都市圈快速軌道交通信號系統制式方案選擇

李 晶 王 鵬 楊艷鋒 劉振宇 侯佳麗

(1．北京城建設計發展集團股份有限公司， 100045， 北京； 2．河北雄安軌道快線有限責任公司， 071700， 雄安新區；3．上海鐵路通信有限公司， 200071， 上海； 4．石家莊市軌道交通集團有限責任公司， 050011， 石家莊∥第一作者， 高級工程師)

中共中央在《關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標的建議》中提出，要加快城市群和都市圈的軌道交通網絡化。2019年2月，國家發展和改革委員會在《關于培育發展現代化都市圈的指導意見》中明確指出：要打造“軌道上的都市圈”，統籌考慮都市圈軌道交通網絡布局，構建以軌道交通為骨干的通勤圈。2019年9月，中共中央國務院印發的《交通強國建設綱要》提出：要依托京津冀、長三角、粵港澳大灣區等世界級城市群，提高換乘換裝水平，完善集疏運體系。在這些國家政策的導向作用下，都市圈軌道交通迎來了前所未有的大發展。為構筑多層級、一體化的綜合交通樞紐，推動軌道交通“四網”融合，適應都市圈快速軌道交通高速度、高密度、高自動化水平的要求，信號專業需要深耕制式選型和系統融合問題。

1 國外典型都市圈概況及軌道交通信號制式選擇

縱觀國外典型都市圈可知，這些都市圈都是根據各自圈層內的城市規劃、地理條件、人口分布等情況充分布局各層級的軌道交通線路，這些軌道交通線路在都市圈的公共交通體系中發揮著重要作用。信號制式決定了軌道交通線路的運輸組織能力、發車間隔和服務便捷性，以及線路間是否可互聯互通，并對軌道交通線路相關技術標準的選擇有著深刻的影響[1]。

1.1 巴黎都市圈

如表1所示，巴黎都市圈內軌道交通包括地鐵、RER(Réseau express régional，區域快速網絡)和Transilien(法蘭西島區域鐵路)。其中：RER包括5條主線、22條支線，由地下穿城而過，經由市區連接郊區，并在主要站點與地鐵線換乘。RER未覆蓋的都市圈外圍區域，其公共交通功能由Transilien承擔。

表1 巴黎都市圈軌道交通概況

巴黎都市圈軌道交通采用“貫穿式+放射式”的線網結構，因此在線路交叉區域存在客流量大、運能要求高的特點。另外，在市區存在多處共線運營區段，在郊區存在客貨混運區段。基于以上特點，巴黎都市圈軌道交通線路的信號系統存在著多種制式并存的情況：地鐵線路集中在城市中心，大多采用CBTC系統；遠郊區快線和需跨越城市的Transilien采用國家鐵路標準的ETCS；連接城市和近郊的RER多采用兼容的信號系統(如SACEM系統[2]等)。兼容的信號系統具有雙模制式，能夠同時實現與CBTC系統和ETCS的跨線運營，在提高列車運行速度和運營效率的同時，也確保了中心城市軌道交通線與干線鐵路之間的連接關系，使RER成為都市圈層中重要的交通紐帶。

1.2 東京都市圈

東京都市圈一般定義為以東京站為中心、半徑70 km范圍內的區域[3]，圈內各圈層間的交通聯系緊密。如表2所示，東京都市圈軌道交通主要包括地鐵線和市域鐵路，市域鐵路又可分為JR(日本鐵路，Japanese Railway)和私營鐵路。

表2 東京都市圈軌道交通概況

東京都市圈軌道交通采用“環形+放射式”結構，各層級間的軌道交通有機銜接，并根據實際需要設置車站，確定列車運行速度等級[4]。日本軌道交通信號系統的各類控制系統被分為4個標準(0級至4級)，并根據不同的閉塞制式加以區分。不同標準的信號系統根據線路的實際需求被安裝在合適的線路上[5]。正因為整個東京都市圈軌道交通的信號系統是一脈相承且不斷升級的，因此各標準級別之間能夠較好地兼容，這為線路間的直通運營帶來了天然的優勢，也使得東京都市圈軌道交通的運營組織模式一直被業內人士推崇。

