利用既有鐵路開(kāi)行市域(郊)列車信號(hào)制式研究

何永發(fā)，閆俊俊，張 昱

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

“四網(wǎng)融合”是我國(guó)鐵路及城市軌道交通建設(shè)的發(fā)展方向，干線鐵路、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通融合發(fā)展和建設(shè)，構(gòu)建運(yùn)營(yíng)管理和服務(wù)一張網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)多層次軌道交通網(wǎng)絡(luò)，打通城市中心城區(qū)與周邊城區(qū)相互連接的新的交通形式，這是我國(guó)城市化發(fā)展到一定階段的必然選擇，將涉及到國(guó)鐵和地鐵在車輛標(biāo)準(zhǔn)、列車控制、運(yùn)營(yíng)組織、維修維護(hù)等諸多方面的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，作為控制列車運(yùn)行的信號(hào)系統(tǒng)，其技術(shù)方案選擇亦是保證“四網(wǎng)融合”列車貫通運(yùn)行的重要一環(huán)。但在已經(jīng)頒布的市域(郊)鐵路規(guī)范[1]中，各種專業(yè)及系統(tǒng)分別按照國(guó)鐵、地鐵兩個(gè)獨(dú)立體系描述，沒(méi)有涉及如何實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行。國(guó)際上市域(郊)鐵路、地鐵已經(jīng)貫通運(yùn)營(yíng)或正在研究之中的項(xiàng)目，其技術(shù)路線基本分兩種，其中以英國(guó)倫敦CrossRail線、日本東京地區(qū)城郊鐵路與地鐵之間貫通方式為代表，均采用多套車載切換實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行方案；歐洲在“NGTC”(Next Gengeration Of Train Control Systems)及“shift2rail”科研計(jì)劃中，設(shè)置了鐵路ETCS系統(tǒng)與地鐵CBTC系統(tǒng)兼容車載設(shè)備的互聯(lián)互通專題研究。

國(guó)內(nèi)已有專家學(xué)者對(duì)城市市域快線互聯(lián)互通[2]，市域鐵路的運(yùn)輸模式及客流組織[3-4]、市域線路運(yùn)行速度[5]、站臺(tái)門等系統(tǒng)及車輛段設(shè)計(jì)[4，6]、貨運(yùn)與市域列車混行建設(shè)方案[7]、信號(hào)工程建設(shè)管理對(duì)策[8]等多個(gè)方面開(kāi)展了研究，但對(duì)于“四網(wǎng)融合”背景下信號(hào)系統(tǒng)制式選擇的專項(xiàng)研究卻很少。國(guó)內(nèi)要實(shí)現(xiàn)“四網(wǎng)融合”，同樣也是兩條技術(shù)路線，即跨線車裝備地鐵CBTC系統(tǒng)與國(guó)鐵CTCS系統(tǒng)的多車載設(shè)備或裝備地鐵CBTC系統(tǒng)與國(guó)鐵CTCS系統(tǒng)的兼容車載，兩條技術(shù)路線均需要打破地鐵與國(guó)鐵兩個(gè)體系互相獨(dú)立的局面，從滿足公交化運(yùn)行、互聯(lián)互通技術(shù)創(chuàng)新、運(yùn)營(yíng)管理、維修維護(hù)等多個(gè)方面形成交叉融合的新局面。以北京鐵路樞紐利用既有東北環(huán)鐵路增建第二線開(kāi)行市域(郊)列車典型工程為例，多角度論證比選適合該工程的信號(hào)系統(tǒng)制式，并在此基礎(chǔ)上展望“四網(wǎng)融合”市域(郊)鐵路的信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案。

1 東北環(huán)鐵路增建第二線工程簡(jiǎn)介

該工程為開(kāi)行公交化市域(郊)列車，利用既有鐵路干線增建第二線，從京沈高鐵、京張高鐵、京包線、S2線多個(gè)國(guó)鐵干線車站站場(chǎng)中拆分出咽喉區(qū)、股道單獨(dú)設(shè)置市域(郊)場(chǎng)，從站場(chǎng)劃分上能夠徹底與干線鐵路站場(chǎng)區(qū)分開(kāi)，并在生命科學(xué)園站實(shí)現(xiàn)與北京地鐵19號(hào)線的路徑貫通，工程示意見(jiàn)圖1。

