>面向多網(wǎng)融合的市域鐵路信號調(diào)度系統(tǒng)研究

劉華祥 陳恒宇

(1.卡斯柯信號有限公司， 200072， 上海；2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司， 518026， 深圳∥第一作者， 高級工程師)

伴隨國家多個指導(dǎo)意見的出臺，市域(郊)鐵路的發(fā)展已被提升到國家交通戰(zhàn)略發(fā)展層面。 “十四五” 期間，京津冀、長江三角洲(以下簡稱“長三角”)和粵港澳3大區(qū)域計劃新開工建設(shè)的城際鐵路和市域(郊)鐵路總長度約10 000 km，其目標(biāo)是將都市圈內(nèi)已經(jīng)建成的國家干線鐵路網(wǎng)、城際鐵路網(wǎng)及城市軌道交通線網(wǎng)進(jìn)行多網(wǎng)融合。

目前，如北京、上海、廣州、成都、溫州等多個城市己經(jīng)開始嘗試市域快線規(guī)劃建設(shè)，分別修建了不同類型的市域鐵路。此外，還有多個城市的多條市域鐵路正在規(guī)劃籌建中。至2025年，這3個都市圈將基本形成城際鐵路骨架網(wǎng)絡(luò)和市域(郊)鐵路骨架網(wǎng)絡(luò)。

與此同時，國家多個政策文件也對市域鐵路進(jìn)行了明確的定位，包括國辦發(fā)[2018]52號《關(guān)于進(jìn)一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》、發(fā)改基礎(chǔ)[2017]1173號《關(guān)于促進(jìn)市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》及發(fā)改規(guī)劃[2019]328號《國家發(fā)展改革委關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》等。這些文件明確了基于四網(wǎng)融合的市域鐵路應(yīng)具有公交化和網(wǎng)絡(luò)化兩大特點。

市域鐵路的信號系統(tǒng)也應(yīng)滿足多網(wǎng)融合的需求。作為信號系統(tǒng)的指揮大腦，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)需具備可同時調(diào)度指揮不同層次軌道交通線路列車運行的功能。但是，目前國內(nèi)可同時支持公交化和網(wǎng)絡(luò)化運行的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)尚屬空白?；诖耍疚慕Y(jié)合實際項目的建設(shè)需求，圍繞市域鐵路公交化和網(wǎng)絡(luò)化的特點，對市域鐵路的信號調(diào)度系統(tǒng)展開研究。

1 市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)需求分析

從建設(shè)和運營需求角度分析，目前國內(nèi)市域鐵路需要考慮3類運營場景：獨立成網(wǎng)運營、與國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)線路互通運營及與城市軌道交通線網(wǎng)互通運營。無論在哪類場景下，市域鐵路信號系統(tǒng)都應(yīng)能同時滿足公交化和網(wǎng)絡(luò)化的運營需求。

1.1 公交化運營需求

1.1.1 通勤化

為了滿足通勤化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備列車運行計劃的自動調(diào)整、在線列車車次號的靈活調(diào)整、大小交路同時運營、無人及有人駕駛模式下列車的自動折返/跳停/扣車、調(diào)度命令的編輯及下發(fā)到車站和列車、信號設(shè)備自動和人工控制、區(qū)間運營等級和停站時間的靈活調(diào)整、在站列車提前發(fā)車及列車節(jié)能運行等功能。

1.1.2 快速化

為了滿足快速化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備支持列車以200 km/h的最高速度在線運行。

1.1.3 大運量

為了滿足大運量線路的調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)支持列車靈活聯(lián)掛和解編、不同編組列車在線混跑及根據(jù)客流情況自動調(diào)整在線列車數(shù)等功能。

1.1.4 智能化

為了滿足智能化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)支持最高GoA4(無人干預(yù)列車運行)下列車的全自動運行功能(包括自動喚醒、出庫、入庫、休眠、喚醒、段內(nèi)自動調(diào)車、出庫自動領(lǐng)號、回庫自動消號等)，并應(yīng)與其他系統(tǒng)(包括綜合監(jiān)控、通信、供電、站臺門、施工管理系統(tǒng)、市域動車組管理系統(tǒng)、司機派班、國鐵旅客服務(wù)等)進(jìn)行信息聯(lián)動。此外，還應(yīng)具備故障處置完成后列車運行圖的自動恢復(fù)、運營及維護(hù)數(shù)據(jù)的智能化統(tǒng)計分析、設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)控和報警等功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化運營需求

