邢科家 郜洪民 黃蘇蘇

1 需求分析

現(xiàn)階段我國的城鎮(zhèn)化已經(jīng)進(jìn)入大城市群化、大都市區(qū)化的發(fā)展階段，各個(gè)城市之間的通勤需求日益增加。面對這些需求，大力發(fā)展高效、綠色、快速的公共軌道交通是在大城市群之間實(shí)現(xiàn)最大限度流動、促進(jìn)城市和區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康有序發(fā)展的關(guān)鍵［1］。從技術(shù)角度看，提高單條線路的運(yùn)行效率已經(jīng)不能解決大城市群之間的交通問題，實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動、協(xié)調(diào)多種制式的鐵路信號系統(tǒng)，加強(qiáng)高速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通之間的平滑連接，才能有效提高超級大城市群間的軌道交通運(yùn)行效率，保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展。為此，越來越多的干線鐵路需要考慮穿越城市中心區(qū)域、連接主城和衛(wèi)星城、“組團(tuán)”城區(qū)之間及沿途城鎮(zhèn)的客流出行問題。

2019年2 月，國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》［2］，明確提出“打造軌道上的都市圈”，在有條件的地區(qū)編制都市圈軌道交通規(guī)劃，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網(wǎng)融合”。2020年4月，國家發(fā)改委和交通運(yùn)輸部聯(lián)合印發(fā)了《長江三角洲地區(qū)交通運(yùn)輸更高質(zhì)量一體化發(fā)展規(guī)劃》［3］，加快構(gòu)建長三角地區(qū)現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸體系，推進(jìn)區(qū)域軌道交通智能化發(fā)展。同時(shí)，廣州地鐵代管珠三角城際鐵路，承接4條城際鐵路運(yùn)營管理，構(gòu)建“一張網(wǎng)、一張票、一串城”的粵港澳大灣區(qū)軌道交通運(yùn)營模式。國鐵干線鐵路與城市軌道交通相互銜接，從而提供快速、大容量、公交化運(yùn)營的區(qū)域公共交通服務(wù)。以上一系列舉措得到社會各界的廣泛關(guān)注。

實(shí)際上，現(xiàn)有的信號系統(tǒng)中還沒有能夠完全滿足區(qū)域軌道交通聯(lián)動中“四網(wǎng)融合”需求的成熟產(chǎn)品?；谕ㄐ诺牧熊囎詣涌刂葡到y(tǒng)（CBTC）是最主流的地鐵信號系統(tǒng)，能夠提高線路運(yùn)力，但對整個(gè)系統(tǒng)的配置要求很高，而且CBTC是供應(yīng)商專有技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互通操作。這雖然對于主要采用隔離線路的地鐵來說是可以接受的，同時(shí)國內(nèi)的城市軌道交通行業(yè)一直在推進(jìn)CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通工作，但對于需要大量互通操作的系統(tǒng)，如實(shí)現(xiàn)長期可持續(xù)發(fā)展的大型干線網(wǎng)絡(luò)，其適用性依然是個(gè)未知數(shù)［4］。目前的CBTC系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市軌道交通，對于應(yīng)用于遠(yuǎn)距離高速運(yùn)營線路缺少技術(shù)支撐，特別是在與國鐵互聯(lián)互通、成網(wǎng)運(yùn)行方面，缺乏實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［5］。中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CTCS）是我國干線鐵路普遍采用的信號系統(tǒng)，能夠適應(yīng)從160 km/h到350 km/h的不同速度干線鐵路需求，主要服務(wù)于長距離、大運(yùn)量的客流，其服務(wù)半徑一般在70 km以上。市域鐵路通常采用CTCS-2級系統(tǒng)，存在列車追蹤間隔較大，精確停車精度不夠的缺點(diǎn)，不能完全解決大城市群之間的互通問題。

表1對CTCS-2級系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的整體屬性進(jìn)行了對比分析?？梢钥闯?，單獨(dú)使用CTCS-2級系統(tǒng)或CBTC系統(tǒng)都不能滿足區(qū)域軌道交通“四網(wǎng)融合”的需求。

