深圳都市圈城際鐵路CBTC系統(tǒng)功能需求研究

陳恒宇

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司， 518026， 深圳∥高級工程師)

1 粵港澳大灣區(qū)城際鐵路的基本概況

2019年2月19日，國家發(fā)展和改革委員會頒布了《關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》，其目的是培育發(fā)展一批現(xiàn)代化都市圈，形成區(qū)域競爭新優(yōu)勢，為城市群高質(zhì)量發(fā)展、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級提供重要支撐。該指導(dǎo)意見提出要打造軌道上的都市圈，即統(tǒng)籌考慮都市圈軌道交通的網(wǎng)絡(luò)布局，構(gòu)建以軌道交通為骨干的通勤圈。

2020年7月，國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)了《粵港澳大灣區(qū)城際鐵路建設(shè)規(guī)劃》，明確了粵港澳大灣區(qū)(以下簡稱“大灣區(qū)”)近期要實(shí)施的13條城際鐵路和5個(gè)樞紐工程項(xiàng)目，城際鐵路線網(wǎng)的建設(shè)總長度達(dá)775 km，工程總投資為4 741億元。根據(jù)廣東省政府的工作部署，廣州、深圳2個(gè)都市圈城際鐵路項(xiàng)目的前期研究、設(shè)計(jì)、投資、建設(shè)及運(yùn)營等工作分別由廣州市、深圳市負(fù)責(zé)。廣州地鐵集團(tuán)、深圳地鐵集團(tuán)按照國家相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)、制式等要求，推進(jìn)大灣區(qū)城際鐵路項(xiàng)目建設(shè)，進(jìn)而推動多層次軌道交通的融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大灣區(qū)城際鐵路的互聯(lián)互通、換乘便捷、一票通達(dá)。

2 深圳都市圈城際鐵路信號制式選擇

深圳都市圈由珠江口東岸和粵東北的深圳、東莞、惠州、河源、汕尾(含深汕特別合作區(qū))5個(gè)城市組成。深圳都市圈城際鐵路項(xiàng)目包括：深惠城際鐵路線的前海站至坪地站區(qū)段，深惠城際鐵路線的坪地站至仲愷西站區(qū)段，深惠城際鐵路線的大鵬支線(以下簡稱“大鵬支線”)，深惠城際鐵路線的仲愷西站至惠城南站區(qū)段，深大城際鐵路線的深圳機(jī)場站至坪山站區(qū)段，穗莞深城際鐵路線的深圳機(jī)場站至前海站區(qū)段，穗莞深城際鐵路線的前海站至皇崗口岸站區(qū)段，莞惠城際鐵路線的小金口站至惠州北站區(qū)段，塘廈至龍崗城際鐵路線及常平至龍華城際鐵路線。上述共10個(gè)建設(shè)項(xiàng)目，總長度共計(jì)351 km。其中：莞惠城際鐵路線的小金口站至惠州北站區(qū)段項(xiàng)目已由惠州市牽頭推進(jìn)，其余9個(gè)項(xiàng)目由深圳市牽頭推進(jìn)。

深圳都市圈內(nèi)城際鐵路信號制式的選擇需要考慮互聯(lián)互通、運(yùn)輸能力、敷設(shè)方式及工程投資等方面需求。目前，珠三角地區(qū)已運(yùn)營及在建的城際鐵路均采用CTCS(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng))。為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，深圳都市圈內(nèi)城際鐵路信號制式原則上應(yīng)采用CTCS，而對于相對獨(dú)立、高峰時(shí)段客流大、地下車站帶配線較多的線路，可研究采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)。

2021年10月27日發(fā)布的粵辦函[2021]284號《廣東省“十四五”鐵路高質(zhì)量建設(shè)實(shí)施方案》提出，要落實(shí)大灣區(qū)城際鐵路統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)籌運(yùn)營的要求，確保大灣區(qū)城際鐵路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和公交化運(yùn)營，科學(xué)、合理地統(tǒng)籌大灣區(qū)城際鐵路的信號制式選擇。2022年2月15日發(fā)布的廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《城際鐵路設(shè)計(jì)細(xì)則》指出：大灣區(qū)城際鐵路線應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)輸能力、跨線運(yùn)營等要求，結(jié)合相關(guān)線路現(xiàn)狀及規(guī)劃，進(jìn)行其信號系統(tǒng)的選型，其列車控制系統(tǒng)可根據(jù)情況選擇CTCS-2(中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)2級)+ATO(列車自動運(yùn)行)系統(tǒng)或CBTC系統(tǒng)。

