四网融合的信号系统方案研究

刘名元，戴 宏

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

从2020 年12 月国务院办公厅转发《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》到2022年，国家铁路局在铁路行业《“十四五”现代综合交通体系发展规划》中均从不同角度提出，“推进‘四网融合’发展，构建层次清晰、绿色安全、融合一体、快捷顺畅、经济高效的铁路客运服务网络。”在上述国家政策的指引之下，“四网融合”已经成为国铁、城际、市域（郊）、城市轨道交通发展的方向。

对于信号系统而言，目前国铁和部分城际、市域（郊）铁路均采用CTCS-2 列控系统，城市轨道交通多采用CBTC 列控系统，因此信号系统的“四网融合”主要指CTCS-2 和CBTC 两种制式的兼容与融合。本文将针对信号系统在“四网融合”过程中存在的问题和解决思路进行深入的探讨。

1 各轨道交通线路的运营特点

国铁、城际、市域（郊）铁路主要用于城市与城市之间或城市与其郊区的旅客出行，其特点是“快速直达”“服务频次低”“各线互联互通”。城市轨道交通线路主要用于市区内不同区域之间的乘客服务，其特点是“公交化运营”“服务频率高”“各线独自运营”。对于乘客而言，国铁、城际、市域（郊）铁路和城市轨道交通线路的最大区别在于“互联互通”和“公交化运营”。城际铁路的优势在快速直达，地铁的优势在公交化运营，服务质量高。

2 信号系统与轨道交通线路运营特点的匹配性

2.1 “互联互通”的匹配性

为实现不同运营线路之间的互联互通，信号系统的互相兼容是重要基础条件。CBTC 系统最早由贝尔-阿尔卡特应用于加拿大天车线，后续逐步有诸多厂家参与，并在国内轨道交通市场得到了广泛应用，但由于参与厂家众多，各地建设单位需求不一致，导致CBTC 系统没有统一的国家或者行业标准，系统的准入门槛较低。国内目前只有重庆地铁初步实现了不同厂家/制式CBTC 系统之间的互联互通，并且方案还在进一步完善过程中。因此，CBTC 系统在互联互通这一特点的匹配性上还有一系列的工作需要开展。

CTCS 系列列控系统由于在研制初期，就由铁道部统一了相应的规范和标准，并且在工程应用中逐步得到了完善和发展，目前已经是国铁统一的系统制式，不同厂家的设备均遵循同样的标准，其互联互通特性已经在国铁得到了广泛的验证。

2.2 “公交化运营”的匹配性

公交化运营体现在较短的追踪间隔和折返间隔。城市轨道交通工程所用的信号系统制式一般均为CBTC 系统，在历经了各地工程的验证之后，正线追踪能力和折返能力均可满足线路公交化运营需求，系统实现2 min 的折返和追踪间隔已无争议。

根据《城际铁路设计规范》（TB 10623-2014）要求，CTCS-2 列控系统最小行车间隔应按照运输需求研究确定，宜采用3 min，其系统能力主要体现在正线的追踪间隔上，但是折返间隔一般在15 ～20 min，无法满足公交化运营需求。

2.3 典型都市圈城际线网运营需求

CTCS-2 列控系统可以实现互联互通，但实现不了公交化运营；CBTC 列控系统可以实现公交化运营，但城市轨道交通一般为各线独自运营，在互联互通方面又稍显不足。

在粤港澳大湾区、长三角等都市圈城际运营需求中，“互联互通”“公交化”已经越来越成为提升服务水平的切入点。由于城际铁路、国铁干线等主要实现的是长距离、高速度的客运目标，与城市轨道交通的公交化运营目的并不一致，因此单独从折返能力上来对比CTCS-2 和CBTC 两种列控系统并不合适。但是，如果要在现有都市圈城际铁路实现公交化运营，那么CTCS-2 列控系统的部分短板就会被放大，由此给工程设计目标的实现带来巨大风险。CBTC 系统和CTCS-2 系统的特点明显，目前又暂不具备融合条件，如何兼顾“公交化运营”和“互联互通”，就成为系统亟需解决的问题。

3 信号系统融合思路

CBTC 列控系统和CTCS-2 列控系统在车载ATP/ATO 具体功能实现方式有所不同，但硬件架构基本类似，都是由外围接口单元、核心处理单元、电源单元、通信单元和无线单元等组成。在具体功能实现方式中，CBTC 列控系统的通信单元新增了双端列车通信单元，CTCS-2 列控系统通信单元新增了轨道电路接收单元。在无线单元的功能中，CBTC 列控系统主要实现与WLAN 网络或者LTE 网络的接口，CTCS-2 列控单元主要实现与GSM-R 的接口。

如图1 所示，在原有CBTC 系统的硬件架构基础上，通过新增司法记录单元、轨道电路读取器、GSM-R 电台等无线通信设备，即可为实现兼容CBTC 和CTCS-2 系统功能的车载设备提供必备的外部条件。

