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粤港澳大湾区都市圈铁路建设信号列控系统应用方案探讨
摘 要：信号列控系统建设为粤港澳大湾区都市圈铁路建设的重要内容，合理选择信号系统应用方案具有重要意义。本文从互联互通及车辆维修布局、运营体制变化及既有资源利用和技术先进性等方面提出了信号列控系统规划设计原则，结合列控系统运营速度、运营组织方式、运营能力和互联互通等主要建设需求，从系统适应运营的各种不同能力、对土建规模影响和标准适用性等方面对不同列控系统方案进行了分析；对国内外列控系统发展方向进行了阐述，对信号系统建设相关问题进行了思考，并给出了建议。
Discussion on Application Scheme of Intercity Railway Signal Train Control System in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area
王力
中铁工程设计咨询集团有限公司
1 概述
粤港澳大湾区（以下简称大湾区）城际铁路是连接大湾区城市群的区域交通路网，为国家“十四五”和2035远景建设拟重点实施的城市群和都市圈轨道交通网络化项目。通过与区域内高铁、普速铁路及市域（郊）铁路的融合衔接，将构建大湾区主要城市间1小时通达、主要城市至广东省内陆级城市2小时通达、主要城市至相邻省会城市间3小时通达的交通圈，打造“轨道上的大湾区”，完善综合交通体系[1]，助力大湾区经济发展，并为民众提供更好的交通出行服务。大湾区城际铁路信号系统建设面临相对复杂的跨线运营需求，有与已建采用国铁信号制式的城际铁路需求，部分线路区段还有与采用CBTC系统的地铁线路跨线运营需求；在运营速度、运营能力和敷设方式上不同线路又存在一定差异。合理选择列控系统应用方案，对满足大湾区城际铁路建设需求，保证运营服务水平和适应未来技术发展都具有重要意义。
2 信号列控系统规划设计原则
2.1 系统制式选择应结合互联互通需求及车辆维修布局统一规划
大湾区城际铁路按网络化运营规划，通过线路互联互通可实现线网资源共享，减少乘客换乘，降低建设及维护成本。实现大湾区城际铁路互联互通需在运营组织方面做好统一规划，在具体技术层面，车辆选型、线路限界、供电形式、通信制式和信号系统兼容性[2]等都是重点需考虑问题（如表1）。
为实现大湾区城际铁路网的车辆维修资源共享，达到综合维修效益最大化目的，根据车辆修程及车辆基地功能划分情况，需要合理确定维修车辆运行径路，并由信号系统保证维修车辆的必要运行能力。
2.2 适应建设运营体制变化，并合理利用既有资源
大湾区城际铁路运营管理新的体制变化将对信号系统方案规划产生影响。根据广东省政府规划，后续项目运营管理将全部交由广州、深圳市负责。2020年11月开通的珠三角城际广州至清远项目即由广州地铁下属的广东城际铁路运营有限公司运营。对于莞惠、佛肇等已运营项目，后续将交回地方自主运营。由于珠三角城际铁路已运营多条线路，大湾区城际铁路不是完全新建的线网，对于既有信号制式（如表2）的合理利用与衔接同样需要重点考虑。
2.3 技术先进，预留未来发展条件
近年来，信息技术发展突飞猛进，人工智能、云计算、大数据和物联网等技术已在铁路及城市轨道交通逐步开展应用，在这个数字化技术快速迭进的时代，合理选择并应用新技术是大势所趋。大湾区是国家先行示范区，在前期系统制式规划时，要在适用线路运营需求同时，尽可能通过技术创新措施，发挥创新引领作用。信号系统作为涉及运营安全和效率的重要设备，系统改造涉及面广，只有应用制式具备较好的升级改造能力，与技术发展趋势相一致，才能为未来发展预留必要的发展空间。
3 信号列控系统主要建设需求
3.1 市内线路最高运行速度160km/h以下，开行站站停列车，线网最高运行速度200km/h，存在大站停运行方式