目前，深圳都市圈內(nèi)穗莞深城際鐵路線的前海站至皇崗口岸站區(qū)段、深惠城際鐵路線(包括前海保稅區(qū)站至坪地站區(qū)段、坪地站至瀝林北站區(qū)段、瀝林北站至惠城南站區(qū)段)等項(xiàng)目與既有城際線路貫通運(yùn)營或需與國家鐵路跨線運(yùn)行,采用CTCS；深大城際鐵路線、大鵬支線因高峰時(shí)段客流量較大、地下車站較多,為滿足客流需求、降低工程投資，這2條線路均采用CBTC，應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)貫通運(yùn)營。

本文以采用CBTC系統(tǒng)的深大城際鐵路線、大鵬支線為研究對象，從城際鐵路CBTC系統(tǒng)的適用性出發(fā)，重點(diǎn)分析深圳都市圈城際鐵路CBTC的系統(tǒng)需求。

3 深圳都市圈城際鐵路CBTC系統(tǒng)的適應(yīng)性分析

信號系統(tǒng)作為列車運(yùn)行控制的核心系統(tǒng)，其技術(shù)關(guān)鍵是必須確保列車行車安全。CTCS在國家鐵路和珠三角城際鐵路上均有大量成功應(yīng)用的案例，該制式在技術(shù)上無疑是安全的。CBTC在城市軌道交通中也得到了大量成功的應(yīng)用，在技術(shù)上也是安全的。至于不同信號制式下列車運(yùn)行速度的適用范圍，北京地鐵大興機(jī)場線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CBTC信號制式在160 km/h速度級城市軌道交通線路上的成功應(yīng)用。河北省雄安新區(qū)至北京大興國際機(jī)場快線(R1線)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為200 km/h速度級線路，擬采用CBTC。因此，結(jié)合大灣區(qū)城際鐵路的現(xiàn)狀，大灣區(qū)內(nèi)新建城際鐵路線可以選擇CTCS或CBTC，具體信號制式的選擇應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)速度、行車間隔、停車精度等功能需求，并結(jié)合互聯(lián)互通、資源共享和一體化運(yùn)營管理等要求，予以合理選用?；谏畲蟪请H鐵路線和大鵬支線的功能定位，CBTC系統(tǒng)的功能特點(diǎn)總體與之相匹配，可滿足這2條線路的運(yùn)營需求。

3.1 列車運(yùn)行間隔適應(yīng)性

CBTC系統(tǒng)的列車最小追蹤間隔為2.0 min，可滿足深大城際鐵路線和大鵬支線最小運(yùn)行間隔2.5 min的需求。在線路折返能力上，CBTC系統(tǒng)同樣能夠滿足這2條線路的運(yùn)營要求。

3.2 160～200 km/h速度下列車控制的適應(yīng)性

從系統(tǒng)控制原理來講，CBTC可以滿足160～200 km/h速度下列車控制的要求，測速、應(yīng)答器、計(jì)軸等設(shè)備均可滿足該速度工況下可靠工作的要求，僅在相關(guān)系統(tǒng)的控制參數(shù)上略有差異。

3.3 160～200 km/h速度下車地通信的適應(yīng)性

CBTC系統(tǒng)的WLAN(無線局域網(wǎng))設(shè)備能滿足120 km/h速度級線路的運(yùn)行要求，且具有成功應(yīng)用的工程案例，但是在速度級大于120 km/h的線路上，WLAN車地?zé)o線通信技術(shù)尚未經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證。基于TD-LTE(時(shí)分-長期演進(jìn))車地?zé)o線通信技術(shù)的應(yīng)用和推廣使得高速CBTC系統(tǒng)成為可能?；赥D-LTE技術(shù)的車地通信系統(tǒng)支持列車的高速(如350 km/h)移動，可在列車高速移動狀態(tài)下滿足CBTC系統(tǒng)在帶寬、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性等方面的要求，并具有QoS(服務(wù)質(zhì)量)保障?；赥D-LTE技術(shù)的車地通信系統(tǒng)已在北京地鐵大興機(jī)場線，以及廣州地鐵的18號線和22號線上得以應(yīng)用。

