点-连式信号系统在市域铁路的可行性研究

陈卫华，刘江，李聪

（卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

点-连式信号系统在市域铁路的可行性研究

陈卫华，刘江，李聪

（卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

针对市域铁路运营需求进行分析；从基于WLAN无线通信的CBTC移动闭塞信号系统、基于LTE无线通信的CBTC信号系统、基于信标通信的点式ATC信号系统、基于部分区域实现无线通信的点-连式信号系统、基于音频数字轨道电路的准移动闭塞ATC信号系统和基于LTE无线通信的点-连式信号系统等方面对市域铁路的信号系统制式进行分析；阐述基于LTE无线通信的点-连式信号系统的构成、基本控制原理和功能优势，其能很好地满足市域铁路的运营需求，具备市域铁路信号系统规划和建设的可行性。

市域铁路；点-连式信号系统；LTE；无线通信；信号系统

0 引言

市域铁路是位于中心城区与其他组团间、组团式城镇之间或与大中城市具有同城化需求的城镇间，服务通勤、通学、通商等规律性客流，设计速度100～160 km/h，快速、高密度、公交化的客运专线铁路[1]。

不同城市对市域铁路的功能定位不同，因此市域铁路的信号系统解决方案目前没有形成统一的标准。在分析市域铁路运营需求基础上，结合不同信号系统制式的特征，探讨一种可应用于市域铁路的信号系统，并对其可行性展开分析。

1 运营需求分析

市域铁路与市中心的地铁线路相比，具有行车间隔较大、线路长度长、运行速度高、站间距大等特征。因此，市域铁路对运营目标的需求与普通的地铁线路不同。部分市域铁路及类似线路的运营需求及线路数据见表1。

表1 部分市域铁路及类似线路的运营需求及线路数据

（1）由于市域铁路的客流以市域范围通勤、通学、通商等规律性客流为主，客流量基本集中在早晚高峰期间，而平峰期间客流量较小。因此，最小行车间隔比市区地铁线路要求低，初期、近期对信号系统要求的最小行车间隔大部分在4.0 min及以上，远期最小行车间隔为2.5 min或以下。

（2）市域铁路的最高运行速度基本要求在100 km/h及以上，未来不排除更高的速度要求，同时需要实现车-地间的PIS、CCTV等通信业务的综合承载。在高速运行环境下，对车-地通信的技术指标（如频宽、丢包率、传输时延、抗干扰能力、数据传输速率等）提出了更高要求。

（3）市域铁路线路通常位于城市的市郊、远郊区域，且线路较长、站间距大。因此，导致信号系统的设备安装和调试工期较长，同时也增加了轨旁信号设备运营维护和保养的难度。

（4）当前的城市规模发展迅速，市域铁路的客流预测具有不确定性。因此，信号系统的运营能力需要超前规划，其中较关键的车-地通信制式必须具有技术前沿性和预留条件，以便系统升级、与市区地铁线路互联互通及兼容等。

2 应用于市域铁路的信号系统制式分析

针对市域铁路的运营需求和特点，目前主要应用的ATC信号系统制式如下：基于无线通信的列车运行控制系统（CBTC）、点式列车自动控制（ATC）信号系统和基于音频数字轨道电路的准移动闭塞ATC系统；根据车-地通信方式的不同，CBTC信号系统可分为基于无线局域网（WLAN）无线通信的CBTC信号系统和基于长期演进（LTE）无线通信的CBTC信号系统；点式ATC信号系统可分为基于信标通信的点式ATC信号系统和基于部分区域实现无线通信的点-连式信号系统。

2.1 基于WLAN无线通信的CBTC信号系统

基于WLAN无线通信的CBTC信号系统采用车-地双向通信设备对地面区域控制器、计算机联锁、线路控制器等轨旁设备与车载设备之间的信息进行传送，实现连续式ATP的防护。该系统可实现90 s的列车追踪间隔和折返间隔，出入段/场能力可实现2 min的行车间隔。

WLAN无线通信的最初设计标准主要是满足市区地铁的车-地通信要求，存在的问题是频宽不可调整和无线覆盖距离短，造成越区切换频繁，不能较好地满足市域铁路100 km/h及以上的高速运行环境；应用频段为2.4 GHz开放频段，是非专用频段，同频干扰问题严重。WLAN无线通信的实现方式主要是自由无线和波导管，自由无线的轨旁通信基站最大间隔约300 m，而市域铁路线路距离长，导致轨旁基站接收天线设备过多；波导管由于工程造价相对过高，建议不应用于长距离线路的市域铁路。

2.2 基于LTE无线通信的CBTC信号系统

目前，基于LTE无线通信的CBTC信号系统已成为CBTC未来的发展趋势。由于LTE是针对高速环境下研发的无线通信技术，经过测试，其关键技术参数（如数据传输速率、传输时延、丢包率、频宽等）均优于基于802.11x的WLAN技术[2-3]，同时支持100 km/h及以上高速环境的车-地通信要求；由于拥有专有频段，其抗干扰性强，避免了WLAN的同频干扰问题。LTE无线通信的实现方式主要为自由无线和漏泄电缆，其轨旁基站间隔大，设备数量相对较少。

