陳爾超

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

1 概述

截至2018 年底，國(guó)內(nèi)共有35 個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路185 條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度5 761.4 km。擁有4 條及以上運(yùn)營(yíng)線路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的城市16 個(gè)，占開(kāi)通城軌交通運(yùn)營(yíng)城市總數(shù)的45.7%。過(guò)去各條線路獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，乘客在換乘站進(jìn)行不同線路換乘。隨著網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市提出了線路間貫通運(yùn)行的需求。線路間貫通運(yùn)行可提升通勤服務(wù)、減少換乘直達(dá)目的地，實(shí)現(xiàn)資源共享和調(diào)配，提高線路和列車的利用率等。

線路間貫通運(yùn)行涉及到多個(gè)專業(yè)系統(tǒng)，包括線路、車輛、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)等。其中信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通的重要組成部分，以安全為核心，以保證和提高列車運(yùn)行效率為目標(biāo)，信號(hào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)線路間貫通運(yùn)行的關(guān)鍵制約條件。從線路基礎(chǔ)條件來(lái)看，城市軌道交通線路間貫通運(yùn)行可以在地鐵、輕軌、市域快軌之間。地鐵、輕軌的信號(hào)系統(tǒng)制式主要采用基于軌道電路的固定閉塞/準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)、基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC），CBTC 系統(tǒng)又通常采用點(diǎn)式降級(jí)系統(tǒng)。市域快軌信號(hào)系統(tǒng)制式可采用基于軌道電路的中國(guó)列車控制系統(tǒng)2 級(jí)加ATO（CTCS2+ATO）、CBTC、點(diǎn)式列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（IATC）。

關(guān)于CBTC 信號(hào)系統(tǒng)制式線路間的貫通運(yùn)行，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)已經(jīng)發(fā)布團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通系統(tǒng)規(guī)范》，包括系統(tǒng)規(guī)范、接口規(guī)范、測(cè)試規(guī)范、工程規(guī)范。典型應(yīng)用案例為重慶軌道交通二輪建設(shè)的4 條線采用4 家信號(hào)供貨廠商，4 條信號(hào)供貨商均采用CBTC 系統(tǒng)，統(tǒng)一通信協(xié)議、統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)、統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

除了CBTC 與CBTC 信號(hào)系統(tǒng)制式線路間的貫通運(yùn)行，國(guó)內(nèi)針對(duì)不同制式信號(hào)系統(tǒng)的貫通運(yùn)行并無(wú)有效銜接與融合，為此研究不同制式信號(hào)系統(tǒng)的貫通運(yùn)行將有重要意義，本文將對(duì)CBTC 制式信號(hào)系統(tǒng)與基于軌道電路制式信號(hào)系統(tǒng)的貫通運(yùn)行方案進(jìn)行研究。

2 應(yīng)用場(chǎng)景

本文研究的不同制式信號(hào)系統(tǒng)的貫通運(yùn)行方案可適用于以下場(chǎng)景。

1）新建CBTC 制式與既有基于軌道電路制式貫通

建設(shè)較早的城市軌道交通線路多采用基于軌道電路的信號(hào)系統(tǒng)制式，近些年隨著CBTC 技術(shù)的發(fā)展，新建地鐵線路基本均采用CBTC 制式的信號(hào)系統(tǒng)。場(chǎng)景1：新建線路與既有線路有貫通運(yùn)行需求，新建線路采用CBTC 制式信號(hào)系統(tǒng)，既有線路采用基于軌道電路制式的信號(hào)系統(tǒng)。

2）基于軌道電路制式的Y 字形交路的單邊CBTC 改造

場(chǎng)景2：Y 字形交路的線路，原線路采用基于軌道電路制式的信號(hào)系統(tǒng)。開(kāi)展Y 字形線路的單邊改造，另一邊由于設(shè)計(jì)年限等暫不進(jìn)行改造，由于原Y字形為貫通運(yùn)行，改造后依然有貫通運(yùn)行需求。

3）CBTC 制式的地鐵線路與CTCS2+ATO 制式的市域快軌貫通

市域快軌一般服務(wù)于城市與市郊、中心城市與衛(wèi)星城，是一種具有通勤服務(wù)功能、中長(zhǎng)距離的城市軌道交通形式。從服務(wù)乘客的角度來(lái)看，市域快軌與市內(nèi)地鐵有強(qiáng)烈的貫通運(yùn)行需求。對(duì)于市域快軌信號(hào)系統(tǒng)制式，CTCS2+ATO 制式已有應(yīng)用，比如溫州市域快軌。場(chǎng)景3：市內(nèi)地鐵線路與市域快軌線路貫通運(yùn)行，市內(nèi)地鐵線路采用CBTC 制式的信號(hào)系統(tǒng)，市域快軌線路采用CTCS2+ATO 制式的信號(hào)系統(tǒng)。

