何永發(fā)，閆俊俊，張 昱

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

“四網(wǎng)融合”是我國鐵路及城市軌道交通建設的發(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，構建運營管理和服務一張網(wǎng)，是實現(xiàn)多層次軌道交通網(wǎng)絡，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，這是我國城市化發(fā)展到一定階段的必然選擇，將涉及到國鐵和地鐵在車輛標準、列車控制、運營組織、維修維護等諸多方面的協(xié)調和統(tǒng)一，作為控制列車運行的信號系統(tǒng)，其技術方案選擇亦是保證“四網(wǎng)融合”列車貫通運行的重要一環(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)分別按照國鐵、地鐵兩個獨立體系描述，沒有涉及如何實現(xiàn)跨線運行。國際上市域(郊)鐵路、地鐵已經(jīng)貫通運營或正在研究之中的項目，其技術路線基本分兩種，其中以英國倫敦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現(xiàn)跨線運行方案；歐洲在“NGTC”(Next Gengeration Of Train Control Systems)及“shift2rail”科研計劃中，設置了鐵路ETCS系統(tǒng)與地鐵CBTC系統(tǒng)兼容車載設備的互聯(lián)互通專題研究。

國內已有專家學者對城市市域快線互聯(lián)互通[2]，市域鐵路的運輸模式及客流組織[3-4]、市域線路運行速度[5]、站臺門等系統(tǒng)及車輛段設計[4，6]、貨運與市域列車混行建設方案[7]、信號工程建設管理對策[8]等多個方面開展了研究，但對于“四網(wǎng)融合”背景下信號系統(tǒng)制式選擇的專項研究卻很少。國內要實現(xiàn)“四網(wǎng)融合”，同樣也是兩條技術路線，即跨線車裝備地鐵CBTC系統(tǒng)與國鐵CTCS系統(tǒng)的多車載設備或裝備地鐵CBTC系統(tǒng)與國鐵CTCS系統(tǒng)的兼容車載，兩條技術路線均需要打破地鐵與國鐵兩個體系互相獨立的局面，從滿足公交化運行、互聯(lián)互通技術創(chuàng)新、運營管理、維修維護等多個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系統(tǒng)制式，并在此基礎上展望“四網(wǎng)融合”市域(郊)鐵路的信號系統(tǒng)技術方案。

1 東北環(huán)鐵路增建第二線工程簡介

該工程為開行公交化市域(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線多個國鐵干線車站站場中拆分出咽喉區(qū)、股道單獨設置市域(郊)場，從站場劃分上能夠徹底與干線鐵路站場區(qū)分開，并在生命科學園站實現(xiàn)與北京地鐵19號線的路徑貫通，工程示意見圖1。

圖1 東北環(huán)增加二線工程示意

根據(jù)北京市和國鐵集團深化鐵路領域戰(zhàn)略合作協(xié)議，本線按照充分保障市域(郊)鐵路公交化運營、保障鐵路干線聯(lián)絡功能為頂層設計要求，線路需滿足國鐵及市域(郊)列車運營和調度需求，運能及時刻滿足市域(郊)列車開行需要，委托鐵路方運輸。

本線服務北京市公交化運行的市域(郊)列車(市域D型)、國鐵列車(裝備C2/C3車載的動車組、內燃動車組、貨運列車、特殊運輸)按照分時運行的原則同時并存，并實現(xiàn)北京地鐵19號線列車上下本線。為滿足本線公交化運營要求，高峰時段市域(郊)列車運行間隔3～5 min，要滿足國鐵、地鐵、市域(郊)列車在一個通道內實現(xiàn)交叉融合，必將給信號系統(tǒng)制式的選擇帶來挑戰(zhàn)。

2 東北環(huán)鐵路增建第二線工程信號系統(tǒng)研究

基于本線緊迫的建設周期，在時間上不允許全面創(chuàng)新開發(fā)兼容國鐵、地鐵的信號系統(tǒng)制式。以目前國鐵或地鐵成熟系統(tǒng)為基礎進行甄別選擇，適當增加部分新功能保證公交化運行，地鐵跨線運行列車采用CBTC/CTCS系統(tǒng)雙車載切換，是本線信號系統(tǒng)制式選擇的總技術路線。