已开通运行的珠三角城际线路，最高运行速度一般为200km/h，部分特殊线路最高运行速度140km/h。结合大湾区城际规划的时间目标值要求，对于线路穿越城市内的线路，设置站点较多，车站间距较小，一般线路速度160km/h以下，行车组织采用站站停车方式。对于车站分布较少，站间距大的跨区域及点对点快速通行线路，最高运行速度为200km/h，根据需要行车组织采用大站停方式。[3]部分线路区段存在两种站站停与大站停列车混合运行方式。
3.2 不同线路（区段）行车能力要求存在差异，市内线路行车能力接近地铁
大湾区城际不同线路关于服务频率定位目标存在一定差异，以深圳区域城际线路为例，市区以外线路区段高峰小时最大对数小于10对/h，跨越市区线路的最大通过能力达到24对/h，行车能力接近地铁。广州都市圈部分在建城际线路，行车能力同样为24对/h。总体而言，对于兼顾市域和市区客流的城际线路，系统设计能力相较服务市区客流的地铁适当降低，但与已运营珠三角城际相比，系统设计能力应适当提高。
3.3 存在不同层次的互联互通运营需求，部分线路与已运营珠三角城际线路需互联互通
大湾区城际存在不同层次的互联互通运营需求，都市圈内部线路需要与大湾区城际骨干线路实现互联互通运营。都市圈内部线路之间也需在部分节点实现互联互通。为实现车辆维修资源共享，根据车辆维修资源配置，处于车辆维修路径的部分线路也需实现互联互通运营。基于以上互联互通运营需求，大湾区城际部分新建线路与已开通的珠三角城际线路需互联互通运营。
4 信号列控系统应用方案分析
4.1 应用方案概述
结合信号系统主要建设需求及信号系统技术发展情况，大湾区城际铁路可选择的信号列控系统方案主要包括CTCS2+ATO系统、CBTC系统和兼容CBTC与CTCS2+ATO的多模列控系统。
4.1.1 CTCS2+ATO列控系统
珠三角城际目前已开通运营项目应用列控制式。CTCS2+ATO列控系统在CTCS-2 级列控系统基础上，增加了站间自动运行、车站定点停车及车站通过、折返作业、列车运行自动调整、车门/站台门防护及联动控制、列车运行节能控制等自动运行相关功能[4]。除配置CTCS-2级列控系统相关地面设备外，通过设置专用的精确定位应答器（JD）实现列车精确定位，设置通信控制服务器（CCS）实现站台门控制和运行计划处理。
4.1.2 CBTC系统
目前城市轨道交通广泛应用的系统制式。CBTC系统通过轨旁区域控制器ZC根据各列车的当前位置、速度及运行方向等因素，同时考虑列车进路、道岔状态、线路限速以及其它障碍物的条件，向列车发送移动授权MA信息，从而保证列车间的安全间隔。
4.1.3 兼容CBTC与CTCS2+ATO的多模列控系统
列车设兼容CBTC与CTCS2+ATO的车载设备，地面分段设置CBTC与CTCS2+ATO列控设备。在列控制式衔接区域进行列控制式切换，根据需要可采用不停车切换或停车切换方式。切换区域进行LTE-M与GSM-R双制式无线覆盖，不同列控系统由其管辖区段的调度指挥系统接口，实现运行列车在制式不同区域的运营计划、临站透明以及邻台调度命令的互传。
4.2 应用方案分析
4.2.1 运行速度及互联互通能力
国有铁路应用速度较高，按国铁集团相关规定，CTCS2+ATO列控系统可满足最高250km/h的运行速度，目前已开通运行项目最高运行速度为200km/h。城市轨道交通CBTC系统在国内外应用的最高运行速度线路目前为160km/h。最高运行速度为200km/h的CBTC系统拟在雄安R1线应用，正处于工程实施过程中。CTCS2+ATO列控系统按互联互通标准设计，可实现与珠三角城际CTCS2+ATO列控系统实现互联互通。CBTC系统已由中国城市轨道交通协会开展了CBTC系统互联互通示范应用，采用相应标准的CBTC系统可实现与大湾区城际已开通CBTC系统实现互联互通。如一条线路同时与CTCS2+ATO列控系统及CBTC系统不同制式线路相衔接，通过兼容CBTC与CTCS2+ATO的多模列控系统可实现互联互通运营。
4.2.2 运营指标及系统保障能力
