梁紫玥

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 430063, 武漢∥助理工程師)

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展,市域軌道交通逐漸成為了城市軌道交通的主要建設(shè)領(lǐng)域。國家鐵路局頒布的TB 10624—2020《市域(郊)鐵路設(shè)計規(guī)范》已于2021年2月開始實施,為市域軌道交通信號系統(tǒng)制式的選擇提供了方向指引。但由于信號系統(tǒng)方案的選擇與線網(wǎng)工程的應(yīng)用受到線路功能定位、建設(shè)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)化運營、投資主體及城市軌道交通與國鐵間的互聯(lián)互通等較多因素的影響或制約,信號系統(tǒng)制式的選擇仍面臨較大的困難,信號系統(tǒng)制式對線路運營組織管理模式具有決定性的作用,因此有必要對影響市域軌道交通信號系統(tǒng)的相關(guān)因素進行深入研究,選擇適宜的信號系統(tǒng)制式。

本文針對不同的信號系統(tǒng)制式,從技術(shù)限制及運營管理模式等決定性影響因素、客流特征及投資效益等重要因素和技術(shù)發(fā)展及乘客體驗等其他因素三方面進行了分析研究,確定了市域軌道交通信號系統(tǒng)制式方案的選擇比選依據(jù)。本文研究可為實際工程項目提供一定的借鑒與參考。

1 現(xiàn)有信號系統(tǒng)制式選擇存在的問題

目前,網(wǎng)絡(luò)化運營的市域軌道交通信號系統(tǒng)制式選擇主要存在兩大技術(shù)路線,即以國鐵為主體的CTCS(中國列車控制系統(tǒng))信號系統(tǒng)和以軌道交通為主體的ATC(列車自動控制)信號系統(tǒng)?！八木W(wǎng)”中的國鐵、軌道交通線路路權(quán)明確,管理模式和功能定位清晰,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,均采用CTCS信號系統(tǒng)和ATC信號系統(tǒng)。但對于市域軌道交通而言,由于其工程前期管理權(quán)模糊,系統(tǒng)功能定位、運營管理模式、設(shè)備維護方式、工程投資均難以確定,這就使得市域軌道交通信號系統(tǒng)制式的選擇也較為復(fù)雜和艱難。若信號系統(tǒng)制式選擇錯誤,與線路功能定位不匹配,則將對土建規(guī)模、運營管理、線路效益產(chǎn)生反作用,也會為后期線路運營帶來較大的隱患。

信號系統(tǒng)是保證列車運行安全、提高列車運行效率的重要基礎(chǔ)設(shè)施,信號制式的選擇應(yīng)與線路特征、功能定位、運營模式、系統(tǒng)能力及乘客服務(wù)等密切相關(guān),同時還應(yīng)結(jié)合線路管理權(quán)、投資需求、網(wǎng)絡(luò)化運營和資源共享等因素綜合確定。

2 我國主要的信號系統(tǒng)制式

市域軌道交通的線路長度一般介于城際鐵路和城市軌道交通線路長度之間,其功能定位根據(jù)線路服務(wù)對象的不同而有所不同。信號系統(tǒng)制式的選擇范圍較為廣泛,目前應(yīng)用于我國的信號系統(tǒng)制式主要有:國鐵CTCS系列信號系統(tǒng)、軌道交通ATC系列信號系統(tǒng)和多網(wǎng)融合STCS(市域軌道交通列車控制系統(tǒng)),即CTCS2+CBTC(基于通信的列車控制),兼容型信號系統(tǒng)。

2.1 國鐵CTCS系列信號系統(tǒng)

