深惠城际铁路CTCS2+ATO列控系统自动折返方案研究

胡 威

根据2020 年8 月国家发展和改革委员会批复的《关于粤港澳大湾区城际铁路建设规划的批复》(发改基础〔2020〕1238 号)，大湾区主要城市间1 h通达，主要城市至省内地级城市2 h通达，主要城市至相邻省会3 h 通达，打造“轨道上的大湾区”，完善现代综合交通运输体系。近期到2025年，大湾区共规划建设13个城际铁路和5个枢纽工程项目，总里程约775 km[1]。深惠城际铁路(前海保税区—坪地)属于粤港澳大湾区深圳都市圈城际铁路范畴，目前已开工建设深圳前海至坪地段。根据广东省发展和改革委员会可行性研究报告的批复，深惠城际铁路工程前海保税区至坪地段共设11 座车站，线路长约58 km，全线敷设于地下，列车运行控制方式为CTCS2+ATO，调度指挥方式为CTC，最小行车间隔3 min[2]。因深惠城际铁路贯穿深圳市区，预测客流强度较大，具有“公交化运营”等特点[3]，亟需通过对城际铁路列车自动折返功能展开研究，以解决目前CTCS2+ATO 列控系统折返效率低、司机操作流程复杂等问题。

1 各类型列车折返模式分析

1.1 城市轨道交通

在城市轨道交通领域中，列车折返方式经历了列车自动防护(Auto Train Protection，ATP)下的人工折返，有人监督下的列车自动驾驶(Auto Train Operation，ATO)自动折返，以及无人自动折返3个发展阶段，目前国内多数城市轨道交通线路已实现无人自动折返[4]。按照地铁设计规范要求，信号系统设计远期最大能力应满足行车密度不小于30对/h[5]。这里的行车密度包含了“折返间隔”时间[6]，相当于最小折返间隔要小于2 min。

自动折返根据车站配线情况可以分为站前折返和站后折返2 种方式[7]。站前折返是指列车在折返站站台停稳后，等到乘客完成下车、上车过程，然后列车由本务端切换至另一端后直接启动发车，站前折返示意图如图1 所示。站后折返是指列车到达折返站站台停稳后，等待乘客下客完毕，列车进入折返轨，完成列车由本务端切换至另一端并运行至另一站台股道，完成发车准备，站后折返示意图如图2 所示。站后折返接发车在不同的站台面，2 条股道平行作业，不存在进路交叉，在有高密度行车需求的情况下，一般推荐采用站后折返方式[8]。

图1 站前折返示意图Fig.1 Turn-back in front of the station

图2 站后折返示意图Fig.2 Turn-back after the station

由于城市轨道交通存在不同等级的列车运行自动化等级，自动折返根据驾驶模式又可以分为全自动驾驶折返模式、ATO 有人/无人自动折返模式、ATP 监督下的人工折返模式、限制人工折返模式、非限制人工折返模式等[9]。

1.2 城际铁路

根据《城际铁路设计规范》，设计速度200 km/h的城际铁路，地面应配置CTCS2 级列控系统，可根据需要设置ATO 子系统[10]。CTCS2+ATO 系统的研发正是基于珠三角城际铁路建设需要[11]。2010年10 月15 日原铁道部和广东省“关于珠三角城际轨道交通建设领导小组第二次会议纪要”明确要求珠三角城际铁路采用CTCS2+ATO 系统[12]。CTCS2+ATO 列控系统是在CTCS2 级列控系统的基础上，增加列车自动驾驶、精确对标停车、车门与站台门联动及自动开关等功能[13]。其后，原中国铁路总公司发布《城际铁路CTCS2+ATO 列控系统暂行总体技术方案》(TJ/DW149—2013)，对CTCS2+ATO 技术标准进行了规范。该总体方案定义折返作业包括站后端有人自动折返和原地人工折返2 种[14]，基本能够对应城市轨道交通的站后折返和站前折返的概念。根据对既有珠三角莞惠城际铁路(东莞西—小金口)运维部门的调研情况，原地人工折返司机操作流程如表1所示。

