都市圈轨道交通CBTC制式与CTCS-2制式互联互通方案的研究

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.031

收稿日期：2023-02-03

摘  要：针对都市圈轨道交通CBTC系统和CTCS-2系统跨信号系统制式互联互通的运营需求，初步分析了互联互通的前提条件。提出“双套地面设备方案”“地面设备兼容方案”“双套车载设备方案”“一体化车载设备方案”四种互联互通方案，对工程投资、工程实施、运营维护等方面分析对比。重点研究跨信号系统制式互联互通中央级实施方案、车站级实施方案，并对CBTC制式和CTCS-2制式切换流程进行分析，给出符合近期信号系统领域技术发展现状、符合技术发展趋势的推荐方案。

关键词：都市圈；CTCS-2；CBTC；互联互通

中图分类号：U284.48  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）02-0145-06

Research on the Interconnection and Interworking Scheme between CBTC and CTCS-2 of Metro Rail Transit

DU Yakang

（China Railway Communication and Signal Survey & Design Institute Co.， Ltd.， Beijing  100036， China）

Abstract： According to the operation requirements of cross-signal system interconnection and interworking between CBTC system and CTCS-2 system of metro rail transit in metropolitan area， the prerequisite of interconnection and interworking is preliminarily analyzed. Four interconnection and interworking schemes of “double sets of ground equipment scheme” “compatible scheme of ground equipment”“double sets of vehicle equipment scheme”and“integrated vehicle equipment scheme”are proposed to analyze and compare the engineering investment， engineering implementation， operation and maintenance. It focuses on the central level and station level implementation schemes for cross-signal system interconnection and interworking， analyzes the switching process of CBTC and CTCS-2， and gives a recommended scheme that conforms to the recent status quo and trend of technology development in the field of signal system.

Keywords： metropolitan area; CTCS-2; CBTC; interconnection and interworking

0  引  言

國家发改委印发的《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》提出，在有条件的地区编制都市圈轨道交通规划，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”，打造轨道上的“都市圈”，实现轨道交通线网一体化融合，实现都市圈市中心城区快速通达[1]。根据线路特点、运营需求和建设主导方等因素，都市圈轨道交通线路信号系统一般可以采用城市轨道交通CBTC系统或中国列车控制系统CTCS-2系统。但CBTC系统和CTCS-2系统在设计标准、闭塞制式、列车驾驶模式、车地无线通信方式、控车原理、行车凭证、运营能力、设备上线许可、自动化等级等方面均有较大差异，为满足轨道交通线网一体化融合的要求，轨道交通CBTC制式与CTCS-2制式不同制式的互联互通迫在眉睫。本文通过对CBTC系统和CTCS-2系统的特点和差异分析，结合近期信号系统领域技术发展现状，对跨信号系统制式互联互通方案进行分析研究。

1  CBTC系统和CTCS-2系统

CBTC系统是基于无线通信传输技术的列车控制系统，利用无线通信传输技术建立车-地之间连续、双向、高速的通信，实现列车命令和状态在列车和地面之间进行实时可靠的交换，并结合列车的准确位置及列车间的相对距离，保证列车的安全间隔[2]。

CTCS-2系统是基于轨道电路和应答器传输行车许可信息，采用目标-距离模式曲线监控列车安全运行的列车运行控制系统[3]。

CBTC系统和CTCS-2系统技术对比如表1所示。

2  互联互通的前提条件的初步分析

为满足CBTC制式与CTCS-2制式不同制式的互联互通的需求，前提条件的初步分析如下：

1）线路：两条线线路配线需互通；车站长度需满足两条线列车进站停车需求；存车线、折返线等长度需与两条线列车车长匹配。

2）车辆：一般城市轨道交通线路接触网供电制式为直流供电制式，城际铁路、市域（郊）铁路接触网制式为交流供电制式。若两条线接触网供电制式不同，车辆需满足双流制式运营的需求，配置双流制式车辆，可实现不停车进行供电制式的切换；满足CBTC系统和CTCS-2+ATO系统车载设备并存的安装条件；不同车辆的牵引制动性能宜保持一致；车辆须与对方线路限界相匹配，不得侵入设备限界。