3 相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)條件

線路間貫通運(yùn)行涉及到多個(gè)專業(yè)系統(tǒng)，包括線路、行車、車輛、限界、牽引供電、通信、信號(hào)，具體需要達(dá)到以下條件。

1）線路：線路間貫通或線路間設(shè)置跨線運(yùn)營(yíng)聯(lián)絡(luò)線，線路軌距相同。

2）行車：基于客流預(yù)測(cè)情況，制定貫通運(yùn)行交路。

3）車輛：車輛限界相同，車輛性能參數(shù)基本一致。

4）牽引供電：牽引供電方式相同。

5）通信：無(wú)線通信系統(tǒng)兼容互通。

6）信號(hào)：在各相關(guān)專業(yè)具備貫通運(yùn)行的基礎(chǔ)條件上，信號(hào)系統(tǒng)制定貫通運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)列車在不同線路間的跨線/共線運(yùn)行。

4 信號(hào)系統(tǒng)貫通運(yùn)行解決方案

4.1 場(chǎng)景描述

以上文的場(chǎng)景1 為例，制定如圖1 所示的具體場(chǎng)景。

1）線路I 為基于軌道電路的信號(hào)系統(tǒng)制式，路徑從A 至B；

2）線路II 為CBTC 信號(hào)系統(tǒng)制式，路徑從B至C；

3）列車運(yùn)行交路包括線路I 的獨(dú)立運(yùn)行交路（A ←→B）、線路II 的獨(dú)立運(yùn)行交路（B ←→C）、以及貫通運(yùn)行（C 至A）的交路。

圖1 線路場(chǎng)景示意圖Fig.1 Schematic diagram of line scenario

4.2 系統(tǒng)構(gòu)成及配置方案

線路I 的基于軌道電路信號(hào)系統(tǒng)主要由聯(lián)鎖設(shè)備、ATS 設(shè)備、軌道電路占用檢查和發(fā)碼設(shè)備、車載設(shè)備組成。獨(dú)立運(yùn)行交路列車通過(guò)接收軌道電路的碼序來(lái)行車。

線路II 的CBTC 系統(tǒng)主要由聯(lián)鎖設(shè)備、ATS 設(shè)備、車地?zé)o線通信設(shè)備、車載設(shè)備組成，其降級(jí)采用點(diǎn)式降級(jí)系統(tǒng)。獨(dú)立運(yùn)行交路列車以CBTC 控制方式和點(diǎn)式控制方式來(lái)行車。

為實(shí)現(xiàn)貫通運(yùn)行（C 至A）的交路，同時(shí)需在線路I 布置線路II 系統(tǒng)的點(diǎn)式設(shè)備。由于C 至A 的貫通運(yùn)行交路，則A-B 段上存在線路I 和線路II 兩條線路列車的共線運(yùn)行情況。共線運(yùn)行段的信號(hào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 共線運(yùn)行段信號(hào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structure diagram of signal system of joint operation section

1）聯(lián)鎖子系統(tǒng)

線路II 在B-C 段設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備，線路I 在A-B段設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備，線路I 和II 分別控制各自線路上的軌旁聯(lián)鎖設(shè)備。聯(lián)鎖區(qū)分界點(diǎn)在B 車站，分界處通過(guò)繼電方式進(jìn)行接口。共線A-B 段采用一套聯(lián)鎖設(shè)備對(duì)該線路上的進(jìn)路進(jìn)行控制，A-B 段列車的占用檢查均基于軌道電路設(shè)備。

2）ATS 子系統(tǒng)

若為同期建設(shè)，可考慮在A-C 段設(shè)置一套ATS子系統(tǒng)，對(duì)線路I 和線路II 進(jìn)行統(tǒng)一控制。

若為非同期建設(shè)，可分別設(shè)置各自線路的ATS子系統(tǒng)。線路I 的ATS 子系統(tǒng)控制范圍為A-B 段，線路II 的ATS 子系統(tǒng)控制范圍為B-C 段，在車站B處進(jìn)行調(diào)度權(quán)的移交，并互傳到發(fā)站時(shí)間。其中的一條線路（假定線路II）負(fù)責(zé)編制全線A-C 段的總運(yùn)行圖，并將線路I 的運(yùn)行圖離線發(fā)給線路I 的ATS，線路I 的ATS 根據(jù)收到的運(yùn)行圖到發(fā)時(shí)間點(diǎn)編制自己的運(yùn)行圖。