图1 融合车载构成Fig.1 Composition ofintegrated onboard equipment

为同时兼容CTCS-2 系统和CBTC 系统，减少科研开发的难度，尽可能利用既有CTCS-2 系统和CBTC 系统的成熟经验，兼容性信号系统方案要尽可能复用既有信号系统设备，例如CTCS-2 系统配置的列控中心、临时限速服务器、ZPW-2000 设备等，CBTC 系统配置的区域控制器等；联锁、CTC设备、车载设备则属于通用产品，在CTCS-2 系统和CBTC 系统中均有采用，可以考虑在既有产品上升级改造。

3.1 车载设备升级改造

在原有CBTC 车载设备的基础上，将点式ATO/ATP 软件模块替换为CTCS-2 软件模块，同时，增加轨道电路接收天线和GSM-R 车载电台。该方案中，通过对车载设备的软件、硬件升级改造，控制了系统升级改造影响范围，具有较大的工程可实施性。

3.1.1 软件功能升级

点式ATO 软件模块升级为CTCS-2 模块过程中，应制定完整的版本升级、回退机制。确定版本回退的范围和方式，确保新旧模块之间的数据和配置信息能够顺利转换。同时监控系统运行状况，及时解决因模块功能升级引起的各种问题。

CTCS-2 模块与现有系统的硬件环境相匹配，包括与既有车底通信服务单元、各种外设传感器、人机界面等接口的适配。

模块安装之后，需进行详细的配置工作。这包括设置参数、调试功能以及与系统其他部分的接口对接等。

在配置过程中，应保证原有系统的稳定性和性能，确保引入的新模块不会给系统带来新的隐患或负面影响。

3.1.2 硬件升级工作

在既有系统上新增轨道电路接收天线和GSM-R车载天线时，需要考虑一系列因素。首先，要明确系统的需求，选择适合的设备，并制定详细的安装计划。在安装过程中，要确保天线的兼容性和稳定性，并进行全面的测试。这包括功能测试、性能测试以及安全性测试。确保天线与系统完美协同工作，并满足各项指标要求。同时根据测试结果，对天线和系统进行必要的优化和调整。这可能包括调整天线的参数、增强信号稳定性等。优化后，再次进行测试以确保系统的稳定性和可靠性。

通过全面规划、合理实施和管理维护，能够成功地在既有系统上新增轨道电路天线和GSM-R 天线并提高系统的整体性能。

3.2 地面设备升级改造

在CTCS2+ATO 既有地面设备的基础上，新增区域控制器（ZC），以及LTE 无线通信设备。增加ZC 与列控中心（TCC）、联锁（CI）及临时限速服务器（TSRS）设备的接口。本文以ZC 和TCC、CI 之间接口为例进行说明。

3.2.1 ZC和TCC接口

ZC 和TCC 均为列控系统核心设备，分别为CBTC 模式列车和CTCS-2 模式列车提供ATP 计算和防护。在融合信号系统中，两种轨旁ATP 设备应解决的主要问题是在分界面的交接权问题。

为了保证列车在不同轨旁ATP 控制下的安全交接，ZC 和TCC 在分界点两侧应实现冗余覆盖。当列车尚未驶过边界时，仅接受ZC 的移动授权信息。当列车进入重叠区后，也就是从A 区向B 区运行时，同时接收ZC 和TCC 的列控信息，由车载信号系统根据需求自动选用。具体交接示意如图2 所示，交互信息如下。

图2 ATP控制权移交示意Fig.2 Schematic diagram of ATP control handover

步骤1：当列车刚刚进入管辖重叠区时，此时移动授权尚未越过边界，列车同时与ZC 和TCC 建立通信关系，ZC 和TCC 均独立计算列车移动授权，列车根据所处位置，自动选用所在管辖区的移动授权信息。

步骤2：当列车在重叠区继续运行，移动授权需要越过边界时，由ZC 根据和TCC 完成的信息交互，在TCC 控制范围内，继续计算移动授权，并将相关信息发送至列车。

步骤3：当列车运行至控制边界时，列车根据自身定位，当在ZC 控制范围时候，接收ZC 移动授权；当在TCC 控制范围时，接收TCC 移动授权；当列车在边界点时候，由于ZC 和TCC 均在持续计算移动授权，并且列车在持续接收，此时由列车判断选用。

步骤4：当列车已经完全进入ZC 管辖重叠区，也就是进入了TCC 管辖范围后，列车只需保留与TCC 的通信链路，纳入TCC 管辖范围，此时完成边界范围的移动授权交接。

上文简要论述了ZC 和TCC 在分界区交接列车控制权的信息交互流程。在实际工程应用中，降级模式列车和常规列车之间的混跑，也涉及大量的列车信息交互，其基本原理与上图类似，应结合具体的场景需求，开展进一步细化工作。

