市域軌道交通信號系統(tǒng)方案選擇芻議

鄧志翔

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

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市域軌道交通信號系統(tǒng)方案選擇芻議

鄧志翔

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,430063,武漢∥高級工程師)

市域軌道交通是我國交通運輸體系的一個重要組成部分,其信號系統(tǒng)的選擇應(yīng)遵循市域軌道交通的實際工程特點及運營需求。針對目前國內(nèi)3種主流信號系統(tǒng)——CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)、點式ATC(列車自動控制)系統(tǒng)和CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))-2+ATO(列車自動運行)系統(tǒng)——進行了分析和對比,闡明了3種系統(tǒng)在市域軌道交通運營需求下的優(yōu)缺點,并給出了信號系統(tǒng)選擇的建議。

市域軌道交通; 信號系統(tǒng); 運營需求; 點式列車自動控制系統(tǒng)

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

隨著城市化進程的加快,城市規(guī)模不斷擴大。然而，我國鐵路干線的速度目標值均在160 km/h以上,客運專線和高鐵的設(shè)計速度分別為250 km/h和350 km/h,主要服務(wù)于長距離、大運量的客流,其服務(wù)半徑一般在70 km以上，因此國鐵干線無法解決單一城市內(nèi)部的交通運輸問題。而在城市內(nèi)部，中心城區(qū)的城市軌道交通設(shè)施由于其高昂的工程造價和較為漫長的工期,往往無法適應(yīng)新城區(qū)的快速增長。城市軌道交通的速度目標值一般不超過100 km/h,主要服務(wù)于中心城區(qū)的通勤客流,其服務(wù)半徑一般不超過35 km。

市域軌道交通概念的提出,旨在為主城和衛(wèi)星城、組團城區(qū)之間以及沿途城鎮(zhèn)的客流出行提供快速、大容量、公交化運營的公共交通服務(wù),滿足大型城市的經(jīng)濟發(fā)展需求,促進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展，帶動沿線經(jīng)濟及社會進步[1]。市域軌道交通是立足于國鐵干線網(wǎng)與城市軌道交通之間的新型軌道交通模式,是我國軌道交通運輸體系中的重要組成部分。

國外的市域軌道交通一般稱為市郊鐵路(Suburban Railway),主要提供通勤服務(wù),也稱通勤鐵路(Commuter Rail)。市郊軌道交通對城市功能的支撐起到非常大的作用，在國外特大城市占整個軌道交通線路長度的70%以上(見表1)。

表1 部分國外特大城市地鐵及市郊鐵路規(guī)模表 km

現(xiàn)階段,我國在建和規(guī)劃的市域軌道交通類型的項目較多,主要包括溫州市域鐵路S1～S4線,昆明市域軌道交通嵩明線,南京市域軌道交通S1、S2線,以及《浙江省都市圈城際鐵路近期建設(shè)規(guī)劃》中所批復(fù)的杭州、寧波、金華、臺州4大都市圈共11條軌道交通線路,等等。另外,近期北京市規(guī)劃了近1 000 km的市域快軌,重慶市也規(guī)劃了近2 000 km的市域軌道交通。

目前,市域軌道交通的建設(shè)正處于起步階段,沒有既定的規(guī)范和建設(shè)模式可遵循。另外,鑒于市域軌道交通特殊的服務(wù)對象和自身的運營特點,其信號系統(tǒng)應(yīng)借鑒我國國鐵和城市軌道交通信號系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗,同時應(yīng)積極響應(yīng)國家對交通運輸系統(tǒng)互聯(lián)互通和資源共享的指導(dǎo)方針,在滿足運營需求、技術(shù)先進、系統(tǒng)成熟、經(jīng)濟合理的原則下,選擇并確定市域軌道交通信號系統(tǒng)方案[2]。

1 市域軌道交通的工程特點及運營需求

1.1 工程特點

市域軌道交通的功能定位介于國鐵干線和城市軌道交通之間。相比國鐵干線，市域軌道交通更具公交化運營特點,其運營需求和工程體量更接近于城市軌道交通。相比城市軌道交通,市域軌道交通在工程體系上具有如下特點:

