城际铁路列控系统方案探讨

杜 平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

随着大规模的铁路建设，铁路路网已形成一定规模，局部高度发展的城市圈对交通需求日益突现，如珠三角地区、长三角地区、京津唐地区、武汉城市圈、长沙城市圈等相继建设城际铁路，形成以中心城市为中心连接周边城市的便捷交通网。根据其功能定位，它既不同于大铁路的交通干线，又不同于城市轨道交通，如何科学、合理地选择信号列控系统方案是值得探讨的问题。

1 城际铁路的特点

城际铁路为区域性铁路，服务于中心城市间、城市组团间的城际客流运输，是区域内紧密联系、相互依存、合理分工的城市间基础交通设施，是密集开行公交化列车的新型公交化运输系统。运营组织一般采用开行大站越行快车、慢车站站停2种模式。概括起来具有以下主要特点。

（1）站间距小，车站规模不大，一般情况下车站间距为3～10 km。

（2）速度中等，小于客运专线，高于城市轨道交通，一般慢车站站停列车最高运行速度为140 km/h，越行快车最高速度为200 km/h及以上。

（3）行车密度较客运专线高，但较城市轨道交通低。

（4）靠近正线的站台设有安全门/屏蔽门，因此，对站内停车要求车门对应安全门/屏蔽门。

（5）城际列车一般不会每列车厢设置列车员或不设列车员。为确保只有靠近站台的车厢门才可以被打开，只由司机人控是不安全的，列车车门具有联动控制功能需求。

（6）为了节能和乘坐舒适度的要求，可以考虑设置ATO自动驾驶功能。

（7）城际铁路为区域性铁路，根据列车运营组织的不同，可与全国铁路路网互联互通，因此应具有开放性，这是与城市轨道交通的不同之处。

2 列控系统应用分析

列控系统实时控制列车运行，是保证列车安全运行的重要部分。根据实现方式不同，目前运营的国铁和城市轨道交通普遍应用的列控系统主要有以下几种制式。

（1）基于ZPW-2000或UM轨道电路的CTCS-2级列控系统。

（2）基于GSM-R的CTCS-3级列控系统。

（3）基于通信的CBTC列控系统。

1）基于交叉感应电缆环的CBTC-IL列控系统。

2）基于无线通信的CBTC-RF列控系统。

（4）基于欧洲ETCS 1级的点式列控系统。

2.1 基于ZPW-2000或UM轨道电路的CTCS-2级列控系统

CTCS-2级列控系统采用ZPW-2000（UM）系列无绝缘轨道电路检查列车占用，并向列车传送列车运行前方的空闲闭塞分区数或进路信息；通过点式应答器向车载设备传输临时限速、列车定位、线路参数等信息。列控车载设备根据轨道电路和应答器传送的信息生成目标－距离速度控制曲线监控列车运行。列车在CTCS-2级线路上运行，以ATP车载信号作为行车凭证。CTCS-2级列控系统应用时速250 km及以下的运行线路，追踪间隔为3 min。目前已有一定规模的开通运营经验，系统较为成熟稳定，可以和大铁路干线跨线运行及互联互通，因此，CTCS-2级列控系统比较适合城际铁路需求。但CTCS-2级列控系统的车地信息单向传输，不具备双向传输功能，不能实现ATO自动驾驶、精确停车、自动开关车门、联动屏蔽门/安全门功能，对城际铁路的这些相关需求不能满足，需进一步做适应性改造；同时不能与现行的城市轨道交通列控系统兼容，不能实现与城市轨道交通互联互通。

2.2 基于GSM-R的CTCS-3级列控系统

CTCS-3级列控系统控车原理与CTCS-2级相似，增加了无线闭塞中心（RBC）和GSM-R无线通信设备，轨道电路仅用于检查列车占用，应答器用于列车定位和传输GSM-R网络注册和RBC切换等信息，地面RBC与车载设备通过GSM-R无线网络传输行车许可和线路数据等信息。CTCS-3级列控系统一般应用于时速350km的运行线路，追踪间隔为3 min。目前随着武广、郑西客运专线的开通，也积累了一定规模的开通运营经验，系统日益成熟稳定。配合ZPW-2000（UM）系列无绝缘轨道电路提供的低频信息，可自动向下兼容CTCS-2级列控系统，车地信息传输具备双向传输功能。采用CTCS-3级列控系统，可与大铁路干线跨线运行及互联互通，不能与现行的地铁列控系统兼容，不能与城市轨道交通互联互通。同样CTCS-3级列控系统不具备ATO自动驾驶、精确停车、自动开关车门、联动屏蔽门/安全门功能，适合时速250 km及以上城际铁路采用，同时满足3 min运行间隔需求。

