多网融合下的市域铁路列车控制系统方案研究

王珮瑶

(中铁二院工程集团有限责任公司， 610031， 成都∥高级工程师)

1 不同信号制式轨道交通线路间互联互通的必要性

从宏观层面看，市域铁路既不是国家铁路(以下简称“国铁”)高速客运专线，也有别于城市轨道交通，其自成体系、独立运营。建设市域铁路是推进我国城镇化发展大背景下产生的刚性需求，市域铁路重点为城镇居民的日常出行提供服务，并辅以相应的功能配套，承担“内聚外联”的重要功能。即：在城市外部与国铁相连，在城市内部与城市轨道交通连接，使城市轨道交通、市域铁路、国铁之间能互联互通或便捷换乘。

实现轨道交通线路间的互联互通运营是轨道交通建设最理想的模式，可提高运输组织的灵活性，节约大量的人力、物力，符合国铁干线、城际铁路、市域铁路及城市轨道交通“四网融合”模式的发展要求。信号系统是保障轨道交通线路安全运行和高效运营的重要系统，本文针对当前轨道交通建设中互联互通的实际需求，提出市域铁路信号系统下一步应重点研究的内容，以期为多网融合下市域铁路信号系统互联互通性设计提供参考，为不同信号制式轨道交通的互通性发展提供思路。

2 市域铁路列车控制系统选型方案

公交化运营是我国市域铁路建设与运营的首要需求，因此市域铁路对线路折返能力的要求较高。目前，在我国市域铁路列车控制(以下简称“列控”)系统中，应用较多的是国铁CTCS(中国列车运行控制系统)和城市轨道交通ATC(列车自动控制)系统。

2.1 国铁CTCS-2(中国列车运行控制系统2级)+ATO(列车自动运行)系统

由中国铁路总公司建设管理的国铁线路一般都采用CTCS系统。CTCS-2+ATO系统是指在CTCS-2基础上，根据线路的功能需求，新增了地面精确定位应答器、通信控制服务器、车载安全计算机ATO单元及车辆牵引制动接口等设备，以满足列车以250 km/h的最高速度运行的要求，线路的列车最短追踪间隔可达到3 min，并具备站间自动运行、车站定点停车、车站通过及列车运行自动调整等功能。因此，CTCS-2+ATO系统综合了高速铁路和城市轨道交通的列控技术特点，可实现与采用CTCS-2、CTCS-3(中国列车运行控制系统3级)的国铁线路互联互通。

CTCS-2+ATO系统主要由CTC(调度集中)系统、CTCS-2、车站联锁系统、信号集中监测系统及ATO等构成。

2.2 城市轨道交通ATC系统

由城市轨道交通部门建设管理的城市轨道交通线路一般采用ATC系统，现在应用较多的是CBTC(基于通信的列车控制)系统。CBTC系统主要由ATS(列车自动监控)、ATP(列车自动防护)、ATO、联锁、DCS(数据通信子系统)等子系统构成，车辆基地一般采用计算机联锁和微机监测系统，车地通信多采用LTE(长期演进)技术方案。CBTC系统可车地双向通信，在正线区间一般可实现90 s的列车最短追踪间隔，在车站及折返站可实现2 min的行车间隔，线路的运营调整能力强。

但是，CBTC系统也存在以下问题：① 技术标准和技术体系与国铁CTCS制式不一致，无法实现与既有国铁/城际铁路的互联互通；② 与CRH6系列车辆的接口配合不够成熟；③ ATS子系统适合单线路调度指挥，如要实现跨线调度指挥，需在ATS系统上层开发设置线网调度指挥系统。

2.3 CTCS-2和CBTC双车载设备方案

2.3.1 方案描述

基于市域铁路与国铁、城市轨道交通跨线运行的需求，结合国外轨道交通的发展经验，可以认为各轨道交通网络间的互联互通运营是不可避免的发展趋势，这也是影响列控系统技术发展的重要因素。本文以CBTC线路单向跨线运行至CTCS线路为例，对不同制式信号系统间互联互通方案的可行性进行分析。