區(qū)域軌道交通發(fā)展需要實(shí)現(xiàn)以出行需求為導(dǎo)向的運(yùn)輸資源優(yōu)化配置，達(dá)到客流、列流網(wǎng)絡(luò)匹配的耦合關(guān)系，從而提高區(qū)域軌道交通整體運(yùn)能和效率，這就要求鐵路信號系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種制式協(xié)同工作、具備跨制式運(yùn)輸組織聯(lián)動的能力。本文從適應(yīng)性出發(fā)，分析了3種實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動和多制式協(xié)調(diào)的信號系統(tǒng)方案，并對其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件進(jìn)行對比。

2 技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)國鐵干線鐵路與城市軌道交通區(qū)域聯(lián)動，協(xié)調(diào)多種制式的鐵路信號系統(tǒng)，加強(qiáng)高速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通之間的平滑連接，信號系統(tǒng)需要適應(yīng)各種各樣的工程環(huán)境和改造需求。根據(jù)不同項(xiàng)目的實(shí)際情況，目前行業(yè)內(nèi)提供的信號系統(tǒng)解決方案主要有CTCS2+ATO方案、CTCS與CBTC切換方案，以及CTCS與CBTC疊加方案3個(gè)方向。

表1 CTCS-2級系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的整體屬性對比

2.1 CTCS2+ATO方案

CTCS2+ATO方案是為了適應(yīng)市域（郊）鐵路公交化運(yùn)營的需求，在CTCS-2級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，疊加列車自動駕駛（ATO），來實(shí)現(xiàn)站間自動運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車、自動折返、列車運(yùn)行自動調(diào)整、車門/站臺門防護(hù)及聯(lián)動控制、列車節(jié)能運(yùn)行等功能，其系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。相比傳統(tǒng)的CTCS-2級系統(tǒng)，CTCS2+ATO系統(tǒng)需要在地面增加精確定位應(yīng)答器，實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)站精確停車；增加通信控制服務(wù)器CCS設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車門/站臺門聯(lián)動控制和運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)；車載設(shè)備增加GSM-R無線通信單元和列車自動駕駛ATO設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無線通信和列車自動駕駛；CTC增加運(yùn)行調(diào)整功能，以配合ATO功能的應(yīng)用；TCC增加站臺門和站臺緊急關(guān)閉的采集驅(qū)動功能［6］。

CTCS2+ATO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)成熟可靠，自動化程度高，可以實(shí)現(xiàn)精確停車；工程造價(jià)低，性價(jià)比高，適應(yīng)低密度運(yùn)營的市域軌道交通線路；可以依據(jù)CTCS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)部的互聯(lián)互通。但在目前國鐵干線鐵路與城市軌道交通相互銜接的應(yīng)用場景中，CTCS2+ATO方案還存在一些不足：軌旁設(shè)備較多，后期維護(hù)量較大；基于GSM-R平臺開發(fā)的ATO，地方業(yè)主難以取得GSM-R的頻率資源；CTCS平臺尚無最小列車追蹤間隔3 min以內(nèi)的運(yùn)營業(yè)績，不確定是否能夠適應(yīng)線路遠(yuǎn)期的運(yùn)營需求。CTCS2+ATO系統(tǒng)雖然提高了列車進(jìn)站停車的精度，但是其最小列車追蹤間隔并不能滿足大城市對于軌道交通快速疏散大量人流的需求。因此，CTCS2+ATO系統(tǒng)更適合應(yīng)用在市域（郊）鐵路公交化運(yùn)營項(xiàng)目中。

圖1 城際鐵路CTCS2+ATO列控系統(tǒng)總體構(gòu)成

2.2 CTCS與CBTC互聯(lián)互通的切換方案

跨城市鐵路通常需要連接干線鐵路和城市內(nèi)部的軌道交通線路，因此需要選擇既能實(shí)現(xiàn)高可靠性和密集運(yùn)行，又能保證干線鐵路網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一的信號系統(tǒng)。因此提出CTCS與CBTC互聯(lián)互通的切換方案［7-8］，以滿足城市軌道交通高密度行車，以及干線鐵路線網(wǎng)內(nèi)部互聯(lián)互通需求。在整條線路上設(shè)置1個(gè)切換過渡區(qū)域，并在列車上配置2套不同制式的車載設(shè)備，通過定義列車越過過渡區(qū)域完成控制系統(tǒng)切換的具體流程，為干線鐵路和城市軌道交通相銜接的場景提供一個(gè)車載切換的解決方案。

