軌道交通“三網融合”跨線運行的方案分析

呂文龍，韓 臻，麻吉泉

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；3.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

地鐵作為城市軌道交通的主要制式，目前所配置的信號系統主要為基于通信的列車自動控制(communication-based train control，CBTC)系統。現階段，市域(郊)鐵路信號系統可采用CBTC系統、中國列車運行控制系統(Chinese train control system，CTCS)，以及兩者兼容的車載或者地面新制式系統。同時，考慮國鐵干線高速特性，其與城市軌道交通貫通運行可行性極低。目前，國內諸多城市正在研究“三網融合”的技術方案，但尚無“三網融合”的具體工程運營案例。因此，要實現不同信號制式的線路間跨線運行，存在相同制式的CBTC系統間、CBTC系統與CTCS間以及CBTC與兼容系統間的制式這三種方式。

國內大陸城市對區域內城際軌道交通及“三網融合”的研究尚處于研究階段[1]。國際上城市軌道交通信號系統互聯互通的工程應用，基本通過以下三種方式實現。其一，采用通用型信號車載設備，以兼容不同廠家或相同廠家不同版本基線的地面信號系統，如巴西地鐵13號線通過中國通號新開發的新型車載設備兼容既有西門子地面設備、北京地鐵5號線備兼容西屋地面設備及后續CBTC升級條件[2]、上海地鐵2號線CBTC兼容固定閉塞[3]。其二，加裝多套信號車載設備以兼容不同的地面設備，實現在不同制式或信號廠家的地面設備上互聯互通或通過切換車載設備運行，例如東京總武線、日本鐵路公司(Japan railways,JR)線等。其三，加裝多套信號地面設備保證車載設備不改動，在地面安裝多套匹配車載設備的軌旁設備，如香港將軍奧線。

本文分析不同信號制式間的具體切換方案，結合工程實際應用的特點，從制式選擇與功能定位匹配[4]、切換方式、運營管理以及系統設計原則角度進行分析。

1 跨線運行方案及交路分析

1.1 方案一

方案一為地鐵線路采用CBTC，而其余線采用中國列車運行控制系統2級(C2)+列車自動運行系統(automatic train operation，ATO)。

1.1.1 應用場景分析

①場景一為城際國鐵線路A和市(郊)線路C均按照C2+ATO制式建設，兩線可采用貫通運行方式組織交路運行；地鐵線路B采用獨立的運行交路，通過車站換乘方式實現與城際及市域(郊)線的跨線乘車。A線與C線采用C2+ATO制式跨線運行如圖1所示。

圖1 A線與C線采用C2+ATO制式跨線運行

②場景二為地鐵線路B、市域(郊)線路C地面及車載設備采用CBTC系統設備。若線路條件滿足，兩線間按照CBTC制式組織跨線貫通組織交路運行；城際國鐵線路A采用獨立的運行交路，通過車站換乘方式實現與地鐵及市域(郊)線的跨線換乘。B線與C線采用CBTC制式跨線運行如圖2所示。

圖2 B線與C線采用CBTC制式跨線運行

1.1.2 技術點分析

①成熟條件：互聯互通線路間的系統采用CBTC或C2+ATO制式，系統標準化技術成熟，工程開通風險低。

②限制條件：若市域(郊)線路歸屬大鐵運營管理，相應的運營體制需要改變，對運營人員能力的要求較高。

1.2 方案二

方案二為各線均采用CTCS+CBTC通用型車載設備。地鐵線路地面安裝CBTC設備，市域及城際線路地面設置C2+ATO設備。列車裝載兼容CBTC以及C2+ATO制式的通用新型車載設備，能實現任意兩線間以貫通運行方式組織交路運行，實現不同制式線路的互聯互通運營。但在CBTC制式線路和C2+ATO制式線路跨線運行時，兩線間需要設置制式轉換區[5](可以為站臺區或者線路某一區域，詳見下文)。

1.2.1 應用場景分析

①場景一為地鐵線路B及市域(郊)線路C間采用貫通運行的交路，地鐵線路上以CBTC方式運行，市域(郊)線路上以C2+ATO方式運行；城際線路可采用獨立運行的交路。

B線與C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設備如圖3所示。

圖3 B線與C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設備

②場景二為地鐵線路B與市域(郊)線路C、地鐵線路B與城際線路A間采用貫通運行的交路，地鐵線路上以CBTC方式運行，市域(郊)線路及城際線路上以C2+ATO方式運行；同時，城際線路A和市域(郊)線路C因地面制式相同，可直接采用跨線運行的交路。A線、B線及C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設備如圖4所示。

