市域鐵路列車運行控制系統(tǒng)方案選擇研究

童 超

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

0 引言

《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》明確了市域(郊)鐵路在發(fā)展大都市圈中的骨干地位作用，市域(郊)鐵路的建設目的是解決大都市與其組團間的交通通勤問題。如果市域(郊)鐵路與城市邊緣的交通接口順暢合理，則具有城市交通內(nèi)外銜接的重要功能。2015 年10 月，國家發(fā)展與改革委員會批復的海峽西岸城市群城際鐵路網(wǎng)近期建設項目包含漳州—港尾—廈門城際鐵路R3 線。R3 線處于規(guī)劃“一環(huán)、兩網(wǎng)”城際網(wǎng)“兩網(wǎng)”中的廈漳泉大都市區(qū)，連接漳州市區(qū)和廈門市本島，線路起自漳州站，經(jīng)漳州城區(qū)引入港尾鐵路支線，跨海后至廈門站，全長76 km[1]。

R3 線是利用在建的港尾鐵路改建而成，主要功能是加強了龍海組團、濱海新城與漳州主城區(qū)的聯(lián)系，符合漳州市加快沿海區(qū)域發(fā)展的城市空間發(fā)展要求，與R2 線組成服務漳州、廈門的城際環(huán)線。R3 線需要銜接的市域線路有R1 線(泉州—廈門—漳州)，R1 線全長187 km，主要功能是加強廈門對漳州和泉州的輻射作用，主要承擔沿線范圍三市中心城區(qū)間、三市城鎮(zhèn)間、城鎮(zhèn)與市區(qū)間短途旅客交流。R3 線需要銜接的城市軌道交通線路有廈門地鐵3 號線，3 號線島內(nèi)南延后與R3 線換乘，廈門地鐵3 號線為西南-東北向骨架線，構建了本島與翔安片區(qū)快速跨海連接通道，同時，該線預留了連接漳州R3 線的條件。漳州R3 線線路圖如圖1 所示。

圖1 漳州R3 線線路圖Fig.1 Diagram of Zhangzhou R3 line

2017 年國家發(fā)展與改革委員會發(fā)布《關于促進市域(郊)鐵路發(fā)展的指導意見》，市域(郊)鐵路運營模式原則上應采用公交化運營模式。市域(郊)鐵路承擔銜接城市內(nèi)外交通的功能，首先要與國家干線鐵路網(wǎng)互聯(lián)互通，其次要與城市軌道交通實現(xiàn)快速換乘。市域(郊)鐵路主要實現(xiàn)不同網(wǎng)絡列車間的自動銜接，最大限度地方便旅客。R3線以漳州市域內(nèi)沿線短途客流為主，兼顧沿線居民就近跨海快速進出廈門本島的客流需求。R1 線以三市中心城區(qū)間、三市城鎮(zhèn)間中長途城際交流為主，兼顧沿線城市的市域短途客流需求。

依據(jù)漳州市國土空間規(guī)劃，龍海納入漳州主城區(qū)，漳州港城納入中心城區(qū)，且定位升級為城市副中心，要求港城—龍?！鞒菃纬掏ㄐ袝r間不宜超過30 min；依據(jù)國土空間規(guī)劃要求，漳州中心城區(qū)范圍內(nèi)30 min 可達。因此，R3 線時間目標為漳州港城30 min 內(nèi)直達城區(qū)(古塘—港尾)。

市域(郊)鐵路作為我國軌道交通領域的新事物，由于功能定位尚存在不完全清晰的界定，實踐中各建設方因為技術背景的不同要求也有所差異，導致市域(郊)鐵路列車運行控制系統(tǒng)(以下簡稱“列控”)制式選擇存在一定多樣性。在此前提下，R3 線選擇適合市域鐵路功能定位的列控系統(tǒng)就存在諸多的影響因素，如國家鐵路、城際鐵路和城市軌道交通實現(xiàn)互聯(lián)互通管理模式，目前尚未達成廣泛的統(tǒng)一共識。研究緊密圍繞R3 線市域鐵路的運營需求特征，對市域鐵路列控制式CTCS2+ATO，CBTC，CTCS2+CBTC 等方案應用的差異性、適應性進行分析，并針對不同的功能定位需求特點提出可行的建設方案。

1 我國市域鐵路建設現(xiàn)狀及列控制式

1.1 我國市域鐵路建設現(xiàn)狀

國家發(fā)展與改革委員會《城鎮(zhèn)化地區(qū)綜合交通網(wǎng)規(guī)劃》中提出將在北京、天津、石家莊、上海、南京、杭州、合肥、廣州、武漢等30 個城市建設市域鐵路，到2035 年特大城市要基本建成市域鐵路骨干網(wǎng)，同時構建核心區(qū)到周邊主要區(qū)域的1 h 通勤圈。國內(nèi)代表性市域鐵路運營狀況統(tǒng)計表如表1 所示。

