都市圈快速軌道交通信號(hào)系統(tǒng)制式方案選擇

李 晶 王 鵬 楊艷鋒 劉振宇 侯佳麗

(1．北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 100045， 北京； 2．河北雄安軌道快線有限責(zé)任公司， 071700， 雄安新區(qū)；3．上海鐵路通信有限公司， 200071， 上海； 4．石家莊市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 050011， 石家莊∥第一作者， 高級(jí)工程師)

中共中央在《關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二○三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中提出，要加快城市群和都市圈的軌道交通網(wǎng)絡(luò)化。2019年2月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)在《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》中明確指出：要打造“軌道上的都市圈”，統(tǒng)籌考慮都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)布局，構(gòu)建以軌道交通為骨干的通勤圈。2019年9月，中共中央國(guó)務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出：要依托京津冀、長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)等世界級(jí)城市群，提高換乘換裝水平，完善集疏運(yùn)體系。在這些國(guó)家政策的導(dǎo)向作用下，都市圈軌道交通迎來(lái)了前所未有的大發(fā)展。為構(gòu)筑多層級(jí)、一體化的綜合交通樞紐，推動(dòng)軌道交通“四網(wǎng)”融合，適應(yīng)都市圈快速軌道交通高速度、高密度、高自動(dòng)化水平的要求，信號(hào)專業(yè)需要深耕制式選型和系統(tǒng)融合問題。

1 國(guó)外典型都市圈概況及軌道交通信號(hào)制式選擇

縱觀國(guó)外典型都市圈可知，這些都市圈都是根據(jù)各自圈層內(nèi)的城市規(guī)劃、地理?xiàng)l件、人口分布等情況充分布局各層級(jí)的軌道交通線路，這些軌道交通線路在都市圈的公共交通體系中發(fā)揮著重要作用。信號(hào)制式?jīng)Q定了軌道交通線路的運(yùn)輸組織能力、發(fā)車間隔和服務(wù)便捷性，以及線路間是否可互聯(lián)互通，并對(duì)軌道交通線路相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇有著深刻的影響[1]。

1.1 巴黎都市圈

如表1所示，巴黎都市圈內(nèi)軌道交通包括地鐵、RER(Réseau express régional，區(qū)域快速網(wǎng)絡(luò))和Transilien(法蘭西島區(qū)域鐵路)。其中：RER包括5條主線、22條支線，由地下穿城而過(guò)，經(jīng)由市區(qū)連接郊區(qū)，并在主要站點(diǎn)與地鐵線換乘。RER未覆蓋的都市圈外圍區(qū)域，其公共交通功能由Transilien承擔(dān)。

表1 巴黎都市圈軌道交通概況

巴黎都市圈軌道交通采用“貫穿式+放射式”的線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此在線路交叉區(qū)域存在客流量大、運(yùn)能要求高的特點(diǎn)。另外，在市區(qū)存在多處共線運(yùn)營(yíng)區(qū)段，在郊區(qū)存在客貨混運(yùn)區(qū)段?；谝陨咸攸c(diǎn)，巴黎都市圈軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng)存在著多種制式并存的情況：地鐵線路集中在城市中心，大多采用CBTC系統(tǒng)；遠(yuǎn)郊區(qū)快線和需跨越城市的Transilien采用國(guó)家鐵路標(biāo)準(zhǔn)的ETCS；連接城市和近郊的RER多采用兼容的信號(hào)系統(tǒng)(如SACEM系統(tǒng)[2]等)。兼容的信號(hào)系統(tǒng)具有雙模制式，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)與CBTC系統(tǒng)和ETCS的跨線運(yùn)營(yíng)，在提高列車運(yùn)行速度和運(yùn)營(yíng)效率的同時(shí)，也確保了中心城市軌道交通線與干線鐵路之間的連接關(guān)系，使RER成為都市圈層中重要的交通紐帶。