圖4 A線、B線及C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式車載設備

1.2.2 技術點分析

①成熟條件：可實現地鐵線路、市域(郊)線路、城際線路間的互聯互通貫通運營；為節省投資，可優先實現地鐵線路和市域(郊)線路以及地鐵線路的跨線運行；域(郊)線路和城際線路間具備跨線運行條件，因此對于整個“三網融合”建設投資較小。

②限制條件：采用兼容兩種制式的車載設備方案，目前無成熟應用的產品；車載設備需獲得國鐵和城軌上道認證許可。

1.3 方案三

方案三為各線采用C2+ATO和CBTC兼容性地面設備，不同跨線需求的線路的地面設備相互兼容。新建地鐵線路及市域(郊)線路地面安裝兼容C2+ATO和CBTC的設備，城際國鐵線路根據不同場景可安裝C2+ATO或兼容C2+ATO和CBTC的設備。列車裝載兼容CBTC以及C2+ATO制式的通用新型車載設備，實現任意兩線間以貫通運行方式組織交路運行，以及不同制式線路的互聯互通運營。

因車載采用兼容兩種制式的通用新型設備，車載設備能自動實現不同制式的控制轉換。在CBTC制式線路和C2+ATO制式線路跨線運行時，兩線間無需設置制式轉換區。

1.3.1 應用場景分析

隨著國內都市圈的發展，地鐵與市域或與城際鐵路跨線運營的需求較為迫切，采用地面兼容CBTC+C2+ATO的設備是實現跨線運行的有效途徑。同時，根據線網的城市軌道交通的規劃及建設進度，跨線運行可分為：地鐵與市域(郊)線或地鐵與城際鐵路線、城際鐵路線與市域或(郊)線跨線運行，以及三網完全融合的方案。B線與C線路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設備如圖5所示。A線、B線及C線采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設備如圖6所示。

圖5 B線與C線路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設備

圖6 A線、B線及C線路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面設備

1.3.2 技術點分析

①成熟條件：實現地鐵線路與市域(郊)線路和城際線路間的互聯互通貫通運營；對于不具備兼容通用型車載功能的既有列車，可實現與本制式線路、地面兼容制式線路間的貫通運營。

②限制條件：采用兼容C2+ATO和CBTC制式的地面設備方案，需要安裝兩套設備，設備投資較大。若考慮按照兩種制式兼容的地面設備，行業內尚無此產品，且根據目前的技術發展，開發兼容性地面設備的可行性較低。

2 CBTC制式與CTCS-2控制區域模式轉換

為保證上述方案中，地鐵線路采用CBTC系統制式的列車與采用CTCS-2制式的市域(郊)線路或者城際線路的列車間能實現互聯互通跨線運行，必須在線路上設置使兩線列車制式相互轉換的區域。切換區域內應先設置切換預告點和轉換點。預告點使通用車型車載設備在經過預告點時根據應答器信息，進入自動切換兩種制式的轉換準備。轉換點使列車在經轉換點應答器后，通過車載讀取的應管器信息實現兩種模式的完全轉換。在正常情況下，兩種模式的控車曲線應能實現平穩切換，確保乘客的舒適度。

①從CBTC控制區域向CTCS-2控制區域轉換。

列車從CBTC線路跨線運行至CTCS-2級線路時，列車先在CBTC制式下按照區域控制器(zone controller，ZC)提供的移動授權(moving authority，MA)運行[6](MA跨越CTCS-2區域適當距離)。線路數據存儲于列車電子地圖中。列車運行至制式轉換預告點[7]處，CBTC車載列車自動防護(automatic train protection，ATP)控制模式準備向CTCS-2級控制模式轉換。通過地面預告點應答器的報文，當車載信號設備[8]接收應答器提供的線路數據及軌道電路發送的MA信息后，車載設備啟動模式轉換程序。隨后在制式轉換執行點處轉入CTCS-2級運行，車載ATP切換至CTCS-2級列控曲線并根據地面軌道電路發送的移動授權控制列車運行，完成兩種模式的完全轉換。

