胡 威

根據(jù)2020 年8 月國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)的《關(guān)于粵港澳大灣區(qū)城際鐵路建設(shè)規(guī)劃的批復(fù)》(發(fā)改基礎(chǔ)〔2020〕1238 號(hào))，大灣區(qū)主要城市間1 h通達(dá)，主要城市至省內(nèi)地級(jí)城市2 h通達(dá)，主要城市至相鄰省會(huì)3 h 通達(dá)，打造“軌道上的大灣區(qū)”，完善現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系。近期到2025年，大灣區(qū)共規(guī)劃建設(shè)13個(gè)城際鐵路和5個(gè)樞紐工程項(xiàng)目，總里程約775 km[1]。深惠城際鐵路(前海保稅區(qū)—坪地)屬于粵港澳大灣區(qū)深圳都市圈城際鐵路范疇，目前已開(kāi)工建設(shè)深圳前海至坪地段。根據(jù)廣東省發(fā)展和改革委員會(huì)可行性研究報(bào)告的批復(fù)，深惠城際鐵路工程前海保稅區(qū)至坪地段共設(shè)11 座車(chē)站，線路長(zhǎng)約58 km，全線敷設(shè)于地下，列車(chē)運(yùn)行控制方式為CTCS2+ATO，調(diào)度指揮方式為CTC，最小行車(chē)間隔3 min[2]。因深惠城際鐵路貫穿深圳市區(qū)，預(yù)測(cè)客流強(qiáng)度較大，具有“公交化運(yùn)營(yíng)”等特點(diǎn)[3]，亟需通過(guò)對(duì)城際鐵路列車(chē)自動(dòng)折返功能展開(kāi)研究，以解決目前CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)折返效率低、司機(jī)操作流程復(fù)雜等問(wèn)題。

1 各類型列車(chē)折返模式分析

1.1 城市軌道交通

在城市軌道交通領(lǐng)域中，列車(chē)折返方式經(jīng)歷了列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(Auto Train Protection，ATP)下的人工折返，有人監(jiān)督下的列車(chē)自動(dòng)駕駛(Auto Train Operation，ATO)自動(dòng)折返，以及無(wú)人自動(dòng)折返3個(gè)發(fā)展階段，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)城市軌道交通線路已實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)折返[4]。按照地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求，信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期最大能力應(yīng)滿足行車(chē)密度不小于30對(duì)/h[5]。這里的行車(chē)密度包含了“折返間隔”時(shí)間[6]，相當(dāng)于最小折返間隔要小于2 min。

自動(dòng)折返根據(jù)車(chē)站配線情況可以分為站前折返和站后折返2 種方式[7]。站前折返是指列車(chē)在折返站站臺(tái)停穩(wěn)后，等到乘客完成下車(chē)、上車(chē)過(guò)程，然后列車(chē)由本務(wù)端切換至另一端后直接啟動(dòng)發(fā)車(chē)，站前折返示意圖如圖1 所示。站后折返是指列車(chē)到達(dá)折返站站臺(tái)停穩(wěn)后，等待乘客下客完畢，列車(chē)進(jìn)入折返軌，完成列車(chē)由本務(wù)端切換至另一端并運(yùn)行至另一站臺(tái)股道，完成發(fā)車(chē)準(zhǔn)備，站后折返示意圖如圖2 所示。站后折返接發(fā)車(chē)在不同的站臺(tái)面，2 條股道平行作業(yè)，不存在進(jìn)路交叉，在有高密度行車(chē)需求的情況下，一般推薦采用站后折返方式[8]。

圖1 站前折返示意圖Fig.1 Turn-back in front of the station

圖2 站后折返示意圖Fig.2 Turn-back after the station

由于城市軌道交通存在不同等級(jí)的列車(chē)運(yùn)行自動(dòng)化等級(jí)，自動(dòng)折返根據(jù)駕駛模式又可以分為全自動(dòng)駕駛折返模式、ATO 有人/無(wú)人自動(dòng)折返模式、ATP 監(jiān)督下的人工折返模式、限制人工折返模式、非限制人工折返模式等[9]。

