城际铁路运营特点及列车运行控制系统功能定位研究

2011-03-18石先明

铁道标准设计 2011年4期

石先明，习博

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

随着我国城市化进程的不断加快、人民生活水平的逐步提高，对运输服务质量的要求越来越高，如便捷化、公交化、舒适性等。城际铁路(或城际轨道交通，下同)作为区域性城市之间或市域内的快速客运专用交通工具，将大大缩短城市之间的时空距离、减少人们的出行时间、改善乘客的出行质量。根据我国中长期铁路网规划，将在京津冀环渤海地区、长江三角洲、珠江三角洲、武汉城市圈、长株潭、成渝以及中原城市群、关中城镇群、海峡西岸城镇群等经济发达和人口稠密地区建设城际铁路，覆盖区域内主要城镇。总里程估算1万km左右。因此，城际铁路在我国有着非常广阔的发展前景。目前，国内已经建成了京津、沪宁、沪杭、昌九、广珠、成灌等城际铁路，还有一大批城际铁路正在建设中。

城际铁路主要服务于区域内2个或多个城市间的客流，以及中心城市与其周边卫星城镇或郊区的客流，其服务对象和运营模式既不同于城市轨道交通，也不完全等同于长途客运专线，是一种介于城市轨道交通和长途客运专线之间的特殊轨道交通模式。由于我国城际铁路起步时间不长，目前尚未建立统一的技术标准，但其发展势头迅猛，导致城际铁路的建设出现了多种不同的技术方案。有采用城市轨道交通形式的，如广州到佛山城际轨道交通，车站间距较密(平均站间距约1.5 km)，列车速度较低(80～120 km/h);也有采用国铁客运专线形式的，如广珠城际铁路，其车站间距10 km左右，列车速度200 km/h;也有设计速度更高的，如已开通的京津城际、沪宁城际，列车速度达到350 km/h，平均站间距分别为30 km、10 km左右。

随着珠三角城际铁路网回归铁道部主导，其较为清晰的运营模式和功能需求为我国建立一套完整的城际铁路技术规范创造了条件。本文将主要以珠三角城际铁路为例，探讨我国城际铁路运营特点及列车运行控制系统的功能定位。

1 城际铁路运营特点

根据珠三角地区城际轨道交通规划及其总体实施方案，以及沪宁城际的运营实践，可以分析归纳出城际铁路将呈现如下运营特点。

(1)线路长度较短，车站布置密集，以服务短途旅客为主

城际铁路主要针对1～2 h城市圈，因此它的正线长度(端对端)一般不会太长，如珠三角地区多数城际铁路正线长度为100 km左右。

城际铁路承担城市之间及市域内沿线城镇之间的客流，以短途旅客运输为主。为了吸引客流，同时方便乘客出行，车站设置密度将介于长途客运专线与城市轨道交通之间，站间距离一般在3～10 km。

(2)无配线车站多、地下及高架站多

城际铁路为了吸引客流，车站大多要深入到城市(城镇)的人口稠密区，为了减少对城市(城镇)土地占用等方面的影响，城际铁路将采用地下站或高架站形式，除一些大站有到发线股道以外，许多小站将类似于城市轨道交通，不设配线。

(3)高峰时段或时期客流量大，短途客流尤甚

城际铁路因大大缩短了时空距离，同城化效应明显，将激发人们的外出活动范围和活动频度，异地上下班、购物、商务、访友、旅游等客流所占比重很大。这些客流具有行程距离短、上下车频繁等特点，尤其在上下班高峰时段或节假日时期，乘客流量会急剧上升，导致在一定时段内乘客流量骤增。

(4)高速度、高密度、小编组运营

城际铁路要缩短城市间时空距离，实现出行的快捷、便利，必须具备速度优势。目前国内城际铁路一般按列车最高运行速度200 km/h考虑，对于停站较多的列车，可以选用最高运行速度80～140 km/h的中低速动车组。因此，城际铁路一般有两种速度等级的动车组列车混合共线运行，高速度等级的列车只在个别大站停靠，或直达终点站。

为了减少车站乘客的聚集人数、缩短乘客的候车时间，满足短时间内大量乘客运输的需要，城际铁路必须采用小编组、高密度的运营方案(与长途客运专线相比)。如采用8列编组的动车组，列车运行间隔时间3 min左右(接近城市轨道交通的水平)。

(5)公交化运营，乘客站台候车

铁路过去通常都采用旅客在候车室候车，待列车到达后，旅客才开始上车。而城际铁路为了满足高峰客流、高行车密度的需求，必须严格控制并压缩车站(特别是无配线车站)的停车时间(如30s～1 min以内)，因此有必要采用公交化、站台候车方式，另外，列车应采用多车门、宽车门方式，以减少乘客上下车时间，提高运输效率。

