市域鐵路信號列控制式的研究

李乾社

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

1 概述

市域鐵路是指在城市行政管轄區(qū)域內，為中心城與周邊新城或組團之間提供快速、大容量、公交化公共交通服務的有軌交通系統(tǒng)。

市域鐵路有別于城際鐵路和城市軌道交通（以下簡稱城軌）線路，是介于兩種軌道交通之間的一種適用于城市區(qū)域內重大經(jīng)濟區(qū)之間中長距離的客運交通。市域鐵路將城市市區(qū)以外的多個點或組團與城市邊緣的交通接口連接起來，具有內聚外聯(lián)的功能。

近年來國內城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，一批以中心城市為依托建設占地省、能耗低、容量大、效率高的市域鐵路已成為一種戰(zhàn)略選擇。但市域鐵路作為國內軌道交通建設領域的新生事物，由于認識、定位上的模糊和在實踐中各地方的要求差異，使信號制式選擇存在一定困難，如何選擇合適的列控系統(tǒng)存在諸多困惑，是否同國鐵、城際鐵路和城市軌道交通實現(xiàn)互聯(lián)互通、資源共享，還是自成一統(tǒng)均無共識等。

2 已建成市域鐵路概況及特點

市域鐵路同城際鐵路并沒有嚴格、定量化的區(qū)別，業(yè)界尚無清晰、明確的定義與判定標準，下文列舉的市域鐵路是按照項目功能定位、建設名稱等判定。

2.1 上海金山支線

上海金山支線由上海南站至金山衛(wèi)站，以既有的國鐵新閔支線、金山鐵路支線為基礎并延長至上海徐匯區(qū)。

金山支線全長63 km，共設10 站，平均站間距7 km；國鐵I 級鐵路、速度160 km/h；采用CTCS-0 級列控系統(tǒng)，即通用式機車信號+運行控制記錄裝置（LKJ），目前按客車間隔5 min，貨車6 min 運營。

金山支線是利用既有鐵路開行市域動車組，其列控系統(tǒng)采用國鐵普速線的標準；運營組織、調度、線路維護均由上海局承擔。

目前的運行狀況是，白天跑動車組，晚上動車組停運跑貨車。動車組既有站站停、也有越行車。

2.2 溫州市域鐵路S1線

溫州市域鐵路目前規(guī)劃了4 條線，線路長度269.3 km，其中S1 線西起沿海鐵路溫州南站東至靈昆半島，全長77.0 km。S1 線一期工程53.5 km，設車站19 座，平均站間距2.93 km，設計速度120 km/h。目前S1 線西段工程已經(jīng)開通運營，約37 km，含車站14 座。

S1 線屬于獨立運行線路，與其他線路采用換乘方式，不開行跨線列車，僅開行站站停列車。S1 線的建設、運營、管理模式，以及功能定位和運營需求更偏向城軌的范疇，對運營服務質量、設備的自動化程度要求較高。信號列控系統(tǒng)初、近期采用點式ATC 系統(tǒng)，遠期可升級為CBTC 系統(tǒng)。

2.3 成灌市域線

成灌市域線起于成都站止于青城山站，正線長66.2 km，設車站13 站，其中8 站為無配線車站。

成都至郫縣段運營速度120 km/h，郫縣至青城山段運營速度200 km/h，其信號列控系統(tǒng)采用CTCS-2 級。

2.4 已建成市域鐵路列控制式的特點

上述具有代表性的市域鐵路信號列控制式的選擇具有以下特點。

1)建設的主體不同，影響列控制式的選擇

在多種信號制式都可以選用的情況下，每一種制式均存在優(yōu)劣，不同技術背景的人會選擇不同的制式。

國鐵主導的市域鐵路一般會考慮同國鐵有良好的銜接（包括互聯(lián)互通等）、資源共享。地方主導的市域鐵路一般會考慮同城市地鐵有良好的銜接（包括方便換乘等）。

如金山支線由上海局建設、運營管理，又是利用既有鐵路改造而成，同國鐵互聯(lián)互通，資源共享，投資效益優(yōu)勢明顯。寧波、杭州市也采用類似的方式，利用既有蕭甬線開行市域動車組。

成灌線由原鐵道部建設，成都局運營管理，同國鐵互聯(lián)互通，資源共享，采用CTCS-2 列控系統(tǒng)。

溫州市域為地方主導建設、運營管理，其項目總體上考慮同城市地鐵整體規(guī)劃銜接,其列控制式以城軌列控制式為基本特征。

2)速度目標值及其對信號制式的影響

從上述幾個市域鐵路的實例看，速度目標值均不低于120 km/h,明顯高于城軌線（一般不大于100 km/h）。

金山支線速度160 km/h，采用CTCS-0,適應此速度要求；成灌速度200 km/h，采用CTCS-2，適應此速度要求；溫州市域S1 速度120 km/h,近期采用點式ATC 系統(tǒng)，遠期規(guī)劃升級為CBTC。

