市域铁路列车运行控制系统方案选择研究

童 超

（中铁第一勘察设计院集团有限公司 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043)

0 引言

《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》明确了市域(郊)铁路在发展大都市圈中的骨干地位作用，市域(郊)铁路的建设目的是解决大都市与其组团间的交通通勤问题。如果市域(郊)铁路与城市边缘的交通接口顺畅合理，则具有城市交通内外衔接的重要功能。2015 年10 月，国家发展与改革委员会批复的海峡西岸城市群城际铁路网近期建设项目包含漳州—港尾—厦门城际铁路R3 线。R3 线处于规划“一环、两网”城际网“两网”中的厦漳泉大都市区，连接漳州市区和厦门市本岛，线路起自漳州站，经漳州城区引入港尾铁路支线，跨海后至厦门站，全长76 km[1]。

R3 线是利用在建的港尾铁路改建而成，主要功能是加强了龙海组团、滨海新城与漳州主城区的联系，符合漳州市加快沿海区域发展的城市空间发展要求，与R2 线组成服务漳州、厦门的城际环线。R3 线需要衔接的市域线路有R1 线(泉州—厦门—漳州)，R1 线全长187 km，主要功能是加强厦门对漳州和泉州的辐射作用，主要承担沿线范围三市中心城区间、三市城镇间、城镇与市区间短途旅客交流。R3 线需要衔接的城市轨道交通线路有厦门地铁3 号线，3 号线岛内南延后与R3 线换乘，厦门地铁3 号线为西南-东北向骨架线，构建了本岛与翔安片区快速跨海连接通道，同时，该线预留了连接漳州R3 线的条件。漳州R3 线线路图如图1 所示。

图1 漳州R3 线线路图Fig.1 Diagram of Zhangzhou R3 line

2017 年国家发展与改革委员会发布《关于促进市域(郊)铁路发展的指导意见》，市域(郊)铁路运营模式原则上应采用公交化运营模式。市域(郊)铁路承担衔接城市内外交通的功能，首先要与国家干线铁路网互联互通，其次要与城市轨道交通实现快速换乘。市域(郊)铁路主要实现不同网络列车间的自动衔接，最大限度地方便旅客。R3线以漳州市域内沿线短途客流为主，兼顾沿线居民就近跨海快速进出厦门本岛的客流需求。R1 线以三市中心城区间、三市城镇间中长途城际交流为主，兼顾沿线城市的市域短途客流需求。

依据漳州市国土空间规划，龙海纳入漳州主城区，漳州港城纳入中心城区，且定位升级为城市副中心，要求港城—龙海—主城单程通行时间不宜超过30 min；依据国土空间规划要求，漳州中心城区范围内30 min 可达。因此，R3 线时间目标为漳州港城30 min 内直达城区(古塘—港尾)。

市域(郊)铁路作为我国轨道交通领域的新事物，由于功能定位尚存在不完全清晰的界定，实践中各建设方因为技术背景的不同要求也有所差异，导致市域(郊)铁路列车运行控制系统(以下简称“列控”)制式选择存在一定多样性。在此前提下，R3 线选择适合市域铁路功能定位的列控系统就存在诸多的影响因素，如国家铁路、城际铁路和城市轨道交通实现互联互通管理模式，目前尚未达成广泛的统一共识。研究紧密围绕R3 线市域铁路的运营需求特征，对市域铁路列控制式CTCS2+ATO，CBTC，CTCS2+CBTC 等方案应用的差异性、适应性进行分析，并针对不同的功能定位需求特点提出可行的建设方案。

1 我国市域铁路建设现状及列控制式

1.1 我国市域铁路建设现状

国家发展与改革委员会《城镇化地区综合交通网规划》中提出将在北京、天津、石家庄、上海、南京、杭州、合肥、广州、武汉等30 个城市建设市域铁路，到2035 年特大城市要基本建成市域铁路骨干网，同时构建核心区到周边主要区域的1 h 通勤圈。国内代表性市域铁路运营状况统计表如表1 所示。

