北京大興國際機場線信號系統(tǒng)制式的選擇

張傳琪 楊艷艷

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,100068,北京;2.城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點實驗室,100068,北京;3.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司,100070,北京//第一作者，高級工程師)

北京大興國際機場線(以下簡為“大興機場線”)工程北起南三環(huán)草橋站,南至大興機場，遠期規(guī)劃還將向北延伸至金融街中心城區(qū)。通過大興機場線,大興機場還可實現(xiàn)其與3條高鐵線路、3條城市軌道交通線路的綜合換乘。大興機場線預(yù)定目標為半小時內(nèi)由大興機場到達中心城區(qū)金融街。本文將對大興機場線工程中信號系統(tǒng)采用的制式進行分析和研究。

1 大興機場線工程運營需求分析

1.1 工程特點

信號系統(tǒng)是行車指揮的控制系統(tǒng)，在滿足信號系統(tǒng)安全性的前提下，可通過提高信號系統(tǒng)的可用性，并考慮各種故障環(huán)境下的行車指揮方案，來提高運營效率、運營服務(wù)質(zhì)量和信號系統(tǒng)的可維護性，從而滿足運營維護維修的要求。

大興機場線工程的主要運營特點如下：

1)線路具有速度高、站間距大的特點，采取小間隔運行。最高運行速度為160 km/h及以上，可實現(xiàn)4 min或更小的運行間隔。

2)采用市域車和交流25 kV牽引供電制式。

3)采用公交化運營和站站停的方式。客流存在變化的可能，要求具有靈活的運輸組織方式。乘客出行以全線走行時間和發(fā)車間隔為關(guān)注點，尤其關(guān)注下一班列車的到達時間。

4)線路正常運營時采用單一交路，同時考慮臨時交路。

5)采用全自動駕駛技術(shù)，可盡量減少人為誤操作，進一步提升系統(tǒng)安全性及提高系統(tǒng)可靠性。

6)與同類型線路構(gòu)建線網(wǎng)，存在聯(lián)通聯(lián)運的可能。線網(wǎng)間部分線路存在互聯(lián)互通需求，規(guī)劃線網(wǎng)內(nèi)各線路與國鐵、城市軌道交通間采用換乘模式，無互聯(lián)互通需求。

由上述分析可見，大興機場線工程既具有城市軌道交通的特點,又具有國鐵和城際鐵路的特點，但與城市軌道交通項目和城際鐵路又不盡相同,因此需結(jié)合線路定位和運營需求確定信號系統(tǒng)的制式。

1.2 信號需求分析

為滿足大興機場線工程安全、高效、便捷運輸?shù)囊螅柽x擇技術(shù)成熟、安全可靠的信號系統(tǒng)。信號系統(tǒng)功能定位需基于大興機場線工程的特點和運營需求的實現(xiàn)，同時兼顧線網(wǎng)規(guī)劃的統(tǒng)籌。結(jié)合大興機場線的工程特點和運營需求得到相應(yīng)的信號系統(tǒng)需求如下：

1)信號系統(tǒng)需滿足最高運行速度下信號系統(tǒng)可靠工作的要求，以及需適應(yīng)交流25 kV牽引供電制式及市域車的相關(guān)要求。

2)信號系統(tǒng)需滿足遠期行車間隔的能力要求，并留有一定余量；信號系統(tǒng)應(yīng)滿足大運量、高密度行車、行車交路變化(正常交路和臨時交路)的運營要求。

3)設(shè)備系統(tǒng)具有較高的自動化水平，采用完整的列車自動控制系統(tǒng)；具有安全可靠的降級控制模式；具備ATS(列車自動監(jiān)控)、ATP/ATO(列車自動保護/列車自動運行)、聯(lián)鎖等功能，滿足全自動駕駛需求。

