市域轨道交通信号系统方案选择刍议

邓志翔

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥高级工程师)



市域轨道交通信号系统方案选择刍议

邓志翔

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥高级工程师)

市域轨道交通是我国交通运输体系的一个重要组成部分,其信号系统的选择应遵循市域轨道交通的实际工程特点及运营需求。针对目前国内3种主流信号系统——CBTC(基于通信的列车控制)系统、点式ATC(列车自动控制)系统和CTCS(中国列车运行控制系统)-2+ATO(列车自动运行)系统——进行了分析和对比,阐明了3种系统在市域轨道交通运营需求下的优缺点,并给出了信号系统选择的建议。

市域轨道交通; 信号系统; 运营需求; 点式列车自动控制系统

Author′s address China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,430063,Wuhan,China

随着城市化进程的加快,城市规模不断扩大。然而，我国铁路干线的速度目标值均在160 km/h以上,客运专线和高铁的设计速度分别为250 km/h和350 km/h,主要服务于长距离、大运量的客流,其服务半径一般在70 km以上，因此国铁干线无法解决单一城市内部的交通运输问题。而在城市内部，中心城区的城市轨道交通设施由于其高昂的工程造价和较为漫长的工期,往往无法适应新城区的快速增长。城市轨道交通的速度目标值一般不超过100 km/h,主要服务于中心城区的通勤客流,其服务半径一般不超过35 km。

市域轨道交通概念的提出,旨在为主城和卫星城、组团城区之间以及沿途城镇的客流出行提供快速、大容量、公交化运营的公共交通服务,满足大型城市的经济发展需求,促进城乡统筹发展，带动沿线经济及社会进步[1]。市域轨道交通是立足于国铁干线网与城市轨道交通之间的新型轨道交通模式,是我国轨道交通运输体系中的重要组成部分。

国外的市域轨道交通一般称为市郊铁路(Suburban Railway),主要提供通勤服务,也称通勤铁路(Commuter Rail)。市郊轨道交通对城市功能的支撑起到非常大的作用，在国外特大城市占整个轨道交通线路长度的70%以上(见表1)。

表1 部分国外特大城市地铁及市郊铁路规模表 km

现阶段,我国在建和规划的市域轨道交通类型的项目较多,主要包括温州市域铁路S1～S4线,昆明市域轨道交通嵩明线,南京市域轨道交通S1、S2线,以及《浙江省都市圈城际铁路近期建设规划》中所批复的杭州、宁波、金华、台州4大都市圈共11条轨道交通线路,等等。另外,近期北京市规划了近1 000 km的市域快轨,重庆市也规划了近2 000 km的市域轨道交通。

目前,市域轨道交通的建设正处于起步阶段,没有既定的规范和建设模式可遵循。另外,鉴于市域轨道交通特殊的服务对象和自身的运营特点,其信号系统应借鉴我国国铁和城市轨道交通信号系统的建设经验,同时应积极响应国家对交通运输系统互联互通和资源共享的指导方针,在满足运营需求、技术先进、系统成熟、经济合理的原则下,选择并确定市域轨道交通信号系统方案[2]。

1 市域轨道交通的工程特点及运营需求

1.1 工程特点

市域轨道交通的功能定位介于国铁干线和城市轨道交通之间。相比国铁干线，市域轨道交通更具公交化运营特点,其运营需求和工程体量更接近于城市轨道交通。相比城市轨道交通,市域轨道交通在工程体系上具有如下特点:

(1) 工程规模：线路运营里程较长,单一工程规划一般在50～100 km。区间和车站均以高架为主,中心城区或跨江(河、湖)区域采用隧道方式。

(2) 平均站间距：一般不小于3 km,最长站间距可达到5～8 km。

(3) 速度目标值：一般线路允许最高运行时速为120～160 km/h,且旅行速度不低于50 km/h。

(4) 行车密度：一般初、近期高峰时段的最小行车间隔在5 min以上,远期则不小于2.5 min。

(5) 公交化运营模式：乘客即到即走,无需对票入座。一般采用站站停的运营方式;当运量增长且具有相关需求之后,可开行大站快车。

1.2 运营需求

1.2.1 互联互通、资源共享需求

随着城市化进程的加快,城市的土地资源更显珍贵,人力成本节节攀升。目前,城市轨道交通仍是采取一线一特色的建设现状,对于建设和运营方而言,品类繁多的机电设备维护保养将消耗大量人力、物力和财力。市域轨道交通是新兴领域,若能在线网规划和建设之初便以互联互通、资源共享为建设目标,那么将会带来以下便利:

(1) 其建设将符合国家对于轨道交通互联互通的政策导向;

(2) 线网内部运营车辆可统一调配、减少备用车辆,共享检修资源,减少工程用地;

(3) 各机电设备的备品备件可大幅减少,降低工程造价和检修难度;

(4) 便于运营、维护、司乘人员在线网内部的调用,减少人力资源成本。

1.2.2 列车自动驾驶的需求

市域轨道交通一般采用高架敷设线路,部分区间还可能设置路基和隧道段,线路起伏坡度较大;为了避开城市建筑物,减小拆迁量,局部区段的转弯半径较小。为了实现公交化运营模式,列车在线路上运行时每隔几分钟便要进站停车。若采用司机人工驾驶列车,司机必须精神高度集中,紧盯列车速度曲线来推送速度杆,容易紧张和疲劳。一旦高峰时期出现列车晚点,人工驾驶很难“赶点”,后续列车运营时刻必须顺延。

另一方面,ATO(列车自动运行)自动驾驶相较人工驾驶具有以下优势:①可实现对列车运行状态的合理控制,自动实现列车起动、加速、巡航、惰性及制动等基本自动驾驶功能,保障列车运营的准点率;②合理加速和制动列车,提高旅客的舒适度;③实现节能运行;④站台精确定位和停车,并实现车门与站台门的联动。故ATO自动驾驶是市域轨道交通重要的运营需求之一。

2 市域轨道交通的信号系统

鉴于上述市域轨道交通的工程特点和运营需求,可适用的主流信号系统包括:

(1) 基于通信的列车自动控制(CBTC)系统;

(2) 基于ETCS(欧洲列车运行控制)-1平台的点式ATC(列车自动控制)系统;

(3) 国铁CTCS(中国列车运行控制系统)-2 + ATO系统。

2.1 CBTC系统

CBTC系统能够实现移动闭塞,大大提高了线路的通过率,增加了运营效率,尤其适用于大客流、高密度的城市轨道交通工程。

CBTC系统的原理如图1所示。轨旁ATP(列车自动防护)地面设备周期性地接收本控制范围内所有列车传来的列车识别号、位置、方向和速度信息;ATP地面设备根据接收到的列车信息,确定各列车的移动授权,并向本控制范围内的每列列车周期性地传送移动授权(ATP防护点)的信息。移动授权由前行列车的位置来确定,移动授权将随着前行列车的移动而逐渐前移。ATP车载设备根据接收到的移动授权信息以及列车速度、线路参数、司机反应时间等,计算出列车的紧急制动触发曲线和紧急制动曲线,以确保列车不超越现有的移动授权。因此在移动闭塞系统中,ATP防护点不是在轨道区段的分界点,而是在前行列车车尾后方加上安全距离的位置,它随着列车的移动而移动。后续列车可最大限度地接近前行列车尾部,与之保持一个安全距离。在保证安全的前提下,CBTC系统能最大程度地提高区间通过能力。

图1 CBTC系统原理图

CBTC系统在系统结构和功能日趋一致或接近的情况下,车-地双向连续通信方式是系统的关键技术之一。根据车-地数据通信方式的不同,又可将CBTC分为以下两种系统:基于交叉感应环线方式的环线CBTC系统(CBTC-L);基于无线通信方式的无线CBTC系统(CBTC-R)。

目前,由于环线CBTC系统的供货商单一,且不具备互联互通性,因此限制了其更广泛的应用;无线CBTC系统则成为了轨道交通主流信号系统。而无线CBTC系统根据车地无线通信技术的不同,可以分为基于WLAN(无线局域网)的CBTC和基于LTE(Long Term Evolution，长期演进)的CBTC系统。

2.1.1 基于WLAN无线通信的CBTC系统

WLAN扩频通信即扩展频谱通信,CBTC系统中的无线扩频通信多采用开放ISM(工业、科学、医疗)频段2.400 0～2.483 5 GHz,也可采用5.725～5.850 GHz频段。近年来,国内几乎所有城市轨道交通项目的信号系统均采用的是CBTC-WLAN系统,如上海轨道交通10、11、12、13、16号线,广州地铁5、6号线,北京地铁4号线、10号线、亦庄线,郑州地铁1号线,武汉地铁2、4号线,杭州地铁1、2、4号线,宁波轨道交通1号线、昆明首期工程等。