表1 国内代表性市域铁路运营状况统计表Tab.1 Table of operation status of domestic urban railway

除上述代表性的几条市域铁路外，截至2020年12 月，国内市域铁路统计表如表2 所示。

表2 国内市域铁路统计表Tab.2 Statistical table of domestic urban railway

从公交化需求、互通性需求、对既有标准的突破、车—地通信方式等方面总结市域铁路列控制式的优缺点，市域铁路列控制式对比表如表3 所示。

表3 市域铁路列控制式对比表Tab.3 Comparison table of urban railway signal systems

1.2 漳州R3 线市域铁路特征分析

R3 线是连接漳州主城区与副中心漳州港城的东西向市域铁路，主要功能是加强了龙海组团、滨海新城与漳州主城区的联系，以漳州市域内沿线短途客流为主，兼顾沿线居民就近跨海快速进出厦门本岛的客流需求。R3 线位于漳州市与厦门市东西向客流走廊上，承担沿线客流出行的快速通道作用。线路向东延伸至厦门本岛，承担沿线居民就近跨海，快速进出厦门本岛的作用，以加强港城与主城区之间的市郊通勤客流为主，兼顾漳州与厦门之间同城化的通勤需求；客流呈现沿走廊出行的廊道特征，主城区外段收集客流，最大断面位置将累积在进城断面。

从R3 线的功能定位和客流分析出发，R3 线需要为漳州—厦门之间提供高效、便捷、经济的轨道交通出行方式，提供快速化、大运量、公交化的通勤出行解决方案。同时根据R3线市域铁路的衔接方案需要互联互通运行，从高客流量、高旅行速度、网络可达性、换乘方便、高自动化等级、低运营成本、低建设投资、高便捷服务等方面对R3 线的功能需求特征进行分析，R3 线市域铁路功能需求特征如图2 所示。

图2 R3 线市域铁路功能需求特征Fig.2 Characteristic diagram of functional requirements in R3 railway

1.3 我国市域铁路列控制式选择

我国市域铁路不同列控制式的选择应用主要受外部和内部因素影响，外部因素表现为不同建设主体的选择倾向，内部因素表现为对不同速度目标值的选择，不同运营需求和技术背景的建设方会选择不同的列控制式。

目前我国市域铁路列控制式主要有国家铁路制式CTCS2/CTCS2+ATO，城轨制式CBTC/点式ATC，多制式兼容CTCS2+CBTC 与NGTC 等。现行市域铁路列控制式如图3 所示。

图3 现行市域铁路列控制式Fig.3 Framework diagram of train control system in urban railway

不同的列控制式有不同的适应性，各具特点，互相不宜替代。因此，要从市情、域情出发，因地制宜选择符合市域铁路条件的信号制式。市域铁路如果是既有线改造，要求同国家铁路线路互联互通，则毋庸置疑必须选择CTCS 系列的列控方式。市域铁路如果接入城轨线网与城轨互联互通，则需要考虑的因素比较多、难度也比较大，必须充分考虑要求互联互通线路的范围，既有信号系统设备状况等，需要在系统选型上设置相关限定条件。市域铁路如果已经成网，那么市域铁路网内资源共享、互联互通，可以考虑选择CTCS 系统，也可以考虑选择城轨系列如点式ATP、点式ATP+ATO等以CTCS-1 为平台的系统。

1.4 市域列控制式相关功能需求

市域铁路的运营特点中与列控系统密切相关的功能需求有：应满足行车密度、最高运行速度、旅客舒适度、旅客列车开行原则与方案等目标要求。具体项目根据线路的功能定位、线网规划、行车速度、旅行速度、行车密度等因素综合考虑列控系统的制式。