2.1 信號系統(tǒng)制式選擇

本線的信號系統(tǒng)制式，評判其是否適合本線管理、運輸需求的要素具體包括10個方面：滿足中國鐵路北京局集團有限公司(以下簡稱“北京鐵路局”)負責運輸管理，滿足支撐公交化運營，需支撐國鐵干線功能，考慮信號技術標準與線路匹配性，考慮信號技術成熟度，考慮信號系統(tǒng)對追蹤間隔時分及折返能力的影響，考慮與地鐵19號線列車兼容，工程造價合理，施工難度小，對股道有效長要求合理。以上各個要素中，前3個要素是頂層設計要求。針對前述要求，本線信號制式可以采用如下3個方案。

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

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

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

2.2 各信號系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點對比分析

為清晰對比分析，針對每種要素進行直觀對比。各信號系統(tǒng)方案在滿足北京鐵路局負責運輸管理方面的對比分析見表1。

表1 滿足北京鐵路局負責運輸管理的信號系統(tǒng)對比分析

對于ATS系統(tǒng)不能夠直接納入北京鐵路局調度所CTC總機系統(tǒng)，解決途徑可采用以下兩個途徑，但是短時間內均無法實現(xiàn)，即在短時間內，均不能實現(xiàn)ATS系統(tǒng)納入北京鐵路局調度所。

(1)按照地鐵體系，需要單獨建立OCC中心，OCC中心與北京鐵路局調度所CTC總機系統(tǒng)并存，ATS系統(tǒng)與CTC系統(tǒng)實現(xiàn)信息接口，本線OCC調度臺調度員需要與北京鐵路局調度所調度員緊密合作，共同完成交叉作業(yè)辦理，相對應的軟件開發(fā)周期長，管理上銜接難度大，并需要北京鐵路局認可同意。

(2)進行ATS與CTC系統(tǒng)的軟件融合開發(fā)，此途徑在理論上可行，其研發(fā)難度、研發(fā)周期、運用效果均無法預測。

各信號系統(tǒng)方案在公交化運營及支撐國鐵干線功能方面、技術標準與線路匹配性及成熟度方面、追蹤間隔時分及折返能力方面的對比分析分別見表2～表4。

表2 公交化運營及支撐國鐵干線功能的信號系統(tǒng)對比分析

表3 技術標準與線路匹配性及成熟度的信號系統(tǒng)對比分析

表4 追蹤間隔時分及折返能力的信號系統(tǒng)對比分析

對于CTCS-2或CTCS-3制式下，折返時間較長，無法適應公交化3 min運營要求，可以通過采用CTCS-2/3+ATO模式，并在現(xiàn)有ATO功能[13-15]基礎上新增自動折返功能，能保證CTCS-2/3系統(tǒng)在折返過程中相關動作時間不超過20 s，但需要立項進行研究，實現(xiàn)該新增功能。

各信號系統(tǒng)方案在與地鐵列車互聯(lián)互通及工程造價方面、施工調試難度及股道有效長方面的對比分析分別見表5、表6。

表5 與地鐵列車互聯(lián)互通及工程造價的信號系統(tǒng)對比分析

表6 施工調試難度及股道有效長的信號系統(tǒng)對比分析

2.3 各信號系統(tǒng)方案比選結論

CTCS-2/3方案僅存在兩個弱項：即在追蹤間隔方面要實現(xiàn)3 min運營必須增加ATO自動折返功能，該功能目前在國鐵體系中不具備，需要立項研發(fā)；在股道有效長要求方面，由于CTCS-2/3系統(tǒng)安全防護距離設置在出站信號機外方，與CBTC方案相比，CTCS-2/3方案的股道有效長大于CBTC方案的股道有效長，將造成地下站工程量相應增大。CTCS-2方案和CTCS-3方案的區(qū)別僅為CTCS-3方案在技術匹配性、工程造價、施工難度方面不如CTCS-2方案。

