重慶城軌快線列控系統(tǒng)選型分析

劉實秋

(中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023)

隨著城市規(guī)模不斷擴大，為有效縮短中心城區(qū)與外圍組團之間的時空距離，城市軌道交通快線（簡稱“城軌快線”）規(guī)劃和建設應運而生[1]，在各系統(tǒng)中，列車運行控制系統(tǒng)（簡稱“列控系統(tǒng)”）制式的選擇將直接制約線路運營能力及服務水平。

1 重慶城軌快線線網

2019年3月，重慶市編制了《重慶市城市軌道交通第四期建設規(guī)劃（2019～2024年）》，如圖1所示,規(guī)劃城軌快線線網總長約482 km，遠期形成主城區(qū)內“兩縱四橫”、主城區(qū)外“三射線”格局，對內承擔快速運輸服務功能，對外強化環(huán)主城地區(qū)與中心城區(qū)聯系。最高運行速度120～140 km/h，平均站間距3.48～5.51 km，最小運營間隔2.5 min，對照站間距與旅行速度的關系[2]，旅行速度大于65 km/h，可實現機場、火車站等重要門戶樞紐設施與城市中心、副中心30 min直達。

圖1 重慶城軌快軌線網規(guī)劃Fig.1 Chongqing urban rail express network planning

2 列控系統(tǒng)需求分析

2.1 符合城市規(guī)劃角度

2019年2月，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會（以下簡稱：國家發(fā)展改革委）提出在有條件地區(qū)編制都市圈軌道交通規(guī)劃，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網”融合[3]。隨即，重慶市提出推動國鐵干線、市域鐵路、城市軌道交通“三鐵”融合，構建全域“一張網、多模式、全覆蓋”的軌道交通體系[4]，主城區(qū)周邊城鎮(zhèn)組團構建“一環(huán)九射”鐵路公交化路網[5]。

從符合城市規(guī)劃角度，重慶城軌快線處于“三鐵”融合承上啟下重要地位，應具備與市域鐵路過軌運行條件。

2.2 促進行業(yè)發(fā)展角度

立足智能交通發(fā)展戰(zhàn)略，國家發(fā)展改革委要求軌道交通行業(yè)積極發(fā)展列車自動控制系統(tǒng)[6]，重點突破軌道交通自動駕駛智能技術[7]。中國國家鐵路集團有限公司提出在2021～2025年突破全面感知的列車無人駕駛（GOA3），在2026～2035年，探索全自動無人駕駛（GOA4），實現鐵路運營全面自主操控、無人化[8]。

為提升城市軌道交通自動化水平，實現互聯互通、全自動運行，中國城市規(guī)劃協(xié)會發(fā)布了《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）》《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯互通系統(tǒng)》《城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)》等系列規(guī)范，用以指導城市軌道交通工程設計。

從促進行業(yè)發(fā)展角度，重慶城軌快線應積極應用LTE-M綜合承載、CBTC互聯互通、全自動運行（FAO）等新技術，支持軌道交通智能化發(fā)展。

2.3 執(zhí)行設計標準角度

國標《城市軌道交通線網規(guī)劃標準》規(guī)定，適用于快線的系統(tǒng)制式，可以是城軌制式，也可以是鐵路制式。

中國土木工程學會編制的《市域快速軌道交通設計規(guī)范》規(guī)定，適用于最高運行速度在120～160 km/h范圍內的市域快速軌道交通，可采用CBTC、iATC、CTCS2+ATO等系統(tǒng)。當遠期最小運營間隔小于3 min時宜采用CBTC系統(tǒng)，大于3 min時宜采用iATC系統(tǒng)。當市域快軌與國家干線鐵路網資源共享和互聯互通運營時，采用CTCS2+ATO系統(tǒng)。

中國鐵道學會編制的《市域鐵路設計規(guī)范》規(guī)定，設計速度100～160 km/h，采用單相工頻交流25 kV牽引供電的客運專線，可采用國鐵CTCS制式，也可采用城軌ATC制式，宜具備列車自動運行（ATO）功能。