CTCS系列信號系統(tǒng)在我國鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。在中國國家鐵路集團有限公司的主導(dǎo)下,CTCS系列信號系統(tǒng)具有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),非常容易實現(xiàn)國鐵網(wǎng)絡(luò)化運營下的資源共享和互聯(lián)互通功能,可延伸應(yīng)用于市域軌道交通和城際鐵路。CTCS系列信號系統(tǒng)分為5個應(yīng)用等級(0～4級)。CTCS0級信號系統(tǒng)沒有ATP(列車自動防護),不滿足國家交通部新頒布的運營條件要求;CTCS1級信號系統(tǒng)在我國幾乎沒有應(yīng)用;CTCS2級信號系統(tǒng)主要應(yīng)用于城際鐵路和作為高速鐵路的降級系統(tǒng);CTCS3級信號系統(tǒng)主要應(yīng)用于高鐵,產(chǎn)品價格較貴,在市域軌道交通應(yīng)用的性價比較差;CTCS4級信號系統(tǒng)目前技術(shù)應(yīng)用不成熟,因此市域軌道交通CTCS信號系統(tǒng)制式的選擇主要為CTCS2級。為減少司機勞動強度,實現(xiàn)自動化功能,文獻[1]提出一種CTCS2+ATO(列車自動運行)系統(tǒng)。

國鐵CTCS系列信號系統(tǒng)的優(yōu)點是工程應(yīng)用性價比高,易實現(xiàn)資源共享。國鐵CTCS系列信號系統(tǒng)的缺點是:對不同運營需求的適應(yīng)性差,特別是產(chǎn)品功能需求調(diào)整方面的適應(yīng)性較差;對地下段占比高的線路易造成站場規(guī)模較大、總投資費用較多的情況,總體性價比較低。

2.2 軌道交通ATC系列信號系統(tǒng)

軌道交通ATC系列信號系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市軌道交通線路,可以延伸應(yīng)用于市域軌道交通和城際鐵路。軌道交通ATC系列信號系統(tǒng)技術(shù)成熟,具有自主知識產(chǎn)權(quán),在中國城市軌道交通協(xié)會的主導(dǎo)下,逐漸建立起了軌道交通ATC信號系統(tǒng)系列標(biāo)準(zhǔn),可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運營的資源共享。此外,由于該信號系統(tǒng)的供貨商較多,行業(yè)處于公平、自由競爭的狀態(tài),業(yè)主的選擇自由度較大,ATC系列信號系統(tǒng)集成供貨商選擇范圍較廣。ATC系列信號系統(tǒng)主要有CBTC系統(tǒng)和點式ATP/ATO系統(tǒng)。為了提高自動化應(yīng)用水平,該信號系統(tǒng)在CBTC基礎(chǔ)上發(fā)展形成了全自動運行系統(tǒng)。點式ATP/ATO系統(tǒng)雖然能夠節(jié)約投資成本,但由于其在安全性、運營調(diào)整、系統(tǒng)運行能力等方面較差,逐漸被市場淘汰,目前僅作為CBTC降級模式應(yīng)用。目前,應(yīng)用較為廣泛的是CBTC信號系統(tǒng),其可根據(jù)運營需求,適當(dāng)增加少量投資,還能夠建設(shè)全自動運行系統(tǒng)。

CBTC信號系統(tǒng)的主要優(yōu)點是自動化程度高、列車運行間隔小、系統(tǒng)運營調(diào)整能力強,其缺點是建設(shè)期投資較高,但全壽命周期成本較低。CBTC信號系統(tǒng)特別適合中大運量的市域軌道交通,其技術(shù)局限性主要在于交流牽引線路存在應(yīng)用弊端,計軸設(shè)備抗電氣化干擾能力較差[2],且不具備斷軌檢查功能。CBTC信號系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

注:ATS為列車自動監(jiān)控;DCS為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng);COM為串行通信;ZC為區(qū)域控制器;CI為計算機聯(lián)鎖;AP為無線訪問接入點。

2.3 多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng)

針對市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營特點,我國一些信號系統(tǒng)集成商開始研發(fā)兼容CTCS2和CBTC的多網(wǎng)融合列車運行控制系統(tǒng)STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng),其可以適用于裝備了CTCS2的車載設(shè)備列車,也可以適用于裝備了CBTC的車載設(shè)備列車。此外,多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng)還適用于兼容CTCS2和CBTC的車載設(shè)備列車,也可以使裝備了STCS(CTCS2+CBTC)車載設(shè)備的列車分別在CTCS2線路和CBTC線路上運行。