2.3 基于通信的CBTC列控系统

从控车技术本身比较，各系统差异不大，但从控车信息获取、传输方式上比较，各系统差异较大，也决定了各系统的适应性有较大差异。根据CBTC列控系统车地通信的传输频率区分，可分为电磁感应式和无线通信式2种。电磁感应式采用感应环线作为数据传输的介质，频率一般选用在1 MHz以下；无线通信式仅要求空气作为数据传输的介质，频率一般选用在2.4 GHz或5.8 GHz，信息传输量大。

（1）基于交叉感应电缆环线的CBTC-IL列控系统，以泰雷兹（THALES）加拿大运输自动化公司的SELTRAC MB为代表，系统基于交叉感应电缆环线，实现列车与地面间的双向数据传输。该系统的最大特点是应用比较成熟、轨旁设备少、抗干扰能力强、对列车的控制灵活。

车地通信采用基于感应环线的传输系统实现。同时，列车通过交叉感应环线交叉点实现列车的基本定位。由车轴上的转速表测定交叉点间的位置。转速表和环线交叉共同确定列车的准确位置，形成速度-距离模式控制曲线，实现对列车的安全控制。

缺点：CBTC-IL列控系统需要在道床上安装感应电缆环线，受一定安装条件限制，数据传输速率较低，同时在城际铁路应用上存在一定防盗问题。

其次，CBTC-IL列控系统不是按开放传输系统设计的，无法适应城际铁路网发展的互联互通及跨线运行要求，同时在200km/h的高速条件下没有成功应用案例，因此城际铁路不宜采用。

（2）基于无线扩频/跳频的CBTC-RF列控系统。该系统基于无线的AP、漏缆、波导管方式实现列车与地面间的双向数据传输，无线扩频通信采用开放ISM（工业、科学、医疗）频段2.4～2.483 5 GHz，分别代表的系统：西门子采用直接序列扩频（DSSS）方式，泰雷兹采用跳频扩频（FHSS）方式，阿尔斯通采用波导管方式。列车通过轮轴测速测距与地面铺设应答器实现列车的精确定位，列车车载控制器（VOBC）通过探测安装在轨道上的欧洲标准应答器或TAG信标，查找它们在系统数据库的位置，然后确定列车所在位置，并且测量自前一个探测到的应答器起已行驶的距离。VOBC通过列车到轨旁的双向无线通信向轨旁CBTC设备轨旁区域控制器ZC和ATS报告列车的位置。

CBTC轨旁区域控制器ZC根据列车的位置、速度及运行方向等因素，并考虑列车进路、道岔状态、线路限速以及其他障碍物的条件，向列车发送“移动授权MA”信息，从而保证列车的安全间隔。CBTC系统以速度-距离模式曲线控制列车运行。

从以上分析来看，基于无线扩频/跳频的CBTCRF列控系统在城际铁路应用也有明显缺点。

1）目前基于WLAN技术的无线系统已得到广泛应用，采用WLAN技术实现CBTC-RF存在多种基于WLAN技术系统带来的干扰，尤其是新建的城际铁路主要经过城区，地面线路自由空间周围存在大量的WLAN系统，干扰问题不容忽视。虽然CBTC-RF可以采用FHSS对抗干扰，然而，当跳频的频率数目有一半频率被干扰时，对通信会产生严重影响，在密集城区甚至中断通信。

2）高速移动环境下，无线通信系统由于多普勒效应产生频移，对200 km/h及以上运行速度，多普勒频移非常明显，将直接导致信号衰减和误码率上升。同时高速移动环境下，不同AP之间的切换也非常棘手，因为切换算法需要一定的信号判别时间，该时间必须足够短。否则，很可能还未来得及切换，列车已行驶至下一个AP范围，从而造成通信中断。对列车速度的提高具有一定局限性。