3）限界：与对方线路限界相匹配，满足各专业设备安装后不得侵入设备限界。

4）控制中心：两条线控制中心须实现互通互联。

5）站台门：站台门尺寸须满足互联互通线路车辆停车下客的要求。

6）票务系统：票务系统应兼容实名制及非实名制两种要求。

7）建设标准及运营组织：打破既有CBTC线路、CTCS-2线路独立建设运营的限定；规划统一的建设模式；制定统一的技术标准；制定相互兼容的运营规则；研究高效的跨线网运营计划。

8）信号系统：CBTC系统与CTCS-2系统互联互通；为便于过轨运营管理，避免跨线车司机辨识信号含义错误，应统一CTCS-2系统与CBTC系统信号机显示含义。

3  跨制式互联互通信号系统方案对比分析

为满CBTC制式与CTCS-2制式跨制式的互联互通的需求，提出了“双套地面设备方案”“地面设备兼容方案”“双套车载设备方案”“一体化车载设备方案”四种互联互通方案[4]。通过对工程投资、工程实施、运营维护成本等方面分析对比，分析如下所示：

3.1  双套地面设备方案

方案介绍：地面设置CTCS-2系统和CBTC系统双套设备。CTCS-2系统设备控制CTCS-2制式列车；CBTC系统设备控制CBTC制式列车。不存在控制系统切换。

工程实施方面：技术风险低、技术层面可实施性强；界面清晰，不存在控制系统切换，工程实施简单。调试、测试工作量大。

工程投资方面：信号需双套完整的系统设备，工程投资翻倍；建筑、供电、通风空调、动力照明等各配套专业工程投资增加很大。

运营维护方面：运维人员须熟悉CTCS-2系统和CBTC系统，增加维保人员工作量，对维保人员技术素质要求更高；中心存在CTC、ATS双套调度指挥系统，归属、运营职责难以划分。运营维护成本翻倍。

3.2  地面设备兼容方案

方案介绍：CTCS-2线路地面增加ZC及无线通信系统（LTE、WLAN），与CTCS-2线路联锁及CTC系统接口；CBTC线路地面增加CTC设备、GSM-R系统，与CBTC线路联锁及ZC接口；地面构建CTCS-2系统与CBTC系统的联合控制，可支持CBTC列车与CTCS-2列车的混跑。

工程实施方面：技术风险较高、技术层面可实施性较低。缺少建设及验收标准规范支持；存在系统二次研发工作；存在的准入问题（设备上道行政许可与CRCC）；调试、测试工作量较大。

工程投资方面：在对方线路需增加的列控设备和无线通信设备，工程投资增加；建筑、供电、通风空调、动力照明等各配套专业工程投资增加较大。

运营维护方面：运维人员须熟悉本线信号系统设备外，还需熟悉对方线路的列控系统和无线通信系统设备，增加维保人员工作量，对维保人员技术素质要求更高；运营维护成本增加较大。

3.3  双套车载设备方案

方案介绍：列车上同时装备CTCS-2设备和CBTC设备，列车在系统制式切换点处进行控制系统切换。

工程实施方面：技术风险低、技术层面可实施性强；除中心及地面站联接口外，其他地面设备可不做改动；标准符合性高，调试、测试工作量少；设备上道较易满足国铁集团CRCC+行政许可要求；双套车载设备，运营操作独立，界面清晰；