該信號系統(tǒng)的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)化運營適應(yīng)性強,兼容國鐵CTCS2和軌道交通CBTC制式,特別適合市域軌道交通與國鐵、軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運營和既有線改造,其缺點是系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜,軌旁設(shè)備較多,不利于運營維護。多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

注:BTS為基站收發(fā)器;CTC為中央調(diào)度集中;TSRS為臨時限速服務(wù)器系統(tǒng);GSM-R為國際鐵路無線通信標(biāo)準(zhǔn);LTE為長期演進;CCS為通信控制服務(wù)器;ISDN為綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng);BSC為基站控制器;OTE為光傳輸設(shè)備;TRAU為碼型轉(zhuǎn)換和速率適配單元;WLAN為無線局域網(wǎng);GTW為網(wǎng)關(guān)。

綜上所述,網(wǎng)絡(luò)化運營的市域軌道交通可供選擇的系統(tǒng)制式主要為CTCS制式下的CTCS2+ATO系統(tǒng)和ATC制式下的CBTC系統(tǒng),在特殊運營場景下,也可以考慮兼容性較強的多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng)。

3 信號系統(tǒng)制式方案選擇因素分析

3.1 決定因素

市域軌道交通受線路功能定位、乘客服務(wù)、運營維護要求的影響,綜合考慮各專業(yè)的設(shè)備配置。信號系統(tǒng)制式方案選擇首先應(yīng)考慮系統(tǒng)技術(shù)限制、運營管理模式和網(wǎng)絡(luò)化運營需求等關(guān)鍵決定因素。

1) 系統(tǒng)技術(shù)限制因素。首先,應(yīng)考慮信號系統(tǒng)的系統(tǒng)技術(shù)限制因素,其技術(shù)適應(yīng)性主要包括列車運行能力限制、牽引制式對信號系統(tǒng)的選擇制約及運營自動化等級要求等主要決定因素,CTCS2+ATO系統(tǒng)不適合直流牽引區(qū)段、列車運行能力要求較高、自動化等級較高GOA3(無人駕駛列車運行)及GOA4(無人干預(yù)列車運行),以及地下段長度占比較高的線路。CBTC系統(tǒng)不適合系統(tǒng)能力要求較低、每公里投資額較低的線路,由于計軸設(shè)備易受電氣化干擾影響,CBTC系統(tǒng)在交流電力牽引的線路應(yīng)慎重應(yīng)用或選擇干擾能力強的計軸設(shè)備。

2) 運營管理模式因素。運營管理模式的決定因素主要為,考慮運營單位的管理習(xí)慣和維護習(xí)慣,市域軌道交通信號系統(tǒng)制式的選擇應(yīng)盡量與既有線網(wǎng)線路保持一致,充分實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享,降低全生命周期成本,同時與本地的產(chǎn)業(yè)政策相向,有利于推動當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3) 網(wǎng)絡(luò)化運營需求因素。信號系統(tǒng)制式方案的選擇應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)化運營需求,綜合考慮線網(wǎng)規(guī)劃,滿足互聯(lián)互通要求。對于與國鐵保持互聯(lián)互通的市域線路,一般選擇CTCS2+ATO制式;未有與國鐵互聯(lián)互通需求的市域線路,可選擇CBTC制式;有與國鐵互聯(lián)互通需求、但國鐵線路列車不進入本線路,本線可采用車載設(shè)備兼容的多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng);有與國鐵互聯(lián)互通需求、但本線路列車不進入國鐵線路的市域線路,本線可采用地面設(shè)備兼容的多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng)。

3.2 重要因素及其他因素

市域軌道交通信號系統(tǒng)制式方案的選擇除系統(tǒng)技術(shù)限制因素外,還應(yīng)綜合考慮客流特征、投資效益、設(shè)備故障影響及其他相關(guān)因素。