然而由于WLAN扩频通信技术的局限性,工况条件下可靠的移动接入速度一般不超过100 km/h,且WLAN技术的抗干扰能力相对较弱,容易出现无线受扰、列车无法接收移动授权导致列车紧急制动等问题。因此基于WLAN的CBTC系统在时速120～160 km/h、高架线路居多的市域轨道交通中难以得到应用。

2.1.2 基于LTE无线通信的CBTC系统

LTE移动通信是近年来热门的主流无线通信技术,也是无线通信技术的发展方向,其相关参数和性能全面优于WLAN。LTE移动通信技术还具备传输带宽高、移动接入性强、抗干扰能力强、频谱申请灵活、上下行资源可调配等特点。国内主流通信设备厂商也在350 km/h的高速铁路上对LTE系统的接入性做了相关研究和试验,验证了高速移动下接入的可靠性。北京地铁燕房线、上海轨道交通6号线试车线上,均对信号系统采用LTE技术进行试验和试用;武汉地铁6号线即将成为我国第一条基于LTE的CBTC运营线路,于2016年底通车运营。另外,现阶段规划中的轨道交通项目均是采用LTE作为CBTC的车地无线通信方案。鉴于此,基于LTE的CBTC系统同样可以适应于市域轨道交通的工程条件。

另一方面,中国城市轨道交通协会于2016年正式发布了《城市轨道交通基于通信的列车自动控制系统(CBTC)接口规范-互联互通接口规范》,为实现CBTC系统的互联互通扫清了障碍。然而CBTC的互联互通至今尚没有成熟案例,有待进一步验证。

CBTC-LTE系统应用于市域轨道交通中,其优势在于:系统成熟、可靠,自动化程度高，可以实现移动闭塞,能适应大运量、高密度运营需求。其劣势在于:工程造价较高,在初、近期较大列车时间间隔的线路上应用性价比不高，互联互通方面尚无成熟应用[3]。

2.2 基于ETCS-1平台的点式ATC系统

ETCS控制系统,在2001年由欧盟立法确定其为欧盟国家铁路列车控制系统的强制性技术规范,目的是为了保证高速列车在欧洲铁路网内互联互通。其中ETCS 1级(即ETCS-1)主要是由有源和无源的欧式应答器(Eurobalise)、线路电子单元(LEU)、车载控制计算机设备(EVC)组成,并与计算机联锁设备结合实现列车运行控制。目前,ETCS-1平台中主要采用计轴设备来实现轨道区段占用、检测功能,并通过有源应答器向列车发送移动授权,实现点式ATP系统的超速防护功能。

基于ETCS-1平台的点式ATC系统可视为简化的CBTC系统,即CBTC的车载控制平台与ETCS-1标准的轨旁设备相结合的系统,亦可称为ETCS/CBTC系统。它取消了CBTC系统在区间的车地无线通信设备,列车在区间中按照“点式”方式行车,即在区间采用欧式应答器点式通信方式上传列车移动授权,控制列车安全运行;在车站(含折返线、存车线等)及站台接近区域布设无线通信设备(该区域内列车运行速度较低,不存在车地无线通信连接可靠性问题),可实现列车精确停车、站台门车门联动、站台区域防护、无人自动折返、临时限速等功能。图2为点式ATC系统原理图。

图2 点式ATC系统原理图

点式ATC系统在列车运行控制方面采用准移动闭塞控制方式[4]。利用闭塞分区控制列车的运营间隔,在每个闭塞分区的入口设置信号机,每架信号机配置有源应答器。ATS(列车自动监控)子系统结合联锁子系统,根据列车的运行和进路设置情况编制列车运行移动授权信息,发送给LEU(轨旁电子单元)。LEU设备进行编码后通过有源应答器发送至列车,车载设备将根据获得的移动授权信息,结合无源应答器提供的线路数据以及列车自身的运行数据,按照速度-目标模式计算列车的运行控制曲线,实现列车运营间隔及安全间隔的控制、超速防护,也可实现ATO列车自动驾驶[5]。

点式ATC系统基于ETCS-1平台,所有轨旁设备均是标准化产品,通信接口和协议均为开放式,国内主流信号设备均是在ETCS平台上衍生而来。因此只要规范车地通信接口及原则,点式ATC系统即可依此实现市域轨道交通线网内部互联互通和资源共享。基于ETCS-1的点式ATC系统在温州市域铁路S1、S2线,南京S1线中得到了应用。