工程投资方面：地面设备无须增加；设置双套车载设备。工程建投资较高。

运营维护方面：司机需同时掌握两个制式的车载设备操作及行车规则，能力要求高；运营维护成本增加较大。

3.4  一体化车载设备方案

方案介绍：列车装备一体化车载ATC设备，能够兼容并适配CBTC系统及CTCS-2系统构架及外部接口，在系统制式切换点处进行控制系统切换。

工程实施方面：技术风险较高、技术层面可实施性较高；存在的准入问题（设备上道行政许可与CRCC）；车厢内和车底仅需安装一套设备，安装空间小；调试、测试工作量较少。

工程投資方面：地面设备无须增加；设置一体化车载设备。工程建投资较低。

运营维护方面：运营维护方便、基本不增加运营维护成本。

通过上述分析对比，归纳后方案对比表如表2所示。

综上所述，一体化车载设备方案比双套车载设备方案、地面设备兼容方案、双套地面设备方案更具备优势，双套车载方案比地面设备兼容方案、双套地面设备方案更优。考虑到双套地面设备方案和地面设备兼容方案：地面设备多，调试工作量大，维保人员工作量大，工程投资大，且不符合技术发展趋势，因此本文中不再研究双套地面设备方案和地面设备兼容方案。以下就双套车载设备方案及一体化车载设备方案，在中央级实施方案、车站级实施方案、跨制式切换流程三方面进行分析研究。

4  中央级实施方案分析

4.1  ATS与CTC接口互联方案

CBTC线路中心ATS与CTCS-2线路中心CTC按照统一接口协议进行接口，完成接口数据（显示、运行图、车次号等信息）互传，统一调度命令、限速指令的设置原则。ATS与CTC接口互联方案示意图如图1所示。

4.2  网络化中央调度系统方案

CBTC线路和CTCS-2线路按照同一个控制中心建设，设置融合中央CTC和中央ATS网络化中央调度系统，系统可采用两级或三层架构，对CBTC制式和CTCS-2制式列车进行统一调度指挥，具备跨线一体化运行图编制的功能，实现网络化的调度管理。网络化中央调度系统方案（2层架构）示意图如图2所示。

网络化中央调度系统方案（3层架构）示意图如图3所示。

5  车站级实施方案分析

5.1  制式切换点（共管区）位置选择

制式切换点（共管区）位置可选择在区间，也可选择在站台区。

若选择在站台区进行制式切换，制式切换可采用手动切换，也可采用自动切换方案，为了提高制式切换效率，建议在进站前一定距离设置呼叫应答器组，尽早与ZC/TSRS建立通信。同时在站台区制式切换时，因CBTC系统和CTCS-2系统关于站台门联动的原理不同，因此车门/站台门的开门和关门指令须由相同信号制式发出，即列车停在站台后，且站台门已打开，此时须关闭站台门后，车载方可执行制式切换。CBTC系统和CTCS-2系统站台门联动的原理示意图如图4所示。

若选择在区间进行制式转化切换，建议采用自动切换方案，考虑到若自动切换失败后，建议在制式切换执行点外一定距离（常用制动长度）设置信号机，用于提示司机目前前方进路是否开放。

5.2  衔接站联锁方案分析

5.2.1  联锁合场设置方案

计算机联锁可在共线或跨线区域统一设置一套，即合场设置方式，分别与网络化调度系统行车指挥系统、CBTC系统ZC及CTCS-2系统TCC接口，对受控区域进路、道岔、信号机、计轴、轨道电路、紧急关闭按钮、站台门控制器、IBP盘等设备实施统一管理。联锁合场设置方案架构图示意图如图5所示。

5.2.2  联锁分场设置方案

计算机联锁在跨线区域亦可独立设置，即分场设置方式，两套联锁之间通过网络安全数据传输或继电器接口实现信息交互，在列车转线进路办理时遵循相应运营管理流程，确保列车转线作业安全。联锁分场设置方案架构图示意图如图6所示。

联锁分场设置方案相对于联锁合场设置方案具有以下优点：

1）CBTC系统和CTCS-2系统界面清晰，有利于设备维护和管理。

2）CBTC系统和CTCS-2系统各自的联锁软件的基本联锁逻辑不变。

3）CBTC系统和CTCS-2系统联锁接口采用统一的通信协议，方案成熟。

4）联锁接口研发内容较少，有利于工程实施。

5）单侧设备故障对相邻站影响范围小。

6）CBTC系统和CTCS-2系统可以独立升级，影响范围小。

建议：若制式切换点（共管区）位置选择在区间，衔接站联锁方案建议采用联锁分场设置方案。若制式切换点（共管区）位置选择在站台区，考虑到相邻集中站联锁至制式切换点（共管区）轨旁信号设备较远，控制距离较长，也可根据工程实际需求采用联锁合场设置方案。