(1) 工程規(guī)模：線路運營里程較長,單一工程規(guī)劃一般在50～100 km。區(qū)間和車站均以高架為主,中心城區(qū)或跨江(河、湖)區(qū)域采用隧道方式。

(2) 平均站間距：一般不小于3 km,最長站間距可達到5～8 km。

(3) 速度目標值：一般線路允許最高運行時速為120～160 km/h,且旅行速度不低于50 km/h。

(4) 行車密度：一般初、近期高峰時段的最小行車間隔在5 min以上,遠期則不小于2.5 min。

(5) 公交化運營模式：乘客即到即走,無需對票入座。一般采用站站停的運營方式;當運量增長且具有相關(guān)需求之后,可開行大站快車。

1.2 運營需求

1.2.1 互聯(lián)互通、資源共享需求

隨著城市化進程的加快,城市的土地資源更顯珍貴,人力成本節(jié)節(jié)攀升。目前,城市軌道交通仍是采取一線一特色的建設(shè)現(xiàn)狀,對于建設(shè)和運營方而言,品類繁多的機電設(shè)備維護保養(yǎng)將消耗大量人力、物力和財力。市域軌道交通是新興領(lǐng)域,若能在線網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)之初便以互聯(lián)互通、資源共享為建設(shè)目標,那么將會帶來以下便利:

(1) 其建設(shè)將符合國家對于軌道交通互聯(lián)互通的政策導(dǎo)向;

(2) 線網(wǎng)內(nèi)部運營車輛可統(tǒng)一調(diào)配、減少備用車輛,共享檢修資源,減少工程用地;

(3) 各機電設(shè)備的備品備件可大幅減少,降低工程造價和檢修難度;

(4) 便于運營、維護、司乘人員在線網(wǎng)內(nèi)部的調(diào)用,減少人力資源成本。

1.2.2 列車自動駕駛的需求

市域軌道交通一般采用高架敷設(shè)線路,部分區(qū)間還可能設(shè)置路基和隧道段,線路起伏坡度較大;為了避開城市建筑物,減小拆遷量,局部區(qū)段的轉(zhuǎn)彎半徑較小。為了實現(xiàn)公交化運營模式,列車在線路上運行時每隔幾分鐘便要進站停車。若采用司機人工駕駛列車,司機必須精神高度集中,緊盯列車速度曲線來推送速度桿,容易緊張和疲勞。一旦高峰時期出現(xiàn)列車晚點,人工駕駛很難“趕點”,后續(xù)列車運營時刻必須順延。

另一方面,ATO(列車自動運行)自動駕駛相較人工駕駛具有以下優(yōu)勢:①可實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的合理控制,自動實現(xiàn)列車起動、加速、巡航、惰性及制動等基本自動駕駛功能,保障列車運營的準點率;②合理加速和制動列車,提高旅客的舒適度;③實現(xiàn)節(jié)能運行;④站臺精確定位和停車,并實現(xiàn)車門與站臺門的聯(lián)動。故ATO自動駕駛是市域軌道交通重要的運營需求之一。

2 市域軌道交通的信號系統(tǒng)

鑒于上述市域軌道交通的工程特點和運營需求,可適用的主流信號系統(tǒng)包括:

(1) 基于通信的列車自動控制(CBTC)系統(tǒng);

(2) 基于ETCS(歐洲列車運行控制)-1平臺的點式ATC(列車自動控制)系統(tǒng);

