利用既有铁路开行市域(郊)列车信号制式研究

何永发，闫俊俊，张 昱

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

引言

“四网融合”是我国铁路及城市轨道交通建设的发展方向，干线铁路、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通融合发展和建设，构建运营管理和服务一张网，是实现多层次轨道交通网络，打通城市中心城区与周边城区相互连接的新的交通形式，这是我国城市化发展到一定阶段的必然选择，将涉及到国铁和地铁在车辆标准、列车控制、运营组织、维修维护等诸多方面的协调和统一，作为控制列车运行的信号系统，其技术方案选择亦是保证“四网融合”列车贯通运行的重要一环。但在已经颁布的市域(郊)铁路规范[1]中，各种专业及系统分别按照国铁、地铁两个独立体系描述，没有涉及如何实现跨线运行。国际上市域(郊)铁路、地铁已经贯通运营或正在研究之中的项目，其技术路线基本分两种，其中以英国伦敦CrossRail线、日本东京地区城郊铁路与地铁之间贯通方式为代表，均采用多套车载切换实现跨线运行方案；欧洲在“NGTC”(Next Gengeration Of Train Control Systems)及“shift2rail”科研计划中，设置了铁路ETCS系统与地铁CBTC系统兼容车载设备的互联互通专题研究。

国内已有专家学者对城市市域快线互联互通[2]，市域铁路的运输模式及客流组织[3-4]、市域线路运行速度[5]、站台门等系统及车辆段设计[4，6]、货运与市域列车混行建设方案[7]、信号工程建设管理对策[8]等多个方面开展了研究，但对于“四网融合”背景下信号系统制式选择的专项研究却很少。国内要实现“四网融合”，同样也是两条技术路线，即跨线车装备地铁CBTC系统与国铁CTCS系统的多车载设备或装备地铁CBTC系统与国铁CTCS系统的兼容车载，两条技术路线均需要打破地铁与国铁两个体系互相独立的局面，从满足公交化运行、互联互通技术创新、运营管理、维修维护等多个方面形成交叉融合的新局面。以北京铁路枢纽利用既有东北环铁路增建第二线开行市域(郊)列车典型工程为例，多角度论证比选适合该工程的信号系统制式，并在此基础上展望“四网融合”市域(郊)铁路的信号系统技术方案。

1 东北环铁路增建第二线工程简介

该工程为开行公交化市域(郊)列车，利用既有铁路干线增建第二线，从京沈高铁、京张高铁、京包线、S2线多个国铁干线车站站场中拆分出咽喉区、股道单独设置市域(郊)场，从站场划分上能够彻底与干线铁路站场区分开，并在生命科学园站实现与北京地铁19号线的路径贯通，工程示意见图1。

图1 东北环增加二线工程示意

根据北京市和国铁集团深化铁路领域战略合作协议，本线按照充分保障市域(郊)铁路公交化运营、保障铁路干线联络功能为顶层设计要求，线路需满足国铁及市域(郊)列车运营和调度需求，运能及时刻满足市域(郊)列车开行需要，委托铁路方运输。

本线服务北京市公交化运行的市域(郊)列车(市域D型)、国铁列车(装备C2/C3车载的动车组、内燃动车组、货运列车、特殊运输)按照分时运行的原则同时并存，并实现北京地铁19号线列车上下本线。为满足本线公交化运营要求，高峰时段市域(郊)列车运行间隔3～5 min，要满足国铁、地铁、市域(郊)列车在一个通道内实现交叉融合，必将给信号系统制式的选择带来挑战。

2 东北环铁路增建第二线工程信号系统研究

基于本线紧迫的建设周期，在时间上不允许全面创新开发兼容国铁、地铁的信号系统制式。以目前国铁或地铁成熟系统为基础进行甄别选择，适当增加部分新功能保证公交化运行，地铁跨线运行列车采用CBTC/CTCS系统双车载切换，是本线信号系统制式选择的总技术路线。

2.1 信号系统制式选择

本线的信号系统制式，评判其是否适合本线管理、运输需求的要素具体包括10个方面：满足中国铁路北京局集团有限公司(以下简称“北京铁路局”)负责运输管理，满足支撑公交化运营，需支撑国铁干线功能，考虑信号技术标准与线路匹配性，考虑信号技术成熟度，考虑信号系统对追踪间隔时分及折返能力的影响，考虑与地铁19号线列车兼容，工程造价合理，施工难度小，对股道有效长要求合理。以上各个要素中，前3个要素是顶层设计要求。针对前述要求，本线信号制式可以采用如下3个方案。

方案1，采用国铁方案：运输调度指挥采用调度集中系统，列控系统的选择有CTCS-2级、CTCS-3级列控系统两种成熟的制式。

方案2，采用地铁方案：调度指挥采用ATS系统，列控系统采用CBTC。

方案3，采用国铁、地铁组合方案：光华路至朝阳地下线路段及生命科学园至南口段采用地铁制式ATS+CBTC，其余段落采用国铁制式CTC+CTCS-2列控系统。

2.2 各信号系统方案的优缺点对比分析

为清晰对比分析，针对每种要素进行直观对比。各信号系统方案在满足北京铁路局负责运输管理方面的对比分析见表1。

表1 满足北京铁路局负责运输管理的信号系统对比分析

对于ATS系统不能够直接纳入北京铁路局调度所CTC总机系统，解决途径可采用以下两个途径，但是短时间内均无法实现，即在短时间内，均不能实现ATS系统纳入北京铁路局调度所。