为了适应公交化运营，站站停等慢车的车票宜采用城市轨道交通方式，无车次号、无席位号，随到随走。

(6)减员增效，车上少设列车员或不设列车员

目前，我国高铁开行的动车组不再是每节车厢都配有列车员，因此，车上少配列车员甚至不配列车员将是一种趋势，车门开关将由司机或设备控制。而打开列车的哪一侧车门及其开门时机直接关系到旅客的人身安全，如果列车未完全进入站台时打开车门，或者错误打开非站台侧车门，极有可能出现乘客坠轨事故。另外，开关车门的时机、开门时间长短也直接影响运输效率。因此，城际铁路有必要实现车门的安全控制。

(7)站台配备屏蔽门/安全门设施，保护旅客人身安全

采用公交化、站台候车方式会导致大量乘客在站台上聚集。如果乘客慌乱拥挤，也极有可能出现人员坠轨事故。另外，城际铁路列车运行速度高(如200 km/h)，不停站通过的高速列车经过车站站台时，其强大的气流吸力也会危及站台上乘客的人身安全。因此，城际铁路有必要采用城市轨道交通方式，在高架站的站台边设置安全门，在地下站的站台边设置屏蔽门。

另外，地下站设置屏蔽门也是节能的需要。

站台设置屏蔽门/安全门(以下统称为站台门)后，列车的精确对位停车和车门与站台门的联控就显得尤为重要。

(8)与国铁的互联互通

城际铁路是国铁的重要组成部分，必须满足互联互通的基本要求。

通过以上分析可以发现，城际铁路的运营特点其实更类似于城市轨道交通，只是速度更高一些，线路内开行的列车类型复杂一些，线路间有互联互通、跨线运营等特殊要求而已。

2 城际铁路列车运行控制系统技术体系

由于城际铁路是国铁的重要组成部分，与长途客运专线有互联互通的基本要求，因此，其技术标准应采用国铁客运专线技术标准体系，针对其特殊的运营需求，需在该体系内补充与发展。当然，其发展可以借鉴城市轨道交通业已成熟的技术。

根据以上原则，城际铁路列车运行控制系统应该采用CTCS技术体系，对于200 km/h及以下的城际铁路，采用CTCS-2级列控系统。

但是，CTCS-2级列控系统只是一个列车超速防护系统(ATP)，只能起到防止列车超速、防止列车冒进禁止信号的作用，没有精确对位停车控制、车门安全控制、车门与站台门联控等功能，不能完全满足城际铁路运营要求。而城市轨道交通ATC系统不但有ATP的完整功能，还能实现精确对位停车、车门控制、车门与站台门联控、自动驾驶、节能运行等ATO功能。

因此，有必要研究城际铁路列车运行控制系统在CTCS-2级列控系统的基础上增加ATO功能的技术标准和总体技术方案。不过，首先应分析研究城际铁路需要在CTCS-2级列控系统的基础上增加哪些ATO功能，也即城际铁路列车运行控制系统的功能定位。

基于此，本文先分析研究城市轨道交通ATO的功能，然后结合城际铁路的运营特点分析研究城际铁路列车运行控制系统的功能及其定位。

3 城市轨道交通ATO功能

城市轨道交通ATO子系统主要功能包括列车自动驾驶、列车运行自动调整、节能运行、车站停车管理、车站跳停、精确定位停车、列车车门及站台门管理、列车自动折返。在ATP的保护下，根据调度指令实现列车的自动驾驶，自动完成对列车的启动、加速、巡航、惰行和制动的控制，确保达到列车间隔运行、旅行速度和节能等设计要求。

ATO子系统可以减轻司机的劳动强度，确保列车正点率，保证运营指标的实现，提高旅客乘坐的舒适度。

(1)列车自动驾驶

列车在正线运营过程中，司机仅需要按压“ATO”按钮发车，并监督列车运行。列车的区间运行管理及停车管理完全由ATO子系统进行保障。ATO自动驾驶列车的功能受限于ATP安全限制(移动授权、限速等)，车载ATO通过严密的计算原理生成出1条符合所有上述要求的运行曲线。

在ATP设备保护下，ATO设备实现对列车运行状态的合理控制，自动实现列车启动、加速及制动等基本自动驾驶功能，在列车运行自动调整及节能运行等功能的基础上，可以实现列车惰行、巡航等高级自动驾驶功能。

(2)列车运行自动调整

在车站发车时，ATO按照时刻表自动从多个运营模式曲线中选择1条最匹配发车和到站时间要求的运行曲线，自动调整列车的停站时间、行车时间，以尽量恢复到按时刻表运营，同时最大程度地保证能源效率。这些运行曲线包括全速运行曲线、正常运行曲线以及节能运行曲线。同样，如果安全限制状态更新或外部条件发生改变，ATO也会调整相应的运行策略。

