重庆城轨快线列控系统选型分析

2021-01-26刘实秋

铁路通信信号工程技术 2021年1期

刘实秋

(中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023)

随着城市规模不断扩大，为有效缩短中心城区与外围组团之间的时空距离，城市轨道交通快线（简称“城轨快线”）规划和建设应运而生[1]，在各系统中，列车运行控制系统（简称“列控系统”）制式的选择将直接制约线路运营能力及服务水平。

1 重庆城轨快线线网

2019年3月，重庆市编制了《重庆市城市轨道交通第四期建设规划（2019～2024年）》，如图1所示,规划城轨快线线网总长约482 km，远期形成主城区内“两纵四横”、主城区外“三射线”格局，对内承担快速运输服务功能，对外强化环主城地区与中心城区联系。最高运行速度120～140 km/h，平均站间距3.48～5.51 km，最小运营间隔2.5 min，对照站间距与旅行速度的关系[2]，旅行速度大于65 km/h，可实现机场、火车站等重要门户枢纽设施与城市中心、副中心30 min直达。

图1 重庆城轨快轨线网规划Fig.1 Chongqing urban rail express network planning

2 列控系统需求分析

2.1 符合城市规划角度

2019年2月，中华人民共和国国家发展和改革委员会（以下简称：国家发展改革委）提出在有条件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[3]。随即，重庆市提出推动国铁干线、市域铁路、城市轨道交通“三铁”融合，构建全域“一张网、多模式、全覆盖”的轨道交通体系[4]，主城区周边城镇组团构建“一环九射”铁路公交化路网[5]。

从符合城市规划角度，重庆城轨快线处于“三铁”融合承上启下重要地位，应具备与市域铁路过轨运行条件。

2.2 促进行业发展角度

立足智能交通发展战略，国家发展改革委要求轨道交通行业积极发展列车自动控制系统[6]，重点突破轨道交通自动驾驶智能技术[7]。中国国家铁路集团有限公司提出在2021～2025年突破全面感知的列车无人驾驶（GOA3），在2026～2035年，探索全自动无人驾驶（GOA4），实现铁路运营全面自主操控、无人化[8]。

为提升城市轨道交通自动化水平，实现互联互通、全自动运行，中国城市规划协会发布了《城市轨道交通车地综合通信系统（LTE-M）》《城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统（CBTC）互联互通系统》《城市轨道交通全自动运行系统》等系列规范，用以指导城市轨道交通工程设计。

从促进行业发展角度，重庆城轨快线应积极应用LTE-M综合承载、CBTC互联互通、全自动运行（FAO）等新技术，支持轨道交通智能化发展。

2.3 执行设计标准角度

国标《城市轨道交通线网规划标准》规定，适用于快线的系统制式，可以是城轨制式，也可以是铁路制式。

中国土木工程学会编制的《市域快速轨道交通设计规范》规定，适用于最高运行速度在120～160 km/h范围内的市域快速轨道交通，可采用CBTC、iATC、CTCS2+ATO等系统。当远期最小运营间隔小于3 min时宜采用CBTC系统，大于3 min时宜采用iATC系统。当市域快轨与国家干线铁路网资源共享和互联互通运营时，采用CTCS2+ATO系统。

中国铁道学会编制的《市域铁路设计规范》规定，设计速度100～160 km/h，采用单相工频交流25 kV牵引供电的客运专线，可采用国铁CTCS制式，也可采用城轨ATC制式，宜具备列车自动运行（ATO）功能。

从执行设计标准角度，重庆城轨快线兼具国铁和城轨特征，列控系统可选择国铁制式也可选择城轨制式。

3 列控系统技术分析

重庆城轨快线最高运行速度120～140 km/h，采用单相工频交流25 kV牵引供电，可选择的列控系统制式有：CTCS2/3+ATO、iATC、CBTC、TACS系统。