基于LTE无线通信的CBTC系统完全满足市域铁路的远期运营间隔及其他运营需求。由于其功能及接口较多，调试周期较长且工程投资很大。

2.3 基于信标通信的点式ATC信号系统

基于信标通信的点式ATC信号系统通过轨旁计轴/轨道电路等设备实现列车的占用/出清检测，采用计算机联锁通过进路实现闭塞间隔控制。车-地通信由有源信标实现，其特点是计算机联锁将列车占用/出清区段状态、道岔位置状态、信号机开放/关闭等信息通过轨旁电子单元（LEU）传送至有源信标，有源信标再将这些信息发送至车载ATP设备，实现ATP的安全防护及ATO的自动驾驶功能。

点式ATC信号系统结构简单、技术成熟，在成本、工期方面有很大优势，能满足市域铁路的高速运行及初期、近期的运营间隔；缺陷是运营调整能力较差，保护区段解锁时间长，站台区域容易误闯红灯，不能实现临时限速、车门与站台门联动等功能[4]，远期也不具备与市区地铁互联互通的条件。

2.4 基于部分区域实现无线通信的点-连式信号系统

基于部分区域实现无线通信的点-连式信号系统是将点式ATC系统进行技术改进而形成的控制系统，其特点是在站台区域和信号机接近锁闭区域布置无线通信设备，实现站台区域、信号机接近锁闭区域的运营调整、车门与站台门联动、闯红灯防护、保护区段快速解锁、连续监督接近锁闭区域的信号机状态，以及提高折返效率等功能。

点-连式信号系统可满足市域铁路初期、近期及远期的行车间隔，以及100 km/h及以上的运行速度，轨旁设备相对较少，便于运营维护和保养，在投资成本、建设工期等方面优势明显；不足之处是运营调整功能不如CBTC系统，车-地通信不能很好地承载PIS、CCTV等综合业务。

2.5 基于音频数字轨道电路的准移动闭塞ATC信号系统

基于音频数字轨道电路的准移动闭塞ATC信号系统是在传统轨道电路上通过载频叠加信息报文，向车载设备发送目标速度、目标距离、区段占用/出清状态等信息。ATP车载设备计算出连续的速度-距离控制曲线，实现列车的ATP防护功能，并可满足市域铁路远期的行车间隔，以及100 km/h及以上的运行速度。但其车-地通信是基于音频数字轨道电路，易受牵引回流和轨旁杂散电流影响，抗干扰能力较差；运营维护和保养成本大；轨道电路控制距离较短，需要在市域铁路长大区间增加中继站，不利于将来与市区地铁的互联互通。市域铁路信号系统主要制式的综合比较见表2。

通过对比分析，可以看出点-连式信号系统可较好地满足各种性能指标，且结构简单，投资成本小，建设工期短，后期运营维护成本低；但其运营调整能力较差，车-地通信不能承载PIS、CCTV等综合业务，不具有与市区地铁未来实现互联互通的条件。结合市域铁路的特点和运营需求，提出一种基于LTE无线通信的点-连式信号系统解决方案，即列车的追踪间隔由轨旁联锁进路控制，而车-地通信由覆盖全线的LTE无线通信和有源信标完成，可实现地面控制设备与车载设备的实时无线通信；LTE的高频宽可承载PIS、CCTV等综合业务，丰富了车-地通信的传输内容。

3 基于LTE无线通信的点-连式信号系统

3.1 系统构成

基于LTE无线通信的点-连式信号系统主要由轨旁信号设备、车载ATC设备和LTE无线通信设备构成。轨旁信号设备包括计算机联锁、线路控制器、列车自动监控（ATS）、自律分机、维护支持系统（MSS）服务器等，轨旁设备还包括信号机、计轴、有源/无源信标、转辙机等信号基础运营设备。车载ATC设备包括人机显示单元、ATP/ATO安全计算机、信息输入输出单元等设备。

LTE轨旁设备由A/B网基站（射频拉远单元和基带处理单元集成在基站箱内）和漏缆组成，基站可按最大1.2 km布置，漏缆沿着轨道侧面铺设；在集中站设置交换机，运营控制中心（OCC）配置LTE的核心网设备及网管系统。核心网设备与信号系统、PIS系统、CCTV系统连接，采用双机冗余配置，保证系统安全稳定运行；网管系统负责管理核心网设备及LTE基站。轨旁结构示意见图1。