3）不能适应城际铁路线网发展的互联互通、跨线运行的要求，同时在200 km/h及以上高速条件下，也没有成功应用案例，城际铁路不宜采用。

2.4 基于欧洲ETCS 1级的点式列控系统

基于欧洲ETCS 1级的点式ATC信号系统是用计轴轨道电路提供列车占用信息，通过每个信号机处设置的LEU对轨道空闲情况进行编码，发送给点式应答器，由应答器提供列车安全运行所需的控制信息，车载计算机进行数据处理，生成目标-距离控制曲线，实现列车超速防护和自动驾驶功能。可以看出，它不是连续信息的列控系统，在列控速度及运行间隔上有一定的局限性，不能与大铁信号系统兼容实现跨线运行；通过必要的适应性改造，可以作为城市轨道交通信号系统的后备运行模式降级使用，但能力较低，不能满足城际铁路的行车密度要求。

根据以上各列控方案的分析比较，对城际铁路的列控系统方案选择具有一定的困难，目前的系统都不能很好地满足城际铁路的功能需求，从工程、经济、可实施性及国家的国产化技术政策等方面考虑，具有完全自主知识产权并具有一定运营经验的CTCS-2级或CTCS-3级列控系统最为合适，在满足运行速度及运行间隔的同时，可实现与大铁线路的跨线及互联互通运行，同时还可实现与大铁运营管理资源的共享。但对城际铁路的特殊需求还需进一步做适应性改进完善，完全适应城际铁路的功能需求。对CTCS-2级或CTCS-3级列控系统在城际铁路应用存在的主要问题进一步分析如下。

（1）联动安全门/屏蔽门

城际铁路大部分为地面站，如果开行列车密度不大，设置专门候车区，根据列车到站情况开放检票进站，在设置专人管理的情况下，可以考虑不设安全门；当客流密度较大，列车开行密度也大，旅客不经候车区或不设候车区的情况下，旅客直接检票进站，为了确保站台候车安全，必须设置安全门；还有一种情况，城际铁路进入城市中心区后，由于受建设条件、环保及换乘等因素的要求可能设置地下车站。对于地下车站，为了安全、环保及节能考虑在站台上设置屏蔽门。对安全门/屏蔽门的控制要求是在列车停稳、车门对准后与车门配合进行安全开启或关闭。在列车具有ATO功能时，由ATO自动完成。在列车不具有ATO功能时，车站站台的安全门/屏蔽门由专职站台值班员确认开关、列车车门由司机控制开关是可行的，只是要注意两门开关的协调性，对值班员、司机等人员要求较高，不如设备控制可靠。但通过熟练的操作和经验积累是可以实现的，人工操作方案是可行性；或增加列车对安全门/屏蔽门的无线遥控功能，由司机一人控制两门的开启关闭也简单易行，不需对列控系统做较大改造就可实现。

（2）精确定位停车

由于安全门/屏蔽门的应用，要求列车的停车精度在±0.3 m，CTCS-2级列控系统在大铁干线应用中没有考虑精确定位停车功能，但在大铁高速动车组的运用中有准确停车的需求。为保证停车的准确， 在CTCS-2级或CTCS-3级列控系统防护曲线设计中，进站停车前就将速度降到较低，一般情况下的速度都不高于10 km/h，司机可以在较低的速度下，按照站台设置的停车标志将车停稳、停准，停车精度在人工驾驶下也可满足±0.3 m的要求。虽然停车过程可能存在由于司机的操作不平稳而造成乘坐舒适度降低、甚至二次启动的可能，但目前此方案还是可行的，远期随着技术的发展，通过对CTCS-2级或CTCS-3级系统的适应性改造，如增加环线、增加点式应答器或无线局域网等方式，可以实现系统的精确停车。

3 列控系统选择

综上所述，目前城际铁路的列控系统选择CTCS-2级或CTCS-3级是最合适的，可以与大铁干线、中心车站跨线运行，实现互联互通，满足列车200 km/h及以上运行速度、运行间隔3 min需求，同时CTCS-2级或CTCS-3级列控系统在我国已成功应用，具有完全或大部分自主知识产权，从工程管理、设计、施工、设备生产制造、运营维护都有丰富的经验，应用基础牢固，符合国家技术政策，对城际铁路工程实施具有坚强的支撑，随着技术的发展和对系统的不断创新，CTCS-2级或CTCS-3级列控系统会日趋完善，最终实现ATO功能，从根本上解决中国各种铁路需求下的列车控制技术。

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