国有铁路采用网络化运营方式，关注车站准点接发车能力，反映该能力的运营指标主要为发车间隔。在实际工程应用中，为满足发车间隔需求，始发车站站场规模较大，具备多股道发车能力，为满足连续发车能力，部分始发大站具备动车段/所向股道补充运用列车能力，而且国有铁路没有运营的灵活调整(大小交路调整、车次号变更、车地控制信息交互)的需求，基本是按照固定交路和车次运行。城市轨道交通车辆多采用线路闭环运用方式，运营指标关注列车线路任意相邻两列车最小间隔，即行车间隔。行车间隔包括区间追踪、出入段间隔、折返间隔等不同类型指标。通过行车间隔各种指标保证运营能力。且城市轨道交通对运营的灵活调整（大小交路调整、车次号变更、车地控制信息交互）有频繁的需求。国有铁路运营关注点在行车安全和到发准点，对于行车密度未作运营考核。城市轨道交通提供高密度、公交化服务，对于行车密度通过行车间隔指标进行运营考核。不同的运营理念，在行车指挥系统配合下，CBTC系统与CTCS2+ATO列控系统在运营保障能力要求上存在一定差异。
4.2.3 公交化能力
大湾区城际铁路以公交化运营为目标，在实现不限定车次、旅客可随到随走和车厢内不对号等服务功能外，还需要具备相对灵活的运营组织模式，尤其在客流高峰时段需提供便捷的高密度运营能力。从系统原理分析，CBTC系统前后车追踪方式为后车移动授权至前车末尾（考虑一定安全防护距离），移动授权传递方式为车地无线通信方式，地面未划分固定轨道区段，可实现移动闭塞方式的列车追踪，列车根据客流具备灵活提供追踪能力，具备高度自动化的折返能力。CTCS2+ATO列控系统前后车追踪方式为后车移动授权至前车所在轨道区段边界，地面划分轨道区段作为闭塞区段，移动授权传递方式为地面轨道电路信息自地上车方式。由于地面划分固定轨道区段，列车追踪能力受轨道电路划分长度限制，提供追踪能力灵活性相对较差。目前系统可提供有人自动折返作业，为一种半自动化的作业过程，折返能力相对较低[5]。两种系统公交化能力比较如表3。
4.2.4 土建规模影响
8辆编组的CTCS-2+ATO列控系统车站股道有效长为400米[6]。以站台长度210米的珠三角城际铁路为例，股道有效长组成示意如图1。
CTCS-2+ATO列控系统安全防护距离设置于信号机内方，股道有效长相对较长。CBTC系统站内采用外置防护区段的方式，将接车所需的防护区段设于出站信号机外方或区间，股道相对较短。股道布置示意如图2。
从图1、图2比较可看出，对于有配线车站，CBTC系统站台布置长度预计可减少40%左右，土建工程规模有一定区别。此外，以站前折返作业为例，应用CBTC系统，线路折返站按两股道设计即可满足站前折返需要（固定一股道折返，一股道备用）；应用CTCS2+ATO 列控系统进行站前交替折返，至少需要按4股道设计。以上差异，对于地下车站土建工程的投资影响更为显著。《城际铁路设计规范》2014年底发布，标准发布时CBTC系统尚未在最高运行速度160km/h的线路工程应用，也未开展互联互通工程应用，规范条文说明对未纳入CBTC系统解释为“CBTC系统存在适应速度低（不超过120km/和）以及不同供应商设备间不能实现互联互通的重大缺陷”。因此，本文重点分析的几个列控系统，仅CTCS2+ATO列控系统满足《城际铁路设计规范》要求。在近年来发布的《市域（郊）铁路设计规范》、《市域快轨交通技术规范》CTCS2+ATO列控系统及CBTC系统均为规范推荐的列控系统。目前国外关于下一代列控系统研究已开展多年，2013年开始启动的欧盟NGTC计划，分析ETCS与CBTC列控系统的相同点与差异，识别共同的功能与差异，进一步提出一套共同适用的系统功能需求规范，最终目标是实现铁路干线与城市轨道交通之间的互联互通转线功能。欧盟shift2Rail计划在移动闭塞创新计划中也提出“通过解除信号系统与物理基础设施之间的耦合关系，以及轨旁列车检测导致的约束来提高线路能力” [7]，从而提高干线铁路高密度行车能力。从国外铁路列控系统发展趋势分析，兼容干线铁路及地铁运行功能的新型列控系统和大大减少轨旁设备配置的移动闭塞技术是未来技术发展方向。国内上海2号线已实施了双套车载方案[8](CBTC兼容TBTC），既有广深线国铁内陆与香港双套车载运营多年，朔黄铁路今年年底将开通CBTC与LKJ双套切换信号系统。对于CBTC与CTCS-2(CTCS2+ATO)的多模列控系统研究，国内有4~5家信号集成商已开展相关研究工作，部分集成商已有样机及实验室测试平台。