3.4 互聯(lián)互通需求的適應(yīng)性

目前珠三角內(nèi)已建成的城際鐵路，其信號制式均采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)。CBTC與CTCS-2+ATO有各自的優(yōu)勢，但也都存在為適應(yīng)本線運(yùn)營需求而進(jìn)行相應(yīng)改造的工程問題。參考重慶、北京等城市的軌道交通CBTC互聯(lián)互通示范項(xiàng)目成果，本文認(rèn)為深圳都市圈城際鐵路的CBTC系統(tǒng)具備了在大灣區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的研發(fā)基礎(chǔ)。但現(xiàn)階段，采用CBTC系統(tǒng)的城際鐵路線與珠三角CTCS-2+ATO的城際鐵路無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，新建城際鐵路線在新購車輛或動車組車型時(shí)均需進(jìn)行接口改造及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，在新建采用CBTC的城際鐵路線時(shí)，列車如需跨線運(yùn)行至其他非CBTC城際鐵路線，采購的車輛需按照“安裝雙套車載信號設(shè)備”這一原則予以設(shè)計(jì)。

4 深圳都市圈城際鐵路CBTC系統(tǒng)需求

4.1 基本需求

深圳都市圈城際鐵路CBTC系統(tǒng)采用移動閉塞制式，應(yīng)至少滿足GB/T 32590.1—2016《軌道交通 城市軌道交通運(yùn)輸管理和指令/控制系統(tǒng) 第1部分：系統(tǒng)原理和基本概念》、GB/T 32588.1—2016《軌道交通 自動化的城市軌道交通(AUGT) 安全要求 第1部分：總則》中對于GoA2(半自動化列車運(yùn)行)的要求。

深圳都市圈城際鐵路CBTC系統(tǒng)應(yīng)具備高可靠性、高可用性及高安全性，應(yīng)滿足160～200 km/h速度級線路安全、高效、可靠運(yùn)行的需求，且能滿足單一交路和多交路混合運(yùn)行、不同編組/車型列車混合運(yùn)行、快慢車運(yùn)行、跨線運(yùn)行等方面的要求。信號顯示應(yīng)統(tǒng)一，遵循左側(cè)行車的原則，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足雙線、雙方向的運(yùn)行要求。

在土建、運(yùn)營設(shè)施滿足條件時(shí)，深圳都市圈城際鐵路CBTC系統(tǒng)應(yīng)滿足最小行車間隔不小于24對/h的需求，不同線路的CBTC系統(tǒng)應(yīng)能滿足線路間跨線運(yùn)營的要求，以實(shí)現(xiàn)資源共享。采用CBTC系統(tǒng)的線路與采用CTCS-2+ATO的線路之間如需跨線運(yùn)行，應(yīng)保證列車在跨線運(yùn)行時(shí)的安全，兩種信號制式間的自動切換時(shí)長應(yīng)與行車間隔相匹配。

4.2 總體架構(gòu)

深圳都市圈城際鐵路CBTC的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。CBTC按功能分為以下子系統(tǒng)：NDMS(網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度管理系統(tǒng))、ATP(列車自動防護(hù))、ATO(列車自動運(yùn)行)、CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖)、DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))、MSS(維護(hù)支持系統(tǒng))及培訓(xùn)子系統(tǒng)。CBTC按構(gòu)成可分為以下關(guān)鍵設(shè)備：NDMS設(shè)備、ZC(區(qū)域控制器)設(shè)備、CI設(shè)備、車載ATP/ATO設(shè)備、DCS設(shè)備、DSU(數(shù)據(jù)存儲單元)、LEU(軌旁電子單元)、應(yīng)答器、MSS設(shè)備、培訓(xùn)設(shè)備、信號電源、計(jì)軸、信號機(jī)及轉(zhuǎn)轍機(jī)等。

注：BBU——基帶處理單元； RRU——射頻拉遠(yuǎn)單元； MMI——人機(jī)界面； BTM——應(yīng)答器傳輸模塊； TCR——軌道電路接收器。

4.3 NDMS子系統(tǒng)

NDMS宜采用中心、車站兩級架構(gòu)，包括NDMS中心調(diào)度子系統(tǒng)和NDMS車站/段場調(diào)度子系統(tǒng)兩部分。在中心設(shè)置1套軟硬件設(shè)備，并按區(qū)域劃分設(shè)置調(diào)度工作站。對于多條線路共用的樞紐車站，站內(nèi)因同時(shí)運(yùn)行不同線路的列車，宜在該樞紐車站內(nèi)設(shè)置1套車站信號設(shè)備。該設(shè)備按照運(yùn)營需求納入某個(gè)區(qū)域/線路調(diào)度臺進(jìn)行控制，與該樞紐車站相關(guān)的其余相關(guān)調(diào)度臺只監(jiān)不控。所有經(jīng)過該樞紐車站的列車在此范圍內(nèi)共線運(yùn)營，由該樞紐車站內(nèi)的調(diào)度臺統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度指揮。