表1 國內(nèi)代表性市域鐵路運營狀況統(tǒng)計表Tab.1 Table of operation status of domestic urban railway

除上述代表性的幾條市域鐵路外，截至2020年12 月，國內(nèi)市域鐵路統(tǒng)計表如表2 所示。

表2 國內(nèi)市域鐵路統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of domestic urban railway

從公交化需求、互通性需求、對既有標準的突破、車—地通信方式等方面總結市域鐵路列控制式的優(yōu)缺點，市域鐵路列控制式對比表如表3 所示。

表3 市域鐵路列控制式對比表Tab.3 Comparison table of urban railway signal systems

1.2 漳州R3 線市域鐵路特征分析

R3 線是連接漳州主城區(qū)與副中心漳州港城的東西向市域鐵路，主要功能是加強了龍海組團、濱海新城與漳州主城區(qū)的聯(lián)系，以漳州市域內(nèi)沿線短途客流為主，兼顧沿線居民就近跨?？焖龠M出廈門本島的客流需求。R3 線位于漳州市與廈門市東西向客流走廊上，承擔沿線客流出行的快速通道作用。線路向東延伸至廈門本島，承擔沿線居民就近跨海，快速進出廈門本島的作用，以加強港城與主城區(qū)之間的市郊通勤客流為主，兼顧漳州與廈門之間同城化的通勤需求；客流呈現(xiàn)沿走廊出行的廊道特征，主城區(qū)外段收集客流，最大斷面位置將累積在進城斷面。

從R3 線的功能定位和客流分析出發(fā)，R3 線需要為漳州—廈門之間提供高效、便捷、經(jīng)濟的軌道交通出行方式，提供快速化、大運量、公交化的通勤出行解決方案。同時根據(jù)R3線市域鐵路的銜接方案需要互聯(lián)互通運行，從高客流量、高旅行速度、網(wǎng)絡可達性、換乘方便、高自動化等級、低運營成本、低建設投資、高便捷服務等方面對R3 線的功能需求特征進行分析，R3 線市域鐵路功能需求特征如圖2 所示。

圖2 R3 線市域鐵路功能需求特征Fig.2 Characteristic diagram of functional requirements in R3 railway

1.3 我國市域鐵路列控制式選擇

我國市域鐵路不同列控制式的選擇應用主要受外部和內(nèi)部因素影響，外部因素表現(xiàn)為不同建設主體的選擇傾向，內(nèi)部因素表現(xiàn)為對不同速度目標值的選擇，不同運營需求和技術背景的建設方會選擇不同的列控制式。

目前我國市域鐵路列控制式主要有國家鐵路制式CTCS2/CTCS2+ATO，城軌制式CBTC/點式ATC，多制式兼容CTCS2+CBTC 與NGTC 等?，F(xiàn)行市域鐵路列控制式如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)行市域鐵路列控制式Fig.3 Framework diagram of train control system in urban railway

不同的列控制式有不同的適應性，各具特點，互相不宜替代。因此，要從市情、域情出發(fā)，因地制宜選擇符合市域鐵路條件的信號制式。市域鐵路如果是既有線改造，要求同國家鐵路線路互聯(lián)互通，則毋庸置疑必須選擇CTCS 系列的列控方式。市域鐵路如果接入城軌線網(wǎng)與城軌互聯(lián)互通，則需要考慮的因素比較多、難度也比較大，必須充分考慮要求互聯(lián)互通線路的范圍，既有信號系統(tǒng)設備狀況等，需要在系統(tǒng)選型上設置相關限定條件。市域鐵路如果已經(jīng)成網(wǎng)，那么市域鐵路網(wǎng)內(nèi)資源共享、互聯(lián)互通，可以考慮選擇CTCS 系統(tǒng)，也可以考慮選擇城軌系列如點式ATP、點式ATP+ATO等以CTCS-1 為平臺的系統(tǒng)。

1.4 市域列控制式相關功能需求

市域鐵路的運營特點中與列控系統(tǒng)密切相關的功能需求有：應滿足行車密度、最高運行速度、旅客舒適度、旅客列車開行原則與方案等目標要求。具體項目根據(jù)線路的功能定位、線網(wǎng)規(guī)劃、行車速度、旅行速度、行車密度等因素綜合考慮列控系統(tǒng)的制式。

