都市圈轨道交通多网融合的信号系统方案研究

池春玲，张 伟，宋 睿，符 萌

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

2019 年2 月，中华人民共和国国家发展和改革委员会颁布《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》，提出打造轨道上的都市圈、城市群，推动干线铁路、城际铁路、市域(郊) 铁路、城市轨道交通“四网融合”。2022 年《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》中提出：强化重点城市群城际交通建设。围绕京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝、长江中游等城市群，以轨道交通、高速公路为骨干，提升城际运输通道功能。加强核心城市快速直连，构建多节点、网络化的城际交通网，实现城市群内主要城市间2 h 通达。

为响应国家相关发展要求，全国各大城市地区开展了大量城市群、都市圈多层次轨道交通的规划研究及建设工作。为实现都市圈“网络化的城际交通网”，提出了轨道交通“多网融合”的要求，其中信号系统融合成为实现多网融合的关键技术之一。

1 都市圈多网融合的内涵

1.1 多网内涵

结合国内城市群及都市圈城镇体系、多层次轨道交通网络布局规划，轨道交通的“多网”包括承担区际交通功能为主，兼顾城际交通、都市圈通勤功能的“干线铁路、城际铁路、市域(郊) 铁路、城市轨道交通”四网；承担城际交通功能为主，兼顾都市圈通勤功能的“城际铁路、市域(郊) 铁路、城市轨道交通”三网；以及衔接市域、城轨交通的“市域(郊)铁路、城市轨道交通”两网。

1.2 多网融合内涵

西南交通大学彭其渊教授对轨道交通“四网”融合的定义及内涵作出了全面系统的阐述，提出了“四网-四域-多功能”一体的理念，其中四网和上文提到的一致，四域指“时间-空间-资源-信息”，多功能指“运输组织-安全保障-旅客服务”复合网络。“四网”融合应实现“四网-四域-多功能”一体，实时智能联动，主动安全保障，主动出行服务，一站式出行。还有其他专家和研究机构也对轨道交通融合内涵提出了建设性的意见。

总结相关专家意见，“多网融合”就是不同层次、不同制式的轨道交通通过枢纽衔接、互联互通、接驳换乘、安检互信等多种方式实现功能互补、换乘便捷、资源共享和服务融合。这是一个综合性的“融合”概念，完善的换乘枢纽体系、良好的互联互通技术、灵活的运营组织、统一兼容的安检及票制、有效的资源共享、一体化的运营管理等都是融合。其中互联互通技术是实现都市圈轨道交通融合重要的“融合”方式之一，互联互通技术是指通过工程技术改造和技术处理，实现不同制式的线路或制式相同而设备系统不同的线路列车贯通运行的融合技术。要求线路、站场、运营管理、行车组织、列车车辆、限界、牵引供电、站台屏蔽门、信号、通信等多个专业协同发展，共享网络资源，共同实现多层次、多模式、多制式的轨道交通多网融合。本文将基于假定其他专业都可实现互联互通条件的前提下，重点研究都市圈轨道交通融合的信号系统方案。

2 都市圈轨道交通信号系统融合的技术目标分析

2.1 主流信号系统制式技术标准及互联互通性

国内当前主流信号系统制式为CTCS 制式和ATC 制式。

CTCS 系统由中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）和国家铁路局主导的制定了统一的标准技术文件和建设管理程序，不同厂商的同一信号设备可相互兼容，不同厂商的不同信号设备间在接口方面也可以互联互通。工程设计通过在CTCS-0（简称C0）线路与CTCS-2（简称C2）线路之间、C2 线路与CTCS-3（简称C3）线路间设置列控等级转换点，可实现C0 与C2、C2 与C3 列控系统的自动切换。

早年ATC 制式系统一般为独自设计、研发和实施，不同厂家的ATC 系统的设备组成、设备架构、软件功能、传输协议、接口形式和内容等均有很大差别，不支持互联互通。近年来随着轨道交通协会和各地轨道公司积极推进，制定了一批包括系统规范、接口规范、测试规范的标准化成果，多家国内供应商也完成了相应装备的研制，目前执行该标准体系的CBTC 系统间可以实现互联互通。

2.2 主流信号系统制式应用现状

1）干线铁路

目前，干线铁路信号系统一般采用CTCS 系列列控系统，C0 级列控系统主要用于160 km/h 以下铁路，C2 级列控系统主要用于160 km/h 以上铁路（如200 km/h 客货共线铁路）和200 km/h 以下的城际铁路（国铁运营），C3 主要用于250 km/h 以上的高速铁路。城际动车组装备C2 级列控车载设备和列车运行监控记录装置（LKJ），可在C0 线路运行；250 km/h 以上高速动车组装备具有C3 兼容C2 列控功能的车载设备，可在C2 线路上运行。