CBTC方案在追蹤間隔時分、股道有效長方面有巨大優(yōu)勢，但有兩個缺陷：即對于本線信號系統(tǒng)選擇需考慮的3個頂層設計要素，無法滿足北京鐵路局負責運輸管理的需求、無法滿足需支撐國鐵干線的功能；同時在技術匹配性、工程造價、施工難度方面不如CTCS-2方案。

CBTC+CTCS-2方案是將兩個獨立體系硬性結合，其本意是解決除光華路支線以外段落的國鐵干線鐵路的正常運行功能。但CBTC區(qū)段的優(yōu)勢及存在的問題與CBTC方案一樣。

通過以上比較分析，針對本線保障市域(郊)公交化運行、保障國鐵干線功能、實現(xiàn)北京地鐵19號線跨線運營和調度指揮管理納入北京鐵路局的工程需要，CTCS-2+ATO且ATO新增自動折返功能，此方案是與本項目契合的最優(yōu)技術方案。

3 四網(wǎng)融合信號系統(tǒng)技術方案展望

東北環(huán)利用既有鐵路開行市域(郊)列車，選擇以CTCS-2+ATO(增加自動折返功能)為核心的信號系統(tǒng)，是基于當前的技術水平和建設周期的最優(yōu)選擇。隨著國鐵、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”信號系統(tǒng)技術方案的發(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)地面設備[17-19]、車載設備[20]、車地通信等[21](CTCS-4列控系統(tǒng))為基礎，實現(xiàn)移動閉塞功能，并增加ATO(自動折返功能)及適應公交化運行的聯(lián)鎖進路邏輯，進出地鐵線路的列車需裝備CTCS-4+CBTC雙車載，進行停車切換或自動切換實現(xiàn)與地鐵線路的貫通運行。

(2)研發(fā)兼容CBTC系統(tǒng)(采用互聯(lián)互通標準)/CTCS系統(tǒng)的新型列控系統(tǒng)，實現(xiàn)裝備一套新型列控系統(tǒng)車載設備在國鐵、地鐵的貫通運行，新型列控系統(tǒng)需要在車-地無線通信/地-地有線通信接口兼容、不同列車定位技術兼容、人機界面兼容等多個方面實現(xiàn)創(chuàng)新，以同時滿足國鐵/地鐵在控車、運營管理、維修維護等多方面的實際需求，此條技術路線雖然難度大、研發(fā)運用周期長，但卻能夠徹底解決目前國鐵、地鐵貫通運營所面臨的問題。

4 結論

“四網(wǎng)融合”是交通運輸?shù)娜诤习l(fā)展方向，如何選擇適合的信號系統(tǒng)制式，需要根據(jù)公交化運營間隔時分要求、列車運行種類、線路功能屬性、管理責任主體、建設周期等多方面，進行近期、遠期技術方案的衡量和選擇。

本文以北京鐵路樞紐利用既有東北環(huán)鐵路增建第二線開行市域(郊)列車典型工程為例，針對該工程首次出現(xiàn)的實現(xiàn)市域(郊)列車短追蹤間隔公交化運營和地鐵車輛跨線運營，同時支撐國鐵干線功能、調度運輸管理納入北京鐵路局的工程需求，從多個方面對信號系統(tǒng)制式進行分析比選后，提出了采用CTCS-2級列控系統(tǒng)疊加自動折返功能ATO的信號系統(tǒng)設計方案。該設計方案在可供工程實施的同時，也為“四網(wǎng)融合”工程項目信號系統(tǒng)的選擇，提供了研究方向。對于近期項目，根據(jù)運輸管理納入國鐵體系和地鐵體系的不同，可相應采用CTCS-2+ATO(增加自動折返功能)信號系統(tǒng)或采用CBTC系統(tǒng)；對于遠期項目，可參照本文提出的信號系統(tǒng)技術方案展望，以國鐵運輸為主時采用以CTCS-4列控系統(tǒng)為核心的信號系統(tǒng)，以地鐵運輸為主時采用兼容CBTC系統(tǒng)/CTCS系統(tǒng)的新型列控系統(tǒng)。