圖2描述了CTCS與CBTC切換方案的具體應(yīng)用場景。通過在運(yùn)行列車上同時(shí)安裝適用于CTCS系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)的車載設(shè)備，并在線路上設(shè)置相應(yīng)的過渡切換區(qū)域完成車載設(shè)備控制切換，當(dāng)滿足前方線路運(yùn)行條件后方可離開過渡區(qū)域。該方案中，CTCS區(qū)域和CBTC區(qū)域相對獨(dú)立，互不影響。因此，二者各自的地面信號設(shè)備沒有變化；車上同時(shí)安裝的CTCS、CBTC車載設(shè)備之間存在切換接口，設(shè)置相應(yīng)的車載設(shè)備越區(qū)切換流程；切換過渡區(qū)需要布置相關(guān)地面設(shè)備，并納入到軌旁區(qū)域控制設(shè)備（CBTC系統(tǒng)的ZC或CTCS-3級系統(tǒng)的RBC）進(jìn)行管理，保障列車在城軌系統(tǒng)和鐵路干線系統(tǒng)之間完成切換。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠保障CBTC區(qū)域的列車全部以移動閉塞方式運(yùn)行，最大程度地提高核心區(qū)域的列車運(yùn)行效率，同時(shí)又不影響國鐵干線鐵路網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度管理。缺點(diǎn)是設(shè)置的切換過渡區(qū)域?qū)€路條件有一定的要求，部分線路不滿足此方案的改造條件；核心區(qū)域不納入干線CTCS鐵路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，一定程度上破壞了國鐵調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的完整性，長遠(yuǎn)來看會使CTCS系統(tǒng)喪失在區(qū)域軌道交通聯(lián)動領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)性。因此，CTCS與CBTC互聯(lián)互通的切換方案適合應(yīng)用在線路滿足改造條件，由城軌運(yùn)營方主導(dǎo)的，對核心區(qū)域列車運(yùn)行效率要求非常高的跨區(qū)域銜接線路。

2.3 CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案

CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案是一種將應(yīng)用于國鐵干線的CTCS系統(tǒng)和應(yīng)用于城市軌道交通的CBTC系統(tǒng)深度結(jié)合的解決方案。該方案是在不影響CTCS系統(tǒng)（這里主要是指C2系統(tǒng)）和CBTC系統(tǒng)原有車載設(shè)備配置的條件下，通過在重疊區(qū)域的軌旁同時(shí)部署CTCS軌旁設(shè)備和CBTC軌旁設(shè)備2套不同制式的軌旁控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)CBTC列車和CTCS列車在重疊區(qū)域內(nèi)的混合運(yùn)行。

CTCS與CBTC疊加覆蓋方案見圖3。CBTC列車通過自動折返的方式，僅在重疊區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，而CTCS列車可以直接通過重疊區(qū)域，重疊區(qū)域內(nèi)的CTCS列車和CBTC列車各自獨(dú)立運(yùn)行。

CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案層級示意見圖4。其中，控制中心層和軌旁信號層為CTCS系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)共有。為了防止不同系統(tǒng)之間出現(xiàn)的移動授權(quán)沖突，CTCS和CBTC使用共同的軌旁信號設(shè)備（信號機(jī)、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)、應(yīng)答器等）來計(jì)算列車移動授權(quán)。CTCS列車和CBTC列車向同一個(gè)控制中心報(bào)告其位置和運(yùn)行狀態(tài)，服從同一個(gè)控制中心的調(diào)度。區(qū)別在于：CBTC系統(tǒng)利用ZC和車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，CTCS系統(tǒng)利用地面列控中心和調(diào)度集中數(shù)據(jù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息通信。