2）城市轨道交通

目前，城市轨道交通采用CBTC 信号系统。根据车-地无线传输方式，CBTC 系统可分为环线的CBTC 系统（CBTC-L）和无线CBTC 系统（CBTC-R）。虽然环线CBTC 系统的车-地无线通信方式相对更加稳定可靠，但是该技术方案存在一定的技术壁垒，且环线的轨旁设备较多，维修维护时与轨道等工务专业存在干扰等，所以CBTC 系统的车-地通信系统逐渐转向了开放性和适用性更好的无线通信技术。

3）城际、市域（郊）铁路

城际、市域（郊）铁路在轨道交通体系中位于干线铁路与城市轨道交通之间，承上启下，在运营需求、功能定位上也兼具了干线铁路和城市轨道交通的一些特点（如干线铁路的网络化运营，城市轨道交通的公交化运营）。暂无针对城际、市域（郊）铁路运输需求专门开发的成熟信号系统，相关规范对信号系统制式选择进行了描述，如表1 所示。

表1 城际、市域（郊）铁路执行规范、标准Tab.1 Implementation code and standard of intercity and suburban railways

目前规划、设计的都市圈轨道交通目标速度大都集中在100 ～160 km/h（仅少量采用200 km/h），对照表1 规范相关描述，城际、市域（郊）铁路可供选择的信号列控系统有CTCS 制式中的C2 及C0 系统，城市轨道交通ATC 制式中的CBTC 与点式ATC 系统。其中，C0 系统由于行车间隔较高（5 min），无法叠加ATO 系统，无法与站台门等系统接口，不能很好地满足新建市域铁路公交化的运营需求；点式ATC 系统，一般作为CBTC 的备用系统使用，为主控系统情况较少，相比CBTC 系统能力低，且尚无实现互联互通案例。因此目前实施的都市圈城际、市域（郊）铁主流信号系统制式采用C2/C2+ATO 列控系统及CBTC。

2.3 信号系统融合的技术目标

考虑到都市圈通勤功能，都市圈多网融合主要指“城际铁路、市域(郊) 铁路、城市轨道交通”三网融合。结合目前各层级线网信号系统制式的选择情况，为满足都市圈列车的跨线运行，都市圈信号系统融合的技术目标就是指采用现有技术C2/C2+ATO 与CBTC 的融合以及采用新型互联互通技术的信号系统间的融合。

3 现有信号技术融合方案

C2+ATO 信号系统以C2 为核心，根据城际、市域公交化等运营需求，在C2 的基础上叠加ATO，其架构和功能等均包含C2 系统。下文对C2 系统均以C2+ATO 为例进行分析。

3.1 C2/C2+ATO与CBTC系统差异性分析

3.1.1 系统架构

1）C2+ATO

C2+ATO 系统由调度集中系统（CTC）、C2级列车运行控制系统、ATO 系统、车站联锁系统（CBI)、信号集中监测系统(CSM)等构成。其系统架构如图1 所示。

图1 C2+ATO系统架构示意Fig.1 C2+ATO system architecture diagram

2）CBTC

CBTC 以行车指挥和列车运行控制为核心，主要由列车自动监控子系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、ATO 系统、联锁系统、维护监测系统等组成。其系统架构如图2 所示。

图2 CBTC系统基本架构示意Fig.2 CBTC system architecture diagram

3.1.2 系统功能

C2+ATO 系统和CBTC 系统各设备主要功能如图3 所示。

图3 C2+ATO/CBTC系统功能示意Fig.3 C2+ATO/CBTC system function diagram

3.1.3 差异性分析

1）系统架构及功能差异

结合图1 ～3，C2+ATO 系统和CBTC 系统架构（含组成及接口）以及系统功能主要差异如表2 所示。

表2 C2+ATO与CBTC系统的架构、功能差异Tab.2 Differences in system architecture and functionality between C2+ATO and CBTC

2）工程实施差异

由于适用不同的标准体系，C2+ATO 系统与CBTC 系统在系统工程实施存在的主要差异如表3所示。

表3 C2+ATO与CBTC在系统工程实施中存在的主要差异Tab.3 Main differences between C2+ATO system and CBTC system in the system engineering implementation