1.2 城際鐵路

根據(jù)《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)速度200 km/h的城際鐵路，地面應(yīng)配置CTCS2 級(jí)列控系統(tǒng)，可根據(jù)需要設(shè)置ATO 子系統(tǒng)[10]。CTCS2+ATO 系統(tǒng)的研發(fā)正是基于珠三角城際鐵路建設(shè)需要[11]。2010年10 月15 日原鐵道部和廣東省“關(guān)于珠三角城際軌道交通建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第二次會(huì)議紀(jì)要”明確要求珠三角城際鐵路采用CTCS2+ATO 系統(tǒng)[12]。CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)是在CTCS2 級(jí)列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加列車(chē)自動(dòng)駕駛、精確對(duì)標(biāo)停車(chē)、車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)及自動(dòng)開(kāi)關(guān)等功能[13]。其后，原中國(guó)鐵路總公司發(fā)布《城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案》(TJ/DW149—2013)，對(duì)CTCS2+ATO 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范。該總體方案定義折返作業(yè)包括站后端有人自動(dòng)折返和原地人工折返2 種[14]，基本能夠?qū)?yīng)城市軌道交通的站后折返和站前折返的概念。根據(jù)對(duì)既有珠三角莞惠城際鐵路(東莞西—小金口)運(yùn)維部門(mén)的調(diào)研情況，原地人工折返司機(jī)操作流程如表1所示。

表1 原地人工折返司機(jī)操作流程Tab.1 In-situ turn-back operation by driver

2 深惠城際鐵路實(shí)際需求分析

根據(jù)客流預(yù)測(cè)結(jié)果，深惠城際具有客流規(guī)模大、客流需求多樣、高峰時(shí)段通勤客流明顯的特征，開(kāi)通初、近、遠(yuǎn)期高峰小時(shí)開(kāi)行對(duì)數(shù)達(dá)到10 對(duì)/h、14 對(duì)/h、17 對(duì)/h，行車(chē)間隔應(yīng)滿足公交化需求，以符合大灣區(qū)城際鐵路網(wǎng)公交化一體運(yùn)營(yíng)的理念。根據(jù)前述調(diào)研情況，司機(jī)完整操作一遍原地人工折返流程一般需要10 min左右，而站后端有人自動(dòng)折返還增加了運(yùn)行至折返牽出線這一步驟，總折返時(shí)間則進(jìn)一步增加，無(wú)法滿足深惠城際鐵路“公交化運(yùn)營(yíng)”的需求。

參考城市軌道交通自動(dòng)折返經(jīng)驗(yàn)和CTCS2+ATO總體技術(shù)規(guī)范，根據(jù)深惠城際鐵路公交化運(yùn)營(yíng)以及遠(yuǎn)期延伸線(坪地—瀝林北)與既有珠三角莞惠城際鐵路跨線運(yùn)行的特點(diǎn)，提出深惠城際CTCS2+ATO列控系統(tǒng)自動(dòng)折返需求分析如表2所示。

表2 自動(dòng)折返需求分析Tab.2 Analysis of automatic turn-back requirements

3 實(shí)施方案設(shè)計(jì)

3.1 車(chē)輛及設(shè)備改造

若要滿足深惠城際CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)自動(dòng)折返需求，從動(dòng)車(chē)組的適配改造和相關(guān)信號(hào)子系統(tǒng)設(shè)備軟件修改2 方面進(jìn)行分析。從軟件方面看，需要修改的設(shè)備主要涉及CTC，TCC，CCS和信號(hào)車(chē)載設(shè)備等。其中軟件的修改以新增功能為主，不得影響未裝備CTCS2+ATO 自動(dòng)折返功能車(chē)載系統(tǒng)的列車(chē)正常運(yùn)行。