1) 客流特征。服務(wù)乘客是交通運輸應(yīng)當(dāng)考慮的首要因素,客流密度及其構(gòu)成特征也是信號系統(tǒng)制式選擇需考慮的重要因素。CTCS2系統(tǒng)適用于客流具有旅游、探親、商務(wù)等對票價敏感性不高、平均乘車距離較長的特征人群,對列車準(zhǔn)點率敏感性相對不高的中小運量客流;CBTC系統(tǒng)適用于客流具有通勤、通學(xué)、購物等對票價敏感性較高、平均乘車距離較短的特征人群,對列車準(zhǔn)點率敏感性相對較高的中大運量客流。

2) 投資效益。投資效益是市域軌道交通建設(shè)考慮的重要因素。折算每公里建設(shè)投資要求較少、地面線路占比較高的線路選擇CTCS2系統(tǒng)較適合,其預(yù)期經(jīng)濟效益較好;從社會效益角度考慮、對每公里投資敏感性不高的線路、地下段線路占比較高的線路選擇CBTC系統(tǒng)較適合。

3) 設(shè)備故障影響。設(shè)備故障影響包括乘客出行影響和社會影響,乘客對因設(shè)備故障導(dǎo)致列車晚點的容忍度和引起的社會影響也是衡量信號系統(tǒng)制式選擇的重要因素,乘客對設(shè)備故障的容忍度基本與客流特征因素下的信號系統(tǒng)制式選擇方法一致。

CBTC系統(tǒng)故障弱化及恢復(fù)能力較強,大部分信號設(shè)備故障可以在乘客及社會公眾未察覺的情況下恢復(fù),設(shè)備故障影響相對較弱[3]。CTCS2系統(tǒng)故障恢復(fù)能力弱,若應(yīng)用于大客流線路,其設(shè)備故障對乘客及社會易造成較大的影響;若應(yīng)用于中小客流線路,其設(shè)備故障對乘客及社會影響則相對不明顯。

4) 其他因素。信號系統(tǒng)制式選擇相關(guān)的其他一般因素包括技術(shù)發(fā)展因素,以及乘客體驗、服務(wù)舒適性、安全性、外部環(huán)境影響等因素。目前,上述因素對兩種信號系統(tǒng)制式的選擇沒有明顯的差別。

4 信號系統(tǒng)制式方案選擇

市域軌道交通信號系統(tǒng)制式方案的選擇需針對信號系統(tǒng)內(nèi)外部因素綜合進行分析比選。首先,針對線網(wǎng)規(guī)劃和線路定位,鑒別其決定因素并進行初步方案的選擇。若系統(tǒng)技術(shù)限制因素能夠確定信號系統(tǒng)制式,則選擇完成比選;若無法確定,則進行其他影響因素的詳細比選分析。

詳細比選分析應(yīng)根據(jù)需要參考的因素重要性程度進行排序,綜合分析后確定最佳信號系統(tǒng)制式方案,也可通過量化指標(biāo)進行綜合定量比選確定最佳信號系統(tǒng)制式方案。

若上述方法仍難以確定信號系統(tǒng)制式方案,則應(yīng)針對線路特點編制信號系統(tǒng)制式比選專題,再進行深入詳細論證,最后根據(jù)專家調(diào)查法或組織專家評審方式確定最佳信號系統(tǒng)制式方案。市域軌道交通信號系統(tǒng)制式技術(shù)應(yīng)用及方案選擇的考慮因素如表1所示。

表1 信號系統(tǒng)制式技術(shù)應(yīng)用及方案選擇的考慮因素

5 結(jié)語

市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營條件下,信號系統(tǒng)制式主要在CTCS2+ATO和CBTC制式下進行選擇,根據(jù)線網(wǎng)運營要求也可選擇多網(wǎng)融合STCS(CTCS2+CBTC)信號系統(tǒng)。具體的應(yīng)用方案選擇應(yīng)在確定線路定位、基本功能需求前提下,從系統(tǒng)能力、交直流牽引的適應(yīng)性、地下線路占比等決定性因素中進行初步選擇,再輔以客流特征、投資效益、設(shè)備故障影響等因素進行深入分析,為市域軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營選擇適宜的信號系統(tǒng)制式,在實現(xiàn)線路及線網(wǎng)整體功能的同時保證投資效益。