3.2 C2/C2+ATO与CBTC系统互联互通方案

通过上述研究可知，C2 系统与CBTC 系统技术层面存在较大差别，两系统的工作机理不同，系统功能也存在区别。要实现C2 系统与CBTC 系统互联互通，实现跨线运营的需求，需要解决两个系统间地面和车载设备的差异性。目前多个单位也开展了类似课题研究，提出了“地对车兼容”和“车对地兼容”的互联互通方案。

3.2.1 地对车兼容方案

“地对车兼容方案”是指在共线运营区段地面设置一套兼容C2 系统和CBTC 系统的信号系统设备，称之为C2+CBTC/C2+ATO+CBTC 系统方案。装备CBTC 车载设备仅接收地面的CBTC 信息，按CBTC 控车；装备C2 等级车载设备仅接收地面的C2 信息，按C2 控车。

C2+CBTC/C2+ATO+CBTC 系统方案应保证C2+ATO 系统与CBTC 系统两者基本系统功能不变。在此前提下，对两者功能相同或相似，子系统或设备进行优化整合；功能不同，子系统或设备进行共存兼容性分析并对其改进。需要解决的关键技术问题包括轨道电路功能、应答器的设置、信号机设置、联锁技术标准、行车指挥系统网络化、车-地通信形式等C2 系统与CBTC 系统技术冲突。以C2+ATO+CBTC 系统为例，其系统结构如图4 所示。

图4 C2+ATO+CBTC系统结构示意Fig.4 C2+ATO+CBTC system structure diagram

C2+ATO+CBTC 方案中C2 子系统架构与现有C2+ATO 系统相同；由于ZC、CBI、TCC、TSRS等SIL4 级轨旁设备构建的安全数据网与现有C2系统不同，需要配套修改CBI、TCC、TSRS 的通信协议。与现有CBTC 系统相比，ATS（图4 为CTC）系统单独组网，新增TSRS 管理电子地图，新增ZC-TSRS 通信协议，同时配套修改原ZC-ATS接口协议。

3.2.2 车对地兼容方案

“车对地兼容方案”是指跨线运行的列车装备两种制式的车载设备（或部分部件共用）或通用型车载设备，列车从一种信号制式的线路驶入另一种信号制式的线路时，车载设备自动切换或停车人工切换到相应信号制式工作。有两种方案。

1）方案1：独立两套车载设备

跨线列车端部（车头/车尾）同时装备独立的车载设备，保持原有车载硬件设备配置，包括DMI（可采用一套显示屏，也可分开）、LTE-M 天线、GSM-R 天线、C2 的TCR 接收线圈、C2 应答器天线、C2 速度传感器、C2 雷达、CBTC 应答器天线、CBTC 速度传感器和CBTC 雷达。

两套独立车载设备分别用于在CBTC 区域和C2 区域控车，需要停车人工切换。将来切换技术成熟后可通过切换装置升级为自动切换方式。

2）方案2：通用车载设备

该方案车载设备采用一套硬件设备，在其上部署两套软件（分别对应CBTC 工作模式与C2 工作模式）。每端列车设有CBTC 与C2 车载共用的DMI、应答器天线、速度传感器和雷达以及LTE/GSM-R 双模天线。

车载系统可根据接收到的轨旁信息（轨道电路或MA）和存储的电子地图数据，自动判断当前采取何种工作模式，停车或不停车切换CBTC 或C2两种制式。

3）方案对比分析

方案1 的优点是对单一车载基本无改动，仅需增加切换模块，技术条件较为成熟，近期内可实施性高。缺点是装备完全独立双套车载，车载费用较高；由于设备分开设置未集成，受车上空间限制，安装较为困难，可能需要对车进行一些修改；同时，简单叠加后双套系统共计7 种控制等级，13 种驾驶模式，对司机的要求较高。

方案2 的优点是节省车载设备硬件，节省车内安装空间，对车辆的改造较小。其缺点是该方案目前没有成熟的设备，新研发的设备需对软硬件架构进行较大改动，需重新做CRCC 或SIL4 认证，在工程上应用时其流程较为繁琐。

据调研，目前对于不同信号制式间的跨线运行，海外的主流解决方案是车载兼容地面，只是在兼容车载的配置上有所不同。其中伦敦Crossrail 开行列车根据信号制式种类配备CBTC、ETCS、TPWS共3 套不同的车载系统，在相应列控区段自动切换到相应的车载设备运行；日本JR 铁路和地铁开行列车配备满足ATS-P+ATPS 信号系统的多套车载设备，通过司机手动切换，实现对地面列控系统的兼容；巴黎RER-E 融合了NExTEO、KVB 以及EVC系统的一体化车载实现跨线运行，如图5 所示。国内跨线运行的列车远期技术成熟后推荐优先采用通用车载方案，近期若为缩短新型车载的研发、上道认证周期，推荐采用“独立两套车载设备”。