(3) 國鐵CTCS(中國列車運行控制系統(tǒng))-2 + ATO系統(tǒng)。

2.1 CBTC系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)移動閉塞,大大提高了線路的通過率,增加了運營效率,尤其適用于大客流、高密度的城市軌道交通工程。

CBTC系統(tǒng)的原理如圖1所示。軌旁ATP(列車自動防護)地面設(shè)備周期性地接收本控制范圍內(nèi)所有列車傳來的列車識別號、位置、方向和速度信息;ATP地面設(shè)備根據(jù)接收到的列車信息,確定各列車的移動授權(quán),并向本控制范圍內(nèi)的每列列車周期性地傳送移動授權(quán)(ATP防護點)的信息。移動授權(quán)由前行列車的位置來確定,移動授權(quán)將隨著前行列車的移動而逐漸前移。ATP車載設(shè)備根據(jù)接收到的移動授權(quán)信息以及列車速度、線路參數(shù)、司機反應(yīng)時間等,計算出列車的緊急制動觸發(fā)曲線和緊急制動曲線,以確保列車不超越現(xiàn)有的移動授權(quán)。因此在移動閉塞系統(tǒng)中,ATP防護點不是在軌道區(qū)段的分界點,而是在前行列車車尾后方加上安全距離的位置,它隨著列車的移動而移動。后續(xù)列車可最大限度地接近前行列車尾部,與之保持一個安全距離。在保證安全的前提下,CBTC系統(tǒng)能最大程度地提高區(qū)間通過能力。

圖1 CBTC系統(tǒng)原理圖

CBTC系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能日趨一致或接近的情況下,車-地雙向連續(xù)通信方式是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)車-地數(shù)據(jù)通信方式的不同,又可將CBTC分為以下兩種系統(tǒng):基于交叉感應(yīng)環(huán)線方式的環(huán)線CBTC系統(tǒng)(CBTC-L);基于無線通信方式的無線CBTC系統(tǒng)(CBTC-R)。

目前,由于環(huán)線CBTC系統(tǒng)的供貨商單一,且不具備互聯(lián)互通性,因此限制了其更廣泛的應(yīng)用;無線CBTC系統(tǒng)則成為了軌道交通主流信號系統(tǒng)。而無線CBTC系統(tǒng)根據(jù)車地無線通信技術(shù)的不同,可以分為基于WLAN(無線局域網(wǎng))的CBTC和基于LTE(Long Term Evolution，長期演進)的CBTC系統(tǒng)。

2.1.1 基于WLAN無線通信的CBTC系統(tǒng)

WLAN擴頻通信即擴展頻譜通信,CBTC系統(tǒng)中的無線擴頻通信多采用開放ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療)頻段2.400 0～2.483 5 GHz,也可采用5.725～5.850 GHz頻段。近年來,國內(nèi)幾乎所有城市軌道交通項目的信號系統(tǒng)均采用的是CBTC-WLAN系統(tǒng),如上海軌道交通10、11、12、13、16號線,廣州地鐵5、6號線,北京地鐵4號線、10號線、亦莊線,鄭州地鐵1號線,武漢地鐵2、4號線,杭州地鐵1、2、4號線,寧波軌道交通1號線、昆明首期工程等。

然而由于WLAN擴頻通信技術(shù)的局限性,工況條件下可靠的移動接入速度一般不超過100 km/h,且WLAN技術(shù)的抗干擾能力相對較弱,容易出現(xiàn)無線受擾、列車無法接收移動授權(quán)導(dǎo)致列車緊急制動等問題。因此基于WLAN的CBTC系統(tǒng)在時速120～160 km/h、高架線路居多的市域軌道交通中難以得到應(yīng)用。

2.1.2 基于LTE無線通信的CBTC系統(tǒng)

LTE移動通信是近年來熱門的主流無線通信技術(shù),也是無線通信技術(shù)的發(fā)展方向,其相關(guān)參數(shù)和性能全面優(yōu)于WLAN。LTE移動通信技術(shù)還具備傳輸帶寬高、移動接入性強、抗干擾能力強、頻譜申請靈活、上下行資源可調(diào)配等特點。國內(nèi)主流通信設(shè)備廠商也在350 km/h的高速鐵路上對LTE系統(tǒng)的接入性做了相關(guān)研究和試驗,驗證了高速移動下接入的可靠性。北京地鐵燕房線、上海軌道交通6號線試車線上,均對信號系統(tǒng)采用LTE技術(shù)進行試驗和試用;武漢地鐵6號線即將成為我國第一條基于LTE的CBTC運營線路,于2016年底通車運營。另外,現(xiàn)階段規(guī)劃中的軌道交通項目均是采用LTE作為CBTC的車地無線通信方案。鑒于此,基于LTE的CBTC系統(tǒng)同樣可以適應(yīng)于市域軌道交通的工程條件。

