轨道交通“三网融合”跨线运行的方案分析

吕文龙，韩 臻，麻吉泉

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；3.交控科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

地铁作为城市轨道交通的主要制式，目前所配置的信号系统主要为基于通信的列车自动控制(communication-based train control，CBTC)系统。现阶段，市域(郊)铁路信号系统可采用CBTC系统、中国列车运行控制系统(Chinese train control system，CTCS)，以及两者兼容的车载或者地面新制式系统。同时，考虑国铁干线高速特性，其与城市轨道交通贯通运行可行性极低。目前，国内诸多城市正在研究“三网融合”的技术方案，但尚无“三网融合”的具体工程运营案例。因此，要实现不同信号制式的线路间跨线运行，存在相同制式的CBTC系统间、CBTC系统与CTCS间以及CBTC与兼容系统间的制式这三种方式。

国内大陆城市对区域内城际轨道交通及“三网融合”的研究尚处于研究阶段[1]。国际上城市轨道交通信号系统互联互通的工程应用，基本通过以下三种方式实现。其一，采用通用型信号车载设备，以兼容不同厂家或相同厂家不同版本基线的地面信号系统，如巴西地铁13号线通过中国通号新开发的新型车载设备兼容既有西门子地面设备、北京地铁5号线备兼容西屋地面设备及后续CBTC升级条件[2]、上海地铁2号线CBTC兼容固定闭塞[3]。其二，加装多套信号车载设备以兼容不同的地面设备，实现在不同制式或信号厂家的地面设备上互联互通或通过切换车载设备运行，例如东京总武线、日本铁路公司(Japan railways,JR)线等。其三，加装多套信号地面设备保证车载设备不改动，在地面安装多套匹配车载设备的轨旁设备，如香港将军奥线。

本文分析不同信号制式间的具体切换方案，结合工程实际应用的特点，从制式选择与功能定位匹配[4]、切换方式、运营管理以及系统设计原则角度进行分析。

1 跨线运行方案及交路分析

1.1 方案一

方案一为地铁线路采用CBTC，而其余线采用中国列车运行控制系统2级(C2)+列车自动运行系统(automatic train operation，ATO)。

1.1.1 应用场景分析

①场景一为城际国铁线路A和市(郊)线路C均按照C2+ATO制式建设，两线可采用贯通运行方式组织交路运行；地铁线路B采用独立的运行交路，通过车站换乘方式实现与城际及市域(郊)线的跨线乘车。A线与C线采用C2+ATO制式跨线运行如图1所示。

图1 A线与C线采用C2+ATO制式跨线运行

②场景二为地铁线路B、市域(郊)线路C地面及车载设备采用CBTC系统设备。若线路条件满足，两线间按照CBTC制式组织跨线贯通组织交路运行；城际国铁线路A采用独立的运行交路，通过车站换乘方式实现与地铁及市域(郊)线的跨线换乘。B线与C线采用CBTC制式跨线运行如图2所示。

图2 B线与C线采用CBTC制式跨线运行

1.1.2 技术点分析

①成熟条件：互联互通线路间的系统采用CBTC或C2+ATO制式，系统标准化技术成熟，工程开通风险低。

②限制条件：若市域(郊)线路归属大铁运营管理，相应的运营体制需要改变，对运营人员能力的要求较高。

1.2 方案二

方案二为各线均采用CTCS+CBTC通用型车载设备。地铁线路地面安装CBTC设备，市域及城际线路地面设置C2+ATO设备。列车装载兼容CBTC以及C2+ATO制式的通用新型车载设备，能实现任意两线间以贯通运行方式组织交路运行，实现不同制式线路的互联互通运营。但在CBTC制式线路和C2+ATO制式线路跨线运行时，两线间需要设置制式转换区[5](可以为站台区或者线路某一区域，详见下文)。

1.2.1 应用场景分析

①场景一为地铁线路B及市域(郊)线路C间采用贯通运行的交路，地铁线路上以CBTC方式运行，市域(郊)线路上以C2+ATO方式运行；城际线路可采用独立运行的交路。

B线与C线采用兼容CBTC和C2+ATO制式车载设备如图3所示。

图3 B线与C线采用兼容CBTC和C2+ATO制式车载设备

②场景二为地铁线路B与市域(郊)线路C、地铁线路B与城际线路A间采用贯通运行的交路，地铁线路上以CBTC方式运行，市域(郊)线路及城际线路上以C2+ATO方式运行；同时，城际线路A和市域(郊)线路C因地面制式相同，可直接采用跨线运行的交路。A线、B线及C线采用兼容CBTC和C2+ATO制式车载设备如图4所示。