影響市域鐵路列控系統(tǒng)選擇的功能需求，主要有列車開行方式的需求，互聯(lián)互通、資源共享的需求，速度目標值及運行時分的需求，行車密度的需求以及ATO 功能的需求。

2 R3 線特征及列控制式選擇技術條件

2.1 R3 線與R1 線互聯(lián)互通

從中心城區(qū)“一主兩副”空間格局、龍海城區(qū)及副中心漳州港城出行需求、兩線在主城區(qū)段的覆蓋情況等角度，分析跨線客流，兩線具有互聯(lián)互通的需求，尤其是初近期R3 線主城區(qū)段不建設的情況下，在人民廣場站接軌，如圖1 所示。R1 線的技術標標準為：速度目標值200 km/h，局部限速160 km/h；車輛選型CRH6F，8 輛編組；列控系統(tǒng)為CTCS2+ATO。

由于鐵路建設時序關系，R3 線市域鐵路列控系統(tǒng)采用的是國家鐵路CTCS2+ATO 制式，CTCS2+ATO 屬于準移動式閉塞制式，根據(jù)固定閉塞的追蹤限制，其追蹤間隔如公式 ⑴ 所示，CTCS2+ATO追蹤原理圖如圖4 所示。

圖4 CTCS2+ATO 追蹤原理圖Fig.4 Schematic diagram of CTCS2+ATO tracking

式中：I追為列車追蹤時間，min；L列為列車長度，m；V運為運行速度，m/s；L分區(qū)為固定閉塞分區(qū)長度，m。

R1 線在漳州—龍海段設計限速為160 km/h，考慮互聯(lián)互通，為保證共線段的能力，R3 線宜采用相同的速度目標值，即160 km/h。R3 線在國家鐵路制式下要滿足漳州—龍海段公交化160 km/h運營需求，則需要折返追蹤間隔≤180 s，這就需要修改《城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)暫行總體技術方案》規(guī)范中6.1 注冊與啟動，6.5 折返作業(yè)規(guī)定等條款，同時需要修改軌旁設備、接口文件、車載軟件等。因此，R3 線需要與R1 線采用相同的CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)。

2.2 R3 線與廈門軌道線網(wǎng)互聯(lián)互通

從功能定位分析R3 線以市域功能為主，兼顧廈門、漳州兩市同城化需求，需要接入廈門本島銜接，與廈門城市軌道3 號線互聯(lián)互通，R3 線與廈門軌道3 號線的接軌站為廈大白城站。廈門軌道3 號線采用CBTC 制式，屬于移動閉塞，最小追蹤間隔可以達到90 s，因而R3 線要與廈門軌道3 號線網(wǎng)互聯(lián)互通，需要采用與城軌相同制式的CBTC列控系統(tǒng)。CBTC 系統(tǒng)追蹤原理圖如圖5 所示。

圖5 CBTC 系統(tǒng)追蹤原理圖Fig.5 Schematic diagram of CBTC tracing

3 市域鐵路列控方案選擇分析

3.1 采用CTCS2+CBTC 多制式兼容

從R3 線與R1 線銜接及與廈門軌道線網(wǎng)的銜接需求方面，R3 線可以采用多制式兼容的CTCS2+CBTC 方案。

采用多制式兼容方案，傳統(tǒng)的CTCS2+ATO 接口不變，與標準接口文檔的定義內(nèi)容一致，因與廈門軌道線網(wǎng)移動閉塞制式銜接，系統(tǒng)需要增加的相關接口如下。

（1）增加ZC (區(qū)域控制器)與CBI (聯(lián)鎖)之間的接口。采用安全標準協(xié)議接口，用于ZC 與CBI 間列車位置、區(qū)段占用狀態(tài)、道岔位置及其他變量信息交互。

（2）增加ZC 與VOBC（車載控制器）之間的接口。采用安全協(xié)議，用于移動閉塞模式下車載與軌旁設備間的列車位置、移動授權和臨時限速的交互。

（3）增加CTC（調(diào)度集中系統(tǒng)）至GTW（接口同步器）的接口，增加GTW 至ZC 之間的接口。用于CTC 發(fā)送臨時限速、區(qū)域封鎖等相關指令給ZC，同時也為ZC-CTC 數(shù)據(jù)通信提供了通道。

（4）增 加CTC 與GTW 接 口，增 加GTW 至VOBC 之間的接口。該接口用于交互列車移動相關指令及列車狀態(tài)。

綜合考慮CTCS2 系統(tǒng)接口、CTCS2 增加的ATO 系統(tǒng)接口、CBTC 系統(tǒng)及接口、CTCS2 和CBTC 共用部分的系統(tǒng)及接口，CTCS2+CBTC 列控系統(tǒng)接口示意圖如圖6 所示。

