成正波 劉華祥

(1.上海軌道交通無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,200071,上海;2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，工程師)

市域(郊)鐵路具有高密度、通勤化、公交化的服務(wù)特性，以及距離長(zhǎng)、速度快、服務(wù)范圍廣、站間距大等特點(diǎn)。其服務(wù)范圍、技術(shù)特征和運(yùn)輸組織特點(diǎn)均介于國(guó)家鐵路和常規(guī)地鐵(輕軌)之間。為增強(qiáng)城市對(duì)外輻射能力，市域(郊)鐵路要實(shí)現(xiàn)與國(guó)家鐵路干線(xiàn)的互聯(lián)互通。

1 現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)

目前，我國(guó)軌道交通信號(hào)系統(tǒng)主要有國(guó)家鐵路的CTCS(中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng))和地鐵的ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)系統(tǒng)。當(dāng)前已開(kāi)通的市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)也主要來(lái)自于這兩大系統(tǒng)[1]，以及STCS(Suburban Train Control System，市域鐵路列車(chē)控制系統(tǒng))。

1.1 CTCS

CTCS主要有CTCS-2級(jí)和CTCS-3級(jí)列車(chē)運(yùn)行控制(以下簡(jiǎn)為“列控”)系統(tǒng)。為滿(mǎn)足城際鐵路的公交化運(yùn)行需求，珠三角城際鐵路采用了CTCS-2+ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)信號(hào)系統(tǒng)。

CTCS-2級(jí)信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用于設(shè)計(jì)時(shí)速不高于250 km的線(xiàn)路，采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式。其采用ZPW-2000系列無(wú)絕緣軌道電路來(lái)檢查列車(chē)占用情況，并向列車(chē)傳送列車(chē)運(yùn)行前方的空閑閉塞分區(qū)數(shù)或進(jìn)路信息；通過(guò)點(diǎn)式應(yīng)答器向車(chē)載設(shè)備傳送臨時(shí)限速、列車(chē)定位、線(xiàn)路參數(shù)等信息。地面可不設(shè)通過(guò)信號(hào)機(jī)，以ATP(列車(chē)自動(dòng)保護(hù))車(chē)載信號(hào)設(shè)備的信號(hào)作為行車(chē)憑證。列控車(chē)載設(shè)備根據(jù)軌道電路和應(yīng)答器傳送的信息生成目標(biāo)-距離速度控制曲線(xiàn)來(lái)監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行。

CTCS-2+ATO信號(hào)系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)基礎(chǔ)上疊加了ATO系統(tǒng)，能滿(mǎn)足列車(chē)超速防護(hù)、列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行調(diào)整、列車(chē)自動(dòng)駕駛、站臺(tái)精確定位停車(chē)、列車(chē)車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制、防淹門(mén)、站臺(tái)緊急關(guān)閉防護(hù)的需求。

CTCS-3級(jí)信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)用于時(shí)速不高于350 km的線(xiàn)路，仍采用準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式。其增加了RBC(無(wú)限閉塞中心)和GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng))設(shè)備。軌道電路僅用于檢查列車(chē)占用情況；應(yīng)答器用于列車(chē)定位，傳輸GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)及RBC切換等信息；地面RBC和車(chē)載設(shè)備通過(guò)GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸行車(chē)許可和線(xiàn)路數(shù)據(jù)等信息。CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)配合ZPW-2000系列無(wú)絕緣軌道電路提供的低頻信息，可自動(dòng)向下兼容CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)。

CTCS-2和CTCS-2+ATO及CTCS-3目前已大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，這些系統(tǒng)較為成熟穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)市域(郊)鐵路與國(guó)家鐵路的跨線(xiàn)運(yùn)營(yíng)及互聯(lián)互通。

1.2 ATC系統(tǒng)

地鐵ATC系統(tǒng)采用CBTC(基于通信的列車(chē)控制)方案，為移動(dòng)閉塞制式。CBTC系統(tǒng)的控制精度高，后車(chē)可以追蹤到前車(chē)的尾部，最小行車(chē)間隔可達(dá)到90 s；CBTC系統(tǒng)的自動(dòng)化程度非常高，可實(shí)現(xiàn)ATO乃至UTO(無(wú)人駕駛)，可使列車(chē)自動(dòng)化等級(jí)達(dá)到GoA 4級(jí)。