图5 巴黎RER-E一体化车载系统结构示意Fig.5 Paris RER-E integrated vehicle system structure diagram

3.3 其他融合技术研究

为实现都市圈轨道交通融合，同时满足其公交化运营，针对现有C2 系统和CBTC 系统，相关单位和人员正在进行或计划进行以下研究。

1）C2+ATO 自动折返功能

目前C2+ATO 系统未实现自动折返功能，不满足都市圈城际、市域（郊）铁路公交化运营对行车密度硬性要求，各设备厂家也已开展相关研究。主要思路是通过增加或利用MVB 贯通线使实现两头车载通信，并增加特定功能模块用于两头车载的唤醒与休眠。

2）与站台门系统融合

目前，C2+ATO 系统与CBTC 系统均具备与站台门系统通过继电接口进行信息互传，从车载发车命令到站台门动作环节多，时延较大，影响效率；故障点较多、安全性差；站台门系统与信号系统电源、监测等设备重复设置，成本高且维护不便。需进一步研究站台门系统与信号系统融合，减少信号与站台门动作时间，提升运营效率，整合并提高安全性。目前部分厂家已经实现了接口优化、设备整合、站台门控制器与车载直接通信等功能研究和试验，但受到站台门系统达不到SIL4 级、维护部门等影响，距离真正的融合还有一定的差距。

3）CBTC 系统车载地图地面化

目前，CBTC 线路间车载电子地图无法实时更新，尚未满足复杂环境下互联互通运营要求。线网中只要存在线路信息变化将涉及到全网在此线运行列车的车载电子地图换装，工作量大且不便于运营维护。目前一些设备厂家已考虑将电子地图由车载存储改为地面发送（如通过地面的ZC 进行发送，在列车连接ZC 时同步更新车载电子地图）。

4 新型市域铁路互联互通技术及新型系统展望

4.1 基于CTCS制式的CTCS-N系统

CTCS-N 系统是由国铁集团牵头，在现行CTCS 列控系统的基础上，为进一步提高系统能力，减少行车间隔，提升系统自动化程度而开发的基于无线通信的新型移动闭塞列控系统。CTCS-N 系统在C3+ATO 的基础上对模块功能、系统构架进行了开发、升级，具备向上扩展功能，实现列车位置连续追踪功能条件下的全自动运行（GoA4）控制功能条件。同时具备向下兼容C2、C3 的能力。

据了解，CTCS-N 系统与城轨CBTC 系统的互联互通技术已纳入开发计划中。其技术路线主要考虑通过采用融合型车载方式，将CTCS 列控系统中已经设置较为单一轨道电路功能的STM 模块，扩展增加为轨道电路叠加城轨CBTC 车载主控单元的复合功能STM 模块，沿用CTCS 与原STM 接口协议，实现与城轨CBTC 系统的互联互通功能。

4.2 其他多网融合市域信号系统

众多设备厂家开展了一系列关于融合系统的研究工作，如深圳城际铁路智能列控系统、STCS、CBTC-R 等。其主要目的都是研发一种能够同时兼容CTCS 和CBTC 的列车控制系统，不但具备以移动闭塞为基础的高密度、公交化运营能力，还能实现与采用CTCS 系统的既有国铁、城际铁路、与新建采用互联互通标准的CBTC 系统的城市轨道交通线路的互通运行。

目前都市圈轨道交通信号系统融合的主要技术路线可以概括为：

1）通过车载兼容应对跨线运行场景：列车配置双制式车载设备，支持人工停车切换和车载自动切换；

2）通过轨旁兼容应对共线运行场景：共线区段地面同时布置CTCS 和CBTC 轨旁设备。联锁和列控单套化，对功能进行整合；

3）对CTC/ATS 调度系统进行整合，从而开发出具备兼顾公交化、网络化运营的新型调度指挥系统。

5 结语

由于都市圈轨道交通跨线融合运营场景不一，信号系统融合方案也不一，应分析城际、市域、城市轨道交通网内、网间不同的运营场景列车跨线需求。结合各线的运营管理体制(国铁管理还是轨道公司自管自营），产品开发阶段与工程建设及规划需求的匹配（如后期是否有升级改造），既有线路信号系统制式，相关专业配套技术（如无线通信）等，综合研究后做出合理的融合方案。