5.3  制式切换点（共管区）信号设备布置方案分析

跨制式共管区域，建议同时布置计轴和轨道电路两种轨道占用检测设备（也可仅布置轨道电路，轨道区段的划分、空闲/占用情况通过站联接口传送给ZC），且轨道区段划分应遵循统一设计原则。布置呼叫点应答器组（建立与ZC/TSRS通信）、预告点应答器组（DMI界面提示制式切换信息）、执行点应答器组（自动切换制式）。以CTCS-2向CBTC制式切换为例，制式切换点（共管区）信号设备布置示意图如图7所示。

5.4  制式切换点（共管区）车地无线通信交叉重叠覆盖分析

CBTC线路车地无线通信（如采用LTE技术）与CTCS-2线路GMS-R车地无线通信交叉重叠覆盖，进行车次号校核及调度命令互传。以CTCS-2制式向CBTC制式切换为例，CBTC线路车地无线通信应延伸覆盖至共管区呼叫点，用于列车与ZC建立通信，CBTC制式向CTCS-2制式切换，CBTC的无线通信再覆盖至执行点一段距离，满足CBTC车载向地面区域控制器注销和断开连接[5]。制式切换点（共管区）车地无线通信交叉重叠覆盖示意图如图8所示。

6  跨制式切换流程分析

下面以为CTCS-2制式向CBTC制式不停车自动切换为例，分析列车由CTCS-2级控车不停车转换到CBTC级控车的过程，此过程系统自动完成，无须司机操作。具体流程如下：

1）列车从CTCS-2系统控制区进入共管区，通过“制式切换呼叫点”应答器组后，车载VOBC与ZC建立通信，进行注册，并汇报位置，ZC对该列车完成定位、筛选后，向车载信号设备发送MA（此时列车接收到来自ZC的MA和来自轨道电路的移动授权），但此时列车仍由CTCS-2系统控车。

2）列车通过共管区“制式切换预告点”应答器组后，向司机提示制式切换，同时激活CBTC系统的DMI（DMI分设方案）或在CBTC系统与CTCS-2系统共用DMI上提示司机即将进入制式切换，由系统自动确认，也可由司机人工确认。

3）列车通过共管区“制式切换执行点”应答器组后，CTCS-2系统请求注销与地面设备的通信，此后不再使用来自轨道电路的移动授权，仅采用来自ZC的MA，即按照CBTC制式控车，DMI上提示司机已进入CBTC级别。

4）如转换不成功，车载设备在DMI上向司机提示转换失败原因并报警，列车按常用制动停在线路制式切换点边界外方入口信号机前。

CTCS-2制式向CBTC制式切换示意图如图9所示。

CBTC制式向CTCS-2制式不停车自动切换的原理及流程相似，本文不再详细赘述。

7  结  論

目前信号集成商（如交控、通号、卡斯柯、铁科、泰雷兹）均处于CBTC系统与CTCS-2系统互联互通方案研究阶段，其一体化设备正处于研发或验证的不同阶段，尚无工程实施案例。因此结合近期信号系统领域技术发展现状，推荐近期建设的线路可采用双套车载方案，进行一定程度融合（车载辅助设备：OPG、BTM天线等）。后期根据技术发展趋势，待相关规范标准制定后，且一体化设备满足国铁集团CRCC+行政许可要求，适时采用一体化车载设备方案。

参考文献

[1] 刘秋生.都市圈市域铁路信号系统需求探讨 [J].城市轨道交通研究，2023，26（6）：255-260.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范：GB 50157-2013 [S].北京，中国建筑工业出版社，2013.

[3] 中华人民共和国国家铁路局.CTCS-2级列控系统总体技术要求：TB/T 3516-2018 [S].北京，中国铁道出版社，2018.

[4] 申樟虹，李名淦，刘潇洋，等.跨线网互联互通运营信号系统技术方案研究 [J].城市轨道交通研究，2023，26（7）：66-70.

[5] 全宏宇，张敏慧.市域铁路CTCS-2与CBTC列控系统切换方案 [J].铁路通信信号工程技术，2023，20（1）：61-66+94.

作者简介：杜亚康（1991.12—），男，汉族，安徽涡阳人，工程师，本科，研究方向：城市轨道交通信号系统。