基于区域联动和多制式协调的铁路信号系统技术研究

邢科家 郜洪民 黄苏苏

1 需求分析

现阶段我国的城镇化已经进入大城市群化、大都市区化的发展阶段，各个城市之间的通勤需求日益增加。面对这些需求，大力发展高效、绿色、快速的公共轨道交通是在大城市群之间实现最大限度流动、促进城市和区域经济健康有序发展的关键［1］。从技术角度看，提高单条线路的运行效率已经不能解决大城市群之间的交通问题，实现区域联动、协调多种制式的铁路信号系统，加强高速铁路、市域铁路、城市轨道交通之间的平滑连接，才能有效提高超级大城市群间的轨道交通运行效率，保障区域经济有序发展。为此，越来越多的干线铁路需要考虑穿越城市中心区域、连接主城和卫星城、“组团”城区之间及沿途城镇的客流出行问题。

2019年2 月，国家发改委发布了《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》［2］，明确提出“打造轨道上的都市圈”，在有条件的地区编制都市圈轨道交通规划，推动干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通“四网融合”。2020年4月，国家发改委和交通运输部联合印发了《长江三角洲地区交通运输更高质量一体化发展规划》［3］，加快构建长三角地区现代化综合交通运输体系，推进区域轨道交通智能化发展。同时，广州地铁代管珠三角城际铁路，承接4条城际铁路运营管理，构建“一张网、一张票、一串城”的粤港澳大湾区轨道交通运营模式。国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接，从而提供快速、大容量、公交化运营的区域公共交通服务。以上一系列举措得到社会各界的广泛关注。

实际上，现有的信号系统中还没有能够完全满足区域轨道交通联动中“四网融合”需求的成熟产品。基于通信的列车自动控制系统（CBTC）是最主流的地铁信号系统，能够提高线路运力，但对整个系统的配置要求很高，而且CBTC是供应商专有技术，无法实现不同供应商产品之间的互通操作。这虽然对于主要采用隔离线路的地铁来说是可以接受的，同时国内的城市轨道交通行业一直在推进CBTC系统的互联互通工作，但对于需要大量互通操作的系统，如实现长期可持续发展的大型干线网络，其适用性依然是个未知数［4］。目前的CBTC系统主要应用于城市轨道交通，对于应用于远距离高速运营线路缺少技术支撑，特别是在与国铁互联互通、成网运行方面，缺乏实际应用经验［5］。中国列车运行控制系统（CTCS）是我国干线铁路普遍采用的信号系统，能够适应从160 km/h到350 km/h的不同速度干线铁路需求，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。市域铁路通常采用CTCS-2级系统，存在列车追踪间隔较大，精确停车精度不够的缺点，不能完全解决大城市群之间的互通问题。

表1对CTCS-2级系统和CBTC系统的整体属性进行了对比分析。可以看出，单独使用CTCS-2级系统或CBTC系统都不能满足区域轨道交通“四网融合”的需求。

区域轨道交通发展需要实现以出行需求为导向的运输资源优化配置，达到客流、列流网络匹配的耦合关系，从而提高区域轨道交通整体运能和效率，这就要求铁路信号系统能够实现多种制式协同工作、具备跨制式运输组织联动的能力。本文从适应性出发，分析了3种实现区域联动和多制式协调的信号系统方案，并对其优缺点和适用条件进行对比。

2 技术方案

为了实现国铁干线铁路与城市轨道交通区域联动，协调多种制式的铁路信号系统，加强高速铁路、市域铁路、城市轨道交通之间的平滑连接，信号系统需要适应各种各样的工程环境和改造需求。根据不同项目的实际情况，目前行业内提供的信号系统解决方案主要有CTCS2+ATO方案、CTCS与CBTC切换方案，以及CTCS与CBTC叠加方案3个方向。