5 信号系统建设相关问题的思考
5.1 不同线路多样化的系统建设需求，可能需要大湾区都市圈铁路积极开展信号技术创新，城际网应用制式多样化
大湾区都市圈铁路现有信号系统制式已存在CTCS2+ATO、CBTC两种不同制式。既有CTCS2+ATO列控系统存在折返能力差的应用问题，对已应用线路可通过增加自动折返功能等技术创新提高运营能力。为提高网络化运营水平，对于与CTCS2+ATO、CBTC两种制式衔接线路，通过创新应用兼容CBTC与CTCS2+ATO的多模列控系统实现互联互通功能，符合技术发展方向，可为车辆检修资源共享创造条件。基于都市圈铁路特有的网络化和公交化等运行特征，应用于都市圈铁路的移动闭塞系统不是狭义上应用于地铁的CBTC系统，而是具备了电子地图地面上车、网络化综合调度等创新技术应用的新型移动闭塞系统。
5.2 通过制定标准和修订既有标准等方式，为系统创新技术运用及工程实施提供依据
对于工程应用，目前大湾区城际存在标准无法满足建设及创新需求的问题。此问题在目前国内新的城际及市域（郊）铁路建设中也同样存在。根据4.2.5分析，《城际铁路设计规范》关于列控系统选型的相关条文已滞后技术发展，可通过标准修订来为城际铁路建设提供更合理的系统应用依据。CTCS2+ATO列控系统现状折返能力差，无法满足公交化运营需求，自动折返功能改进涉及车辆改造（车辆通信网络修改、自动换端升弓功能、车辆与信号接口电路修改）、国铁现有司机运营操作流程优化、信号车载ATP/ATO软件修改、换端过程信号车载模式修改，地面信号列控设备软件修改等[9]，需要通过修订或制定相关标准来为既有线能力提升创造条件。对于电子地图上车、网络化综合调度等创新技术应用，也需结合标准开展工程创新。5.3 重视信号系统前期设计过程的运营仿真模拟，对于公交化运营宜确定相应指标并进行考核系统运营兑现能力对于实现相应公交化水平至关重要，在前期设计阶段需要克服能力计算偏理论化的普遍问题，通过系统运营仿真模拟，为系统能力准确评估提供技术支撑。大湾区人口密集，为我国经济发展较快地区，城际铁路建设宜预留未来发展空间，对于线路公交化水平宜合理选择技术并对能力进行预留。同时，为保证运营服务水平，根据项目需求，宜选择如追踪能力、折返能力、出入段能力和调整能力等反映运营水平指标，进行运营考核。5.4 谨慎把握相关政策文件，为合理应用信号系统技术创造条件今年3月份，国务院办公厅下发了《关于进一步做好铁路规划建设的通知》（国办函〔2021〕27号），通知指出，严禁以新建城际铁路、市域（郊）铁路名义违规变相建设地铁、轻轨。随着信号技术发展，移动闭塞技术应用于铁路是未来重要的技术发展趋势。国家铁路局今年2月发布的《市域（郊）铁路设计规范》明确信号列控系统制式可选择CBTC系统。根据近期部分城际项目前期设计工作实践，采用CBTC系统较其他列控制式，综合投资更低，对于地下区段较多线路征地拆迁难度相对更小。但在信号列控系统选择上，始终有应用CBTC系统就是违反27号文的顾虑。以市域（郊）铁路设计标准与地铁设计标准进行比较（如表4），信号列控系统制式不是决定轨道交通型式的决定因素。建议建设主管部门就相关制式标准方面疑虑，及时与国家发改委等行业主管部门沟通，为合理应用信号系统技术创造条件。
大湾区都市圈铁路面临新的建设需求，信号系统应用技术发展也为技术创新提供了多种系统应用方案。作为长期从事信号设计的工作者，仅将专业设计及系统建设的相关问题做初步探讨，以期抛砖引玉，为大湾区都市圈铁路建设发展贡献微薄之力。期待大湾区都市圈铁路通过技术创新成为引领国内城际铁路新一轮发展的示范项目，为有类似运输需求的国内城际及市域（郊）铁路建设提供借鉴。
参考文献
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[11] 地铁设计规范 GB50157-2013 [S],2014.