1.2 東京都市圈

東京都市圈一般定義為以東京站為中心、半徑70 km范圍內(nèi)的區(qū)域[3]，圈內(nèi)各圈層間的交通聯(lián)系緊密。如表2所示，東京都市圈軌道交通主要包括地鐵線和市域鐵路，市域鐵路又可分為JR(日本鐵路，Japanese Railway)和私營(yíng)鐵路。

表2 東京都市圈軌道交通概況

東京都市圈軌道交通采用“環(huán)形+放射式”結(jié)構(gòu)，各層級(jí)間的軌道交通有機(jī)銜接，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置車站，確定列車運(yùn)行速度等級(jí)[4]。日本軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的各類控制系統(tǒng)被分為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(0級(jí)至4級(jí))，并根據(jù)不同的閉塞制式加以區(qū)分。不同標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)線路的實(shí)際需求被安裝在合適的線路上[5]。正因?yàn)檎麄€(gè)東京都市圈軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)是一脈相承且不斷升級(jí)的，因此各標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別之間能夠較好地兼容，這為線路間的直通運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了天然的優(yōu)勢(shì)，也使得東京都市圈軌道交通的運(yùn)營(yíng)組織模式一直被業(yè)內(nèi)人士推崇。

1.3 紐約都市圈

紐約都市圈由5個(gè)城市組成，其軌道交通包含地鐵線(含4條捷運(yùn)線)和市郊線，如表3所示。紐約地鐵線路多、平均站間距小[6]，其年客運(yùn)量高達(dá)15億人次，日運(yùn)營(yíng)時(shí)間最高達(dá)到了24 h。為了適應(yīng)高強(qiáng)度的運(yùn)輸需求，自1997年起紐約地鐵線路的信號(hào)系統(tǒng)陸續(xù)進(jìn)行了CBTC升級(jí)改造。市郊線主要包括長(zhǎng)島鐵路、大都會(huì)北方鐵路和新澤西鐵路，其中，長(zhǎng)島鐵路是美國(guó)最忙碌的通勤鐵路線，采用CBTC系統(tǒng)；其余2條市郊線采用美國(guó)國(guó)家鐵路標(biāo)準(zhǔn)的PTC(精確列車控制)系統(tǒng)。

紐約都市圈軌道交通采用“主線+支線”結(jié)構(gòu)，呈典型的“樹枝狀”，市郊線與地鐵線均為獨(dú)立通道，不存在不同層次間軌道交通線路共用通道或共線的情況，各線均獨(dú)立運(yùn)行[7]。所以，紐約都市圈軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的制式選擇只需與線路的運(yùn)能需求和列車運(yùn)行速度匹配即可。

表3 紐約都市圈軌道交通發(fā)展概況

1.4 3個(gè)都市圈軌道交通信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)模式分析

通過(guò)對(duì)上述3個(gè)國(guó)外典型都市圈軌道交通的分析可發(fā)現(xiàn)，其共同的特點(diǎn)為軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng)制式均是基于線網(wǎng)布局和列車運(yùn)行需求來(lái)匹配，主要表現(xiàn)為：①將城市中心通道留給地鐵，選擇CBTC系統(tǒng)來(lái)保證地鐵線路的行車間隔，滿足地鐵公交化的運(yùn)營(yíng)需求，其典型案例是紐約地鐵；②在連接近郊與城市中心的中間圈層，為實(shí)現(xiàn)列車速度等級(jí)的提升及與地鐵線間的跨線運(yùn)行，該區(qū)域內(nèi)軌道交通線路應(yīng)能提供適應(yīng)互聯(lián)互通需求的信號(hào)系統(tǒng)或能滿足跨線運(yùn)行需求的可兼容的信號(hào)系統(tǒng)，其典型案例是巴黎RER；③在遠(yuǎn)郊與近郊的邊緣通道，考慮較高的通達(dá)時(shí)間要求和與鐵路線間相互銜接的需求，3個(gè)都市圈軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)都選擇了按照各自的國(guó)家鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。