4)信號系統(tǒng)的配置和功能需滿足互聯(lián)互通的要求。

2 信號系統(tǒng)制式選擇

2.1 信號系統(tǒng)簡介

結(jié)合大興機場線工程的運營特點和運營需求，可應(yīng)用于大興機場線工程的信號系統(tǒng)制式主要有城市軌道交通信號系統(tǒng)和列車控制系統(tǒng)(CTCS)等。目前，國內(nèi)得到較廣泛使用的城市軌道交通信號系統(tǒng)主要有準移動閉塞系統(tǒng)和移動閉塞系統(tǒng)，鐵路列車控制系統(tǒng)主要有CTCS2、CTCS3和CTCS2+ATO系統(tǒng)。本文主要對城市軌道交通和國鐵的信號系統(tǒng)進行初步分析。

2.1.1 城市軌道交通信號系統(tǒng)

應(yīng)用于城市軌道交通的ATC(列車自動控制)系統(tǒng)按閉塞方式主要有3種,分別為基于固定閉塞方式的ATC系統(tǒng)、基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞方式的ATC系統(tǒng)及基于通信的移動閉塞方式的ATC系統(tǒng)。

固定閉塞制式的ATC系統(tǒng)通常由軌道電路按預(yù)先設(shè)定的長度，檢測列車位置和列車間距。ATP根據(jù)每個閉塞分區(qū)的限速指令來監(jiān)控列車的速度，其速度控制模式一般為階梯的分級方式。

基于數(shù)字軌道電路的準移動閉塞制式的ATC系統(tǒng)，采用目標-距離控制方式進行閉塞分區(qū)的劃分。通過列車前方目標距離、線路狀態(tài)及列車性能等因素確定的速度-距離控制曲線實現(xiàn)對列車速度的監(jiān)控。其速度控制模式既具有連續(xù)的特點，又具有分級的性質(zhì)。

基于通信的移動閉塞制式的ATC系統(tǒng)采用車地雙向通信，將前方列車的移動定位信息，經(jīng)由車地通信環(huán)節(jié)傳給后續(xù)列車，且其控制信息亦隨前方列車的行進而連續(xù)地或周期性地作出響應(yīng)。移動閉塞信號系統(tǒng)，通過將移動的前車尾部安全包絡(luò)作為速度-距離控制的追蹤目標點，可實現(xiàn)對列車運行速度的自動連續(xù)監(jiān)測。該系統(tǒng)突破了固定或準移動閉塞的局限性，具有列車間隔動態(tài)移動、車地實時雙向通信、信息傳輸量大、更強的運行調(diào)整能力、更小的運行間隔等特點，有利于實現(xiàn)互聯(lián)互通，為全自動駕駛提供技術(shù)支撐。該系統(tǒng)是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的一種閉塞制式和目前城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流技術(shù)。

綜合以上3種閉塞制式的特點、技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況，適用于大興機場線工程的城市軌道交通信號系統(tǒng)為基于通信技術(shù)的移動閉塞信號系統(tǒng)(CBTC)。

2.1.2 國鐵信號系統(tǒng)

CTCS劃分了CTCS0至CTCS4 5個應(yīng)用等級，目前較廣泛使用的國鐵列控系統(tǒng)主要有CTSC2、CTCS3、CTCS2+ATO系統(tǒng)。

CTCS3級列控系統(tǒng)的車載設(shè)備與地面的無線閉塞中心(RBC)通過GSM-R(鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng))進行車地無線通信，同時車載設(shè)備通過應(yīng)答器獲取列車的位置信息。該系統(tǒng)采用目標距離控制模式和準移動閉塞方式，不具備ATO功能。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中對采用的列控系統(tǒng)的要求，其大多配置在設(shè)計速度為250 km/h及以上的線路上。

CTCS2級列控系統(tǒng)是基于軌道電路和應(yīng)答器設(shè)備傳輸信息的點連式列控系統(tǒng)，采用目標-距離控制模式和準移動閉塞方式，不具備ATO功能。根據(jù)《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》中對采用的列控系統(tǒng)的要求，其大多配置在設(shè)計速度為160 km/h及以上的線路上，可根據(jù)需要設(shè)置ATO子系統(tǒng)。