CTCS-2和CBTC双车载设备方案(以下简称“双车载方案”)是指为同时满足市域铁路折返能力(一般约为3 min)和互联互通的需求，在市域铁路采用CBTC系统，并在跨线运营的列车上同时加装CBTC和CTCS-2两套车载系统，通过人工操作方式实现CBTC制式市域线路与CTCS制式国铁线路的互联互通。双车载方案在列车的车头及车尾各安装一套CTCS-2车载设备和CBTC车载设备，其系统结构如图1所示。

注：DMI——人机交互界面； GSM-R——铁路数字移动通信系统； LTE-M——城市轨道交通车地综合通信系统； TCR——轨道电路接收器； BTM——应答器传输模块； RS——通讯接口； 主控是主控制器的简称; CTCS目前一般多采用CTCS-2。

基于双车载方案，采用了CBTC制式的市域线路，其轨旁只需设置CBTC系统设备，列车在本线采用CBTC制式，按照移动闭塞方式运行。列车运行至采用CTCS制式的国铁线路后，其信号系统将切换为CTCS-2列控制式。该方案可同时满足CBTC线路单向跨线运行至CTCS线路的互联互通需求，并可在市域铁路上实现公交化运营。但是，该方案不支持CTCS制式的国铁列车跨线运行至CBTC制式的市域铁路。

2.3.2 双车载方案存在问题

双车载方案在CTCS-2+ATO系统、CBTC系统基础上进行了一定程度上的整合，但仍存在以下问题：

1) CBTC系统对CTCS-2+ATO系统的干扰问题。为实现CBTC线路与CTCS线路的互联互通，双车载设备方案需共用车载天线、HMI(人机接口)、测速设备、车辆接口等部分外围设备，因此，两线的车地设备存在互相干扰的可能性。需对CBTC系统与CTCS-2+ATO系统的兼容性作进一步研究，证明CBTC系统对既有CTCS-2+ATO系统无任何干扰后，方可在既有国铁/城际铁路上应用双车载设备方案。为此，待信号厂商明确设计方案后，应将实施方案提交既有国铁/城际铁路部门审核，以判断能否可以实现互联互通。

2) 安装空间问题。车载系统机柜、HMI、天线、速度传感器及加速度仪等设备在安装空间上可能存在不足，需进一步与车辆厂商进行沟通，协商具体解决措施。

2.4 CBTC和CTCS-2一体化车载设备方案

2.4.1 方案描述

信号系统已开始向不同制式多网融合的技术方向发展，兼容CBTC和CTCS的信号系统已经成为信号系统技术发展的方向。CTCS-2和CBTC一体化车载设备方案(以下简称“一体化车载方案”)是指只使用一套车载设备，该设备可以兼容CBTC和CTCS-2+ATO 两种信号制式。

与双车载方案相比，一体化车载方案有如下优点：① 可支持城市轨道交通公交化运营，线路可双向运行，列车追踪间隔短，线路折返效率高；② 可兼容不同的信号制式，支持采用CTCS-2、CTCS-2+ATO、CBTC等列控系统的列车在线路上混跑；③ 高度自动化，可实现移动闭塞CBTC运营；④ 支持跨线互通，可实现市域内各轨道交通线路间列车的互联互通。一体化车载方案在列车的车头及车尾各安装一套一体化车载设备，其系统结构如图2所示。

中国铁路总公司在2019—2020年立项的科研课题《基于海南东环CTCS-2叠加CBTC实现高速铁路能力提升的方案研究》目前已完成理论研究且结题，相关结论认为研究方案可行。信号厂商也在积极研究一体化车载方案的可行性。但是，一体化车载方案至今尚无实际的工程应用。此外，一体化车载方案与双车载设备方案类似，均存在相应的行政审批问题。

注：VOBC——车载控制器。

2.4.1.1 信号系统车载兼容方案

为了同时兼容CTCS-2系统和CBTC系统，减少科研开发的难度，一体化车载系统方案要尽可能利用既有CTCS-2、CBTC系统的成熟经验，复用既有信号系统设备，如CTCS-2系统的列控中心、临时限速服务器、ZPW2000设备，以及CBTC系统的区域控制器等。此外，联锁设备、CTC设备、车载设备均属于通用产品，在CTCS-2、CBTC中均有应用，可以考虑在既有产品上进行升级、改造。