影响市域铁路列控系统选择的功能需求，主要有列车开行方式的需求，互联互通、资源共享的需求，速度目标值及运行时分的需求，行车密度的需求以及ATO 功能的需求。

2 R3 线特征及列控制式选择技术条件

2.1 R3 线与R1 线互联互通

从中心城区“一主两副”空间格局、龙海城区及副中心漳州港城出行需求、两线在主城区段的覆盖情况等角度，分析跨线客流，两线具有互联互通的需求，尤其是初近期R3 线主城区段不建设的情况下，在人民广场站接轨，如图1 所示。R1 线的技术标标准为：速度目标值200 km/h，局部限速160 km/h；车辆选型CRH6F，8 辆编组；列控系统为CTCS2+ATO。

由于铁路建设时序关系，R3 线市域铁路列控系统采用的是国家铁路CTCS2+ATO 制式，CTCS2+ATO 属于准移动式闭塞制式，根据固定闭塞的追踪限制，其追踪间隔如公式 ⑴ 所示，CTCS2+ATO追踪原理图如图4 所示。

图4 CTCS2+ATO 追踪原理图Fig.4 Schematic diagram of CTCS2+ATO tracking

式中：I追为列车追踪时间，min；L列为列车长度，m；V运为运行速度，m/s；L分区为固定闭塞分区长度，m。

R1 线在漳州—龙海段设计限速为160 km/h，考虑互联互通，为保证共线段的能力，R3 线宜采用相同的速度目标值，即160 km/h。R3 线在国家铁路制式下要满足漳州—龙海段公交化160 km/h运营需求，则需要折返追踪间隔≤180 s，这就需要修改《城际铁路CTCS2+ATO 列控系统暂行总体技术方案》规范中6.1 注册与启动，6.5 折返作业规定等条款，同时需要修改轨旁设备、接口文件、车载软件等。因此，R3 线需要与R1 线采用相同的CTCS2+ATO 列控系统。

2.2 R3 线与厦门轨道线网互联互通

从功能定位分析R3 线以市域功能为主，兼顾厦门、漳州两市同城化需求，需要接入厦门本岛衔接，与厦门城市轨道3 号线互联互通，R3 线与厦门轨道3 号线的接轨站为厦大白城站。厦门轨道3 号线采用CBTC 制式，属于移动闭塞，最小追踪间隔可以达到90 s，因而R3 线要与厦门轨道3 号线网互联互通，需要采用与城轨相同制式的CBTC列控系统。CBTC 系统追踪原理图如图5 所示。

图5 CBTC 系统追踪原理图Fig.5 Schematic diagram of CBTC tracing

3 市域铁路列控方案选择分析

3.1 采用CTCS2+CBTC 多制式兼容

从R3 线与R1 线衔接及与厦门轨道线网的衔接需求方面，R3 线可以采用多制式兼容的CTCS2+CBTC 方案。

采用多制式兼容方案，传统的CTCS2+ATO 接口不变，与标准接口文档的定义内容一致，因与厦门轨道线网移动闭塞制式衔接，系统需要增加的相关接口如下。

（1）增加ZC (区域控制器)与CBI (联锁)之间的接口。采用安全标准协议接口，用于ZC 与CBI 间列车位置、区段占用状态、道岔位置及其他变量信息交互。

（2）增加ZC 与VOBC（车载控制器）之间的接口。采用安全协议，用于移动闭塞模式下车载与轨旁设备间的列车位置、移动授权和临时限速的交互。

（3）增加CTC（调度集中系统）至GTW（接口同步器）的接口，增加GTW 至ZC 之间的接口。用于CTC 发送临时限速、区域封锁等相关指令给ZC，同时也为ZC-CTC 数据通信提供了通道。

（4）增 加CTC 与GTW 接 口，增 加GTW 至VOBC 之间的接口。该接口用于交互列车移动相关指令及列车状态。

综合考虑CTCS2 系统接口、CTCS2 增加的ATO 系统接口、CBTC 系统及接口、CTCS2 和CBTC 共用部分的系统及接口，CTCS2+CBTC 列控系统接口示意图如图6 所示。