另一方面,中國城市軌道交通協(xié)會于2016年正式發(fā)布了《城市軌道交通基于通信的列車自動控制系統(tǒng)(CBTC)接口規(guī)范-互聯(lián)互通接口規(guī)范》,為實現(xiàn)CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通掃清了障礙。然而CBTC的互聯(lián)互通至今尚沒有成熟案例,有待進一步驗證。

CBTC-LTE系統(tǒng)應(yīng)用于市域軌道交通中,其優(yōu)勢在于:系統(tǒng)成熟、可靠,自動化程度高，可以實現(xiàn)移動閉塞,能適應(yīng)大運量、高密度運營需求。其劣勢在于:工程造價較高,在初、近期較大列車時間間隔的線路上應(yīng)用性價比不高，互聯(lián)互通方面尚無成熟應(yīng)用[3]。

2.2 基于ETCS-1平臺的點式ATC系統(tǒng)

ETCS控制系統(tǒng),在2001年由歐盟立法確定其為歐盟國家鐵路列車控制系統(tǒng)的強制性技術(shù)規(guī)范,目的是為了保證高速列車在歐洲鐵路網(wǎng)內(nèi)互聯(lián)互通。其中ETCS 1級(即ETCS-1)主要是由有源和無源的歐式應(yīng)答器(Eurobalise)、線路電子單元(LEU)、車載控制計算機設(shè)備(EVC)組成,并與計算機聯(lián)鎖設(shè)備結(jié)合實現(xiàn)列車運行控制。目前,ETCS-1平臺中主要采用計軸設(shè)備來實現(xiàn)軌道區(qū)段占用、檢測功能,并通過有源應(yīng)答器向列車發(fā)送移動授權(quán),實現(xiàn)點式ATP系統(tǒng)的超速防護功能。

基于ETCS-1平臺的點式ATC系統(tǒng)可視為簡化的CBTC系統(tǒng),即CBTC的車載控制平臺與ETCS-1標準的軌旁設(shè)備相結(jié)合的系統(tǒng),亦可稱為ETCS/CBTC系統(tǒng)。它取消了CBTC系統(tǒng)在區(qū)間的車地無線通信設(shè)備,列車在區(qū)間中按照“點式”方式行車,即在區(qū)間采用歐式應(yīng)答器點式通信方式上傳列車移動授權(quán),控制列車安全運行;在車站(含折返線、存車線等)及站臺接近區(qū)域布設(shè)無線通信設(shè)備(該區(qū)域內(nèi)列車運行速度較低,不存在車地無線通信連接可靠性問題),可實現(xiàn)列車精確停車、站臺門車門聯(lián)動、站臺區(qū)域防護、無人自動折返、臨時限速等功能。圖2為點式ATC系統(tǒng)原理圖。

圖2 點式ATC系統(tǒng)原理圖

點式ATC系統(tǒng)在列車運行控制方面采用準移動閉塞控制方式[4]。利用閉塞分區(qū)控制列車的運營間隔,在每個閉塞分區(qū)的入口設(shè)置信號機,每架信號機配置有源應(yīng)答器。ATS(列車自動監(jiān)控)子系統(tǒng)結(jié)合聯(lián)鎖子系統(tǒng),根據(jù)列車的運行和進路設(shè)置情況編制列車運行移動授權(quán)信息,發(fā)送給LEU(軌旁電子單元)。LEU設(shè)備進行編碼后通過有源應(yīng)答器發(fā)送至列車,車載設(shè)備將根據(jù)獲得的移動授權(quán)信息,結(jié)合無源應(yīng)答器提供的線路數(shù)據(jù)以及列車自身的運行數(shù)據(jù),按照速度-目標模式計算列車的運行控制曲線,實現(xiàn)列車運營間隔及安全間隔的控制、超速防護,也可實現(xiàn)ATO列車自動駕駛[5]。

點式ATC系統(tǒng)基于ETCS-1平臺,所有軌旁設(shè)備均是標準化產(chǎn)品,通信接口和協(xié)議均為開放式,國內(nèi)主流信號設(shè)備均是在ETCS平臺上衍生而來。因此只要規(guī)范車地通信接口及原則,點式ATC系統(tǒng)即可依此實現(xiàn)市域軌道交通線網(wǎng)內(nèi)部互聯(lián)互通和資源共享?；贓TCS-1的點式ATC系統(tǒng)在溫州市域鐵路S1、S2線,南京S1線中得到了應(yīng)用。