1.3 紐約都市圈

紐約都市圈由5個城市組成，其軌道交通包含地鐵線(含4條捷運線)和市郊線，如表3所示。紐約地鐵線路多、平均站間距小[6]，其年客運量高達15億人次，日運營時間最高達到了24 h。為了適應高強度的運輸需求，自1997年起紐約地鐵線路的信號系統陸續進行了CBTC升級改造。市郊線主要包括長島鐵路、大都會北方鐵路和新澤西鐵路，其中，長島鐵路是美國最忙碌的通勤鐵路線，采用CBTC系統；其余2條市郊線采用美國國家鐵路標準的PTC(精確列車控制)系統。

紐約都市圈軌道交通采用“主線+支線”結構，呈典型的“樹枝狀”，市郊線與地鐵線均為獨立通道，不存在不同層次間軌道交通線路共用通道或共線的情況，各線均獨立運行[7]。所以，紐約都市圈軌道交通信號系統的制式選擇只需與線路的運能需求和列車運行速度匹配即可。

表3 紐約都市圈軌道交通發展概況

1.4 3個都市圈軌道交通信號系統建設模式分析

通過對上述3個國外典型都市圈軌道交通的分析可發現，其共同的特點為軌道交通線路的信號系統制式均是基于線網布局和列車運行需求來匹配，主要表現為：①將城市中心通道留給地鐵，選擇CBTC系統來保證地鐵線路的行車間隔，滿足地鐵公交化的運營需求，其典型案例是紐約地鐵；②在連接近郊與城市中心的中間圈層，為實現列車速度等級的提升及與地鐵線間的跨線運行，該區域內軌道交通線路應能提供適應互聯互通需求的信號系統或能滿足跨線運行需求的可兼容的信號系統，其典型案例是巴黎RER；③在遠郊與近郊的邊緣通道，考慮較高的通達時間要求和與鐵路線間相互銜接的需求，3個都市圈軌道交通的信號系統都選擇了按照各自的國家鐵路標準進行建設。

2 我國都市圈快速軌道交通線路運營需求分析

分析都市圈快速軌道交通線路的運營需求，是信號系統制式選型的基礎。我國都市圈快速軌道交通線路主要有4個方面的運營需求。

1) 高速度、通勤化。根據都市圈的輻射范圍，為滿足“一小時交通圈”的通勤要求，都市圈快速軌道交通線路的旅行速度必須在80 km/h左右，因此可推算得到線路的最高運行速度為160～200 km/h，這必然要求線路具有站間距大的特點。同時，為滿足乘客快上快下的通勤需求，還需具備站臺候車的條件。

2) 高密度、公交化。由于客流的不平衡特征，都市圈快速軌道交通線路應具有靈活的運營組織方式。乘客出行時大多關注候車時間、乘坐時間、換乘時間及列車發車間隔等服務要素，因此，都市圈快速軌道交通線路的信號系統需要滿足最小行車間隔2.5 min的要求，部分線路甚至需要更短的行車間隔。

3) 高自動化等級。為更好地實現公交化運營，都市圈快速軌道交通線路的信號系統還需具備較高的自動化等級，以盡量減少人為誤操作，提升系統的可靠性和可用性。

4) 網絡化、智能化。都市圈軌道交通往往不是單一的、獨立的，城市人口逐漸向郊區轉移的過程中具有從點狀分布向區塊分布聚攏的特點，分批建設、成網規劃是都市圈軌道交通整體的建設趨勢。這些同類型線路的構建，存在聯通聯運的可能。因此，網絡化調度指揮、列車運行的自動調整、列車的靈活編組和解編、不同速度等級列車的混跑、列車自動折返、智能運維等功能將被越來越多地應用到有實際需求的軌道交通線路中。