CBTC系統(tǒng)采用車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信傳輸方式，不僅可大量減少軌旁設(shè)備，而且可實(shí)現(xiàn)高精度的主動(dòng)列車(chē)定位及車(chē)地之間的雙向?qū)崟r(shí)通信，具有更高的效率和靈活性。

1.3 STCS

STCS是一種充分借鑒國(guó)內(nèi)外類(lèi)似項(xiàng)目的建設(shè)案例和經(jīng)驗(yàn)，以目前既有成熟列車(chē)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以功能需求為導(dǎo)向構(gòu)建的兼容CTCS-2和CBTC的移動(dòng)閉塞列車(chē)控制系統(tǒng)，具備以移動(dòng)閉塞為基礎(chǔ)的高密度、公交化運(yùn)營(yíng)能力，并能實(shí)現(xiàn)與CTCS-2線(xiàn)路的互通運(yùn)行。

2 市域(郊)鐵路功能需求分析

《關(guān)于促進(jìn)市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(發(fā)改基礎(chǔ)[2017]1173號(hào))要求：市域(郊)鐵路在充分利用既有鐵路的基礎(chǔ)上，有序新建部分線(xiàn)路，優(yōu)化完善市域(郊)鐵路網(wǎng)絡(luò)；市域(郊)鐵路原則上應(yīng)采用公交化運(yùn)營(yíng)模式。

2.1 互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)需求

無(wú)論是新建線(xiàn)路，還是利用既有鐵路線(xiàn)改造的線(xiàn)路，市域(郊)鐵路內(nèi)部及其同國(guó)家鐵路、城際鐵路或其他市域(郊)鐵路均有互聯(lián)互通運(yùn)營(yíng)的需求，其信號(hào)系統(tǒng)也必須滿(mǎn)足互聯(lián)互通的運(yùn)營(yíng)需求。

2.2 公交化運(yùn)營(yíng)需求

市域(郊)鐵路是連接新城及新市鎮(zhèn)的紐帶，肩負(fù)減輕城市交通壓力、構(gòu)建“公交-市域鐵路-鐵路出行”便捷出行鏈的重任，具有公交化運(yùn)營(yíng)的服務(wù)特性。

為了實(shí)現(xiàn)公交化運(yùn)營(yíng)，市域(郊)鐵路還須具備自動(dòng)駕駛、精確停車(chē)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)、聯(lián)動(dòng)屏蔽門(mén)及安全門(mén)等ATO相關(guān)功能，既能為列車(chē)精確對(duì)標(biāo)停車(chē)及正確開(kāi)門(mén)提供有力的技術(shù)保障，也能有效減輕司機(jī)和站臺(tái)客運(yùn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高自動(dòng)化水平和運(yùn)營(yíng)效率。

可見(jiàn)，市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足公交化運(yùn)營(yíng)的需求，具備ATO相關(guān)功能。

3 信號(hào)系統(tǒng)對(duì)功能需求的適應(yīng)性分析

3.1 信號(hào)系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)互通及ATO功能的適應(yīng)性分析

不同信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通適應(yīng)性分析如表1所示。

表1 不同信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)互通適應(yīng)性分析

在中國(guó)鐵路總公司主導(dǎo)下，制定了CTCS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以滿(mǎn)足不同系統(tǒng)設(shè)備、不同車(chē)載設(shè)備及不同等級(jí)CTCS間的互聯(lián)互通要求。

地鐵CBTC系統(tǒng)目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。互聯(lián)互通型CBTC系統(tǒng)雖可實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商CBTC之間的互聯(lián)互通，卻不能滿(mǎn)足與CTCS互聯(lián)互通的要求。

CTCS-2+ATO系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)ATO相關(guān)功能。CTCS-2及CTCS-3均未能實(shí)現(xiàn)ATO相關(guān)功能。

根據(jù)互聯(lián)互通及ATO相關(guān)功能的要求，市域(郊)鐵路信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)或能兼容CTCS-2+ATO的STCS。