1.2.1 列車運行圖的統(tǒng)一編制和調(diào)整

為了滿足網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備跨線路列車統(tǒng)一編圖的功能，支持按照線路、線網(wǎng)、調(diào)度臺管轄區(qū)等不同方式進(jìn)行編圖，多線間交界站列車間的接入和交出可實現(xiàn)自動勾連。統(tǒng)一編制后的線網(wǎng)列車運行圖可以按照不同線路、不同調(diào)度臺管轄范圍自動拆分，并下達(dá)給對應(yīng)的調(diào)度臺。如對線網(wǎng)列車運行圖進(jìn)行修改，修改后的列車運行圖將會及時通知并更新至每個相關(guān)的調(diào)度臺，以實現(xiàn)線網(wǎng)列車運行圖的實時同步更新。

1.2.2 調(diào)度管轄區(qū)的靈活劃分

為了滿足網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度臺管轄范圍應(yīng)能靈活配置，支持按照線路、區(qū)段或區(qū)域進(jìn)行調(diào)度指揮。一個調(diào)度臺的管轄車站可以僅僅是ATS(列車自動監(jiān)控)車站或CTC(調(diào)度集中)車站，也可以是ATS和CTC車站的組合，可根據(jù)新建市域鐵路的列車控制制式及運營需求進(jìn)行配置。

1.2.3 與其他層次軌道交通建立調(diào)度系統(tǒng)接口

為了實現(xiàn)市域鐵路與既有國鐵線路或城市軌道交通線路間的互通運營，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)需要與既有國鐵線路的CTC、城市軌道交通線路的ATS進(jìn)行接口互聯(lián)，以實現(xiàn)不同層次軌道交通列車運行計劃的順利實施，不同層次軌道交通信號設(shè)備狀態(tài)信息的共享，以及不同層次軌道交通調(diào)度命令的相互傳遞等，滿足列車跨線運營所需的信息交互需求。

2 既有軌道交通調(diào)度系統(tǒng)簡述

目前我國的軌道交通信號調(diào)度指揮系統(tǒng)主要有兩種類型：一類是國鐵線路的CTC系統(tǒng)及TDCS (列車調(diào)度指揮系統(tǒng))，另一類是城市軌道交通線路的ATS系統(tǒng)。其中，TDCS僅有監(jiān)視功能，與市域鐵路的調(diào)度需求差距較大。本文僅對CTC和ATS進(jìn)行簡要介紹和對比。

2.1 國鐵線路CTC系統(tǒng)

CTC主要用于國鐵干線、城際線路的信號調(diào)度指揮。CTC具有很好的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度功能[1]，但在公交化運營方面尚需提升。

1) 由于國鐵的列車種類眾多、線路范圍較廣、業(yè)務(wù)種類繁多、標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，因此， CTC功能較為復(fù)雜；CTC需要完全按照國鐵車站管理細(xì)則的要求進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計，其中有很多業(yè)務(wù)目前尚需依靠人工進(jìn)行操作和確認(rèn)。

2) CTC的運輸計劃主要包括客運計劃、貨運計劃、施工計劃等。如圖1所示，CTC通過與TDMS(運輸調(diào)度管理系統(tǒng))接口實現(xiàn)基本列車運行計劃(又稱“基本圖”)的編制，并實時獲取國鐵線路的日班計劃；運營期間列車運行計劃主要依靠調(diào)度員進(jìn)行人工調(diào)整，尚不具備成熟的自動調(diào)圖功能。

3) CTC尚不具備自動領(lǐng)取列車運行計劃、列車自動折返、自動跳停和扣車、自動調(diào)整運行交路、靈活自動聯(lián)掛和解編、與旅客服務(wù)系統(tǒng)直接接口等功能。

CTC具有強大的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮優(yōu)勢，如圖2所示。一個鐵路局管轄范圍內(nèi)的所有高速鐵路和城際線路可以共用一套CTC軟硬件系統(tǒng)，且不同鐵路局間可通過中國國家鐵路集團(tuán)有限公司制定的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行互聯(lián)，以實現(xiàn)列車的跨局交接，進(jìn)而實現(xiàn)全國范圍列車的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮。

注：軍特調(diào)度是指軍隊列次及其他特殊列次的調(diào)度。

注：每個站段的管轄范圍在15個車站以內(nèi)。

CTC應(yīng)用在國鐵線網(wǎng)上具有強大的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度優(yōu)勢，但CTC與城市軌道交通線網(wǎng)信號系統(tǒng)間無接口。市域鐵路需具備可同時調(diào)度指揮國鐵線路列車和城市軌道交通線路列車運行的功能，僅采用CTC系統(tǒng)不能滿足市域鐵路的調(diào)度指揮需求。

2.2 城市軌道交通線路ATS系統(tǒng)

