多網(wǎng)融合下的市域鐵路列車控制系統(tǒng)方案研究

王珮瑤

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 610031， 成都∥高級(jí)工程師)

1 不同信號(hào)制式軌道交通線路間互聯(lián)互通的必要性

從宏觀層面看，市域鐵路既不是國(guó)家鐵路(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵”)高速客運(yùn)專線，也有別于城市軌道交通，其自成體系、獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。建設(shè)市域鐵路是推進(jìn)我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展大背景下產(chǎn)生的剛性需求，市域鐵路重點(diǎn)為城鎮(zhèn)居民的日常出行提供服務(wù)，并輔以相應(yīng)的功能配套，承擔(dān)“內(nèi)聚外聯(lián)”的重要功能。即：在城市外部與國(guó)鐵相連，在城市內(nèi)部與城市軌道交通連接，使城市軌道交通、市域鐵路、國(guó)鐵之間能互聯(lián)互通或便捷換乘。

實(shí)現(xiàn)軌道交通線路間的互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)是軌道交通建設(shè)最理想的模式，可提高運(yùn)輸組織的靈活性，節(jié)約大量的人力、物力，符合國(guó)鐵干線、城際鐵路、市域鐵路及城市軌道交通“四網(wǎng)融合”模式的發(fā)展要求。信號(hào)系統(tǒng)是保障軌道交通線路安全運(yùn)行和高效運(yùn)營(yíng)的重要系統(tǒng)，本文針對(duì)當(dāng)前軌道交通建設(shè)中互聯(lián)互通的實(shí)際需求，提出市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)下一步應(yīng)重點(diǎn)研究的內(nèi)容，以期為多網(wǎng)融合下市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通性設(shè)計(jì)提供參考，為不同信號(hào)制式軌道交通的互通性發(fā)展提供思路。

2 市域鐵路列車控制系統(tǒng)選型方案

公交化運(yùn)營(yíng)是我國(guó)市域鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的首要需求，因此市域鐵路對(duì)線路折返能力的要求較高。目前，在我國(guó)市域鐵路列車控制(以下簡(jiǎn)稱“列控”)系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的是國(guó)鐵CTCS(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng))和城市軌道交通ATC(列車自動(dòng)控制)系統(tǒng)。

2.1 國(guó)鐵CTCS-2(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)2級(jí))+ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)

由中國(guó)鐵路總公司建設(shè)管理的國(guó)鐵線路一般都采用CTCS系統(tǒng)。CTCS-2+ATO系統(tǒng)是指在CTCS-2基礎(chǔ)上，根據(jù)線路的功能需求，新增了地面精確定位應(yīng)答器、通信控制服務(wù)器、車載安全計(jì)算機(jī)ATO單元及車輛牽引制動(dòng)接口等設(shè)備，以滿足列車以250 km/h的最高速度運(yùn)行的要求，線路的列車最短追蹤間隔可達(dá)到3 min，并具備站間自動(dòng)運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車、車站通過及列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整等功能。因此，CTCS-2+ATO系統(tǒng)綜合了高速鐵路和城市軌道交通的列控技術(shù)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)與采用CTCS-2、CTCS-3(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)3級(jí))的國(guó)鐵線路互聯(lián)互通。

CTCS-2+ATO系統(tǒng)主要由CTC(調(diào)度集中)系統(tǒng)、CTCS-2、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及ATO等構(gòu)成。

2.2 城市軌道交通ATC系統(tǒng)

由城市軌道交通部門建設(shè)管理的城市軌道交通線路一般采用ATC系統(tǒng)，現(xiàn)在應(yīng)用較多的是CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)。CBTC系統(tǒng)主要由ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)、ATP(列車自動(dòng)防護(hù))、ATO、聯(lián)鎖、DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))等子系統(tǒng)構(gòu)成，車輛基地一般采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖和微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，車地通信多采用LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)方案。CBTC系統(tǒng)可車地雙向通信，在正線區(qū)間一般可實(shí)現(xiàn)90 s的列車最短追蹤間隔，在車站及折返站可實(shí)現(xiàn)2 min的行車間隔，線路的運(yùn)營(yíng)調(diào)整能力強(qiáng)。