表1 原地人工折返司机操作流程Tab.1 In-situ turn-back operation by driver

2 深惠城际铁路实际需求分析

根据客流预测结果，深惠城际具有客流规模大、客流需求多样、高峰时段通勤客流明显的特征，开通初、近、远期高峰小时开行对数达到10 对/h、14 对/h、17 对/h，行车间隔应满足公交化需求，以符合大湾区城际铁路网公交化一体运营的理念。根据前述调研情况，司机完整操作一遍原地人工折返流程一般需要10 min左右，而站后端有人自动折返还增加了运行至折返牵出线这一步骤，总折返时间则进一步增加，无法满足深惠城际铁路“公交化运营”的需求。

参考城市轨道交通自动折返经验和CTCS2+ATO总体技术规范，根据深惠城际铁路公交化运营以及远期延伸线(坪地—沥林北)与既有珠三角莞惠城际铁路跨线运行的特点，提出深惠城际CTCS2+ATO列控系统自动折返需求分析如表2所示。

表2 自动折返需求分析Tab.2 Analysis of automatic turn-back requirements

3 实施方案设计

3.1 车辆及设备改造

若要满足深惠城际CTCS2+ATO 列控系统自动折返需求，从动车组的适配改造和相关信号子系统设备软件修改2 方面进行分析。从软件方面看，需要修改的设备主要涉及CTC，TCC，CCS和信号车载设备等。其中软件的修改以新增功能为主，不得影响未装备CTCS2+ATO 自动折返功能车载系统的列车正常运行。

（1）动车组。城市轨道交通能够实现自动换端主要依赖车头、车尾车载设备间的相互通信，减少开关设备以及相关信息的输入时间，进而缩短折返时间。从动车组的适配改造方面看，首先需要在动车组两端车载设备直接增加2 根沿不同物理径路敷设的车辆贯通线，以交互换端请求/回复及相关数据；同时需要增加与车辆贯通线的接口设备，增加折返激活、折返激活反馈、钥匙插入状态、折返按钮等IO接口。

（2）车载设备。根据换端后运行所需信息，增加车辆贯通线后，动车组两端的车载设备之间传输信息，应包括车载内部状态信息(周期信息)、CCSID 号、换端后的车次号、车长司机号、轨道区段载频上下行方向信息、轨道区段载频信息、车载内部状态信息(周期信息)、ATO 折返运行计划。增加根据折返计划执行折返动作功能，车载设备根据折返计划判定进入站后端自动折返状态/原地自动折返状态，并在车载列控设备人机界面(DMI)上进行文本提示(无需司机确认)，区分显示站后折返还是原地折返。增加收到折返运行计划后，给CCS发送回执，以及向CCS发送折返状态信息功能。增加列车进入、退出站后端折返或原地自动折返状态时，或自动折返中出现故障时，DMI上显示相应的报警提示。

（3）CTC。增加通过CCS向车载设备发送折返计划(区分显示站后端折返、原地折返)功能。采用站后端自动折返时，列车出清发车股道后停止发送折返计划；采用原地折返时，接收到来自CCS的列车自动换端成功信息后停止发送折返计划。CTC系统根据运行计划和列车停稳信息自动触发折返进路，并完成折返车次号的自动变更。增加接收CCS发送的折返状态信息，并在CTC终端上显示。

（4）TCC。若折返线有2 个或多个轨道区段组成，当列车占用折返线列车运行前方的轨道区段时，其后方的轨道区段发码应转为向另一方向发码。

（5）CCS。增加接收CTC 发送的折返运行计划，经校验后发送至相关车载设备，收到车载设备回执后，反馈给CTC。增加接收车载设备发送的折返状态信息，并转发送至CTC。

3.2 作业流程优化

除技术层面实现自动折返外，进一步从优化作业流程的角度提高折返效率。根据国际公共交通协会对列车运行的自动化等级划分原则，CTCS2+ATO列控系统相当于自动化等级(Grade of Automation，GoA)2 级，即半自动驾驶(Semi-automatic Train Operation，STO)，为司机监督下的ATO 驾驶[15]。故从安全管理角度，在自动折返流程方面，按ATO有人监督下自动折返模式考虑。