3）ATP 子系統(tǒng)

線路I 在A-B 段設(shè)置軌道電路、軌旁信號(hào)機(jī)等設(shè)備，通過(guò)軌道電路實(shí)現(xiàn)A-B 段列車的占用檢查和發(fā)送地車信息報(bào)文。線路I 列車配置本線路的車載設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)接收軌道電路報(bào)文來(lái)控車。

線路II 在B-C 段設(shè)置無(wú)線通信設(shè)備，通過(guò)無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)地車雙向通信；同時(shí)線路II 在A-B-C段設(shè)置點(diǎn)式應(yīng)答器設(shè)備，在B-C 段的點(diǎn)式應(yīng)答器連接線路II 的信號(hào)機(jī)，在A-B 段的點(diǎn)式應(yīng)答器連接線路I 的信號(hào)機(jī)，通過(guò)點(diǎn)式通信方式實(shí)現(xiàn)地車通信。線路II 列車亦配置本線路的車載設(shè)備，接發(fā)車地信息和計(jì)算列車運(yùn)行曲線實(shí)現(xiàn)列車控制。

4.3 列車運(yùn)行方式

1）A-B 段共線運(yùn)行

A-B 段運(yùn)行時(shí)存在兩線列車共線運(yùn)行的情況，但區(qū)段內(nèi)列車的占用檢查均基于軌道電路進(jìn)行監(jiān)督。

對(duì)于線路I 列車來(lái)說(shuō)，無(wú)論前車是線路I 列車還是線路II 列車，其均基于A-B 段軌道電路的報(bào)文來(lái)行車。通過(guò)軌道電路實(shí)現(xiàn)列車的位置檢測(cè)，無(wú)絕緣移頻軌道電路設(shè)備根據(jù)前車位置計(jì)算和發(fā)送報(bào)文指令信息，追蹤列車接收?qǐng)?bào)文信息并據(jù)此行車。

對(duì)于線路II 列車來(lái)說(shuō)，無(wú)論前車是線路I 列車還是線路II 列車，其均基于A-B 段點(diǎn)式信息來(lái)行車。通過(guò)點(diǎn)式設(shè)備采集信號(hào)機(jī)的顯示信息，并通過(guò)軌旁動(dòng)態(tài)信標(biāo)把信號(hào)機(jī)的顯示信息傳送給車載ATP 設(shè)備，車載ATP 設(shè)備根據(jù)信號(hào)機(jī)狀態(tài)計(jì)算列車運(yùn)行曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線路II 列車的點(diǎn)式控制，以點(diǎn)式方式行車。

2）B-C 段獨(dú)立運(yùn)行

B-C 段只有線路II 列車運(yùn)行，線路II 的地面ATP 設(shè)備通過(guò)無(wú)線通信方式將移動(dòng)授權(quán)發(fā)給列車，列車根據(jù)移動(dòng)授權(quán)計(jì)算列車運(yùn)行曲線進(jìn)行控車。

3）A-C 段列車控制級(jí)別轉(zhuǎn)換

對(duì)于線路II 列車來(lái)說(shuō)，其在B-C 段常用控制方式為CBTC 級(jí)別控車，在A-B 段常用控制方式為點(diǎn)式級(jí)別控車。列車運(yùn)行方式和模式轉(zhuǎn)換如圖3 所示。

圖3 列車貫通運(yùn)行模式圖Fig.3 Diagram of train through operation mode

列車自A 至B 以先點(diǎn)式ATP 模式運(yùn)行，列車在車站B 停車后可轉(zhuǎn)換為CBTC 模式向車站C 方向運(yùn)行；列車由C 至A 先以CBTC 模式運(yùn)行，列車在車站B 停車后可轉(zhuǎn)換為點(diǎn)式ATP 模式向車站A 方向運(yùn)行。

4.4 性能指標(biāo)

1）安全性

對(duì)于B-C 獨(dú)立運(yùn)行段，其安全完全由線路II 信號(hào)系統(tǒng)保證。對(duì)于A-B 共線運(yùn)行段，其位置監(jiān)督均基于線路I 的軌道電路，進(jìn)路控制均由線路I 的聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)，調(diào)度指揮均由線路I 的ATS 系統(tǒng)完成，各自線路列車分別與各自的軌旁設(shè)備通信完成列車的追蹤運(yùn)行。