從執(zhí)行設計標準角度，重慶城軌快線兼具國鐵和城軌特征，列控系統(tǒng)可選擇國鐵制式也可選擇城軌制式。

3 列控系統(tǒng)技術分析

重慶城軌快線最高運行速度120～140 km/h，采用單相工頻交流25 kV牽引供電，可選擇的列控系統(tǒng)制式有：CTCS2/3+ATO、iATC、CBTC、TACS系統(tǒng)。

3.1 CTCS2/3+ATO系統(tǒng)

1）CTCS2+ATO

CTCS2+ATO在CTCS-2系統(tǒng)基礎上，具備站間自動運行、車站定點停車、車門/站臺門防護及聯動控制等功能[9]，可與國鐵制式（CTCS0/2/3級）線路互聯互通。2016年3月，CTCS2+ATO系統(tǒng)首次在珠三角城際線上運營。

該系統(tǒng)兩端車載ATO不能信息交互，需要人工換端，只能實現半自動折返作業(yè)，時間較長（超過5 min）[10]，無法實現最小運營間隔2.5 min。

2）CTCS3+ATO

CTCS3+ATO在CTCS-3系統(tǒng)基礎上，具備車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動開門(防護)、車門/站臺門聯動控制等功能[11]。2019年12月，在京張高鐵正式線上運營。

與CTCS2+ATO相比，CTCS3+ATO車地無線通信交互功能由臨時限速服務器（TSRS）實現，站臺門防護功能由列控中心（TCC）實現，充分利用CTCS-3系統(tǒng)設備，降低了系統(tǒng)復雜度[12]。同CTCS2+ATO一樣，只能實現半自動折返作業(yè)，無法實現最小運營間隔2.5 min。

3.2 iATC系統(tǒng)

點（連）式ATC系統(tǒng)（iATC），是在固定閉塞基礎上發(fā)展起來的列控技術，已在溫州市域鐵路S1/S2線、南京S1線應用。iATC可實現列車自動駕駛、精確停車、站臺門車門聯動、站臺區(qū)域防護、無人自動折返等功能，適應初、近期中運量運營需求，可平滑升級至CBTC[13]。

iATC系統(tǒng)運行調整功能較弱，只能在車站、設有車地通信設備的信號機處實現運營調整，技術相對落后，不適應重慶城軌快線智能化發(fā)展。

3.3 CBTC系統(tǒng)

基于無線通信的移動閉塞ATC系統(tǒng)（CBTC），已廣泛應用于城市軌道交通建設中，理論上可實現90 s追蹤間隔，實際實現2 min最小運營間隔。從2014年開始，重慶4、5、10號線、環(huán)線開展了CBTC互聯互通研究和嘗試，至今已取得多項重大技術成果[14]。為進一步加強行車安全、提高運輸效率，在CBTC基礎上實施FAO系統(tǒng)，已在國外大量應用。FAO在CBTC基礎上新增功能配置，實現系統(tǒng)控制的遠程化、自動化，具有較高的安全性和可靠性[15]。2017年12月底，北京燕房線FAO系統(tǒng)開通試運營，至今國內北京、上海等多個城市已開展FAO線路建設或規(guī)劃，已成為城市軌道交通未來發(fā)展趨勢。

從滿足運營需求、技術先進性及系統(tǒng)成熟度來看，基于CBTC的FAO系統(tǒng)，符合重慶城軌快線智能化發(fā)展方向，宜為首選列控系統(tǒng)制式。

3.4 TACS系統(tǒng)

CBTC系統(tǒng)技術雖然已十分成熟并廣泛應用，但其系統(tǒng)接口過于復雜，不利于維護，且車-地通信數據流量較大，難以進一步縮短通信時延，近年來，多家科研單位已開展基于車-車通信的新型列控系統(tǒng)—列車自主運行系統(tǒng)（TACS）的研究。

與CBTC相比，TACS系統(tǒng)架構進行了優(yōu)化，將傳統(tǒng)車地兩層列控系統(tǒng)與車載網絡控制、牽引、制動等系統(tǒng)高度融合，形成以智能列車為中心的分布式控制系統(tǒng)[16]，提高了系統(tǒng)運行效率，同時降低了成本。青島已建成5 km長的TACS試驗線，并結合青島6號線示范工程實施，預期2022年開通運營。