從以上兩點初步來看，一個項目選擇什么樣的信號列控模式，主要影響因素：項目建設主導方的背景，國鐵主導還是地方主導；線網(wǎng)規(guī)劃是同國鐵銜接為主，還是同城市地鐵銜接為主；速度的適應性。

3 市域鐵路同列控系統(tǒng)相關的運營功能需求

我國幅員遼闊，各地社會、經(jīng)濟發(fā)展不平衡，各地市域鐵路功能需求必然存在差異，又存在建設主體的不同會導致市域鐵路資源共享要求不同，線網(wǎng)銜接的互聯(lián)互通要求不同，因此要概括出統(tǒng)一的市域鐵路功能需求是不科學的，也是不經(jīng)濟的。

下面需求的提出是從市域鐵路的基本需求或潛在需求的角度提出的，各個具體項目的功能需求，需要具體取舍。

同列控系統(tǒng)密切相關的功能需求：一般應滿足最高運行速度、行車密度、旅客舒適度、旅客列車開行原則與開行方案等目標要求。但具體項目須根據(jù)本項目的定位、線網(wǎng)規(guī)劃、行車速度、行車密度等因素綜合考慮。

從基本的要求歸納影響列控系統(tǒng)選擇的功能需求，主要有以下幾點。

1）互聯(lián)互通、資源共享的需求

無論是國鐵還是市域鐵路理想的狀態(tài)都應能夠互聯(lián)互通、資源共享。這樣能極大地提高運輸組織的靈活性，大量節(jié)約土地資源、人力資源、設備資源等，建設、運營經(jīng)濟效益最佳。

2）速度目標值及運行時分的需求

由于各地圍繞大城市的郊區(qū)城鎮(zhèn)建設、經(jīng)濟與社會發(fā)展的差異，城鎮(zhèn)的分布差異，人口聚集密度的差異，包括市域的范圍差異，其不同的市域鐵路會選擇不同速度目標值，即使圍繞同一個中心城市其各方向的線路速度目標值也應存在差異。

從我國城市群空間尺度看，市域線路長度一般應在50 ～100 km 以內，也存在超過100 km 的情況。運行時分一般要求從起點到終點1 h 左右，最好不超過2 h，其速度目標值一般應選擇120 ～200 km/h。

3）列車開行方式的需求

通常情況下市域鐵路車站間距為3 ～15 km，從已建成的線路和目前正在建設的線路來看，既有站站停單一運行模式的線路，也有大站停、站站停、直達等3 種共存方式的線路。一般站站停列車最高運行速度可為140 km/h，越行快車速度最高可達200 km/h。

4）行車密度的需求

行車密度取決于高峰時客流的聚集度，不同區(qū)域、不同線路的市域鐵路也有很大的差異，最大的可達30 min，最小的宜在2 ～3 min，跨度很大。因此行車密度的需求，要針對具體的項目，既要考慮初、近期，也要考慮遠期的需求，而不能籠統(tǒng)考慮。

5）ATO 功能的需求

ATO 主要功能包括：列車自動駕駛、列車運行自動調整及節(jié)能運行、車站停車及跳停管理、站臺精確定位停車、列車車門與站臺門管理、自動折返等。

ATO 功能的需求一般應認為是列控系統(tǒng)的高級需求，因為經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)市域鐵路整體建設標準較高，自動化程度也要求較高，同時也取決于行車密度、追蹤間隔、車門與站臺門控制、精確停車等其他需求的綜合因素。

4 國鐵及城軌目前主用的信號列控系統(tǒng)

縱觀國鐵客運專線和城軌目前普遍采用的信號系統(tǒng)，其區(qū)別的核心在列控系統(tǒng)，因此分析清楚列控系統(tǒng)的差異，合理選擇列控系統(tǒng)是信號系統(tǒng)制式選擇的根本。

目前城軌采用的列控系統(tǒng)主要包括：基于數(shù)字軌道電路的ATC 系統(tǒng)、環(huán)線CBTC 系統(tǒng)、無線CBTC 系統(tǒng)、點式ATP+ATO 系統(tǒng)。