ATS系統(tǒng)主要用于城市軌道交通單一線路(以下簡稱“單線”)的信號調(diào)度指揮。由于城市軌道交通線路按照公交化要求運營，因此ATS系統(tǒng)具有較好的公交化調(diào)度指揮功能。圖3為城市軌道交通單線ATS的系統(tǒng)架構(gòu)。每條城市軌道交通線路的ATS均可分為車站和中心兩個部分，且各單線ATS的軟硬件互相獨立。不同的城市軌道交通線路歸屬不同的OCC(運營控制中心)和調(diào)度系統(tǒng)管轄。對于相互接軌的相鄰線路，每條線的ATS系統(tǒng)可通過其OCC的接口實現(xiàn)與鄰線信息的互傳[2]。

圖3 城市軌道交通單線ATS系統(tǒng)架構(gòu)

對于采用單一CBTC(基于通信的列車控制)信號制式的市域鐵路線網(wǎng)，可以采用一套兼具軟硬件的ATS作為調(diào)度系統(tǒng)，但需對其網(wǎng)絡(luò)化功能進(jìn)行提升，如線網(wǎng)列車運行圖的統(tǒng)一編制和調(diào)整、調(diào)度管轄區(qū)的靈活劃分、線網(wǎng)運營下的PIS(乘客信息系統(tǒng))和PA(公共廣播)信息的預(yù)告等。但由于ATS不具備與國鐵CTC的接口，市域線路若僅采用ATS系統(tǒng)，也不能滿足其調(diào)度指揮需求。

2.3 CTC和ATS在市域鐵路中的應(yīng)用分析

綜上所述，CTC和ATS分別在網(wǎng)絡(luò)化和公交化方面具有優(yōu)勢。本文針對不同類型的市域鐵路，對其信號調(diào)度系統(tǒng)采用CTC或ATS的適用性進(jìn)行了對比分析。如表1所示，提升了公交化功能后的CTC可用于單一國鐵制式的市域鐵路，提升了網(wǎng)絡(luò)化功能后的線網(wǎng)ATS可用于單一城市軌道交通制式的市域鐵路。

由表1可知，只采用CTC或ATS，均不能完全滿足基于城市軌道交通和國鐵信號制式的多線互聯(lián)互通市域鐵路的調(diào)度指揮要求，因此，需要從市域鐵路的運營需求角度著手，對既有的調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行融合和創(chuàng)新，形成一套運營管理模式統(tǒng)一、維護(hù)簡便、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、可靈活配置的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)，以滿足表1中各種類型市域鐵路的運營需求，并為既有市域鐵路的接入和改造創(chuàng)造條件，實現(xiàn)真正的多網(wǎng)融合。

表1 市域鐵路應(yīng)用CTC和ATS的適應(yīng)性分析

3 市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

由上文可知，CTC的優(yōu)勢是采用了網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)架構(gòu)，ATS的優(yōu)勢是具備了良好的公交化調(diào)度指揮功能，因此，可以借鑒CTC和ATS各自既有的優(yōu)勢并進(jìn)行融合創(chuàng)新，即在CTC的架構(gòu)基礎(chǔ)上增加ATS的功能模塊，形成一套完全滿足公交化、網(wǎng)絡(luò)化運行要求，且可根據(jù)市域鐵路實際運營需求進(jìn)行靈活調(diào)配的市域調(diào)度系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

3.1 主要功能模塊

本文所提的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，將CTC和ATS的軟件功能模塊進(jìn)行融合和再分配，充分利用ATS的公交化模塊和CTC的網(wǎng)絡(luò)化模塊，融合后的模塊可同時具備公交化和網(wǎng)絡(luò)化功能，并可與既有國鐵線路無縫連接。融合后的調(diào)度系統(tǒng)分為調(diào)度中心和車站兩層架構(gòu)。

在唐傳奇中，常常涉及鬼怪神魔，而這些異時空的生物，在白天往往只是偶然現(xiàn)身于人們的生活，到了夜禁開始之后，街道上空無一人，白晝的花花世界此時便為這些“神鬼所占據(jù)。

調(diào)度中心層主要包括以下功能模塊：① 線網(wǎng)運輸計劃管理；② 在線列車運行圖管理；③ 調(diào)度命令管理；④ 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理；⑤ 與城市軌道交通線路外部接口管理，主要包括與綜合監(jiān)控、通信、供電等專業(yè)的接口，以及與相鄰城市軌道交通線網(wǎng)NOCC連接等；⑥ 與國鐵線路外部接口管理，主要包括與TCC、TSRS、GSM-R、TDMS、動車組管理、旅客服務(wù)及設(shè)備維修管理等專業(yè)/系統(tǒng)的接口，以及與鄰線CTC連接等；⑦ 國鐵車站接入通信模塊；⑧ 調(diào)度中心通信模塊；⑨ 調(diào)度終端模塊；⑩ 車輛段控制管理；數(shù)據(jù)存儲管理；培訓(xùn)管理；維護(hù)模塊；統(tǒng)計分析模塊；回放模塊。