但是，CBTC系統(tǒng)也存在以下問題：① 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)體系與國(guó)鐵CTCS制式不一致，無法實(shí)現(xiàn)與既有國(guó)鐵/城際鐵路的互聯(lián)互通；② 與CRH6系列車輛的接口配合不夠成熟；③ ATS子系統(tǒng)適合單線路調(diào)度指揮，如要實(shí)現(xiàn)跨線調(diào)度指揮，需在ATS系統(tǒng)上層開發(fā)設(shè)置線網(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)。

2.3 CTCS-2和CBTC雙車載設(shè)備方案

2.3.1 方案描述

基于市域鐵路與國(guó)鐵、城市軌道交通跨線運(yùn)行的需求，結(jié)合國(guó)外軌道交通的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為各軌道交通網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，這也是影響列控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要因素。本文以CBTC線路單向跨線運(yùn)行至CTCS線路為例，對(duì)不同制式信號(hào)系統(tǒng)間互聯(lián)互通方案的可行性進(jìn)行分析。

CTCS-2和CBTC雙車載設(shè)備方案(以下簡(jiǎn)稱“雙車載方案”)是指為同時(shí)滿足市域鐵路折返能力(一般約為3 min)和互聯(lián)互通的需求，在市域鐵路采用CBTC系統(tǒng)，并在跨線運(yùn)營(yíng)的列車上同時(shí)加裝CBTC和CTCS-2兩套車載系統(tǒng)，通過人工操作方式實(shí)現(xiàn)CBTC制式市域線路與CTCS制式國(guó)鐵線路的互聯(lián)互通。雙車載方案在列車的車頭及車尾各安裝一套CTCS-2車載設(shè)備和CBTC車載設(shè)備，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：DMI——人機(jī)交互界面； GSM-R——鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)； LTE-M——城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)； TCR——軌道電路接收器； BTM——應(yīng)答器傳輸模塊； RS——通訊接口； 主控是主控制器的簡(jiǎn)稱; CTCS目前一般多采用CTCS-2。

基于雙車載方案，采用了CBTC制式的市域線路，其軌旁只需設(shè)置CBTC系統(tǒng)設(shè)備，列車在本線采用CBTC制式，按照移動(dòng)閉塞方式運(yùn)行。列車運(yùn)行至采用CTCS制式的國(guó)鐵線路后，其信號(hào)系統(tǒng)將切換為CTCS-2列控制式。該方案可同時(shí)滿足CBTC線路單向跨線運(yùn)行至CTCS線路的互聯(lián)互通需求，并可在市域鐵路上實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營(yíng)。但是，該方案不支持CTCS制式的國(guó)鐵列車跨線運(yùn)行至CBTC制式的市域鐵路。

2.3.2 雙車載方案存在問題

雙車載方案在CTCS-2+ATO系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定程度上的整合，但仍存在以下問題：

1) CBTC系統(tǒng)對(duì)CTCS-2+ATO系統(tǒng)的干擾問題。為實(shí)現(xiàn)CBTC線路與CTCS線路的互聯(lián)互通，雙車載設(shè)備方案需共用車載天線、HMI(人機(jī)接口)、測(cè)速設(shè)備、車輛接口等部分外圍設(shè)備，因此，兩線的車地設(shè)備存在互相干擾的可能性。需對(duì)CBTC系統(tǒng)與CTCS-2+ATO系統(tǒng)的兼容性作進(jìn)一步研究，證明CBTC系統(tǒng)對(duì)既有CTCS-2+ATO系統(tǒng)無任何干擾后，方可在既有國(guó)鐵/城際鐵路上應(yīng)用雙車載設(shè)備方案。為此，待信號(hào)廠商明確設(shè)計(jì)方案后，應(yīng)將實(shí)施方案提交既有國(guó)鐵/城際鐵路部門審核，以判斷能否可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

2) 安裝空間問題。車載系統(tǒng)機(jī)柜、HMI、天線、速度傳感器及加速度儀等設(shè)備在安裝空間上可能存在不足，需進(jìn)一步與車輛廠商進(jìn)行溝通，協(xié)商具體解決措施。

2.4 CBTC和CTCS-2一體化車載設(shè)備方案

2.4.1 方案描述

信號(hào)系統(tǒng)已開始向不同制式多網(wǎng)融合的技術(shù)方向發(fā)展，兼容CBTC和CTCS的信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)成為信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的方向。CTCS-2和CBTC一體化車載設(shè)備方案(以下簡(jiǎn)稱“一體化車載方案”)是指只使用一套車載設(shè)備，該設(shè)備可以兼容CBTC和CTCS-2+ATO 兩種信號(hào)制式。