（1）動(dòng)車(chē)組。城市軌道交通能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)換端主要依賴車(chē)頭、車(chē)尾車(chē)載設(shè)備間的相互通信，減少開(kāi)關(guān)設(shè)備以及相關(guān)信息的輸入時(shí)間，進(jìn)而縮短折返時(shí)間。從動(dòng)車(chē)組的適配改造方面看，首先需要在動(dòng)車(chē)組兩端車(chē)載設(shè)備直接增加2 根沿不同物理徑路敷設(shè)的車(chē)輛貫通線，以交互換端請(qǐng)求/回復(fù)及相關(guān)數(shù)據(jù)；同時(shí)需要增加與車(chē)輛貫通線的接口設(shè)備，增加折返激活、折返激活反饋、鑰匙插入狀態(tài)、折返按鈕等IO接口。

（2）車(chē)載設(shè)備。根據(jù)換端后運(yùn)行所需信息，增加車(chē)輛貫通線后，動(dòng)車(chē)組兩端的車(chē)載設(shè)備之間傳輸信息，應(yīng)包括車(chē)載內(nèi)部狀態(tài)信息(周期信息)、CCSID 號(hào)、換端后的車(chē)次號(hào)、車(chē)長(zhǎng)司機(jī)號(hào)、軌道區(qū)段載頻上下行方向信息、軌道區(qū)段載頻信息、車(chē)載內(nèi)部狀態(tài)信息(周期信息)、ATO 折返運(yùn)行計(jì)劃。增加根據(jù)折返計(jì)劃執(zhí)行折返動(dòng)作功能，車(chē)載設(shè)備根據(jù)折返計(jì)劃判定進(jìn)入站后端自動(dòng)折返狀態(tài)/原地自動(dòng)折返狀態(tài)，并在車(chē)載列控設(shè)備人機(jī)界面(DMI)上進(jìn)行文本提示(無(wú)需司機(jī)確認(rèn))，區(qū)分顯示站后折返還是原地折返。增加收到折返運(yùn)行計(jì)劃后，給CCS發(fā)送回執(zhí)，以及向CCS發(fā)送折返狀態(tài)信息功能。增加列車(chē)進(jìn)入、退出站后端折返或原地自動(dòng)折返狀態(tài)時(shí)，或自動(dòng)折返中出現(xiàn)故障時(shí)，DMI上顯示相應(yīng)的報(bào)警提示。

（3）CTC。增加通過(guò)CCS向車(chē)載設(shè)備發(fā)送折返計(jì)劃(區(qū)分顯示站后端折返、原地折返)功能。采用站后端自動(dòng)折返時(shí)，列車(chē)出清發(fā)車(chē)股道后停止發(fā)送折返計(jì)劃；采用原地折返時(shí)，接收到來(lái)自CCS的列車(chē)自動(dòng)換端成功信息后停止發(fā)送折返計(jì)劃。CTC系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃和列車(chē)停穩(wěn)信息自動(dòng)觸發(fā)折返進(jìn)路，并完成折返車(chē)次號(hào)的自動(dòng)變更。增加接收CCS發(fā)送的折返狀態(tài)信息，并在CTC終端上顯示。

（4）TCC。若折返線有2 個(gè)或多個(gè)軌道區(qū)段組成，當(dāng)列車(chē)占用折返線列車(chē)運(yùn)行前方的軌道區(qū)段時(shí)，其后方的軌道區(qū)段發(fā)碼應(yīng)轉(zhuǎn)為向另一方向發(fā)碼。

（5）CCS。增加接收CTC 發(fā)送的折返運(yùn)行計(jì)劃，經(jīng)校驗(yàn)后發(fā)送至相關(guān)車(chē)載設(shè)備，收到車(chē)載設(shè)備回執(zhí)后，反饋給CTC。增加接收車(chē)載設(shè)備發(fā)送的折返狀態(tài)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)送至CTC。