表1 CTCS-2级系统和CBTC系统的整体属性对比

2.1 CTCS2+ATO方案

CTCS2+ATO方案是为了适应市域（郊）铁路公交化运营的需求，在CTCS-2级列控系统的基础上，叠加列车自动驾驶（ATO），来实现站间自动运行、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，其系统构成见图1。相比传统的CTCS-2级系统，CTCS2+ATO系统需要在地面增加精确定位应答器，实现列车进站精确停车；增加通信控制服务器CCS设备，实现车门/站台门联动控制和运行计划下发；车载设备增加GSM-R无线通信单元和列车自动驾驶ATO设备，实现无线通信和列车自动驾驶；CTC增加运行调整功能，以配合ATO功能的应用；TCC增加站台门和站台紧急关闭的采集驱动功能［6］。

CTCS2+ATO系统的优点在于系统成熟可靠，自动化程度高，可以实现精确停车；工程造价低，性价比高，适应低密度运营的市域轨道交通线路；可以依据CTCS标准实现线网内部的互联互通。但在目前国铁干线铁路与城市轨道交通相互衔接的应用场景中，CTCS2+ATO方案还存在一些不足：轨旁设备较多，后期维护量较大；基于GSM-R平台开发的ATO，地方业主难以取得GSM-R的频率资源；CTCS平台尚无最小列车追踪间隔3 min以内的运营业绩，不确定是否能够适应线路远期的运营需求。CTCS2+ATO系统虽然提高了列车进站停车的精度，但是其最小列车追踪间隔并不能满足大城市对于轨道交通快速疏散大量人流的需求。因此，CTCS2+ATO系统更适合应用在市域（郊）铁路公交化运营项目中。

图1 城际铁路CTCS2+ATO列控系统总体构成

2.2 CTCS与CBTC互联互通的切换方案

跨城市铁路通常需要连接干线铁路和城市内部的轨道交通线路，因此需要选择既能实现高可靠性和密集运行，又能保证干线铁路网络统一的信号系统。因此提出CTCS与CBTC互联互通的切换方案［7-8］，以满足城市轨道交通高密度行车，以及干线铁路线网内部互联互通需求。在整条线路上设置1个切换过渡区域，并在列车上配置2套不同制式的车载设备，通过定义列车越过过渡区域完成控制系统切换的具体流程，为干线铁路和城市轨道交通相衔接的场景提供一个车载切换的解决方案。

图2描述了CTCS与CBTC切换方案的具体应用场景。通过在运行列车上同时安装适用于CTCS系统和CBTC系统的车载设备，并在线路上设置相应的过渡切换区域完成车载设备控制切换，当满足前方线路运行条件后方可离开过渡区域。该方案中，CTCS区域和CBTC区域相对独立，互不影响。因此，二者各自的地面信号设备没有变化；车上同时安装的CTCS、CBTC车载设备之间存在切换接口，设置相应的车载设备越区切换流程；切换过渡区需要布置相关地面设备，并纳入到轨旁区域控制设备（CBTC系统的ZC或CTCS-3级系统的RBC）进行管理，保障列车在城轨系统和铁路干线系统之间完成切换。

该方案的优点是能够保障CBTC区域的列车全部以移动闭塞方式运行，最大程度地提高核心区域的列车运行效率，同时又不影响国铁干线铁路网络的调度管理。缺点是设置的切换过渡区域对线路条件有一定的要求，部分线路不满足此方案的改造条件；核心区域不纳入干线CTCS铁路网络进行管理，一定程度上破坏了国铁调度网络的完整性，长远来看会使CTCS系统丧失在区域轨道交通联动领域应用的先进性。因此，CTCS与CBTC互联互通的切换方案适合应用在线路满足改造条件，由城轨运营方主导的，对核心区域列车运行效率要求非常高的跨区域衔接线路。

2.3 CTCS与CBTC同时叠加的覆盖方案

CTCS与CBTC同时叠加的覆盖方案是一种将应用于国铁干线的CTCS系统和应用于城市轨道交通的CBTC系统深度结合的解决方案。该方案是在不影响CTCS系统（这里主要是指C2系统）和CBTC系统原有车载设备配置的条件下，通过在重叠区域的轨旁同时部署CTCS轨旁设备和CBTC轨旁设备2套不同制式的轨旁控制设备，实现CBTC列车和CTCS列车在重叠区域内的混合运行。