圖2 CTCS與CBTC切換方案

圖3 CTCS與CBTC疊加覆蓋方案

圖4 CTCS-2疊加CBTC信號系統(tǒng)層級示意

CBTC系統(tǒng)在地面配置區(qū)域控制器ZC和列車精確停車應(yīng)答器，部署相應(yīng)的車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)，為CBTC通信列車計(jì)算移動授權(quán)，同時(shí)確保非通信列車（CTCS列車）安全運(yùn)行。CBTC車載層能夠保障CBTC通信列車的安全完整性等級，實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)站精確停車、區(qū)間自動折返等自動駕駛相關(guān)功能。CTCS系統(tǒng)的軌旁層主要包括列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器等，在固定閉塞條件下發(fā)送CTCS列車的移動授權(quán)。CTCS車載設(shè)備根據(jù)列車參數(shù)和地面設(shè)備提供的軌道電路信息、線路數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速等，按照“目標(biāo)-距離”模式生成控制曲線，監(jiān)控列車安全運(yùn)行。重疊區(qū)域運(yùn)行的列車可以分為能夠進(jìn)行車地?zé)o線通信的CBTC列車和不能進(jìn)行車地?zé)o線通信的非通信列車（CTCS列車）2種。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是保障CBTC列車和CTCS列車能夠在重疊區(qū)域進(jìn)行安全可靠的混合運(yùn)行，一定程度上提升了重疊區(qū)域的行車效率；不需要設(shè)置切換區(qū)域，對線路條件的要求低；全線都能納入CTCS干線鐵路網(wǎng)絡(luò)管理，維護(hù)國鐵調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的完整性。缺點(diǎn)是由于重疊區(qū)域內(nèi)有CTCS列車和CBTC列車混合運(yùn)行，列車不是全部以移動閉塞方式運(yùn)行，重疊區(qū)域的行車效率不能最大化。因此，CTCS與CBTC同時(shí)疊加的覆蓋方案適合應(yīng)用在線路不滿足改造條件，對核心區(qū)域列車運(yùn)行效率要求一般的跨區(qū)域銜接線路，特別是一些需要提高運(yùn)行效率的舊線改造項(xiàng)目。

從適應(yīng)性的角度，總結(jié)了目前可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)動、多制式協(xié)調(diào)的3種信號系統(tǒng)技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)、適用條件和實(shí)際開通項(xiàng)目，具體見表2。

表2 3種技術(shù)方案的比較

3 總結(jié)

由于現(xiàn)有的信號系統(tǒng)解決方案不能完全滿足“四網(wǎng)融合”的需求，本文提出了3種適用于區(qū)域軌道交通聯(lián)動的鐵路信號系統(tǒng)技術(shù)方案，這是目前應(yīng)對亟待開通或改造的區(qū)域軌道交通聯(lián)動項(xiàng)目較為合理的方案。這些方案的本質(zhì)是將現(xiàn)有的成熟系統(tǒng)組合起來，達(dá)到適應(yīng)多種制式的目的，實(shí)際上還是會造成一定的設(shè)備重復(fù)及兼容性問題。隨著城鎮(zhèn)化水平和居民出行需求的不斷提高，區(qū)域軌道交通的未來發(fā)展需求，將不再僅僅是區(qū)域聯(lián)動、多種制式信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，更有協(xié)同運(yùn)營、綜合維護(hù)、多制式協(xié)同應(yīng)急處置、一體化聯(lián)動指揮等一系列的安全保障需求。從根本上來說，研制基于一體化平臺的多制式、全專業(yè)的成套系統(tǒng)裝備，達(dá)到數(shù)據(jù)綜合、資源共享、管控一體、負(fù)載均衡、綜合承載等各個(gè)方面的特殊要求，才能更好地服務(wù)于區(qū)域軌道交通發(fā)展，為出行乘客提供一站式全出行鏈的服務(wù)，在區(qū)域范圍內(nèi)形成多層次的綜合交通體系，助力中國大城市群化、大都市區(qū)化的快速發(fā)展。