圖6 CTCS2+CBTC 列控系統(tǒng)接口示意圖Fig.6 Schematic diagram of CTCS 2+CBTC train control system interface

從圖6 來看多制式兼容方案下，R3 線相當于與車-地都有2 套系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間要滿足標準可靠的接口協(xié)議。

3.2 R3 線CTCS2+CBTC 共線運營信號配置

R3 線與R1 線及廈門軌道線網(wǎng)在CTCS2+CBTC共線運營兼容模式下，系統(tǒng)設備兼容性配置為：需要為CTCS 和移動閉塞列車配置單制式車載設備，CTCS 區(qū) 域僅 布置CTCS 系 統(tǒng)軌旁設備，CBTC 區(qū)域僅布置CBTC 系統(tǒng)軌旁設備，共管區(qū)間同時布置CTCS 和CBTC 雙套軌旁設備，共管區(qū)聯(lián)鎖和列控實行單套化。共管區(qū)主要實現(xiàn)在軌旁設備兼容。CTCS2+CBTC共線運營示意圖如圖7 所示。

圖7 CTCS2+CBTC 共線運營示意圖Fig.7 Schematic diagram of CTCS2+CBTC co-line operation

3.3 R3 線CTCS2+CBTC 跨線運營信號配置

R3 線與R1 線及廈門軌道線網(wǎng)在CTCS2+CBTC 跨線運營兼容模式下，跨線運營系統(tǒng)設備兼容性配置為：需為CTCS 和移動閉塞列車配置單制式車載設備，CTCS 區(qū)域僅布置CTCS 系統(tǒng)軌旁設備，CBTC 區(qū)域僅布置CBTC 系統(tǒng)軌旁設備，共管區(qū)間同時布置CTCS 和CBTC 雙套軌旁設備，共管區(qū)聯(lián)鎖和列控單套化。主要體現(xiàn)在車載設備兼容。CTCS2+CBTC 跨線運營示意圖如圖8 所示。

圖8 CTCS2+CBTC 跨線運營示意圖Fig.8 Schematic diagram of cross-line operation of CTCS2+CBTC

3.4 R3 線兼容制式的優(yōu)缺點分析

從R3 線的銜接兼容功能需求出發(fā)，市域鐵路信號制式的選擇核心是列控系統(tǒng)的選擇，列控系統(tǒng)的選擇應綜合考慮互聯(lián)互通、資源共享的要求，以及速度適應性、列車開行對數(shù)、行車密度、ATO功能的需求。

從技術應用成熟度方面來分析，各種制式的系統(tǒng)均有成熟的應用業(yè)績。從速度適應性方面，采用LTE 制式的CBTC 和CTCS 系列均能滿足各種市域鐵路的速度要求。

4 結論

從漳州R3 線市域鐵路互聯(lián)互通，支持國家鐵路列車跨線運行，與CBTC 廈門軌道線網(wǎng)互聯(lián)互通跨線、共線運行，滿足高密度正線追蹤間隔，滿足高密度折返間隔等諸多方面綜合考慮，對市域鐵路列控制式選擇從功能定位出發(fā)給出以下建議。市域鐵路如果是既有線改造，要求是同國家鐵路線路互聯(lián)互通，則必須選擇CTCS 系列的列控方式；市域鐵路如果是接入城軌線網(wǎng)與城軌互聯(lián)互通，則必須充分考慮要求互聯(lián)互通線路的范圍，既有信號系統(tǒng)設備狀況等，在系統(tǒng)選型上設置相關限定條件；市域鐵路如果已經(jīng)成網(wǎng)，則可以考慮選擇CTCS 列控系統(tǒng)，也可以考慮選擇城軌系列如點式ATP、點式ATP+ATO 等以CTCS-1 為平臺的系統(tǒng)。

結合漳州R3 線工程案例從國家鐵路CTCS 系列與城軌CBTC 系列的適應范圍與技術特點等方面，從資源共享、互聯(lián)互通，技術體系的完備與市場的開放程度以及工程性價比等方面，為市域鐵路列控制式選擇提出以下方案供借鑒。

（1）市域(郊)線路整體技術裝備要求不高，要求降低投資同時行車間隔較大時，首選CTCS0制式。

（2）市域(郊)線路技術裝備水平要求較高，服務與乘車舒適度有相應的要求時，可以選CTCS2 制式。

（3）市域(郊)線路技術裝備水平很高，要求與軌道交通有很好的互通互達性且有ATO 功能需求，則可以選CTCS2+ATO 制式。

（4）市域(郊)線路技術裝備水平很高，要求與城市軌道交通共線或者跨線運營，應選擇CTCS2+CBTC 制式。