全追蹤運行。列車追蹤運行防護(hù)示意見圖3。

列車定位可通過編碼里程計進(jìn)行自主定位，利用固定在道床上的無源信標(biāo)進(jìn)行定位誤差校準(zhǔn)，同時結(jié)合車載存儲的電子地圖實現(xiàn)列車的實時定位。

圖1 軌旁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

通過LTE無線通信，ATS子系統(tǒng)可實時確定列車位置，避免了基于部分區(qū)域無線通信的點-連式系統(tǒng)僅在部分區(qū)段可實現(xiàn)追蹤列車位置的功能缺陷，同時可直接建立ATS與車載設(shè)備的通信，實現(xiàn)列車扣車、跳停、時刻表更新等功能，顯著提高了點-連式信號系統(tǒng)的運營調(diào)整能力。

3.3 功能優(yōu)勢

結(jié)合市域鐵路運營間隔較大、運行速度高、線路位于市郊、線路較長、站間距大等特點，基于LTE車-地通信的點-連式信號系統(tǒng)與基于部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無線通信的點-連式信號系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)制式相比，具有以下優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)（如頻寬、傳輸速率、丟包率、抗干擾能力）完全滿足市域鐵路100 km/h及以上的運行速度要求，且能實現(xiàn)PIS、CCTV等業(yè)務(wù)的綜合承載。

（2）完全滿足市域鐵路初期、近期的行車間隔要求，若遠(yuǎn)期行車間隔低于2 min，可通過增加區(qū)域控制器等設(shè)備平滑升級至CBTC系統(tǒng)以滿足需求。

（3）運營調(diào)整能力強，可通過LTE無線通信實現(xiàn)ATS的調(diào)整命令，實現(xiàn)列車跳停、扣車、時刻表調(diào)整等功能。

（4）系統(tǒng)的軌旁基站相鄰間隔約1.2 km，避免了列車頻繁越區(qū)切換和容易出現(xiàn)掉線的問題；由于軌旁設(shè)備數(shù)量少，便于后期的運營維護(hù)，優(yōu)勢較明顯。

（5）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試工期短，可降低工期緊張造成的延遲開通風(fēng)險，同時可降低工程建設(shè)成本。

（6）基于LTE的無線通信技術(shù)正成為城市軌道交通車-地通信制式的新趨勢，而且容易實現(xiàn)未來與市區(qū)地鐵線路的互聯(lián)互通和兼容。

圖3 列車追蹤運行防護(hù)示意圖

4 結(jié)束語

目前，基于LTE車-地通信的CBTC系統(tǒng)已在地鐵線路上成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了商業(yè)運營。基于LTE車-地通信的點-連式信號系統(tǒng)還未實現(xiàn)工程應(yīng)用，但其能夠很好地滿足市域鐵路的運營需求，具有結(jié)構(gòu)簡單、可維護(hù)性高、建設(shè)成本相對較低、建設(shè)工期短等優(yōu)勢，具備市域鐵路信號系統(tǒng)規(guī)劃和建設(shè)的可行性。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，中國鐵路設(shè)計 集團(tuán)有限公司，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 等．T/CRS C0101—2017 市域鐵路設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 戴克平，張艷兵. 基于LTE的城市軌道交通車地 通信綜合承載系統(tǒng)[J]. 都市快軌交通，2016(2)： 69-74.

[3] 劉正東，楊勁，王成國．基于CBTC系統(tǒng)的地鐵聯(lián)鎖算 法設(shè)計與研究[J]．中國鐵路，2015(10)：86-88.

[4] 弓劍. 信號系統(tǒng)連續(xù)型點式方案的工程設(shè)計與應(yīng) 用[J]. 都市快軌交通，2015(8)：106-109.

責(zé)任編輯 盧敏

Feasibility Study on Application of Point-continuous Signaling System in Suburban Railway System

CHEN weihua，LIU Jiang，LI Cong
（CASCO Signal Ltd，Shanghai 200071，China）

the operation requirement of Suburban Railway is analyzed. the type and mode of signaling system for Suburban Railway is comprehensively analyzed, including the WLAN-based CBtC movable block signaling system, LtE-based CBtC signaling system, beacon-based point AtC signaling system, point-continuous signaling system, quasi-movable block AtC signaling system based on video and digital track circuit and LtE-based point-continuous signaling system. the composition, basic control principle and functions of LtE-based point-continuous signaling system are introduced, demonstrating that it can well meet the requirement of Suburban Railway and have future potential for wide deployment.

Suburban Railway；point-continuous signaling system；LtE；wireless communication；signaling system

U284

：A

：1001-683X（2017）06-0043-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.043

2017-04-08

陳衛(wèi)華（1977—），男，高級工程師，碩士。

E-mail：chenweihua@casco.com.cn