点式ATC系统应用于市域轨道交通中,其优势在于:系统架构简单,区间设备少,后期维护量较小;工程造价较低,适应市域轨道交通初、近期中运量的运营需求,性价比高;远期客流上升,点式ATC可平滑升级至CBTC,实现更小间隔的运营需求。依据ETCS标准可实现线网内部的互联互通。其劣势在于:由于区间采用点式方式控车,系统的实时调节能力稍弱,不利于复杂工况(如大站快车等)。

2.3 CTCS-2+ATO系统

CTCS控制系统是我国列车控制系统的标准平台，实现了国铁线网内的互联互通及资源共享。其中CTCS-2级是我国城际铁路的主要信号方案,主要由调度集中系统(CTC)、CTCS-2级列车运行控制系统、车站联锁系统、信号集中监测系统等构成,是一个以调度中心为龙头，车站设备为基础，通信网络为骨架,集中调度指挥、行车控制、设备集中监测等功能于一体的自动化系统。系统原理如图3所示。

图3 CTCS-2系统原理图

我国城际铁路采用的都是CTCS-2列车运行控制系统。为适应公交化运营需求,在CTCS-2的基础上叠加了ATO功能,实现了站间自动运行、车站定点停车、自动折返、列车运行自动调整、车门站台门防护及联动控制、列车节能运行等功能。CTCS-2+ATO系统,在珠三角城际线路中得到了应用[6]。

CTCS-2+ATO系统应用于市域轨道交通中,其优势在于:系统成熟、可靠,自动化程度高;工程造价低,适应低密度运营的市域轨道交通线路,性价比高;依据CTCS标准可实现线网内部的互联互通。

其劣势在于:轨旁设备较多,后期维护量较大;其ATO功能基于GSM-R(Globle System of Mobile for Railway)平台开发,地方业主难以取得GSM-R的频率资源;CTCS平台尚无3 min以内的运营业绩,不确定是否能适应线路远期的运营需求。

3 结论

目前,随着城镇化建设步伐的加快,市域轨道交通即将迎来全面建设的高峰期。然而市域轨道交通还处于发展的初始阶段,缺乏相关的工程经验和建设规范。作为市域轨道交通中负责安全和效率的信号系统,其方案的选择和确定则更显重要。

根据上文分析,CBTC-LTE、点式ATC、CTCS-2+ATO均可作为市域轨道交通的信号系统,三者应用于市域轨道交通却各有优缺点。然而信号系统的选择必须切实依据运营需求,可遵循如下原则:

(1) 市域轨道交通为某既有城市轨道交通线路的延伸线,或需要与既有城市轨道交通实现贯通运营,或可以预见在线路开行不久即将面临客流爆发式增长达到高密度运营的线路,建议采用CBTC-LTE系统。

(2) 市域轨道交通作为城市的新型、独立的交通运输体系,只需实现市域轨道交通线网内部的互联互通,且可预见的客流增长较为缓慢,运营列车时间间隔要求较低的线路,建议采用点式ATC系统。

(3) 市域轨道交通由铁路总公司参与建设,且需要与国铁互联互通,则必须采用CTCS-2+ATO系统。

[1] 杨舟.温州市域轨道交通建设和发展研究[J].铁道工程学报,2013(6):80-84.

[2] 李晶.市域快速轨道交通信号制式的选择[J].城市轨道交通研究,2014(12):71-75.

[3] 于超,郑生全,石文静.城市轨道交通CBTC系统互联互通方案研究[J].铁道通信信号,2010,46(1):44-74.

[4] 黄克勇.一种市域信号系统的控制方案[J].信息化研究,2015,41(1):62-65.

[5] 郑生全.市郊轨道交通信号系统方案研究[J].现代城市轨道交通,2011(4):89-92.

[6] 罗松.CTCS2+ATO城际铁路列控系统总体技术研究[J].铁道通信信号工程技术,2015(6):1-5.

Research on Signal System Selection for Suburban Rail Transit

DENG Zhixiang

Suburban rail transit is an important component in railway transportation of China, the selection of its signal system should be in accordance with actual suburban rail transit project and operational requirements. In this paper, three kinds of wildly used signal system (CBTC, intermittent ATC and CTCS2+ATO) are analyzed and compared, the merits and drawbacks of these systems are elaborated. Finally, suggestions on how to select proper signal system are proposed.

suburban rail transit; signal system; operational requirement; intermittent automatic train control (ATC) system

U 239.57

10.16037/j.1007-869x.2017.05.002

2016-08-22)