車站層主要包括以下功能模塊：① 城市軌道交通車站LATS(本地ATS)分機；② 城市軌道交通車站HMI(人機操作界面)；③ 城市軌道交通車站發(fā)車倒計時；④ 國鐵車站下位機；⑤ 國鐵車站上位機；⑥ 復(fù)示終端模塊。

3.2 主要設(shè)備組成

本方案采用分布式架構(gòu)，將CTC和ATS的軟硬件設(shè)備進(jìn)行融合。為了實現(xiàn)與既有國鐵線路信號系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，本方案單獨設(shè)置外部接口服務(wù)器，以實現(xiàn)國鐵線路的非改動接入。本方案包括的主要設(shè)備有調(diào)度中心設(shè)備和車站設(shè)備兩部分。

調(diào)度中心設(shè)備包括：① 調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；② 各種接口服務(wù)器；③ 各種工作站終端；④ 網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備；⑤ 培訓(xùn)設(shè)備。

車站設(shè)備包括：① 城市軌道交通車站LATS的下位機設(shè)備；② 國鐵車站下位機設(shè)備；③ 城市軌道交通車站發(fā)車計時器設(shè)備；④ 各種工作站終端設(shè)備；⑤ 網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

3.3 外部接口

本方案支持同時管理城市軌道交通和國鐵兩種信號制式的列車，因此，調(diào)度系統(tǒng)需同時支持與城市軌道交通和國鐵兩種信號制式的軌旁接口。此外，還需按照既有國鐵、城際鐵路的標(biāo)準(zhǔn)接口，實現(xiàn)與既有和新建城際鐵路的接口，同時調(diào)度系統(tǒng)還應(yīng)支持與信號系統(tǒng)外部相關(guān)專業(yè)的接口。圖5以深圳城際鐵路調(diào)度系統(tǒng)為例，對采用本方案時市域調(diào)度系統(tǒng)的外部接口進(jìn)行說明。

圖5中，每個接口均按照最大化復(fù)用既有標(biāo)準(zhǔn)原則予以設(shè)計，部分接口還根據(jù)實際工程項目需求新增了標(biāo)準(zhǔn)或?qū)?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改。市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)外部接口標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.4 方案的特點及創(chuàng)新

本文提出的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)方案對CTC和ATS進(jìn)行了融合設(shè)計，完全滿足市域鐵路的公交化和網(wǎng)絡(luò)化運營需求，其具有如下特點和創(chuàng)新點：

1) 靈活配置：可以根據(jù)市域鐵路的不同類型配置為僅管轄國鐵信號制式列車運行或僅管轄城市軌道交通信號制式列車運行的調(diào)度指揮系統(tǒng)，也可以配置為可同時管轄國鐵和城市軌道交通兩種信號制式列車運行的調(diào)度指揮系統(tǒng)。

注：數(shù)字1～10為接口編號；CCS——通信控制服務(wù)器；CBI——計算機聯(lián)鎖；CC——車載控制器；ZC——區(qū)域控制器；DSU——數(shù)據(jù)存儲單元。

2) 靈活部署：本方案采用分布式架構(gòu)設(shè)計，模塊之間相互獨立，可根據(jù)市域鐵路項目需要進(jìn)行靈活的部署和硬件擴容，支持云平臺部署。

3) 軟硬件一體化設(shè)計：通過技術(shù)手段將CTC和ATS的軟硬件進(jìn)行融合，降低了城際鐵路市域調(diào)度各系統(tǒng)間的耦合度，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了市域鐵路的建設(shè)和運維成本，便于保持調(diào)度模式上的統(tǒng)一。

4) 采用標(biāo)準(zhǔn)化的外部接口：本方案在設(shè)計時盡量復(fù)用既有成熟的外部接口，并根據(jù)實際工程項目需求對既有接口進(jìn)行修改或新增接口，與國鐵線路間的接口按照既有國鐵標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，可以完全滿足既有國家鐵路和城際鐵路的無縫接入。

表2 市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)外部接口標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

目前，我國著力發(fā)展的都市圈主要包括京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)等，北京、上海、深圳、廣州等城市現(xiàn)階段都已經(jīng)具備了較為完善的城市軌道交通建設(shè)體系。但是在都市圈市域鐵路領(lǐng)域，各地的建設(shè)需求、信號制式選型及調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計等方面的差異較大。如何實現(xiàn)調(diào)度層面的多網(wǎng)融合，建立與之匹配的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)尤為重要。

本文從市域鐵路的公交化和網(wǎng)絡(luò)化運營需求出發(fā)，對國內(nèi)既有的軌道交通調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了分析和對比，對CTC和ATS進(jìn)行了融合設(shè)計，提出了市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計方案，以期為后續(xù)基于多網(wǎng)融合的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)提供參考。