2 我國(guó)都市圈快速軌道交通線路運(yùn)營(yíng)需求分析

分析都市圈快速軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)需求，是信號(hào)系統(tǒng)制式選型的基礎(chǔ)。我國(guó)都市圈快速軌道交通線路主要有4個(gè)方面的運(yùn)營(yíng)需求。

1) 高速度、通勤化。根據(jù)都市圈的輻射范圍，為滿足“一小時(shí)交通圈”的通勤要求，都市圈快速軌道交通線路的旅行速度必須在80 km/h左右，因此可推算得到線路的最高運(yùn)行速度為160～200 km/h，這必然要求線路具有站間距大的特點(diǎn)。同時(shí)，為滿足乘客快上快下的通勤需求，還需具備站臺(tái)候車的條件。

2) 高密度、公交化。由于客流的不平衡特征，都市圈快速軌道交通線路應(yīng)具有靈活的運(yùn)營(yíng)組織方式。乘客出行時(shí)大多關(guān)注候車時(shí)間、乘坐時(shí)間、換乘時(shí)間及列車發(fā)車間隔等服務(wù)要素，因此，都市圈快速軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng)需要滿足最小行車間隔2.5 min的要求，部分線路甚至需要更短的行車間隔。

3) 高自動(dòng)化等級(jí)。為更好地實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營(yíng)，都市圈快速軌道交通線路的信號(hào)系統(tǒng)還需具備較高的自動(dòng)化等級(jí)，以盡量減少人為誤操作，提升系統(tǒng)的可靠性和可用性。

4) 網(wǎng)絡(luò)化、智能化。都市圈軌道交通往往不是單一的、獨(dú)立的，城市人口逐漸向郊區(qū)轉(zhuǎn)移的過(guò)程中具有從點(diǎn)狀分布向區(qū)塊分布聚攏的特點(diǎn)，分批建設(shè)、成網(wǎng)規(guī)劃是都市圈軌道交通整體的建設(shè)趨勢(shì)。這些同類型線路的構(gòu)建，存在聯(lián)通聯(lián)運(yùn)的可能。因此，網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮、列車運(yùn)行的自動(dòng)調(diào)整、列車的靈活編組和解編、不同速度等級(jí)列車的混跑、列車自動(dòng)折返、智能運(yùn)維等功能將被越來(lái)越多地應(yīng)用到有實(shí)際需求的軌道交通線路中。

3 我國(guó)既有軌道交通信號(hào)制式的適應(yīng)性分析

3.1 國(guó)家鐵路的信號(hào)系統(tǒng)制式

適用于160～200 km/h速度等級(jí)的國(guó)家鐵路列車控制(以下簡(jiǎn)稱“列控”)系統(tǒng)主要是CTCS-2(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)2級(jí))。根據(jù)鐵總科技[2013]79號(hào)《城際鐵路CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案》的要求(ATO為列車自動(dòng)運(yùn)行)，目前已建成的城際鐵路均采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)。CTCS-2+ATO是CTCS-2體系的擴(kuò)充，即在CTCS-2級(jí)的ATP(列車自動(dòng)防護(hù))功能基礎(chǔ)上增加了ATO功能。CTCS-2+ATO系統(tǒng)采用GSM-R(鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，其實(shí)質(zhì)屬于固定閉塞范疇。

3.2 城市軌道交通的信號(hào)系統(tǒng)制式

目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用最廣的是CBTC系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)采用車地雙向通信，將前方列車的移動(dòng)定位信息經(jīng)由車地通信環(huán)節(jié)傳送給后續(xù)列車，將移動(dòng)的前車尾部輪廓線作為速度-距離控制的追蹤目標(biāo)點(diǎn)。當(dāng)列車的運(yùn)行速度超過(guò)允許的速度控制曲線時(shí)，CBTC系統(tǒng)將對(duì)列車實(shí)施安全制動(dòng)，同時(shí)隨著前方列車的行進(jìn)，列車控制信息可連續(xù)地或周期性做出響應(yīng)。CBTC系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上屬于移動(dòng)閉塞范疇。