系統(tǒng)的安全完整性水平要求：列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)子系統(tǒng)4 級(jí)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI)子系統(tǒng)4 級(jí)、列車占用檢測(cè)設(shè)備4 級(jí)、列車自動(dòng)監(jiān)控(ATS)子系統(tǒng)2 級(jí)、列車自動(dòng)運(yùn)行(ATO)子系統(tǒng)2 級(jí)。

2）運(yùn)營(yíng)能力

對(duì)于B-C 獨(dú)立運(yùn)行段，其運(yùn)營(yíng)能力完全取決于線路II 信號(hào)系統(tǒng)，通常為：正線列車最小運(yùn)行間隔、交路折返站最小折返間隔滿足2 min，正線設(shè)計(jì)追蹤間隔不大于90 s。

對(duì)于A-B 共線運(yùn)行段，其運(yùn)營(yíng)能力主要取決于線路I 的信號(hào)系統(tǒng)能力，正線運(yùn)行能力、折返能力不超過(guò)線路I 信號(hào)系統(tǒng)自身能力水平，追蹤能力依追蹤列車的控制方式。

3）其他性能

設(shè)備的可靠性取決于各設(shè)備自身的平均故障間隔時(shí)間，系統(tǒng)的可用性應(yīng)不小于99.98%，設(shè)備的可維護(hù)性主要取決于線路自身的平均故障修復(fù)時(shí)間，可按車站設(shè)備、軌旁設(shè)備、車載設(shè)備、控制中心設(shè)備進(jìn)行劃分。

5 工程案例分析

以大連地鐵3 號(hào)線、地鐵3 號(hào)線支線、大連金普線為例，利用本文方法制定解決方案。

地鐵3 號(hào)線從大連站至金石灘站，開(kāi)行大連站—金石灘、大連站—保稅區(qū)的大小交路。3 號(hào)線支線從開(kāi)發(fā)區(qū)至九里站，開(kāi)行開(kāi)發(fā)區(qū)—九里站交路，且與3 號(hào)線共同開(kāi)行大連站—九里站的長(zhǎng)交路。金普線新建段從九里站至振興路站，且與3 號(hào)線支線貫通運(yùn)行，開(kāi)行振興路至開(kāi)發(fā)區(qū)的列車交路。運(yùn)行交路如圖4 所示。

圖4 運(yùn)行交路圖Fig.4 The diagram of routing mode

地鐵3 號(hào)線和支線為正在運(yùn)營(yíng)線路，信號(hào)系統(tǒng)為基于軌道電路的固定閉塞制式。金普線為在建線路，信號(hào)系統(tǒng)采用基于無(wú)線通信的CBTC 系統(tǒng)。根據(jù)交路情況，九里站—振興路站為獨(dú)立運(yùn)行段，開(kāi)發(fā)區(qū)站—九里站為共線運(yùn)行段，具體解決方案如下。

金普線工程在九里—振興路設(shè)置常規(guī)的CBTC設(shè)備，除此之外金普線工程在開(kāi)發(fā)區(qū)—九里段設(shè)置點(diǎn)式應(yīng)答器設(shè)備，點(diǎn)式應(yīng)答器與支線的信號(hào)機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)狀態(tài)的采集和發(fā)送。九里—振興路段的調(diào)度指揮由金普線工程設(shè)置的ATS 控制，開(kāi)發(fā)區(qū)—九里段的調(diào)度指揮由3 號(hào)線和支線ATS 控制。開(kāi)發(fā)區(qū)—九里段的位置監(jiān)督均基于既有的軌道電路，開(kāi)發(fā)區(qū)—九里段的聯(lián)鎖進(jìn)路由支線聯(lián)鎖控制，并在九里站處與金普線聯(lián)鎖采用繼電方式進(jìn)行接口。

3 號(hào)線和支線列車在開(kāi)發(fā)區(qū)—九里段基于軌道電路的碼序以固定閉塞方式行車，金普線列車在九里—振興路段以CBTC 方式行車，金普列車在開(kāi)發(fā)區(qū)—九里段以點(diǎn)式方式行車，在九里站到站停車期間完成控制模式轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種不同信號(hào)制式的貫通運(yùn)行解決方案，本方案尤其適合解決短距離共線運(yùn)行場(chǎng)景。如果共線運(yùn)行段開(kāi)行列車對(duì)數(shù)較少，還可考慮采用配置兼容性信號(hào)車載設(shè)備或雙套信號(hào)車載設(shè)備解決方案。