2.4.1.2 行车调度指挥系统方案

行车调度指挥上，CBTC制式线路采用ATS系统，CTCS制式线路采用CTC系统。为实现不同制式线路运输组织的无缝衔接，需考虑ATS系统与CTC系统的协调指挥。综合考虑管理权限等因素，建议CBTC制式线路与CTCS制式线路采用由各自线路OCC(运营控制中心)分别进行调度指挥的方案，即：CBTC制式线路的OCC对在本线运行的列车进行实时监控和调度指挥；当CBTC列车进入CTCS制式线路共线段运行后，车载设备采用CTCS-2系统制式，改由CTCS制式线路的CTC系统统一调度指挥。

不同信号制式线路的调度需根据客流情况，定期协商列车开行计划，编制无缝衔接的列车运行图。每日运营开始前，ATS和CTC应互传并确认当日互联互通列车运行图。ATS和CTC按照各自的规则在各自线路上遵照列车运行图监控列车运行，并将各自的实际运行图(至少包含互联互通区域的列车运行图)互传对方，以方便接轨站进行运行冲突检查及列车运行调整。

上述行车调度指挥方案尚未在实际线路上应用。为此，一方面需加快技术研究，解决ATS与CTC间的接口问题；另一方面，两个运营管理主体需互认相关标准，需针对运营衔接和协调指挥等方面制定配套的规章制度。

2.4.2 一体化车载方案存在问题

对于列车自动防护功能，CTCS线路是由联锁和TCC(列控中心)来保证，CBTC线路是由ZC(区域控制器)来保证。TCC和ZC均是通过安全认证且有大量现场应用业绩的产品，但其列车追踪安全防护的有效性仅是在单一的CBTC或CTCS-2模式下得以验证的。因此，对于CBTC和CTCS-2两种信号制式下列车混跑的情况，需对各种不同的列车运行场景进行分析，并应在工程试验过程中结合具体的试验进展作进一步的讨论与功能验证，如遇问题还应给出解决方案。

3 市域铁路兼容性车载信号系统的展望

目前能够兼容CTCS和CBTC的信号系统正在研发当中，但该系统的研发进程及与车辆接口、具体应用场景等相关的工程应用接口仍需实际的项目予以支撑。因此，目前多数城际铁路车站仍通过线间换乘来实现客流的交换运输。此外，CTCS-4(中国列车运行控制系统4级)已基本研发完成并投入试验，该系统采用移动闭塞方式，能够提供更好的系统能力，且可与CTCS-2或CTCS-3级线路互联互通。

从技术角度看，国铁采用的CTCS系统具有完整的技术体系，针对列车最高运行速度的不同等级需求有着相应级别的CTCS系统，且系统间可实现互联互通，因此从功能需求、工程应用、市场开放及性价比等方面分析，CTCS系统优势较为明显，但CTCS系统仍缺乏列车最小行车间隔可达3 min的实例应用；城市轨道交通采用的ATC系统可为列车最高运行速度为160 km/h的线路提供服务，但ATC的系统接口较为复杂。与此同时，ATC系统与CTCS系统之间的互联互通还需要新技术的支撑。

从经济效益看，城市轨道交通线路的工程造价约为1 000万元/km～1 300万元/km，与国铁线路相比工程造价较高。CBTC系统在地面设置区域控制中心，铺设计轴、应答器及信号机等设备，其维护难度和运营成本也较高。

在实际的工程运用中，选择市域铁路信号列控系统时，需综合考虑建设主体、互联互通需求和经济效益等具体条件。此外，市域铁路的建设还需突破体制、机制的阻碍，推行顶层设计，形成自上而下的合作协调机构与机制，在规划定位、技术体系、建设及监管等方面确立明确的标准及政策，以支撑市域铁路的规范化发展。

同时建议在工程进展中，时刻关注兼容性车载信号系统的发展情况，利用既有信号厂商的技术储备，研发满足互联互通及公交化运营需求的新型车载信号系统。在条件具备时，应适时引入新技术，共享线路资源，以期用最少的工程投资实现相对最好的运营功能，使市域铁路更安全、更高效、更经济、更便捷。