(3)节能运行

在列车自动驾驶功能的基础上，在满足时刻表运营要求的前提下，ATO子系统通过调整区间运营速度，增加乘客的舒适度，在考虑坡度和曲线对加速度和制动的影响后，可以自动计算出能源优化的行车曲线，实现节能运行。对于速度限制区段和停车点，优先使用惰行，而根据速度曲线适度使用巡航。如果此曲线使列车提前到达下一个停车点，那么惰行的起始点转移到较早时间，在朝着停车点达到制动曲线前，引入一段时间的附加低速巡航。

能量优化曲线将与车载ATO使用的安全相关速度曲线连续比较。如果曲线不同，从当前位置到下一个停车点的曲线将根据安全相关速度曲线来计算。

如果没有时刻表信息或不可用，也可以使用每个站间运行的缺省值进行节能运行控制。

(4)车站停车管理

车载DMI屏幕上将根据发车时间显示停车倒计时。ATO按照实际到站时间和要求的发车时间计算停车时间，如果停车时间小于最小的预定义值，则采用最小预定值。本功能主要协助司机正点启动列车，保证时刻表兑现率。如果车站受车站扣车的影响，将使列车不确定时间地停留，直至车站解除扣车状态。

(5)车站跳停

跳停操作能够使车辆在ATO控制下跳过下一车站停车。车载信号设备在当前站或更早时候接受跳停请求之后，在DMI屏幕上显示一个跳停图标，用来通知司机，并通过广播系统通知乘客。

(6)精确定位停车

在列车进站停车过程中，ATO采用一次性制动(连续制动曲线)至目标停车点的“打靶式”停站方式，使列车能以高速进站，减少了列车进站时间，从而缩短全线旅行时间，提高全线平均旅行速度。

为了使车门与站台门精确对位，或将偏差控制在允许范围内，需要ATO采用相应的停车策略确保停车精度。ATO的精确停车策略对所采用的制动等级以及相应制动起点和速度曲线进行定义。ATO密切监控列车对ATO控制命令的反应，并尽可能调整控制以符合停车曲线，并尽量减小制动产生的冲击，保证乘客舒适度。如果ATP在停车过程中给出一个安全限制点，ATO将立刻做出反应并修改运行控制曲线，或在紧急情况下触发紧急制动。

(7)列车车门、站台门管理

ATO、ATP均涉及本功能，车门授权管理(包括开关列车的左侧或右侧车门)由ATP保障，即ATO仅实现开/关车门的动作，动作时机及安全性由ATP管理。车门可通过ATO的请求指令自动打开，也可由司机人工打开。自动开关车门只能在ATO模式下进行。关闭车门时，或者由ATO自动操作，或者由司机通过按下“关门”按钮进行人工操作。

在车门与站台门联动控制时，应有安全可靠的车地通信。车辆系统、站台门系统、信号联锁系统、ATP/ATO系统站间应有联控。

列车未停稳，不允许打开列车车门和站台门。

列车未停在规定位置，不允许打开车门和站台门。

车门与站台门按一定时序同步开关，实现联动控制。

车门和站台门未关闭时，不允许发车。

列车在进站前，信号系统应检查站台门在关闭状态，才能开放进站信号;之后，如果站台门被错误打开，则信号系统关闭进站信号，阻止列车进入站台。当列车在站台区域内运行时，而且列车还没离开站台区域，如站台门被错误打开，则信号系统关闭相应出站信号，列车立即停车。

在司机室给出列车停稳和允许开门表示信息，在车站管理室给出有关的显示及操作界面。

系统能根据不同车型，向站台门机电控制系统提供相应的控制信息。

在系统发生故障时，列车司机或机械师可解除系统联动控制;也可以通过地面设备解除联动控制，并给司机提供显示信息。

系统不应改变车门和站台门控制系统自有的应急控制方式。

(8)列车自动折返

当列车到达规定折返区域的站台时，联锁设备设置折返区域进路，进路设置完成后，列车将收到折返命令，提示折返进路已经办理完成。折返动作由人工通过不同方式触发，ATO控制完成整个过程。当列车在某一自动折返区域(折返轨)停车时，ATO将自动执行“换端”操作，即调换头尾车控制端。根据折返方式的不同，列车自动折返又分为:在ATP监督下的人工折返模式、ATO人工折返模式、ATO无人折返模式。