3 我國既有軌道交通信號制式的適應性分析

3.1 國家鐵路的信號系統制式

適用于160～200 km/h速度等級的國家鐵路列車控制(以下簡稱“列控”)系統主要是CTCS-2(中國列車運行控制系統2級)。根據鐵總科技[2013]79號《城際鐵路CTCS-2+ATO列控系統暫行總體技術方案》的要求(ATO為列車自動運行)，目前已建成的城際鐵路均采用CTCS-2+ATO系統。CTCS-2+ATO是CTCS-2體系的擴充，即在CTCS-2級的ATP(列車自動防護)功能基礎上增加了ATO功能。CTCS-2+ATO系統采用GSM-R(鐵路數字移動通信系統)技術，通過網絡交換數據業務來實現車地雙向通信，其實質屬于固定閉塞范疇。

3.2 城市軌道交通的信號系統制式

目前城市軌道交通信號系統應用最廣的是CBTC系統。CBTC系統采用車地雙向通信，將前方列車的移動定位信息經由車地通信環節傳送給后續列車，將移動的前車尾部輪廓線作為速度-距離控制的追蹤目標點。當列車的運行速度超過允許的速度控制曲線時，CBTC系統將對列車實施安全制動，同時隨著前方列車的行進，列車控制信息可連續地或周期性做出響應。CBTC系統實質上屬于移動閉塞范疇。

3.3 信號制式的適應性對比

本文從列車最小追蹤間隔、控制方式、應用情況等9個方面對比分析了CBTC和CTCS-2+ATO兩種信號制式在都市圈快速軌道交通中的適應性，如表4所示。

表4 城市軌道交通信號CBTC系統和國家鐵路列控系統的適應性對比

1) 從功能需求上分析，CBTC具有完善的系統功能，能夠支持公交化運營和全自動運行；CTCS-2+ATO不具備自動折返功能，其CTC(調度集中)系統不具備列車扣車、跳停、目的地碼觸發等功能，無法實現全自動運行。

2) 從運營需求上分析，CTCS-2+ATO理論的列車最小追蹤間隔為3.0 min，而在實際線路應用時列車最小追蹤間隔一般在4.0 min以上，且進一步壓縮列車運行間隔比較困難；CBTC的列車最小追蹤間隔為2.5 min，能夠滿足高密度的需求。

3) 從應用情況上分析，CTCS-2+ATO和CBTC均能適應160～200 km/h 的最高設計速度，但CBTC目前的應用案例(北京地鐵大興機場線、廣州地鐵18號線等)中最高速度等級為160 km/h，160～200 km/h速度等級尚無應用業績。

4) 從運營維護上分析，采用CTCS-2+ATO系統時軌道電路的維護工作量較大；采用CBTC系統時線路區間的設備數量較少，維護工作量較少。

5) 從互聯互通層面上分析，CTCS-2+ATO和CBTC都只能與自身相同制式的線路互聯互通。

4 結語

目前，我國已經確立了19個城市群，這些城市群的中心城市內部已經具備了較為完善的城市軌道交通線網建設體系，但在中心城市外圍的快速軌道交通領域采用哪種軌道交通及其信號制式，目前仍存在著不同的意見。本文在對國外3個典型都市圈軌道交通信號系統建設情況調研的基礎上，結合我國都市圈軌道交通的運營需求，認為在選擇都市圈快速軌道交通線路信號制式時，應遵循以下原則：①獨立運行的都市圈快速軌道交通線路，其信號系統宜采用CBTC制式；②與城市軌道交通跨線運行的都市圈快速軌道交通線路，其信號系統應采用CBTC制式；③與干線鐵路、城際鐵路跨線運行的都市圈快速軌道交通線路，其信號系統宜采用CTCS制式或多制式兼容方式，配置或者局部配置多制式兼容設備；④與干線鐵路、城際鐵路和城市軌道交通均有跨線運行需求的都市圈快速軌道交通線路，其信號系統宜采用多制式兼容方式，配置或局部配置多制式的兼容設備。

綜上，都市圈快速軌道交通信號制式的選擇應從線路定位、運營需求、服務標準等角度予以綜合考慮，尤其是要更多地關注本線與外部連接線間的關系。此外，都市圈快速軌道交通信號系統應融合鐵路的高速度、城市軌道交通的高密度等技術優勢，構筑城市軌道交通與國家鐵路的聯系層，助力推動軌道交通“四網融合”，有效解決目前都市圈軌道交通建設的瓶頸問題。