圖1 東北環(huán)增加二線工程示意

根據(jù)北京市和國(guó)鐵集團(tuán)深化鐵路領(lǐng)域戰(zhàn)略合作協(xié)議，本線按照充分保障市域(郊)鐵路公交化運(yùn)營(yíng)、保障鐵路干線聯(lián)絡(luò)功能為頂層設(shè)計(jì)要求，線路需滿足國(guó)鐵及市域(郊)列車運(yùn)營(yíng)和調(diào)度需求，運(yùn)能及時(shí)刻滿足市域(郊)列車開(kāi)行需要，委托鐵路方運(yùn)輸。

本線服務(wù)北京市公交化運(yùn)行的市域(郊)列車(市域D型)、國(guó)鐵列車(裝備C2/C3車載的動(dòng)車組、內(nèi)燃動(dòng)車組、貨運(yùn)列車、特殊運(yùn)輸)按照分時(shí)運(yùn)行的原則同時(shí)并存，并實(shí)現(xiàn)北京地鐵19號(hào)線列車上下本線。為滿足本線公交化運(yùn)營(yíng)要求，高峰時(shí)段市域(郊)列車運(yùn)行間隔3～5 min，要滿足國(guó)鐵、地鐵、市域(郊)列車在一個(gè)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)交叉融合，必將給信號(hào)系統(tǒng)制式的選擇帶來(lái)挑戰(zhàn)。

2 東北環(huán)鐵路增建第二線工程信號(hào)系統(tǒng)研究

基于本線緊迫的建設(shè)周期，在時(shí)間上不允許全面創(chuàng)新開(kāi)發(fā)兼容國(guó)鐵、地鐵的信號(hào)系統(tǒng)制式。以目前國(guó)鐵或地鐵成熟系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行甄別選擇，適當(dāng)增加部分新功能保證公交化運(yùn)行，地鐵跨線運(yùn)行列車采用CBTC/CTCS系統(tǒng)雙車載切換，是本線信號(hào)系統(tǒng)制式選擇的總技術(shù)路線。

2.1 信號(hào)系統(tǒng)制式選擇

本線的信號(hào)系統(tǒng)制式，評(píng)判其是否適合本線管理、運(yùn)輸需求的要素具體包括10個(gè)方面：滿足中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“北京鐵路局”)負(fù)責(zé)運(yùn)輸管理，滿足支撐公交化運(yùn)營(yíng)，需支撐國(guó)鐵干線功能，考慮信號(hào)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與線路匹配性，考慮信號(hào)技術(shù)成熟度，考慮信號(hào)系統(tǒng)對(duì)追蹤間隔時(shí)分及折返能力的影響，考慮與地鐵19號(hào)線列車兼容，工程造價(jià)合理，施工難度小，對(duì)股道有效長(zhǎng)要求合理。以上各個(gè)要素中，前3個(gè)要素是頂層設(shè)計(jì)要求。針對(duì)前述要求，本線信號(hào)制式可以采用如下3個(gè)方案。

方案1，采用國(guó)鐵方案：運(yùn)輸調(diào)度指揮采用調(diào)度集中系統(tǒng)，列控系統(tǒng)的選擇有CTCS-2級(jí)、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)兩種成熟的制式。

方案2，采用地鐵方案：調(diào)度指揮采用ATS系統(tǒng)，列控系統(tǒng)采用CBTC。

方案3，采用國(guó)鐵、地鐵組合方案：光華路至朝陽(yáng)地下線路段及生命科學(xué)園至南口段采用地鐵制式ATS+CBTC，其余段落采用國(guó)鐵制式CTC+CTCS-2列控系統(tǒng)。

2.2 各信號(hào)系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

為清晰對(duì)比分析，針對(duì)每種要素進(jìn)行直觀對(duì)比。各信號(hào)系統(tǒng)方案在滿足北京鐵路局負(fù)責(zé)運(yùn)輸管理方面的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 滿足北京鐵路局負(fù)責(zé)運(yùn)輸管理的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)比分析

對(duì)于ATS系統(tǒng)不能夠直接納入北京鐵路局調(diào)度所CTC總機(jī)系統(tǒng)，解決途徑可采用以下兩個(gè)途徑，但是短時(shí)間內(nèi)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)，即在短時(shí)間內(nèi)，均不能實(shí)現(xiàn)ATS系統(tǒng)納入北京鐵路局調(diào)度所。