國鐵線采用CTCS-0、CTCS-2、CTCS-3 級列控系統(tǒng)。

珠三角城際鐵路城際鐵路采用的CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)。

4.1 各列控系統(tǒng)差異性

目前市域鐵路列控系統(tǒng)的選擇基本形成了兩大類：一類是國鐵制式CTCS 系列；一類是城軌制式采用ATC 系列。各系統(tǒng)的差異性比較如表1 所示。

從表1 可以看出以下幾點。

1）從技術成熟度來看，各系統(tǒng)均有成熟的應用業(yè)績。

2）從速度適應性來看，采用Wi-Fi 制式CBTC，不能適應120 km/h 以上的速度要求，采用LTE 制 式CBTC，理 論 上 適 應120 km/h 以上，其余幾種城軌的系統(tǒng)，截至目前在國內尚無120 km/h 以上速度的工程應用實踐；CTCS 系列能滿足各種市域鐵路的速度要求。

表1 各系統(tǒng)的差異性Tab.1 Differences among systems

值得指出的是點式ATP+ATO 理論上可以適應200 km/h 速度，在國外也有應用，但在國內的運營環(huán)境下沒有實例。

3）從行車計算結果來看，在相同的車型（動車、城軌車）下各種制式均能滿足3min 追蹤間隔要求。

列車的追蹤間隔受影響的因素較多，如車的啟速及制動性能、道岔轍叉號、站場布局、站間距、開行方式等等，從信號設備的角度，3min 間隔基本無潛力可挖了。同等條件下CTCS-系列、城軌系統(tǒng)已無多大區(qū)別。

4）從互連互通性來看，城軌的幾種制式均不能滿足完全的互聯(lián)互通，它們的互通性在一定的限定條件下存在可能性。CTCS 系列建立在統(tǒng)一、標準的體系下，具備較好的系統(tǒng)兼容性，易于實現(xiàn)市域鐵路網(wǎng)內，或者與國鐵交通線網(wǎng)的互聯(lián)互通。

5）從工程的經(jīng)濟性來看，城軌的幾種制式明顯高于國鐵制式。同一項目的信號工程造價，城軌制式一般高于國鐵制式2 倍以上。

6）從市場的競爭性來看，城軌的幾種制式明顯受限，市場采購必須考慮成系統(tǒng)的采購，供貨商單一，不利于競爭。

7）從線路數(shù)據(jù)的有效性來看，城軌的幾種制式均為車載存儲方式，國鐵CTCS 系列中CTCS-0 是通過車載LKJ 存儲線路數(shù)據(jù)，其余均為地面提供，能保證線路數(shù)據(jù)的有效性。

8）從目前的維護實踐來看，城軌的維護量、維護成本均高于國鐵線。

5 市域鐵路信號列控系統(tǒng)的選擇

5.1 各列控系統(tǒng)適應性綜合分析

前文綜合比較了目前主用幾種信號制式列控系統(tǒng)的差異性，下文從適應性的角度分析。

1）國鐵信號系統(tǒng)普遍采用的列控系統(tǒng)是CTCS-0、CTCS-2、CTCS-3。其中，CTCS-0 主要應用于速度不大于160km/h 線路；CTCS-2 級主要應用于160 ～250 km/h 的客專線、200 km/h客貨共線鐵路；CTCS-3 級主要應用于速度大于250 km/h 的高速線路。

CTCS-系列具有完整的技術體系，能實現(xiàn)列車的互聯(lián)互通，資源共享。市場開放程度高，相對城軌經(jīng)濟合理。

但是CTCS-系列，目前沒有能滿足3 min 以下行車間隔的實例。

2）城軌的信號系統(tǒng)目前的主流制式為基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）。采用Wi-Fi制式CBTC 系統(tǒng)到目前為止，其適應最高速度為120 km/h。其他幾種城軌制式，理論上能適應120 km/h 以上運用速度，但國內截至目前尚無工程實踐，國外也很少。城軌信號制式目前尚無通用的、完整的技術體系，以各系統(tǒng)提供商的技術體系為主，因此目前難以做到CBTC 系統(tǒng)下完全的互聯(lián)互通，要做到市域鐵路網(wǎng)內或與國鐵的互聯(lián)互通很困難。市場開放度低，工程造價、運用維護費用高。

3）城際鐵路CTCS-2+ATO 列控系統(tǒng)是以應用較為成熟的CTCS-2 級列控系統(tǒng)為基礎，增加部分ATO 功能，能適應行車速度最高250 km/h 線路。該系統(tǒng)既具備CTCS-2 列控系統(tǒng)的優(yōu)點，又能實現(xiàn)ATO 的功能。通過CCS 實現(xiàn)了車載ATP 與CTC、TCC、站臺門之間的信息傳輸，實現(xiàn)了車門與站臺門之間的聯(lián)動。CTCS-2+ATO 系統(tǒng)能夠實現(xiàn)網(wǎng)內的互聯(lián)互通，網(wǎng)內資源共享。如果具體項目有同國鐵互聯(lián)互通的需求時，也能夠方便的實現(xiàn)。