CTCS与CBTC叠加覆盖方案见图3。CBTC列车通过自动折返的方式，仅在重叠区域内运行，而CTCS列车可以直接通过重叠区域，重叠区域内的CTCS列车和CBTC列车各自独立运行。

CTCS与CBTC同时叠加的覆盖方案层级示意见图4。其中，控制中心层和轨旁信号层为CTCS系统和CBTC系统共有。为了防止不同系统之间出现的移动授权冲突，CTCS和CBTC使用共同的轨旁信号设备（信号机、轨道电路、转辙机、应答器等）来计算列车移动授权。CTCS列车和CBTC列车向同一个控制中心报告其位置和运行状态，服从同一个控制中心的调度。区别在于：CBTC系统利用ZC和车地无线通信网络，CTCS系统利用地面列控中心和调度集中数据网，实现信息通信。

图2 CTCS与CBTC切换方案

图3 CTCS与CBTC叠加覆盖方案

图4 CTCS-2叠加CBTC信号系统层级示意

CBTC系统在地面配置区域控制器ZC和列车精确停车应答器，部署相应的车地无线通信网络，为CBTC通信列车计算移动授权，同时确保非通信列车（CTCS列车）安全运行。CBTC车载层能够保障CBTC通信列车的安全完整性等级，实现列车进站精确停车、区间自动折返等自动驾驶相关功能。CTCS系统的轨旁层主要包括列控中心、临时限速服务器等，在固定闭塞条件下发送CTCS列车的移动授权。CTCS车载设备根据列车参数和地面设备提供的轨道电路信息、线路数据、临时限速等，按照“目标-距离”模式生成控制曲线，监控列车安全运行。重叠区域运行的列车可以分为能够进行车地无线通信的CBTC列车和不能进行车地无线通信的非通信列车（CTCS列车）2种。

该方案的优点是保障CBTC列车和CTCS列车能够在重叠区域进行安全可靠的混合运行，一定程度上提升了重叠区域的行车效率；不需要设置切换区域，对线路条件的要求低；全线都能纳入CTCS干线铁路网络管理，维护国铁调度网络的完整性。缺点是由于重叠区域内有CTCS列车和CBTC列车混合运行，列车不是全部以移动闭塞方式运行，重叠区域的行车效率不能最大化。因此，CTCS与CBTC同时叠加的覆盖方案适合应用在线路不满足改造条件，对核心区域列车运行效率要求一般的跨区域衔接线路，特别是一些需要提高运行效率的旧线改造项目。

从适应性的角度，总结了目前可以实现区域联动、多制式协调的3种信号系统技术方案的优缺点、适用条件和实际开通项目，具体见表2。

表2 3种技术方案的比较

3 总结

由于现有的信号系统解决方案不能完全满足“四网融合”的需求，本文提出了3种适用于区域轨道交通联动的铁路信号系统技术方案，这是目前应对亟待开通或改造的区域轨道交通联动项目较为合理的方案。这些方案的本质是将现有的成熟系统组合起来，达到适应多种制式的目的，实际上还是会造成一定的设备重复及兼容性问题。随着城镇化水平和居民出行需求的不断提高，区域轨道交通的未来发展需求，将不再仅仅是区域联动、多种制式信号系统的协调，更有协同运营、综合维护、多制式协同应急处置、一体化联动指挥等一系列的安全保障需求。从根本上来说，研制基于一体化平台的多制式、全专业的成套系统装备，达到数据综合、资源共享、管控一体、负载均衡、综合承载等各个方面的特殊要求，才能更好地服务于区域轨道交通发展，为出行乘客提供一站式全出行链的服务，在区域范围内形成多层次的综合交通体系，助力中国大城市群化、大都市区化的快速发展。