4.4 ATP、ATO、CI子系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)列車在CBTC區(qū)域與CTCS-2+ATO區(qū)域間切換運(yùn)行，可在列車上設(shè)置雙套車載設(shè)備或采用單套一體化車載設(shè)備。雙套車載設(shè)備和單套一體化車載設(shè)備均應(yīng)具備不停車及停車切換的功能。雙套車載設(shè)備應(yīng)在每套設(shè)備的端口設(shè)置1套共用的MMI，MMI的顯示格式應(yīng)采用統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足CBTC及CTCS-2+ATO的顯示要求。單套一體化車載設(shè)備可采用板卡級融合或軟件級融合的方式，可設(shè)置多模電臺，以適配LTE(長期演進(jìn))和GSM-R(鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng))多種網(wǎng)絡(luò)，并增設(shè)TCR天線，以適配軌道電路。

此外，多條線路間共用的樞紐車站內(nèi)宜設(shè)置1套全電子的CI設(shè)備。段場內(nèi)應(yīng)設(shè)置1套獨(dú)立的全電子CI設(shè)備。

4.5 跨線運(yùn)行時(shí)的功能需求

對于有CBTC與CTCS-2+ATO跨線運(yùn)行需求的城際鐵路，應(yīng)具有以下的功能：① NDMS在切換區(qū)內(nèi)應(yīng)支持列車完成跨線的切換操作及顯示，還應(yīng)滿足與既有珠三角城際鐵路CTC(調(diào)度集中)系統(tǒng)的接口要求；② DSU應(yīng)預(yù)留與TSRS(臨時(shí)限速服務(wù)器)的接口(可選)，以滿足列車臨時(shí)限速的交互功能；③ CI支持與鄰線聯(lián)鎖信息的接口傳遞，DCS應(yīng)支持列車在不同線路上與相應(yīng)的軌旁設(shè)備建立通信；④ 列車跨線運(yùn)行至CTCS-2+ATO制式線路時(shí)，車載配置多模天線，應(yīng)采用GSM-R數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，通過TCR接收地面軌道電路信息；⑤ CTCS-2+ATO如需與CBTC互聯(lián)，各子系統(tǒng)間的接口協(xié)議應(yīng)按照CTCS-2+ATO的接口規(guī)范執(zhí)行。

跨線運(yùn)行至CTCS-2+ATO區(qū)域的列車，應(yīng)具有以下功能：① 列車控制等級應(yīng)按照CTCS-2+ATO方式執(zhí)行；② 列車在完全監(jiān)控模式下， 由ATO設(shè)備自動控制列車，按照CTCS-2+ATO方式自動運(yùn)行；③ 應(yīng)實(shí)現(xiàn)ATP下由ATO控制列車安全、自動駕駛；④ 列車具有必要的降級運(yùn)行模式，其降級模式應(yīng)與CTCS-2+ATO下的降級模式保持一致。

4.6 電子地圖

DSU應(yīng)具備線網(wǎng)內(nèi)電子地圖的存儲功能及電子地圖版本的安全校驗(yàn)功能，并具備向車載設(shè)備逐段發(fā)送電子地圖的功能。

5 結(jié)語

與現(xiàn)有的城市軌道交通CBTC相比，深圳都市圈城際鐵路的CBTC在列車運(yùn)行速度等級、互聯(lián)互通系統(tǒng)功能及系統(tǒng)架構(gòu)上均存在較大的差異，目前國內(nèi)尚未出臺城際鐵路CBTC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為加快深圳都市圈城際鐵路建設(shè)，滿足深圳都市圈城際鐵路的運(yùn)輸需求，規(guī)范深圳都市圈城際鐵路CBTC制式信號系統(tǒng)后續(xù)研發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及設(shè)備招標(biāo)等工作，為深圳都市圈城際鐵路信號系統(tǒng)建設(shè)、驗(yàn)收、運(yùn)營和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化提供指導(dǎo)，應(yīng)盡快研究并編制深圳都市圈城際鐵路CBTC標(biāo)準(zhǔn)體系技術(shù)規(guī)范，主要包括需求規(guī)范、系統(tǒng)規(guī)范、接口規(guī)范、測試規(guī)范、工程規(guī)范、驗(yàn)收規(guī)范及運(yùn)營規(guī)范等方面。

未來，按照大灣區(qū)軌道交通統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)籌運(yùn)營的原則，將由多個(gè)城市共同構(gòu)建大灣區(qū)軌道交通一體化的管理組織架構(gòu)。在參照國家鐵路和城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步研究并制定廣東省城際鐵路互聯(lián)互通信號技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層架構(gòu)，為大灣區(qū)城際鐵路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收及運(yùn)營管理等建設(shè)全過程提供規(guī)范化的技術(shù)指導(dǎo)和強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。