3.2 信號(hào)系統(tǒng)對(duì)公交化運(yùn)營(yíng)的適應(yīng)性分析

3.2.1 CTCS-2+ATO系統(tǒng)

CTCS-2+ATO系統(tǒng)的核心理念是區(qū)間自動(dòng)閉塞追蹤運(yùn)行。CTCS-2+ATO系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化區(qū)間追蹤間隔，可使得最小區(qū)間追蹤間隔縮至3 min。CTCS-2+ATO系統(tǒng)的區(qū)間追蹤間隔取決于站臺(tái)區(qū)域追蹤間隔與折返區(qū)域追蹤間隔。

3.2.1.1 站臺(tái)區(qū)域追蹤間隔

站臺(tái)區(qū)域追蹤有兩種情況:①到通,當(dāng)車(chē)站存在配線(xiàn)時(shí)，前行列車(chē)到發(fā)線(xiàn)進(jìn)站停車(chē)，后行列車(chē)正線(xiàn)通過(guò)；②到到,當(dāng)車(chē)站沒(méi)有配線(xiàn)時(shí)，前行列車(chē)到發(fā)線(xiàn)進(jìn)站停車(chē)，后行列車(chē)到發(fā)線(xiàn)進(jìn)站停車(chē)。

與到通追蹤間隔相比，到到追蹤間隔需要多考慮停站時(shí)間及列車(chē)出清站臺(tái)的時(shí)間。因此，站臺(tái)區(qū)域追蹤間隔的最大值為到到追蹤間隔。

站臺(tái)區(qū)域追蹤間隔時(shí)間計(jì)算為:

t到到=(L制+L防+L進(jìn)站)/v到達(dá)+(L標(biāo)+L列)/v出發(fā)+t到達(dá)作業(yè)+t停站

1)

式中：

t到到——前后兩列車(chē)到達(dá)站臺(tái)的時(shí)間間隔；

L制——列車(chē)制動(dòng)距離；

L防——安全防護(hù)距離；

L進(jìn)站——從進(jìn)站防護(hù)信號(hào)機(jī)至站臺(tái)停車(chē)點(diǎn)的距離；

v到達(dá)——列車(chē)到達(dá)進(jìn)站防護(hù)信號(hào)機(jī)干擾點(diǎn)時(shí)的運(yùn)行速度；

L標(biāo)——站臺(tái)停車(chē)后，列車(chē)車(chē)頭與出站信號(hào)機(jī)的距離；

L列——列車(chē)的車(chē)長(zhǎng)；

v出發(fā)——列車(chē)出清(L標(biāo)與L列)的運(yùn)行速度；

t到達(dá)作業(yè)——列車(chē)到達(dá)時(shí)接車(chē)作業(yè)時(shí)間；

t停站——列車(chē)停站時(shí)間。

當(dāng)設(shè)計(jì)行車(chē)速度為160 km/h、t停站=40 s、t到達(dá)作業(yè)=16 s時(shí)，閉塞分區(qū)長(zhǎng)度為800 m時(shí)，經(jīng)過(guò)牽引計(jì)算，t到達(dá)=103 s，t出發(fā)=42 s。由式(1)可得，t到到為201 s。

3.2.1.2 折返區(qū)域追蹤間隔

根據(jù)折返站的站型，折返區(qū)域追蹤間隔可按站前折返與站后折返兩種情況計(jì)算。站前折返的追蹤間隔往往大于站后折返的追蹤間隔，故本文僅分析站前折返的情況。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]第6.1條與第6.5條的規(guī)定，采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)的線(xiàn)路在列車(chē)折返作業(yè)時(shí)需執(zhí)行相應(yīng)操作流程[2]。因此，列車(chē)在折返站的停站時(shí)間必須滿(mǎn)足完成規(guī)定操作流程的需要。珠三角廣惠城際鐵路為國(guó)內(nèi)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的、且采用CTCS-2+ATO系統(tǒng)的線(xiàn)路，根據(jù)該線(xiàn)路莞惠段(東莞—惠州段)的折返運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，計(jì)算列車(chē)按照規(guī)定流程完成折返站從進(jìn)站停車(chē)至折返站起動(dòng)發(fā)車(chē)所需的理論時(shí)間：在單司機(jī)配置下為335 s左右，在雙司機(jī)配置下為240 s左右。

上海市域鐵路嘉閔線(xiàn)的嘉定北站站型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 嘉閔線(xiàn)嘉定北站站型簡(jiǎn)圖