(1)按照地鐵體系，需要單獨(dú)建立OCC中心，OCC中心與北京鐵路局調(diào)度所CTC總機(jī)系統(tǒng)并存，ATS系統(tǒng)與CTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息接口，本線OCC調(diào)度臺(tái)調(diào)度員需要與北京鐵路局調(diào)度所調(diào)度員緊密合作，共同完成交叉作業(yè)辦理，相對(duì)應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，管理上銜接難度大，并需要北京鐵路局認(rèn)可同意。

(2)進(jìn)行ATS與CTC系統(tǒng)的軟件融合開(kāi)發(fā)，此途徑在理論上可行，其研發(fā)難度、研發(fā)周期、運(yùn)用效果均無(wú)法預(yù)測(cè)。

各信號(hào)系統(tǒng)方案在公交化運(yùn)營(yíng)及支撐國(guó)鐵干線功能方面、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與線路匹配性及成熟度方面、追蹤間隔時(shí)分及折返能力方面的對(duì)比分析分別見(jiàn)表2～表4。

表2 公交化運(yùn)營(yíng)及支撐國(guó)鐵干線功能的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)比分析

表3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與線路匹配性及成熟度的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)比分析

表4 追蹤間隔時(shí)分及折返能力的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)比分析

對(duì)于CTCS-2或CTCS-3制式下，折返時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法適應(yīng)公交化3 min運(yùn)營(yíng)要求，可以通過(guò)采用CTCS-2/3+ATO模式，并在現(xiàn)有ATO功能[13-15]基礎(chǔ)上新增自動(dòng)折返功能，能保證CTCS-2/3系統(tǒng)在折返過(guò)程中相關(guān)動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)20 s，但需要立項(xiàng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)該新增功能。

各信號(hào)系統(tǒng)方案在與地鐵列車互聯(lián)互通及工程造價(jià)方面、施工調(diào)試難度及股道有效長(zhǎng)方面的對(duì)比分析分別見(jiàn)表5、表6。

表5 與地鐵列車互聯(lián)互通及工程造價(jià)的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)比分析

表6 施工調(diào)試難度及股道有效長(zhǎng)的信號(hào)系統(tǒng)對(duì)比分析

2.3 各信號(hào)系統(tǒng)方案比選結(jié)論

CTCS-2/3方案僅存在兩個(gè)弱項(xiàng)：即在追蹤間隔方面要實(shí)現(xiàn)3 min運(yùn)營(yíng)必須增加ATO自動(dòng)折返功能，該功能目前在國(guó)鐵體系中不具備，需要立項(xiàng)研發(fā)；在股道有效長(zhǎng)要求方面，由于CTCS-2/3系統(tǒng)安全防護(hù)距離設(shè)置在出站信號(hào)機(jī)外方，與CBTC方案相比，CTCS-2/3方案的股道有效長(zhǎng)大于CBTC方案的股道有效長(zhǎng)，將造成地下站工程量相應(yīng)增大。CTCS-2方案和CTCS-3方案的區(qū)別僅為CTCS-3方案在技術(shù)匹配性、工程造價(jià)、施工難度方面不如CTCS-2方案。

CBTC方案在追蹤間隔時(shí)分、股道有效長(zhǎng)方面有巨大優(yōu)勢(shì)，但有兩個(gè)缺陷：即對(duì)于本線信號(hào)系統(tǒng)選擇需考慮的3個(gè)頂層設(shè)計(jì)要素，無(wú)法滿足北京鐵路局負(fù)責(zé)運(yùn)輸管理的需求、無(wú)法滿足需支撐國(guó)鐵干線的功能；同時(shí)在技術(shù)匹配性、工程造價(jià)、施工難度方面不如CTCS-2方案。

CBTC+CTCS-2方案是將兩個(gè)獨(dú)立體系硬性結(jié)合，其本意是解決除光華路支線以外段落的國(guó)鐵干線鐵路的正常運(yùn)行功能。但CBTC區(qū)段的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題與CBTC方案一樣。