轉換區的軌旁信號機按照鐵路信號機的顯示原則設計[9]，并結合用戶需求和市域設計規制定顯示距離要求[10]。列車從CBTC控區向CTCS-2控區轉換如圖7所示。

圖7 CBTC控區向CTCS-2控區轉換示意圖

②從CTCS-2控制區域向CBTC控制區域轉換。

列車從CTCS-2級線路跨線運行至CBTC線路時，列車首先接收軌道電路提供的MA控制列車運行(MA跨越CBTC區域適當距離)，線路數據通過軌旁應答器向列車發送。列車運行到制式轉換預告點處CTCS-2級車載ATP準備向CBTC級控制模式轉換，車載設備向CBTC控區的ZC完成列車注冊和位置報告。ZC自動對該列車完成定位、篩選等操作，并確定列車已越過制式轉換預告點后向車載信號設備提供MA和制式轉換命令。車載信號設備實時計算CBTC制式下的列車運行曲線。當列車越過制式轉換執行點前，車載ATP按照CBTC級列控曲線并根據ZC實時發送的移動授權控制列車運行。列車從CTCS-2控區向CBTC控區轉換如圖8所示。

圖8 CTCS-2控區向CBTC控區轉換示意圖

3 列車跨線前置條件分析

地鐵線路與市域(郊)線路及城際線路間實現跨線運行。在上述信號系統及跨線運行分析的基礎上，需要車輛、限界及牽引供電等前置專業滿足條件。同時，道岔、站臺門等與信號運行速度及聯動控制相關的系統，也需要具備兩線間互聯互通貫通運行的條件。列車跨線運行前置條件分析如表1所示。

表1 列車跨線運行前置條件分析

3.1 車輛、限界及供電專業分析及建議

(1)跨線條件可行的已建地鐵線。

①市域(郊)線可選用與地鐵線一致的車型或者僅具備地鐵列車在市域(郊)線跨線運行。但考慮到市域(郊)線路高速特點，選用地鐵車型的可行性較低，而選用其他車型在地鐵線因限界較大無法運行。因此，本文建議僅考慮地鐵列車在市域(郊)線低峰時段跨線運行。

②若市域(郊)采用AC 25 kV接觸網供電，地鐵線可單獨采購雙制式供電列車，以實現在跨線運行線供電制式的切換。

(2)跨線條件可行的地鐵線未建或與市域(郊)同步建設。

①根據跨線運行的需求，確定兩線的車型及限界。

②根據跨線運行的需求，確定兩線相同的供電制式或跨線車采用雙制式供電。

列車跨線需滿足線路道岔及站臺門、運營管理模式等前置條件。

3.2 軌道及站臺分析與建議

(1)市域(郊)線列車最高運行速度在160 km/h以上，設置密貼檢查器；鋼軌和道岔型號根據軌道專業配置，對互聯互通基本無影響。

(2)市域(郊)線設置站臺門。

①僅考慮地鐵列車在市域(郊)線上運行時，市域(郊)線每節車廂車門中心線和站臺門中心線一致；或地鐵跨線列車間隔一個或若干個車門的中心線和站臺門中心線對齊，通過控制不同的車門聯動對應站臺門開關。

②若兩線的跨線列車車門中心線和站臺門中心線完全不對應，市域(郊)線可采用“廊道式”或“全開式”站臺門。

3.3 運營管理模式

若采用兩線相同制式或不同制式互聯互通的系統，建議將市域(郊)線納入地鐵運營網絡，可由現有地鐵運營公司管理。這有利于管理的統一性以及技術人員組建。

4 結論

目前，行業內針對地鐵線路與市域(郊)線路及城際線路尚無成熟的互聯互通跨線貫通方案，也無成熟產品應用的工程[11]。通過本文分析，在跨線制式選擇以及運行交路方案選擇上，若按照地鐵線網統一組織運營，推薦采用方案一中的場景一， 即地鐵及市域(郊)線地面及車載采用CBTC制式的貫通方式。若實現“三網融合”：推薦采用CBTC及CTCS-2級兼容性車載設備；地面根據制式不同分別安裝對應的設備，運營交路推薦方案二中的場景二。

本文所探討的方案對目前地鐵與市域(郊)線以及“三網融合”的技術發展有參考價值。具體跨線運行方案應結合貫通運營的前置條件以及貫通運行的組織及運營管理，選擇合適的實施方案。“三網融合”前期應按照頂層設計、一體化發展的理念，結合信號系統制式的選擇最終確定[12]。