應(yīng)用于城際鐵路的CTCS2+ATO系統(tǒng)是在CTCS2級ATP功能的基礎(chǔ)上增加了ATO功能。該系統(tǒng)采用GSM-R技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實現(xiàn)了車地雙向通信。在城際鐵路領(lǐng)域，CTCS2+ATO系統(tǒng)目前正在珠江三角洲地區(qū)的城際線路上推廣應(yīng)用，其中莞惠線已于2016年1月開通。

綜合CTCS的技術(shù)特點及應(yīng)用情況，目前適用于大興機場線工程的國鐵列控系統(tǒng)主要是CTCS2+ATO系統(tǒng)。

通過上述初步分析，結(jié)合大興機場線工程的功能需求、運營需求及適應(yīng)工程等特點，大興機場線可采用的信號系統(tǒng)制式主要有城市軌道交通CBTC信號系統(tǒng)和應(yīng)用于城際鐵路的CTCS2+ATO系統(tǒng)。本文主要對CBTC系統(tǒng)和CTCS2+ATO系統(tǒng)在大興機場線工程的應(yīng)用進行適應(yīng)性分析。

2.2 CBTC系統(tǒng)與CTCS2+ATO系統(tǒng)比選分析

以下針對CBTC系統(tǒng)與CTCS2+ATO系統(tǒng)，從大興機場線的功能需求、運營需求、運行速度、交流25 kV牽引供電、市域車等方面的適應(yīng)性比選分析。

2.2.1 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)簡介

CBTC系統(tǒng)的自動化水平較高，協(xié)同性較強。該系統(tǒng)由ATS、ATP、ATO和計算機聯(lián)鎖(CI)等子系統(tǒng)組成。子系統(tǒng)間通過信息交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，通過車載、軌旁、車站和控制中心設(shè)備共同完成列車運行的自動控制。CBTC系統(tǒng)可以可靠而精確地檢測列車位置，并根據(jù)線路條件對列車進行控制，以保證列車的安全間隔。典型的CBTC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2.2.2 CTCS2+ATO系統(tǒng)簡介

CTCS2+ATO級列控系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備由通信控制服務(wù)器(CCS)、列控中心(TCC)、臨時限速服務(wù)器(TSRS)、ZPW-2000系列軌道電路、應(yīng)答器及LEU(軌旁電子單元)、GSM-R通信接口設(shè)備等組成；車載設(shè)備由ATP和ATO構(gòu)成。CTCS2+ATO級列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CTCS2+ATO列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)和CTCS2+ATO系統(tǒng)在大興機場線工程中的適應(yīng)性分析

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)和城際鐵路CTCS2+ATO信號系統(tǒng)在大興機場線工程的適應(yīng)性比選如表1所示。

由表1可知，城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)需使用GSM-R鐵路專用頻點,頻點申請較困難，且該系統(tǒng)不具備全自動駕駛功能，運行調(diào)整功能較弱，若將該系統(tǒng)應(yīng)用于大興機場線工程需要進行二次開發(fā)。而CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通工程中應(yīng)用廣泛，該系統(tǒng)的運營模式和系統(tǒng)功能可完全滿足大興機場線工程的需要，且具備互聯(lián)互通的條件。

因此，最適合大興機場線工程的信號系統(tǒng)應(yīng)為城市軌道交通制式的CBTC系統(tǒng)。

表1 城市軌道交通CBTC系統(tǒng)和城際列控系統(tǒng)的適應(yīng)性對比表

3 結(jié)語

大興機場線工程既具有常規(guī)城市軌道交通的特點，又具有國鐵、城際鐵路的特點，但與常規(guī)城市軌道交通項目和城際鐵路又不盡相同。根據(jù)具體工程的特點和運營需求，推薦大興機場線工程的信號系統(tǒng)采用城市軌道交通制式的CBTC系統(tǒng)。由于北京市交通委員會批復要求大興機場線按照全自動運行系統(tǒng)線路進行建設(shè)，因此大興機場線工程的信號系統(tǒng)還需要在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行全自動運行系統(tǒng)相關(guān)功能的增強和工程參數(shù)的適配。