從技術先進性來看，TACS是列控系統(tǒng)發(fā)展方向，但還處于研發(fā)階段，成熟度較低，且如何與其他系統(tǒng)關聯實現全自動運行還處于探索階段，不太適合立即在重慶城軌快線上廣泛應用。

4 列控系統(tǒng)經濟分析

目前，應用于市域范圍列控系統(tǒng)主要有CTCS2+ATO和CBTC，從系統(tǒng)功能及架構上看，二者相似，主要區(qū)別在于正線系統(tǒng)，以及因系統(tǒng)原理差異引起的土建工程和維護管理定員差異較大。

4.1 系統(tǒng)費用分析

CTCS2+ATO在CTCS-2系統(tǒng)基礎上，增加了車載ATO功能，對于地面正線系統(tǒng)來講，工程費用同CTCS-2差別不大。以重慶東環(huán)線機場支線為例，信號投資5 500萬元[17]，正線系統(tǒng)（不含無線通信）指標約192.98萬元/公里。

鐵四院在總結國內數十個城市軌道交通項目經驗后，以南京4號線一期工程為例，建立了CBTC標準模型[18]，扣除無線通信（WLAN）部分約150萬元/公里后，正線系統(tǒng)指標約577.81萬元/公里。

站間距對正線系統(tǒng)投資影響較大，通常來講，站間距越大，指標越低，成反比關系。重慶城軌快線站間距介于國鐵和城軌之間，按以下公式套用上述CTCS2+ATO/CBTC指標，結果如表1所示。

正線系統(tǒng)指標=正線系統(tǒng)指標（參考）×站間距（參考）÷站間距

從表1可以看出，采用CTCS2+ATO正線系統(tǒng)（不含無線通信）費用約為CBTC的1.7倍。

4.2 土建費用分析

CTCS2+ATO在信號機前設置列車安全保護區(qū)段，CBTC在信號機后設置，控制方式不同，導致土建工程造價存在差別。保護區(qū)段按60 m[19]計算，CTCS2+ATO相較于CBTC，有岔地下站兩端開挖斷面增加至少120 m，按照25 m跨度開挖0.86萬元/平方米指標估算，土建工程造價增加約2 580萬元/站。

表1 CTCS2+ATO/CBTC系統(tǒng)估算表Tab1 Investment estimation of CTCS2+ATO/CBTC

4.3 維護管理分析

就CTCS2+ATO和CBTC維護管理內容而言，主要區(qū)別在于區(qū)間區(qū)段占用檢查設備不同，CTCS2+ATO采用軌道電路，而CBTC采用計軸（點式后備模式），進而導致維管工作有區(qū)別。

CTCS2+ATO區(qū)間軌道電路一般按每雙線15 km配置1名維護人員，該標準是按照平均每1.2 km設置一段軌道電路制定的，考慮到重慶城軌快線大部分為地下線路，道砟電阻條件較差，為保證軌道電路可靠性[20]，宜按每0.6 km設置一段考慮，約每雙線7.5 km配置1名維護人員，即0.13人/公里。

CBTC按照點式后備模式6 min追蹤間隔配置計軸設備，約2.4 km設置一處，即雙線0.83 處/公里。參照國鐵“四顯示自動閉塞（主要為軌道電路）年換算道岔組數為0.84 組/公里，計軸為0.75 組/處”[21]，根據二者維護工作量比值，可計算出計軸需每34處配置1名維護人員，約每雙線41 km配置1名維護人員，即0.024 人/公里。

綜上所述，CTCS2+ATO維管定員約為CBTC的5.4倍。

5 結論及建議

從系統(tǒng)需求、技術、經濟等角度分析，均表明CBTC是重慶城軌快線列控系統(tǒng)最佳選型，既能滿足對內承擔城市快線服務功能運營需要，又能支持軌道交通智能化發(fā)展。但要實現城軌快線與市域鐵路貫通運營，推動“三鐵”融合，還需研究CBTC車載系統(tǒng)兼容CTCS-0/2制式技術。