(1)按照地铁体系，需要单独建立OCC中心，OCC中心与北京铁路局调度所CTC总机系统并存，ATS系统与CTC系统实现信息接口，本线OCC调度台调度员需要与北京铁路局调度所调度员紧密合作，共同完成交叉作业办理，相对应的软件开发周期长，管理上衔接难度大，并需要北京铁路局认可同意。

(2)进行ATS与CTC系统的软件融合开发，此途径在理论上可行，其研发难度、研发周期、运用效果均无法预测。

各信号系统方案在公交化运营及支撑国铁干线功能方面、技术标准与线路匹配性及成熟度方面、追踪间隔时分及折返能力方面的对比分析分别见表2～表4。

表2 公交化运营及支撑国铁干线功能的信号系统对比分析

表3 技术标准与线路匹配性及成熟度的信号系统对比分析

表4 追踪间隔时分及折返能力的信号系统对比分析

对于CTCS-2或CTCS-3制式下，折返时间较长，无法适应公交化3 min运营要求，可以通过采用CTCS-2/3+ATO模式，并在现有ATO功能[13-15]基础上新增自动折返功能，能保证CTCS-2/3系统在折返过程中相关动作时间不超过20 s，但需要立项进行研究，实现该新增功能。

各信号系统方案在与地铁列车互联互通及工程造价方面、施工调试难度及股道有效长方面的对比分析分别见表5、表6。

表5 与地铁列车互联互通及工程造价的信号系统对比分析

表6 施工调试难度及股道有效长的信号系统对比分析

2.3 各信号系统方案比选结论

CTCS-2/3方案仅存在两个弱项：即在追踪间隔方面要实现3 min运营必须增加ATO自动折返功能，该功能目前在国铁体系中不具备，需要立项研发；在股道有效长要求方面，由于CTCS-2/3系统安全防护距离设置在出站信号机外方，与CBTC方案相比，CTCS-2/3方案的股道有效长大于CBTC方案的股道有效长，将造成地下站工程量相应增大。CTCS-2方案和CTCS-3方案的区别仅为CTCS-3方案在技术匹配性、工程造价、施工难度方面不如CTCS-2方案。

CBTC方案在追踪间隔时分、股道有效长方面有巨大优势，但有两个缺陷：即对于本线信号系统选择需考虑的3个顶层设计要素，无法满足北京铁路局负责运输管理的需求、无法满足需支撑国铁干线的功能；同时在技术匹配性、工程造价、施工难度方面不如CTCS-2方案。

CBTC+CTCS-2方案是将两个独立体系硬性结合，其本意是解决除光华路支线以外段落的国铁干线铁路的正常运行功能。但CBTC区段的优势及存在的问题与CBTC方案一样。

通过以上比较分析，针对本线保障市域(郊)公交化运行、保障国铁干线功能、实现北京地铁19号线跨线运营和调度指挥管理纳入北京铁路局的工程需要，CTCS-2+ATO且ATO新增自动折返功能，此方案是与本项目契合的最优技术方案。

3 四网融合信号系统技术方案展望

东北环利用既有铁路开行市域(郊)列车，选择以CTCS-2+ATO(增加自动折返功能)为核心的信号系统，是基于当前的技术水平和建设周期的最优选择。随着国铁、城际铁路、市域(郊)铁路、城市轨道交通的融合发展要求，“四网融合”信号系统技术方案的发展路线有如下两条路线。

(1)以基于列控联锁一体化(TIS)新型列控系统地面设备[17-19]、车载设备[20]、车地通信等[21](CTCS-4列控系统)为基础，实现移动闭塞功能，并增加ATO(自动折返功能)及适应公交化运行的联锁进路逻辑，进出地铁线路的列车需装备CTCS-4+CBTC双车载，进行停车切换或自动切换实现与地铁线路的贯通运行。

(2)研发兼容CBTC系统(采用互联互通标准)/CTCS系统的新型列控系统，实现装备一套新型列控系统车载设备在国铁、地铁的贯通运行，新型列控系统需要在车-地无线通信/地-地有线通信接口兼容、不同列车定位技术兼容、人机界面兼容等多个方面实现创新，以同时满足国铁/地铁在控车、运营管理、维修维护等多方面的实际需求，此条技术路线虽然难度大、研发运用周期长，但却能够彻底解决目前国铁、地铁贯通运营所面临的问题。

4 结论

“四网融合”是交通运输的融合发展方向，如何选择适合的信号系统制式，需要根据公交化运营间隔时分要求、列车运行种类、线路功能属性、管理责任主体、建设周期等多方面，进行近期、远期技术方案的衡量和选择。

本文以北京铁路枢纽利用既有东北环铁路增建第二线开行市域(郊)列车典型工程为例，针对该工程首次出现的实现市域(郊)列车短追踪间隔公交化运营和地铁车辆跨线运营，同时支撑国铁干线功能、调度运输管理纳入北京铁路局的工程需求，从多个方面对信号系统制式进行分析比选后，提出了采用CTCS-2级列控系统叠加自动折返功能ATO的信号系统设计方案。该设计方案在可供工程实施的同时，也为“四网融合”工程项目信号系统的选择，提供了研究方向。对于近期项目，根据运输管理纳入国铁体系和地铁体系的不同，可相应采用CTCS-2+ATO(增加自动折返功能)信号系统或采用CBTC系统；对于远期项目，可参照本文提出的信号系统技术方案展望，以国铁运输为主时采用以CTCS-4列控系统为核心的信号系统，以地铁运输为主时采用兼容CBTC系统/CTCS系统的新型列控系统。