4 城际铁路ATO功能需求分析

针对城市轨道交通ATO系统的上述功能，下面逐一分析这些功能在城际铁路中的必要性和可实施性。当然，采取的技术措施应尽可能在CTCS-2级列控系统的基础上去实现。

(1)列车自动驾驶

珠三角城际铁路最高运行速度为200 km/h，线路长度在100 km左右，站间距较近(3～10 km)，站停时间为30～50 s，列车运行间隔3 min，且客流量与城市轨道交通接近。特别是站站停列车，频繁的启动、加速、制动、停车等操作，同时还要求准点、贴线运行，给司机造成了很大的精神压力，因此采用列车自动驾驶功能(包括列车启动、加速及制动等基本自动驾驶功能和惰行、巡航等高级自动驾驶功能)是非常有必要的，它一方面可以大大降低司机劳动强度，另一方面还可以提高运营服务水平。

要实现该功能，可以在CTCS-2级列控系统地面应答器组内增加相关线路数据(包括站台)报文，对车载CTCS-2设备进行改造，增加ATO车载设备。改造工作量不大。

(2)列车运行自动调整和节能运行

为了实现列车运行自动调整和节能运行，ATO车载设备除了需要获得线路数据等固定信息(可以从ATP和自动驾驶子系统的输入信息中选取)以外，还需要列车到达和出发的时刻表信息。最理想方案是列车通过车地通信，全程、及时获取CTC下达的最新时刻表信息。但由于城际铁路站间距一般较小，列车站间运行时间很短，因此这种理想方案实际意义不太大。工程建设时，只需在车站范围内实现车地通信即可。ATO车载设备在列车进站、出站时接收最新时刻表信息，控制列车在以后区段(或下一站间)按该时刻表运行。

要实现该功能，可以通过进站、出站等处的地面有源应答器等车地通信设备提供最新时刻表信息。

如果沿线地面均不提供时刻表信息，车载ATO也可按列车出动车段(所、场)时获得的计划(固定)时刻表信息(或固化在系统中默认时刻表信息)控车。

(3)车站停车和跳停管理

ATO按照实际到站时间和要求发车时间计算车站停车时间，停站时间从列车到达(列车停稳)站台停车点开始计起，若停站时间小于预设时间，则在预设时间结束后发车。

车站跳停功能可以采用人工控制方式。该功能在城际铁路中有无必要，还有待观察。

(4)精确定位停车

为了保证列车进站停车时车门对准站台门，必须要求列车站内精确定位停车。由于城际铁路站间距离较短，站间运行时间很短，站站停等慢车将频繁进站停车，单靠司机人工控制精确定位停车是非常困难的，如果车门与站台门对位不当，将严重影响服务质量，因此，列车进站精确定位停车是非常必要的，也是城际铁路ATO系统的最基本功能。

为了实现精确定位停车，车站股道内可适当增加应答器布置，改善ATP(CTCS-2)的测距精度，提高停车点的控制精度。

(5)列车车门管理

为了确保车上乘客下车的人身安全，列车运行控制系统应具有车门监控功能，ATP/ATO系统应与车辆系统联动，实现车门安全控制。这也是城际铁路的基本运营需求。

CTCS-2级列控系统(ATP)应增加列车车门授权管理功能:监督列车车门开关状态;决定开关列车的哪一侧(左侧、右侧)车门;当列车未停稳或未停在规定位置时，不允许给出打开列车车门的信号;车门未关闭时，不允许发车。

列车车门在ATP的安全监控之下，可通过ATO的请求指令自动打开，或由司机人工打开。

(6)列车车门与站台门联动管理

列车车门可通过ATO的请求指令自动打开，或由司机人工打开。站台门同样也可通过ATO的请求指令自动打开，或由站务人员(或司机)人工打开。

在列车车门安全控制的前提下，车门与站台门的联动管理可以有如下2种实现方案。

方案一:车门、站台门分别由司机、站务人员人工控制，车门与站台门的开关不互传联锁条件。该方式信号系统最为简单，不需考虑专门的车地双向通信设备。其缺点是运营效率较低，且需要配站务人员。

方案二:车门、站台门既可以由ATO系统联动控制，也可以由人工控制，车门、站台门的开关通过车地通信系统互传联锁条件，隔离模式下，完全由人工控制。一旦列车没有停在规定的地点或没有停稳，即使司机或站务人员按压开门按钮，也不允许车门或站台门被打开。该方案的缺点是信号系统复杂，需要新增车地通信系统和相关的接口。一种可行的技术方案是，将目前城市轨道交通非常成熟的列车车门与站台门联动控制系统(含车地通信系统)移植过来，并与CTCS-2级列控系统对接。

(7)列车自动折返

列车自动折返功能要求车辆系统具备自动切换牵引端的功能，目前国内CRH系列动车组均没有此功能，国铁也从未有自动折返作业需求，因此，城际铁路可暂不考虑自动折返功能。一旦将来有此需求，而且车辆系统也具备了自动切换牵引端的功能，信号系统通过软件升级可以实现此功能。