3.3 信號(hào)制式的適應(yīng)性對(duì)比

本文從列車最小追蹤間隔、控制方式、應(yīng)用情況等9個(gè)方面對(duì)比分析了CBTC和CTCS-2+ATO兩種信號(hào)制式在都市圈快速軌道交通中的適應(yīng)性，如表4所示。

表4 城市軌道交通信號(hào)CBTC系統(tǒng)和國(guó)家鐵路列控系統(tǒng)的適應(yīng)性對(duì)比

1) 從功能需求上分析，CBTC具有完善的系統(tǒng)功能，能夠支持公交化運(yùn)營(yíng)和全自動(dòng)運(yùn)行；CTCS-2+ATO不具備自動(dòng)折返功能，其CTC(調(diào)度集中)系統(tǒng)不具備列車扣車、跳停、目的地碼觸發(fā)等功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行。

2) 從運(yùn)營(yíng)需求上分析，CTCS-2+ATO理論的列車最小追蹤間隔為3.0 min，而在實(shí)際線路應(yīng)用時(shí)列車最小追蹤間隔一般在4.0 min以上，且進(jìn)一步壓縮列車運(yùn)行間隔比較困難；CBTC的列車最小追蹤間隔為2.5 min，能夠滿足高密度的需求。

3) 從應(yīng)用情況上分析，CTCS-2+ATO和CBTC均能適應(yīng)160～200 km/h 的最高設(shè)計(jì)速度，但CBTC目前的應(yīng)用案例(北京地鐵大興機(jī)場(chǎng)線、廣州地鐵18號(hào)線等)中最高速度等級(jí)為160 km/h，160～200 km/h速度等級(jí)尚無(wú)應(yīng)用業(yè)績(jī)。

4) 從運(yùn)營(yíng)維護(hù)上分析，采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)時(shí)軌道電路的維護(hù)工作量較大；采用CBTC系統(tǒng)時(shí)線路區(qū)間的設(shè)備數(shù)量較少，維護(hù)工作量較少。

5) 從互聯(lián)互通層面上分析，CTCS-2+ATO和CBTC都只能與自身相同制式的線路互聯(lián)互通。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)已經(jīng)確立了19個(gè)城市群，這些城市群的中心城市內(nèi)部已經(jīng)具備了較為完善的城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)體系，但在中心城市外圍的快速軌道交通領(lǐng)域采用哪種軌道交通及其信號(hào)制式，目前仍存在著不同的意見。本文在對(duì)國(guó)外3個(gè)典型都市圈軌道交通信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)情況調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)都市圈軌道交通的運(yùn)營(yíng)需求，認(rèn)為在選擇都市圈快速軌道交通線路信號(hào)制式時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：①獨(dú)立運(yùn)行的都市圈快速軌道交通線路，其信號(hào)系統(tǒng)宜采用CBTC制式；②與城市軌道交通跨線運(yùn)行的都市圈快速軌道交通線路，其信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)采用CBTC制式；③與干線鐵路、城際鐵路跨線運(yùn)行的都市圈快速軌道交通線路，其信號(hào)系統(tǒng)宜采用CTCS制式或多制式兼容方式，配置或者局部配置多制式兼容設(shè)備；④與干線鐵路、城際鐵路和城市軌道交通均有跨線運(yùn)行需求的都市圈快速軌道交通線路，其信號(hào)系統(tǒng)宜采用多制式兼容方式，配置或局部配置多制式的兼容設(shè)備。

綜上，都市圈快速軌道交通信號(hào)制式的選擇應(yīng)從線路定位、運(yùn)營(yíng)需求、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等角度予以綜合考慮，尤其是要更多地關(guān)注本線與外部連接線間的關(guān)系。此外，都市圈快速軌道交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)融合鐵路的高速度、城市軌道交通的高密度等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)筑城市軌道交通與國(guó)家鐵路的聯(lián)系層，助力推動(dòng)軌道交通“四網(wǎng)融合”，有效解決目前都市圈軌道交通建設(shè)的瓶頸問題。