表2 市域铁路信号系统主要制式综合比较

LTE车载设备由LTE天线、接收单元和A/B网交换机组成。网络传输实现A/B网冗余配置，可保证数据传输的安全并提高传输效率；在列车车头和车尾各设置1套网络连接一致的车载接收单元，其通过交换机与车载应用系统连接，上传和下载信号系统数据信息、CCTV监控信息和PIS信息等，实现控制中心、线路控制器、轨旁联锁与车载控制设备之间的双向通信。LTE车载设备配备信标天线，实现与有源信标的点式传输。车载网络结构示意见图2。

3.2 控制原理

基于LTE无线通信的点-连式信号系统的基本控制原理与点式ATC系统相同，即列车追踪间隔防护由联锁进路控制，追踪列车通过LTE无线通信从联锁系统实时获取轨旁信号机状态、计轴区段占用/出清状态、道岔位置状态、站台门锁闭/打开状态等安全信息；追踪列车的车载设备根据线路限速、目标距离等信息生成ATP连续控制曲线，控制列车安全运行；两列追踪列车的追踪间隔由1个主进路+1个保护区段的距离确定，保证列车安全追踪运行。列车追踪运行防护示意见图3。

列车定位可通过编码里程计进行自主定位，利用固定在道床上的无源信标进行定位误差校准，同时结合车载存储的电子地图实现列车的实时定位。

图1 轨旁结构示意图

图2 车载网络结构示意图

通过LTE无线通信，ATS子系统可实时确定列车位置，避免了基于部分区域无线通信的点-连式系统仅在部分区段可实现追踪列车位置的功能缺陷，同时可直接建立ATS与车载设备的通信，实现列车扣车、跳停、时刻表更新等功能，显著提高了点-连式信号系统的运营调整能力。

3.3 功能优势

结合市域铁路运营间隔较大、运行速度高、线路位于市郊、线路较长、站间距大等特点，基于LTE车-地通信的点-连式信号系统与基于部分区域实现无线通信的点-连式信号系统以及其他系统制式相比，具有以下优势：

（1）系统的各项性能指标（如频宽、传输速率、丢包率、抗干扰能力）完全满足市域铁路100 km/h及以上的运行速度要求，且能实现PIS、CCTV等业务的综合承载。

（2）完全满足市域铁路初期、近期的行车间隔要求，若远期行车间隔低于2 min，可通过增加区域控制器等设备平滑升级至CBTC系统以满足需求。

（3）运营调整能力强，可通过LTE无线通信实现ATS的调整命令，实现列车跳停、扣车、时刻表调整等功能。

（4）系统的轨旁基站相邻间隔约1.2 km，避免了列车频繁越区切换和容易出现掉线的问题；由于轨旁设备数量少，便于后期的运营维护，优势较明显。

（5）系统结构简单，调试工期短，可降低工期紧张造成的延迟开通风险，同时可降低工程建设成本。

（6）基于LTE的无线通信技术正成为城市轨道交通车-地通信制式的新趋势，而且容易实现未来与市区地铁线路的互联互通和兼容。

图3 列车追踪运行防护示意图

4 结束语

目前，基于LTE车-地通信的CBTC系统已在地铁线路上成功应用，并实现了商业运营。基于LTE车-地通信的点-连式信号系统还未实现工程应用，但其能够很好地满足市域铁路的运营需求，具有结构简单、可维护性高、建设成本相对较低、建设工期短等优势，具备市域铁路信号系统规划和建设的可行性。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司，中国铁路设计 集团有限公司，中铁二院工程集团有限责任公司， 等．T/CRS C0101—2017 市域铁路设计规范[S].

[2] 戴克平，张艳兵. 基于LTE的城市轨道交通车地 通信综合承载系统[J]. 都市快轨交通，2016(2)： 69-74.

[3] 刘正东，杨劲，王成国．基于CBTC系统的地铁联锁算 法设计与研究[J]．中国铁路，2015(10)：86-88.

[4] 弓剑. 信号系统连续型点式方案的工程设计与应 用[J]. 都市快轨交通，2015(8)：106-109.

责任编辑 卢敏

Feasibility Study on Application of Point-continuous Signaling System in Suburban Railway System

CHEN weihua，LIU Jiang，LI Cong
（CASCO Signal Ltd，Shanghai 200071，China）

the operation requirement of Suburban Railway is analyzed. the type and mode of signaling system for Suburban Railway is comprehensively analyzed, including the WLAN-based CBtC movable block signaling system, LtE-based CBtC signaling system, beacon-based point AtC signaling system, point-continuous signaling system, quasi-movable block AtC signaling system based on video and digital track circuit and LtE-based point-continuous signaling system. the composition, basic control principle and functions of LtE-based point-continuous signaling system are introduced, demonstrating that it can well meet the requirement of Suburban Railway and have future potential for wide deployment.

Suburban Railway；point-continuous signaling system；LtE；wireless communication；signaling system

U284

：A

：1001-683X（2017）06-0043-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.06.043

2017-04-08

陈卫华（1977—），男，高级工程师，硕士。

E-mail：chenweihua@casco.com.cn