具有良好的性價比，市場開放，系統(tǒng)開放，建設方可以方便的單獨選用系統(tǒng)的各類設備。

值得注意的是鐵總科技[2013]79 號采用的車地通信系統(tǒng)使用GSM-R 系統(tǒng)，由于GSM-R 的頻段目前實際為鐵路總公司獨享，如果以地方獨立建設的市域網(wǎng)，應首選GSM-R 網(wǎng)作為車地通信方式，但也應有其他車地通信方式作為不能使用GSM-R網(wǎng)的后備方案。

5.2 列控系統(tǒng)選擇的主要影響因素

1）業(yè)主背景不同對列控系統(tǒng)選擇的影響

在多種信號制式可以選用的情況下，不同背景的人會選擇不同的制式。

如果是國鐵主導的市域鐵路，首先從CTCS-系列選擇。如果是既有國鐵改造利用，則明確選擇CTCS-系列。

如果是地方主導的市域鐵路，應著重從城軌的列控系統(tǒng)選擇。

2）互聯(lián)互通、資源共享的要求對系統(tǒng)選擇的影響

互聯(lián)互通、資源共享指與國鐵的互聯(lián)互通、資源共享，也指同城軌網(wǎng)的互聯(lián)互通、資源共享，第三種情況是市域網(wǎng)內的互聯(lián)互通、資源共享。

如果是同國鐵互聯(lián)互通，必須選擇CTCS-系列的列控方式。

如果是同城軌網(wǎng)互聯(lián)互通，則需要考慮的因素較多、難度較大，必須充分了解要求互通的線路范圍，信號設備狀況等，需要在選型上設置許多限定條件，包括商務的要求，包括可能付出的投資代價。

如果是市域網(wǎng)內互聯(lián)互通、資源共享，首選CTCS-系列，如果選擇城軌系列應選擇統(tǒng)一技術平臺的系統(tǒng)，如點式ATP、點式ATP+ATO 等以ETCS-1 為平臺，則有可能實現(xiàn)網(wǎng)內互通，但同時需要考慮諸多的影響因素。

3）線路速度、追蹤間隔要求對列控系統(tǒng)選擇的影響

如果線路速度120 km/h,國鐵CTCS-系列，城軌列控系列均能適應。

如果線路速度120 ～140 km/h,國鐵CTCS-系列適應，城軌列控系列部分類型能適應,但是缺乏國內運用的經(jīng)驗。

如果線路速度超過140 km/h 以上，國鐵CTCS-系列均能適應，城軌列控只能考慮點式ATP。

如果追蹤間隔超過3 min，國鐵CTCS-系列，城軌列控系列均能適應。

如果追蹤間隔不大于2.5 min，從信號設備的角度，城軌列控系統(tǒng)均能適應，國鐵CTCS-系列沒有應用實例。

值得提醒的是：在考量追蹤間隔時，應區(qū)分初、近、遠期目標，充分考慮電子產(chǎn)品的使用壽命。

4）ATO 功能需求對列控系統(tǒng)選擇的影響

如果有ATO 功能方面需求，國鐵CTCS 能夠選擇的列控系統(tǒng)CTCS-2+ATO,城軌系列均可選擇。

6 研究結論

市域鐵路信號列控制式的選擇應充分考慮具體項目的建設區(qū)域、區(qū)域內軌道交通的發(fā)展狀況，以具體項目的功能定位與整體技術裝備水平，以及初、近期的運量需求，以及建設投資和運營后的維護費用、土地資源的利用等多因素，而非單一因素選擇。

市域鐵路信號制式的選擇其核心是列控系統(tǒng)的選擇，應綜合考慮業(yè)主背景，互聯(lián)互通、資源共享要求，以及速度適應性、行車密度的要求，ATO 功能需求等因素綜合選擇。

從國鐵CTCS-系列與城軌ATC 系列的適應范圍與技術特點，以及互聯(lián)互通、資源共享，技術體系的完備與開放，市場的開放與工程性價比等方面綜合論證與比較，市域鐵路信號列控制式應首選CTCS-系列。

項目整體技術裝備水平不高，對投資敏感且行車間隔較大時，首選CTCS-0；項目整體技術裝備水平較高，服務與乘車舒適度有一定的要求時，首選CTCS-2；整個項目技術設備裝備水平很高，且有ATO 功能需求則首選CTCS-2+ATO。