與雙車載方案相比，一體化車載方案有如下優(yōu)點(diǎn)：① 可支持城市軌道交通公交化運(yùn)營(yíng)，線路可雙向運(yùn)行，列車追蹤間隔短，線路折返效率高；② 可兼容不同的信號(hào)制式，支持采用CTCS-2、CTCS-2+ATO、CBTC等列控系統(tǒng)的列車在線路上混跑；③ 高度自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞CBTC運(yùn)營(yíng)；④ 支持跨線互通，可實(shí)現(xiàn)市域內(nèi)各軌道交通線路間列車的互聯(lián)互通。一體化車載方案在列車的車頭及車尾各安裝一套一體化車載設(shè)備，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

中國(guó)鐵路總公司在2019—2020年立項(xiàng)的科研課題《基于海南東環(huán)CTCS-2疊加CBTC實(shí)現(xiàn)高速鐵路能力提升的方案研究》目前已完成理論研究且結(jié)題，相關(guān)結(jié)論認(rèn)為研究方案可行。信號(hào)廠商也在積極研究一體化車載方案的可行性。但是，一體化車載方案至今尚無實(shí)際的工程應(yīng)用。此外，一體化車載方案與雙車載設(shè)備方案類似，均存在相應(yīng)的行政審批問題。

注：VOBC——車載控制器。

2.4.1.1 信號(hào)系統(tǒng)車載兼容方案

為了同時(shí)兼容CTCS-2系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)，減少科研開發(fā)的難度，一體化車載系統(tǒng)方案要盡可能利用既有CTCS-2、CBTC系統(tǒng)的成熟經(jīng)驗(yàn)，復(fù)用既有信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備，如CTCS-2系統(tǒng)的列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、ZPW2000設(shè)備，以及CBTC系統(tǒng)的區(qū)域控制器等。此外，聯(lián)鎖設(shè)備、CTC設(shè)備、車載設(shè)備均屬于通用產(chǎn)品，在CTCS-2、CBTC中均有應(yīng)用，可以考慮在既有產(chǎn)品上進(jìn)行升級(jí)、改造。

2.4.1.2 行車調(diào)度指揮系統(tǒng)方案

行車調(diào)度指揮上，CBTC制式線路采用ATS系統(tǒng)，CTCS制式線路采用CTC系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)不同制式線路運(yùn)輸組織的無縫銜接，需考慮ATS系統(tǒng)與CTC系統(tǒng)的協(xié)調(diào)指揮。綜合考慮管理權(quán)限等因素，建議CBTC制式線路與CTCS制式線路采用由各自線路OCC(運(yùn)營(yíng)控制中心)分別進(jìn)行調(diào)度指揮的方案，即：CBTC制式線路的OCC對(duì)在本線運(yùn)行的列車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度指揮；當(dāng)CBTC列車進(jìn)入CTCS制式線路共線段運(yùn)行后，車載設(shè)備采用CTCS-2系統(tǒng)制式，改由CTCS制式線路的CTC系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度指揮。

不同信號(hào)制式線路的調(diào)度需根據(jù)客流情況，定期協(xié)商列車開行計(jì)劃，編制無縫銜接的列車運(yùn)行圖。每日運(yùn)營(yíng)開始前，ATS和CTC應(yīng)互傳并確認(rèn)當(dāng)日互聯(lián)互通列車運(yùn)行圖。ATS和CTC按照各自的規(guī)則在各自線路上遵照列車運(yùn)行圖監(jiān)控列車運(yùn)行，并將各自的實(shí)際運(yùn)行圖(至少包含互聯(lián)互通區(qū)域的列車運(yùn)行圖)互傳對(duì)方，以方便接軌站進(jìn)行運(yùn)行沖突檢查及列車運(yùn)行調(diào)整。

上述行車調(diào)度指揮方案尚未在實(shí)際線路上應(yīng)用。為此，一方面需加快技術(shù)研究，解決ATS與CTC間的接口問題；另一方面，兩個(gè)運(yùn)營(yíng)管理主體需互認(rèn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需針對(duì)運(yùn)營(yíng)銜接和協(xié)調(diào)指揮等方面制定配套的規(guī)章制度。