图4 A线、B线及C线采用兼容CBTC和C2+ATO制式车载设备

1.2.2 技术点分析

①成熟条件：可实现地铁线路、市域(郊)线路、城际线路间的互联互通贯通运营；为节省投资，可优先实现地铁线路和市域(郊)线路以及地铁线路的跨线运行；域(郊)线路和城际线路间具备跨线运行条件，因此对于整个“三网融合”建设投资较小。

②限制条件：采用兼容两种制式的车载设备方案，目前无成熟应用的产品；车载设备需获得国铁和城轨上道认证许可。

1.3 方案三

方案三为各线采用C2+ATO和CBTC兼容性地面设备，不同跨线需求的线路的地面设备相互兼容。新建地铁线路及市域(郊)线路地面安装兼容C2+ATO和CBTC的设备，城际国铁线路根据不同场景可安装C2+ATO或兼容C2+ATO和CBTC的设备。列车装载兼容CBTC以及C2+ATO制式的通用新型车载设备，实现任意两线间以贯通运行方式组织交路运行，以及不同制式线路的互联互通运营。

因车载采用兼容两种制式的通用新型设备，车载设备能自动实现不同制式的控制转换。在CBTC制式线路和C2+ATO制式线路跨线运行时，两线间无需设置制式转换区。

1.3.1 应用场景分析

随着国内都市圈的发展，地铁与市域或与城际铁路跨线运营的需求较为迫切，采用地面兼容CBTC+C2+ATO的设备是实现跨线运行的有效途径。同时，根据线网的城市轨道交通的规划及建设进度，跨线运行可分为：地铁与市域(郊)线或地铁与城际铁路线、城际铁路线与市域或(郊)线跨线运行，以及三网完全融合的方案。B线与C线路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面设备如图5所示。A线、B线及C线采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面设备如图6所示。

图5 B线与C线路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面设备

图6 A线、B线及C线路采用兼容CBTC和C2+ATO制式地面设备

1.3.2 技术点分析

①成熟条件：实现地铁线路与市域(郊)线路和城际线路间的互联互通贯通运营；对于不具备兼容通用型车载功能的既有列车，可实现与本制式线路、地面兼容制式线路间的贯通运营。

②限制条件：采用兼容C2+ATO和CBTC制式的地面设备方案，需要安装两套设备，设备投资较大。若考虑按照两种制式兼容的地面设备，行业内尚无此产品，且根据目前的技术发展，开发兼容性地面设备的可行性较低。

2 CBTC制式与CTCS-2控制区域模式转换

为保证上述方案中，地铁线路采用CBTC系统制式的列车与采用CTCS-2制式的市域(郊)线路或者城际线路的列车间能实现互联互通跨线运行，必须在线路上设置使两线列车制式相互转换的区域。切换区域内应先设置切换预告点和转换点。预告点使通用车型车载设备在经过预告点时根据应答器信息，进入自动切换两种制式的转换准备。转换点使列车在经转换点应答器后，通过车载读取的应管器信息实现两种模式的完全转换。在正常情况下，两种模式的控车曲线应能实现平稳切换，确保乘客的舒适度。

①从CBTC控制区域向CTCS-2控制区域转换。

列车从CBTC线路跨线运行至CTCS-2级线路时，列车先在CBTC制式下按照区域控制器(zone controller，ZC)提供的移动授权(moving authority，MA)运行[6](MA跨越CTCS-2区域适当距离)。线路数据存储于列车电子地图中。列车运行至制式转换预告点[7]处，CBTC车载列车自动防护(automatic train protection，ATP)控制模式准备向CTCS-2级控制模式转换。通过地面预告点应答器的报文，当车载信号设备[8]接收应答器提供的线路数据及轨道电路发送的MA信息后，车载设备启动模式转换程序。随后在制式转换执行点处转入CTCS-2级运行，车载ATP切换至CTCS-2级列控曲线并根据地面轨道电路发送的移动授权控制列车运行，完成两种模式的完全转换。