通過(guò)以上比較分析，針對(duì)本線保障市域(郊)公交化運(yùn)行、保障國(guó)鐵干線功能、實(shí)現(xiàn)北京地鐵19號(hào)線跨線運(yùn)營(yíng)和調(diào)度指揮管理納入北京鐵路局的工程需要，CTCS-2+ATO且ATO新增自動(dòng)折返功能，此方案是與本項(xiàng)目契合的最優(yōu)技術(shù)方案。

3 四網(wǎng)融合信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案展望

東北環(huán)利用既有鐵路開(kāi)行市域(郊)列車，選擇以CTCS-2+ATO(增加自動(dòng)折返功能)為核心的信號(hào)系統(tǒng)，是基于當(dāng)前的技術(shù)水平和建設(shè)周期的最優(yōu)選擇。隨著國(guó)鐵、城際鐵路、市域(郊)鐵路、城市軌道交通的融合發(fā)展要求，“四網(wǎng)融合”信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案的發(fā)展路線有如下兩條路線。

(1)以基于列控聯(lián)鎖一體化(TIS)新型列控系統(tǒng)地面設(shè)備[17-19]、車載設(shè)備[20]、車地通信等[21](CTCS-4列控系統(tǒng))為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞功能，并增加ATO(自動(dòng)折返功能)及適應(yīng)公交化運(yùn)行的聯(lián)鎖進(jìn)路邏輯，進(jìn)出地鐵線路的列車需裝備CTCS-4+CBTC雙車載，進(jìn)行停車切換或自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)與地鐵線路的貫通運(yùn)行。

(2)研發(fā)兼容CBTC系統(tǒng)(采用互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn))/CTCS系統(tǒng)的新型列控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備一套新型列控系統(tǒng)車載設(shè)備在國(guó)鐵、地鐵的貫通運(yùn)行，新型列控系統(tǒng)需要在車-地?zé)o線通信/地-地有線通信接口兼容、不同列車定位技術(shù)兼容、人機(jī)界面兼容等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，以同時(shí)滿足國(guó)鐵/地鐵在控車、運(yùn)營(yíng)管理、維修維護(hù)等多方面的實(shí)際需求，此條技術(shù)路線雖然難度大、研發(fā)運(yùn)用周期長(zhǎng)，但卻能夠徹底解決目前國(guó)鐵、地鐵貫通運(yùn)營(yíng)所面臨的問(wèn)題。

4 結(jié)論

“四網(wǎng)融合”是交通運(yùn)輸?shù)娜诤习l(fā)展方向，如何選擇適合的信號(hào)系統(tǒng)制式，需要根據(jù)公交化運(yùn)營(yíng)間隔時(shí)分要求、列車運(yùn)行種類、線路功能屬性、管理責(zé)任主體、建設(shè)周期等多方面，進(jìn)行近期、遠(yuǎn)期技術(shù)方案的衡量和選擇。

本文以北京鐵路樞紐利用既有東北環(huán)鐵路增建第二線開(kāi)行市域(郊)列車典型工程為例，針對(duì)該工程首次出現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)市域(郊)列車短追蹤間隔公交化運(yùn)營(yíng)和地鐵車輛跨線運(yùn)營(yíng)，同時(shí)支撐國(guó)鐵干線功能、調(diào)度運(yùn)輸管理納入北京鐵路局的工程需求，從多個(gè)方面對(duì)信號(hào)系統(tǒng)制式進(jìn)行分析比選后，提出了采用CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)疊加自動(dòng)折返功能ATO的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案在可供工程實(shí)施的同時(shí)，也為“四網(wǎng)融合”工程項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)的選擇，提供了研究方向。對(duì)于近期項(xiàng)目，根據(jù)運(yùn)輸管理納入國(guó)鐵體系和地鐵體系的不同，可相應(yīng)采用CTCS-2+ATO(增加自動(dòng)折返功能)信號(hào)系統(tǒng)或采用CBTC系統(tǒng)；對(duì)于遠(yuǎn)期項(xiàng)目，可參照本文提出的信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)方案展望，以國(guó)鐵運(yùn)輸為主時(shí)采用以CTCS-4列控系統(tǒng)為核心的信號(hào)系統(tǒng)，以地鐵運(yùn)輸為主時(shí)采用兼容CBTC系統(tǒng)/CTCS系統(tǒng)的新型列控系統(tǒng)。