2.4.2 一體化車載方案存在問題

對(duì)于列車自動(dòng)防護(hù)功能，CTCS線路是由聯(lián)鎖和TCC(列控中心)來保證，CBTC線路是由ZC(區(qū)域控制器)來保證。TCC和ZC均是通過安全認(rèn)證且有大量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用業(yè)績(jī)的產(chǎn)品，但其列車追蹤安全防護(hù)的有效性僅是在單一的CBTC或CTCS-2模式下得以驗(yàn)證的。因此，對(duì)于CBTC和CTCS-2兩種信號(hào)制式下列車混跑的情況，需對(duì)各種不同的列車運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行分析，并應(yīng)在工程試驗(yàn)過程中結(jié)合具體的試驗(yàn)進(jìn)展作進(jìn)一步的討論與功能驗(yàn)證，如遇問題還應(yīng)給出解決方案。

3 市域鐵路兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的展望

目前能夠兼容CTCS和CBTC的信號(hào)系統(tǒng)正在研發(fā)當(dāng)中，但該系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程及與車輛接口、具體應(yīng)用場(chǎng)景等相關(guān)的工程應(yīng)用接口仍需實(shí)際的項(xiàng)目予以支撐。因此，目前多數(shù)城際鐵路車站仍通過線間換乘來實(shí)現(xiàn)客流的交換運(yùn)輸。此外，CTCS-4(中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)4級(jí))已基本研發(fā)完成并投入試驗(yàn)，該系統(tǒng)采用移動(dòng)閉塞方式，能夠提供更好的系統(tǒng)能力，且可與CTCS-2或CTCS-3級(jí)線路互聯(lián)互通。

從技術(shù)角度看，國(guó)鐵采用的CTCS系統(tǒng)具有完整的技術(shù)體系，針對(duì)列車最高運(yùn)行速度的不同等級(jí)需求有著相應(yīng)級(jí)別的CTCS系統(tǒng)，且系統(tǒng)間可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，因此從功能需求、工程應(yīng)用、市場(chǎng)開放及性價(jià)比等方面分析，CTCS系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)較為明顯，但CTCS系統(tǒng)仍缺乏列車最小行車間隔可達(dá)3 min的實(shí)例應(yīng)用；城市軌道交通采用的ATC系統(tǒng)可為列車最高運(yùn)行速度為160 km/h的線路提供服務(wù)，但ATC的系統(tǒng)接口較為復(fù)雜。與此同時(shí)，ATC系統(tǒng)與CTCS系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通還需要新技術(shù)的支撐。

從經(jīng)濟(jì)效益看，城市軌道交通線路的工程造價(jià)約為1 000萬元/km～1 300萬元/km，與國(guó)鐵線路相比工程造價(jià)較高。CBTC系統(tǒng)在地面設(shè)置區(qū)域控制中心，鋪設(shè)計(jì)軸、應(yīng)答器及信號(hào)機(jī)等設(shè)備，其維護(hù)難度和運(yùn)營(yíng)成本也較高。

在實(shí)際的工程運(yùn)用中，選擇市域鐵路信號(hào)列控系統(tǒng)時(shí)，需綜合考慮建設(shè)主體、互聯(lián)互通需求和經(jīng)濟(jì)效益等具體條件。此外，市域鐵路的建設(shè)還需突破體制、機(jī)制的阻礙，推行頂層設(shè)計(jì)，形成自上而下的合作協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)與機(jī)制，在規(guī)劃定位、技術(shù)體系、建設(shè)及監(jiān)管等方面確立明確的標(biāo)準(zhǔn)及政策，以支撐市域鐵路的規(guī)范化發(fā)展。

同時(shí)建議在工程進(jìn)展中，時(shí)刻關(guān)注兼容性車載信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展情況，利用既有信號(hào)廠商的技術(shù)儲(chǔ)備，研發(fā)滿足互聯(lián)互通及公交化運(yùn)營(yíng)需求的新型車載信號(hào)系統(tǒng)。在條件具備時(shí)，應(yīng)適時(shí)引入新技術(shù)，共享線路資源，以期用最少的工程投資實(shí)現(xiàn)相對(duì)最好的運(yùn)營(yíng)功能，使市域鐵路更安全、更高效、更經(jīng)濟(jì)、更便捷。