转换区的轨旁信号机按照铁路信号机的显示原则设计[9]，并结合用户需求和市域设计规制定显示距离要求[10]。列车从CBTC控区向CTCS-2控区转换如图7所示。

图7 CBTC控区向CTCS-2控区转换示意图

②从CTCS-2控制区域向CBTC控制区域转换。

列车从CTCS-2级线路跨线运行至CBTC线路时，列车首先接收轨道电路提供的MA控制列车运行(MA跨越CBTC区域适当距离)，线路数据通过轨旁应答器向列车发送。列车运行到制式转换预告点处CTCS-2级车载ATP准备向CBTC级控制模式转换，车载设备向CBTC控区的ZC完成列车注册和位置报告。ZC自动对该列车完成定位、筛选等操作，并确定列车已越过制式转换预告点后向车载信号设备提供MA和制式转换命令。车载信号设备实时计算CBTC制式下的列车运行曲线。当列车越过制式转换执行点前，车载ATP按照CBTC级列控曲线并根据ZC实时发送的移动授权控制列车运行。列车从CTCS-2控区向CBTC控区转换如图8所示。

图8 CTCS-2控区向CBTC控区转换示意图

3 列车跨线前置条件分析

地铁线路与市域(郊)线路及城际线路间实现跨线运行。在上述信号系统及跨线运行分析的基础上，需要车辆、限界及牵引供电等前置专业满足条件。同时，道岔、站台门等与信号运行速度及联动控制相关的系统，也需要具备两线间互联互通贯通运行的条件。列车跨线运行前置条件分析如表1所示。

表1 列车跨线运行前置条件分析

3.1 车辆、限界及供电专业分析及建议

(1)跨线条件可行的已建地铁线。

①市域(郊)线可选用与地铁线一致的车型或者仅具备地铁列车在市域(郊)线跨线运行。但考虑到市域(郊)线路高速特点，选用地铁车型的可行性较低，而选用其他车型在地铁线因限界较大无法运行。因此，本文建议仅考虑地铁列车在市域(郊)线低峰时段跨线运行。

②若市域(郊)采用AC 25 kV接触网供电，地铁线可单独采购双制式供电列车，以实现在跨线运行线供电制式的切换。

(2)跨线条件可行的地铁线未建或与市域(郊)同步建设。

①根据跨线运行的需求，确定两线的车型及限界。

②根据跨线运行的需求，确定两线相同的供电制式或跨线车采用双制式供电。

列车跨线需满足线路道岔及站台门、运营管理模式等前置条件。

3.2 轨道及站台分析与建议

(1)市域(郊)线列车最高运行速度在160 km/h以上，设置密贴检查器；钢轨和道岔型号根据轨道专业配置，对互联互通基本无影响。

(2)市域(郊)线设置站台门。

①仅考虑地铁列车在市域(郊)线上运行时，市域(郊)线每节车厢车门中心线和站台门中心线一致；或地铁跨线列车间隔一个或若干个车门的中心线和站台门中心线对齐，通过控制不同的车门联动对应站台门开关。

②若两线的跨线列车车门中心线和站台门中心线完全不对应，市域(郊)线可采用“廊道式”或“全开式”站台门。

3.3 运营管理模式

若采用两线相同制式或不同制式互联互通的系统，建议将市域(郊)线纳入地铁运营网络，可由现有地铁运营公司管理。这有利于管理的统一性以及技术人员组建。

4 结论

目前，行业内针对地铁线路与市域(郊)线路及城际线路尚无成熟的互联互通跨线贯通方案，也无成熟产品应用的工程[11]。通过本文分析，在跨线制式选择以及运行交路方案选择上，若按照地铁线网统一组织运营，推荐采用方案一中的场景一， 即地铁及市域(郊)线地面及车载采用CBTC制式的贯通方式。若实现“三网融合”：推荐采用CBTC及CTCS-2级兼容性车载设备；地面根据制式不同分别安装对应的设备，运营交路推荐方案二中的场景二。

本文所探讨的方案对目前地铁与市域(郊)线以及“三网融合”的技术发展有参考价值。具体跨线运行方案应结合贯通运营的前置条件以及贯通运行的组织及运营管理，选择合适的实施方案。“三网融合”前期应按照顶层设计、一体化发展的理念，结合信号系统制式的选择最终确定[12]。