3.2 作業(yè)流程優(yōu)化

除技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)折返外，進(jìn)一步從優(yōu)化作業(yè)流程的角度提高折返效率。根據(jù)國(guó)際公共交通協(xié)會(huì)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的自動(dòng)化等級(jí)劃分原則，CTCS2+ATO列控系統(tǒng)相當(dāng)于自動(dòng)化等級(jí)(Grade of Automation，GoA)2 級(jí)，即半自動(dòng)駕駛(Semi-automatic Train Operation，STO)，為司機(jī)監(jiān)督下的ATO 駕駛[15]。故從安全管理角度，在自動(dòng)折返流程方面，按ATO有人監(jiān)督下自動(dòng)折返模式考慮。

3.2.1 上電自檢

每日動(dòng)車(chē)組機(jī)械師或列車(chē)司機(jī)閉合動(dòng)車(chē)組兩端的ATP車(chē)載設(shè)備的電源供電開(kāi)關(guān)、ATP及ATO車(chē)載設(shè)備后開(kāi)始自檢。司機(jī)按操作規(guī)程進(jìn)行雙端的制動(dòng)測(cè)試。自動(dòng)折返車(chē)載換端時(shí)，車(chē)載設(shè)備不再進(jìn)行自檢，司機(jī)不需重新進(jìn)行制動(dòng)測(cè)試。司機(jī)激活本務(wù)端駕駛臺(tái)，本務(wù)端(以下簡(jiǎn)稱“A 端”)車(chē)載設(shè)備轉(zhuǎn)入部分監(jiān)控模式(PS)，非本務(wù)端(以下簡(jiǎn)稱“B 端”)車(chē)載設(shè)備收到休眠信號(hào)后轉(zhuǎn)入休眠模式(SL)。

3.2.2 原地自動(dòng)折返

CTC提前1個(gè)車(chē)站通過(guò)CCS向車(chē)載設(shè)備發(fā)送原地折返運(yùn)行計(jì)劃，列車(chē)根據(jù)收到的折返計(jì)劃，到達(dá)折返站進(jìn)行原地折返作業(yè)。列車(chē)進(jìn)入接車(chē)股道停穩(wěn)停準(zhǔn)后，A端車(chē)載設(shè)備或司機(jī)打開(kāi)車(chē)門(mén)，DMI上提示司機(jī)將進(jìn)行原地自動(dòng)折返，同時(shí)A端駕駛臺(tái)面板的自動(dòng)折返按鈕點(diǎn)亮，并閃爍燈光。待司機(jī)按壓車(chē)上的自動(dòng)折返按鈕后，自動(dòng)折返按鈕指示燈亮穩(wěn)定燈光，車(chē)載設(shè)備將CCS-ID 等相關(guān)信息通過(guò)車(chē)輛貫通線傳送至B端，此時(shí)DMI上提示司機(jī)可關(guān)閉駕駛臺(tái)。A 端司機(jī)關(guān)閉駕駛臺(tái)并拔出鑰匙，A 端車(chē)載設(shè)備轉(zhuǎn)為SL模式，并斷開(kāi)與CCS的連接狀態(tài)。此時(shí)，提前等在站臺(tái)的司機(jī)進(jìn)入列車(chē)B端駕駛室，在駕駛臺(tái)插入鑰匙，輸入司機(jī)號(hào)，B 端駕駛臺(tái)被激活。B端車(chē)載設(shè)備根據(jù)收到的CCS-ID 呼叫連接CCS。后續(xù)按正常方式發(fā)車(chē)。