嘉定北站的站前單折返追蹤間隔相關(guān)參數(shù)如表2所示，進(jìn)而可得嘉定北站的站前單折返追蹤間隔見(jiàn)表2。表3及表4為嘉定北站站前交替折返的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而可得嘉定北站的站前交替折返追蹤間隔如表5所示。

表2 嘉定北站站前單折返追蹤間隔

表3 嘉定北站CTCS2+ATO單司機(jī)站前交替折返追蹤間隔相關(guān)數(shù)據(jù)

分析正線(xiàn)與折返區(qū)域的追蹤間隔可知：終端站的折返間隔是整條線(xiàn)路公交化運(yùn)營(yíng)能力的瓶頸點(diǎn)；在不固定乘客上下車(chē)站臺(tái)的情況下，采用現(xiàn)有CTCS-2+ATO系統(tǒng)時(shí)的列車(chē)最小追蹤間隔可達(dá)到221 s左右，能滿(mǎn)足較低的公交化運(yùn)營(yíng)能力需求(運(yùn)行間隔大于4 min)。

3.2.2 STCS系統(tǒng)

STCS具備移動(dòng)閉塞的追蹤能力，控制精度高，可使后車(chē)追蹤到前車(chē)的尾部，使正線(xiàn)最小追蹤間隔達(dá)90 s。采用STCS時(shí)，限制列車(chē)追蹤間隔的主要瓶頸點(diǎn)為列車(chē)折返能力。因此主要分析STCS下的站前折返能力。

表4 CTCS-2+ATO雙司機(jī)站前交替折返追蹤間隔相關(guān)數(shù)據(jù)

表5 嘉定北站站前交替折返追蹤間隔

同樣以圖1嘉定北折返站為例，在STCS移動(dòng)閉塞下的折返能力如表6～8所示。

通過(guò)分析表6、表7及表8的STCS追蹤間隔可知：終端站的折返間隔是整條線(xiàn)路公交化運(yùn)營(yíng)能力的瓶頸點(diǎn)；在固定乘客上下車(chē)站臺(tái)的情況下，列車(chē)最小追蹤間隔可達(dá)約180 s，能滿(mǎn)足較高的公交化運(yùn)營(yíng)能力需求(運(yùn)行間隔小于3 min)。

表6 移動(dòng)閉塞站前單折返追蹤間隔計(jì)算表

表7 移動(dòng)閉塞站前交替折返追蹤間隔

表8 STCS系統(tǒng)站前交替折返追蹤間隔相關(guān)數(shù)據(jù)

3.2.3 STCS互通性分析

STCS是兼容CTCS-2的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，故STCS可以實(shí)現(xiàn)與CTCS-2線(xiàn)路的互聯(lián)互通跨線(xiàn)和共線(xiàn)運(yùn)營(yíng)。STCS系統(tǒng)具備互聯(lián)互通CBTC功能，也可以實(shí)現(xiàn)與其他城市軌道交通線(xiàn)路的互通運(yùn)營(yíng)見(jiàn)圖2。

STCS的架構(gòu)和原理決定了其支持車(chē)載兼容和軌旁兼容兩種場(chǎng)景配置：通過(guò)配置兼容型的車(chē)載設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足列車(chē)同鐵路CTCS線(xiàn)路及地鐵移動(dòng)閉塞線(xiàn)路的互聯(lián)互通和跨線(xiàn)運(yùn)營(yíng)；通過(guò)配置兼容型的軌旁設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足鐵路列車(chē)與地鐵列車(chē)的互聯(lián)互通和跨線(xiàn)運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于市域(郊)鐵路而言， CBTC移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)能更好地發(fā)揮公交化運(yùn)營(yíng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為了滿(mǎn)足互通運(yùn)行的需求，至少應(yīng)支持CTCS-2的運(yùn)行，因此：

圖2 STCS市域信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通場(chǎng)景

1) 對(duì)于公交化運(yùn)營(yíng)間隔(大于4 min)要求不高、接受在不同站臺(tái)乘車(chē)的線(xiàn)路，可采用CTCS-2+ATO、STCS信號(hào)系統(tǒng)。

2) 對(duì)于公交化運(yùn)營(yíng)間隔(小于3 min)要求較高的線(xiàn)路，建議采用STCS的移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)。