點式ATC系統(tǒng)應(yīng)用于市域軌道交通中,其優(yōu)勢在于:系統(tǒng)架構(gòu)簡單,區(qū)間設(shè)備少,后期維護量較小;工程造價較低,適應(yīng)市域軌道交通初、近期中運量的運營需求,性價比高;遠期客流上升,點式ATC可平滑升級至CBTC,實現(xiàn)更小間隔的運營需求。依據(jù)ETCS標準可實現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)部的互聯(lián)互通。其劣勢在于:由于區(qū)間采用點式方式控車,系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)能力稍弱,不利于復(fù)雜工況(如大站快車等)。

2.3 CTCS-2+ATO系統(tǒng)

CTCS控制系統(tǒng)是我國列車控制系統(tǒng)的標準平臺，實現(xiàn)了國鐵線網(wǎng)內(nèi)的互聯(lián)互通及資源共享。其中CTCS-2級是我國城際鐵路的主要信號方案,主要由調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)、CTCS-2級列車運行控制系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成,是一個以調(diào)度中心為龍頭，車站設(shè)備為基礎(chǔ)，通信網(wǎng)絡(luò)為骨架,集中調(diào)度指揮、行車控制、設(shè)備集中監(jiān)測等功能于一體的自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 CTCS-2系統(tǒng)原理圖

我國城際鐵路采用的都是CTCS-2列車運行控制系統(tǒng)。為適應(yīng)公交化運營需求,在CTCS-2的基礎(chǔ)上疊加了ATO功能,實現(xiàn)了站間自動運行、車站定點停車、自動折返、列車運行自動調(diào)整、車門站臺門防護及聯(lián)動控制、列車節(jié)能運行等功能。CTCS-2+ATO系統(tǒng),在珠三角城際線路中得到了應(yīng)用[6]。

CTCS-2+ATO系統(tǒng)應(yīng)用于市域軌道交通中,其優(yōu)勢在于:系統(tǒng)成熟、可靠,自動化程度高;工程造價低,適應(yīng)低密度運營的市域軌道交通線路,性價比高;依據(jù)CTCS標準可實現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)部的互聯(lián)互通。

其劣勢在于:軌旁設(shè)備較多,后期維護量較大;其ATO功能基于GSM-R(Globle System of Mobile for Railway)平臺開發(fā),地方業(yè)主難以取得GSM-R的頻率資源;CTCS平臺尚無3 min以內(nèi)的運營業(yè)績,不確定是否能適應(yīng)線路遠期的運營需求。

3 結(jié)論

目前,隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快,市域軌道交通即將迎來全面建設(shè)的高峰期。然而市域軌道交通還處于發(fā)展的初始階段,缺乏相關(guān)的工程經(jīng)驗和建設(shè)規(guī)范。作為市域軌道交通中負責安全和效率的信號系統(tǒng),其方案的選擇和確定則更顯重要。

根據(jù)上文分析,CBTC-LTE、點式ATC、CTCS-2+ATO均可作為市域軌道交通的信號系統(tǒng),三者應(yīng)用于市域軌道交通卻各有優(yōu)缺點。然而信號系統(tǒng)的選擇必須切實依據(jù)運營需求,可遵循如下原則:

(1) 市域軌道交通為某既有城市軌道交通線路的延伸線,或需要與既有城市軌道交通實現(xiàn)貫通運營,或可以預(yù)見在線路開行不久即將面臨客流爆發(fā)式增長達到高密度運營的線路,建議采用CBTC-LTE系統(tǒng)。

(2) 市域軌道交通作為城市的新型、獨立的交通運輸體系,只需實現(xiàn)市域軌道交通線網(wǎng)內(nèi)部的互聯(lián)互通,且可預(yù)見的客流增長較為緩慢,運營列車時間間隔要求較低的線路,建議采用點式ATC系統(tǒng)。

(3) 市域軌道交通由鐵路總公司參與建設(shè),且需要與國鐵互聯(lián)互通,則必須采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)。

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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)