3.2.1 上电自检

每日动车组机械师或列车司机闭合动车组两端的ATP车载设备的电源供电开关、ATP及ATO车载设备后开始自检。司机按操作规程进行双端的制动测试。自动折返车载换端时，车载设备不再进行自检，司机不需重新进行制动测试。司机激活本务端驾驶台，本务端(以下简称“A 端”)车载设备转入部分监控模式(PS)，非本务端(以下简称“B 端”)车载设备收到休眠信号后转入休眠模式(SL)。

3.2.2 原地自动折返

CTC提前1个车站通过CCS向车载设备发送原地折返运行计划，列车根据收到的折返计划，到达折返站进行原地折返作业。列车进入接车股道停稳停准后，A端车载设备或司机打开车门，DMI上提示司机将进行原地自动折返，同时A端驾驶台面板的自动折返按钮点亮，并闪烁灯光。待司机按压车上的自动折返按钮后，自动折返按钮指示灯亮稳定灯光，车载设备将CCS-ID 等相关信息通过车辆贯通线传送至B端，此时DMI上提示司机可关闭驾驶台。A 端司机关闭驾驶台并拔出钥匙，A 端车载设备转为SL模式，并断开与CCS的连接状态。此时，提前等在站台的司机进入列车B端驾驶室，在驾驶台插入钥匙，输入司机号，B 端驾驶台被激活。B端车载设备根据收到的CCS-ID 呼叫连接CCS。后续按正常方式发车。

3.2.3 站后端自动折返

CTC提前1个车站通过CCS向车载设备发送站后端折返运行计划，列车根据折返计划，到达折返站进行站后端折返作业。列车进入接车股道停稳停准后，A端车载设备或司机打开车门，DMI上提示司机将进行站后端自动折返，同时A端驾驶台面板的自动折返按钮点亮，并闪烁灯光。此时，提前等在站台的司机进入列车B 端驾驶室。下客完毕后，A端司机关闭车门并联动关闭站台门，按压车上的自动折返按钮，自动折返按钮指示灯亮稳定灯光，车载设备将CCS-ID 等相关信息通过车辆贯通线传送至B端，ATO自动启动列车运行至折返线。

当折返线有2 个或多个轨道区段组成，列车占用折返线列车运行前方的轨道区段时，其后方的轨道区段发码应由TCC 控制转为向另一方向发码。待列车在折返线停稳后，此时DMI 上提示司机可关闭驾驶台。A 端司机关闭驾驶台并拔出钥匙，A端车载设备转为SL 模式，并断开与CCS 的连接状态。此时，列车B端司机在驾驶台插入钥匙，输入司机号，B 端驾驶台被激活。B 端车载设备根据收到的CCS-ID 自动呼叫连接CCS。车站联锁根据CTC指令排列由折返线进入站台方向的列车进路完毕，B端车载收到轨道电路信息后设备经司机确认并监督，由PS模式进入非完全自动驾驶模式(AM)。列车限速45 km/h 运行，按ATO 控车曲线控制列车运行至发车股道，在股道停稳停准后，ATO自动打开车门。后续按正常方式发车。

站后端自动折返过程中，存在非完全AM 模式，即在未收到完整应答器报文的前提下由PS 模式进入AM 模式。为防范超速风险，此时非完全AM模式需要按PS模式限速45 km/h。

4 结束语

深惠城际铁路计划于2026 年底开通运营，由于深圳都市圈城际铁路预测客流强度高、存在“公交化运营”需求，深惠城际CTCS2+ATO 列控系统增加自动折返功能的需求十分迫切。而根据现有CTCS2+ATO 列控系统相关技术规范，无法满足深惠城际铁路这一需求。在分析总结城市轨道交通列车自动折返模式的基础上，根据CTCS2+ATO 列控系统本身的特点，从车辆和设备改造、优化作业流程等角度，提出一种实现城际铁路列车自动折返的方案，具有一定的可行性。在工程运用之前，尚需要进行相关设备的研发和对折返能力的实验室仿真，并开展必要的现场测试。