图6 CTCS2+CBTC 列控系统接口示意图Fig.6 Schematic diagram of CTCS 2+CBTC train control system interface

从图6 来看多制式兼容方案下，R3 线相当于与车-地都有2 套系统，各子系统之间要满足标准可靠的接口协议。

3.2 R3 线CTCS2+CBTC 共线运营信号配置

R3 线与R1 线及厦门轨道线网在CTCS2+CBTC共线运营兼容模式下，系统设备兼容性配置为：需要为CTCS 和移动闭塞列车配置单制式车载设备，CTCS 区 域仅 布置CTCS 系 统轨旁设备，CBTC 区域仅布置CBTC 系统轨旁设备，共管区间同时布置CTCS 和CBTC 双套轨旁设备，共管区联锁和列控实行单套化。共管区主要实现在轨旁设备兼容。CTCS2+CBTC共线运营示意图如图7 所示。

图7 CTCS2+CBTC 共线运营示意图Fig.7 Schematic diagram of CTCS2+CBTC co-line operation

3.3 R3 线CTCS2+CBTC 跨线运营信号配置

R3 线与R1 线及厦门轨道线网在CTCS2+CBTC 跨线运营兼容模式下，跨线运营系统设备兼容性配置为：需为CTCS 和移动闭塞列车配置单制式车载设备，CTCS 区域仅布置CTCS 系统轨旁设备，CBTC 区域仅布置CBTC 系统轨旁设备，共管区间同时布置CTCS 和CBTC 双套轨旁设备，共管区联锁和列控单套化。主要体现在车载设备兼容。CTCS2+CBTC 跨线运营示意图如图8 所示。

图8 CTCS2+CBTC 跨线运营示意图Fig.8 Schematic diagram of cross-line operation of CTCS2+CBTC

3.4 R3 线兼容制式的优缺点分析

从R3 线的衔接兼容功能需求出发，市域铁路信号制式的选择核心是列控系统的选择，列控系统的选择应综合考虑互联互通、资源共享的要求，以及速度适应性、列车开行对数、行车密度、ATO功能的需求。

从技术应用成熟度方面来分析，各种制式的系统均有成熟的应用业绩。从速度适应性方面，采用LTE 制式的CBTC 和CTCS 系列均能满足各种市域铁路的速度要求。

4 结论

从漳州R3 线市域铁路互联互通，支持国家铁路列车跨线运行，与CBTC 厦门轨道线网互联互通跨线、共线运行，满足高密度正线追踪间隔，满足高密度折返间隔等诸多方面综合考虑，对市域铁路列控制式选择从功能定位出发给出以下建议。市域铁路如果是既有线改造，要求是同国家铁路线路互联互通，则必须选择CTCS 系列的列控方式；市域铁路如果是接入城轨线网与城轨互联互通，则必须充分考虑要求互联互通线路的范围，既有信号系统设备状况等，在系统选型上设置相关限定条件；市域铁路如果已经成网，则可以考虑选择CTCS 列控系统，也可以考虑选择城轨系列如点式ATP、点式ATP+ATO 等以CTCS-1 为平台的系统。

结合漳州R3 线工程案例从国家铁路CTCS 系列与城轨CBTC 系列的适应范围与技术特点等方面，从资源共享、互联互通，技术体系的完备与市场的开放程度以及工程性价比等方面，为市域铁路列控制式选择提出以下方案供借鉴。

（1）市域(郊)线路整体技术装备要求不高，要求降低投资同时行车间隔较大时，首选CTCS0制式。

（2）市域(郊)线路技术装备水平要求较高，服务与乘车舒适度有相应的要求时，可以选CTCS2 制式。

（3）市域(郊)线路技术装备水平很高，要求与轨道交通有很好的互通互达性且有ATO 功能需求，则可以选CTCS2+ATO 制式。

（4）市域(郊)线路技术装备水平很高，要求与城市轨道交通共线或者跨线运营，应选择CTCS2+CBTC 制式。