3.2.2 ZC和CI接口

ZC 和CI 接口是信号系统的关键组成部分，系统之间的信息传递对于列车的安全、稳定和高效运行至关重要。CBTC 系统和CTCS 系统内部，ZC 和CI 接口成熟，但是目前CBTC 系统中ZC 和CTCS列控系统中CI 接口之间需要传递哪些信息的研究尚不充分。下文将详细介绍这些信息的内容以及它们的传输方式。

1）信息内容

列车位置信息：包括列车当前所在的位置、前方轨道的状态（如是否可通行）等。这些信息由CI提供给ZC，用于配合ZC 判断列车是否按预定进路行驶以及何时减速或停车等。

列车速度信息：包括列车当前的实际速度以及设定的速度限制等。这些信息由ZC 提供给CI，用于控制信号机的显示以及道岔的开关状态等。

线路状态信息：包括线路占用状态、道岔状态等。这些信息由CI 提供给ZC，用于配合ZC 判断前方是否有障碍物或者是否有其他列车占用同一段线路等。

2）信息传输方式

轨旁ZC 与CI 之间的信息传输通常采用专用的数据链路进行传输。这些数据链路一般包括以太网或光纤环网等技术手段。

3）安全传输措施

为了保证信息传输的安全可靠，轨旁ZC 与CI之间通常采用加密算法对传输的信息进行加密处理，并使用数字签名等技术来验证信息的真实性，防止非法篡改和伪造信息。

4）故障处理

如果发生信息传输中断或错误等问题，轨旁ZC与CI 都有自身的故障检测和恢复机制。例如，在ZC 中，一旦检测到信息传输错误或缺失，就会立即启动紧急制动程序，避免事故的发生；而在CI 中，则会在接收到错误信息时停止发送命令，等待正确的信息到达后再继续发送指令。

轨旁ZC 与CI 之间的信息传输是铁路运输安全的关键环节之一，因此需要严格按照相关规定和技术要求进行设计、实施和维护，以确保信息传输的质量和安全。

综上所述，方案理论上可以满足本工程公交化、互联互通的需求。在实际工程开展过程中，车载设备升级改造方案面对的问题相对较小，技术难度相对较低，工程可实施性较高。目前，粤港澳大湾区深大城际、深惠城际大鹏支线等工程均采用该设计方案。

4 运营维护管理

“四网融合”的信号系统其系统架构与原有CBTC 或者CTCS-2 系统不同，由此会带来维护成本、难度和维护资源需求的增加。为保障列车的安全运营，可以采取以下的相关解决方案。

制定合理的维护计划：根据设备的特点和使用情况，制定合理的维护计划，包括定期检查、保养、维修等，以确保设备始终处于良好状态。

加强维护人员培训：针对新增设备的维护要求，加强对维护人员的培训，提高技能水平，以确保他们能够正确地维护所有设备。

建立故障报告和响应机制：建立完善的故障报告和响应机制，及时响应和处理故障，以缩短故障时间和减少对系统的影响。

合理分配维护资源：根据设备的重要性和使用情况，合理分配维护资源，包括人力、物资和时间等，以确保所有设备得到及时维护。

实施预防性维护策略：通过实施预防性维护策略，提前发现和解决潜在问题，以减少故障率和维修时间。

5 行政许可相关问题

根据中国铁路总公司（简称总公司）《铁路信号产品运用管理办法》（铁总运[2015]105 号）要求，“铁路信号产品实行资质准入管理。例如国家铁路局行政许可目录和列入产品认证目录的铁路信号产品必须分别取得相应的证书后方可上道使用”。因此，信号系统上道使用需取得如下两个证书：第一是中铁检验认证中心颁发的铁路产品认证证书（CRCC证书）；第二是国家铁路局颁发的《铁路运输基础设备生产企业许可证》。

通过上述分析可知，若在国家铁路局行政许可范围内，采用“四网融合”列控系统，则需要满足制订相关技术标准及技术条件，并在此基础上重新取得CRCC 认证。

若在地方主导建设、运营的工程中，依据城市轨道交通相关标准和既有工程应用案例，取得中国城市轨道交通协会CURC 认证，并通过独立第三方完成的安全评估，即可投入工程应用。

6 结论

通过上文对比分析，对CTCS-2 列控系统进行优化，从技术角度分析具备较大的工程可实施性，但在行政许可等方面，仍然存在一定的不确定性。综合分析考虑，可以有如下结论。

1）面对“四网融合”需求，在信号系统方案中，推荐采用车载设备升级改造方案为首选方案，地面设备升级改造方案作为备选方案。

2）在由地方主导的城际/市域铁路建设过程中，“四网融合”信号系统从技术方案角度、安全评估角度是可行的。

3）随着信号系统技术的不断发展，结合国家铁路和城市轨道交通不断融合发展的趋势，在未来实现国铁和城市轨道交通的融合是一定可以实现的。