3.2.3 站后端自動(dòng)折返

CTC提前1個(gè)車(chē)站通過(guò)CCS向車(chē)載設(shè)備發(fā)送站后端折返運(yùn)行計(jì)劃，列車(chē)根據(jù)折返計(jì)劃，到達(dá)折返站進(jìn)行站后端折返作業(yè)。列車(chē)進(jìn)入接車(chē)股道停穩(wěn)停準(zhǔn)后，A端車(chē)載設(shè)備或司機(jī)打開(kāi)車(chē)門(mén)，DMI上提示司機(jī)將進(jìn)行站后端自動(dòng)折返，同時(shí)A端駕駛臺(tái)面板的自動(dòng)折返按鈕點(diǎn)亮，并閃爍燈光。此時(shí)，提前等在站臺(tái)的司機(jī)進(jìn)入列車(chē)B 端駕駛室。下客完畢后，A端司機(jī)關(guān)閉車(chē)門(mén)并聯(lián)動(dòng)關(guān)閉站臺(tái)門(mén)，按壓車(chē)上的自動(dòng)折返按鈕，自動(dòng)折返按鈕指示燈亮穩(wěn)定燈光，車(chē)載設(shè)備將CCS-ID 等相關(guān)信息通過(guò)車(chē)輛貫通線傳送至B端，ATO自動(dòng)啟動(dòng)列車(chē)運(yùn)行至折返線。

當(dāng)折返線有2 個(gè)或多個(gè)軌道區(qū)段組成，列車(chē)占用折返線列車(chē)運(yùn)行前方的軌道區(qū)段時(shí)，其后方的軌道區(qū)段發(fā)碼應(yīng)由TCC 控制轉(zhuǎn)為向另一方向發(fā)碼。待列車(chē)在折返線停穩(wěn)后，此時(shí)DMI 上提示司機(jī)可關(guān)閉駕駛臺(tái)。A 端司機(jī)關(guān)閉駕駛臺(tái)并拔出鑰匙，A端車(chē)載設(shè)備轉(zhuǎn)為SL 模式，并斷開(kāi)與CCS 的連接狀態(tài)。此時(shí)，列車(chē)B端司機(jī)在駕駛臺(tái)插入鑰匙，輸入司機(jī)號(hào)，B 端駕駛臺(tái)被激活。B 端車(chē)載設(shè)備根據(jù)收到的CCS-ID 自動(dòng)呼叫連接CCS。車(chē)站聯(lián)鎖根據(jù)CTC指令排列由折返線進(jìn)入站臺(tái)方向的列車(chē)進(jìn)路完畢，B端車(chē)載收到軌道電路信息后設(shè)備經(jīng)司機(jī)確認(rèn)并監(jiān)督，由PS模式進(jìn)入非完全自動(dòng)駕駛模式(AM)。列車(chē)限速45 km/h 運(yùn)行，按ATO 控車(chē)曲線控制列車(chē)運(yùn)行至發(fā)車(chē)股道，在股道停穩(wěn)停準(zhǔn)后，ATO自動(dòng)打開(kāi)車(chē)門(mén)。后續(xù)按正常方式發(fā)車(chē)。

站后端自動(dòng)折返過(guò)程中，存在非完全AM 模式，即在未收到完整應(yīng)答器報(bào)文的前提下由PS 模式進(jìn)入AM 模式。為防范超速風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)非完全AM模式需要按PS模式限速45 km/h。

4 結(jié)束語(yǔ)

深惠城際鐵路計(jì)劃于2026 年底開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，由于深圳都市圈城際鐵路預(yù)測(cè)客流強(qiáng)度高、存在“公交化運(yùn)營(yíng)”需求，深惠城際CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)增加自動(dòng)折返功能的需求十分迫切。而根據(jù)現(xiàn)有CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，無(wú)法滿足深惠城際鐵路這一需求。在分析總結(jié)城市軌道交通列車(chē)自動(dòng)折返模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，從車(chē)輛和設(shè)備改造、優(yōu)化作業(yè)流程等角度，提出一種實(shí)現(xiàn)城際鐵路列車(chē)自動(dòng)折返的方案，具有一定的可行性。在工程運(yùn)用之前，尚需要進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和對(duì)折返能力的實(shí)驗(yàn)室仿真，并開(kāi)展必要的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。