3.1 CTCS2/3+ATO系统

1）CTCS2+ATO

CTCS2+ATO在CTCS-2系统基础上，具备站间自动运行、车站定点停车、车门/站台门防护及联动控制等功能[9]，可与国铁制式（CTCS0/2/3级）线路互联互通。2016年3月，CTCS2+ATO系统首次在珠三角城际线上运营。

该系统两端车载ATO不能信息交互，需要人工换端，只能实现半自动折返作业，时间较长（超过5 min）[10]，无法实现最小运营间隔2.5 min。

2）CTCS3+ATO

CTCS3+ATO在CTCS-3系统基础上，具备车站自动发车、区间自动运行、车站自动停车、车门自动开门(防护)、车门/站台门联动控制等功能[11]。2019年12月，在京张高铁正式线上运营。

与CTCS2+ATO相比，CTCS3+ATO车地无线通信交互功能由临时限速服务器（TSRS）实现，站台门防护功能由列控中心（TCC）实现，充分利用CTCS-3系统设备，降低了系统复杂度[12]。同CTCS2+ATO一样，只能实现半自动折返作业，无法实现最小运营间隔2.5 min。

3.2 iATC系统

点（连）式ATC系统（iATC），是在固定闭塞基础上发展起来的列控技术，已在温州市域铁路S1/S2线、南京S1线应用。iATC可实现列车自动驾驶、精确停车、站台门车门联动、站台区域防护、无人自动折返等功能，适应初、近期中运量运营需求，可平滑升级至CBTC[13]。

iATC系统运行调整功能较弱，只能在车站、设有车地通信设备的信号机处实现运营调整，技术相对落后，不适应重庆城轨快线智能化发展。

3.3 CBTC系统

基于无线通信的移动闭塞ATC系统（CBTC），已广泛应用于城市轨道交通建设中，理论上可实现90 s追踪间隔，实际实现2 min最小运营间隔。从2014年开始，重庆4、5、10号线、环线开展了CBTC互联互通研究和尝试，至今已取得多项重大技术成果[14]。为进一步加强行车安全、提高运输效率，在CBTC基础上实施FAO系统，已在国外大量应用。FAO在CBTC基础上新增功能配置，实现系统控制的远程化、自动化，具有较高的安全性和可靠性[15]。2017年12月底，北京燕房线FAO系统开通试运营，至今国内北京、上海等多个城市已开展FAO线路建设或规划，已成为城市轨道交通未来发展趋势。

从满足运营需求、技术先进性及系统成熟度来看，基于CBTC的FAO系统，符合重庆城轨快线智能化发展方向，宜为首选列控系统制式。

3.4 TACS系统

CBTC系统技术虽然已十分成熟并广泛应用，但其系统接口过于复杂，不利于维护，且车-地通信数据流量较大，难以进一步缩短通信时延，近年来，多家科研单位已开展基于车-车通信的新型列控系统—列车自主运行系统（TACS）的研究。

与CBTC相比，TACS系统架构进行了优化，将传统车地两层列控系统与车载网络控制、牵引、制动等系统高度融合，形成以智能列车为中心的分布式控制系统[16]，提高了系统运行效率，同时降低了成本。青岛已建成5 km长的TACS试验线，并结合青岛6号线示范工程实施，预期2022年开通运营。

从技术先进性来看，TACS是列控系统发展方向，但还处于研发阶段，成熟度较低，且如何与其他系统关联实现全自动运行还处于探索阶段，不太适合立即在重庆城轨快线上广泛应用。

4 列控系统经济分析

目前，应用于市域范围列控系统主要有CTCS2+ATO和CBTC，从系统功能及架构上看，二者相似，主要区别在于正线系统，以及因系统原理差异引起的土建工程和维护管理定员差异较大。

4.1 系统费用分析

CTCS2+ATO在CTCS-2系统基础上，增加了车载ATO功能，对于地面正线系统来讲，工程费用同CTCS-2差别不大。以重庆东环线机场支线为例，信号投资5 500万元[17]，正线系统（不含无线通信）指标约192.98万元/公里。

铁四院在总结国内数十个城市轨道交通项目经验后，以南京4号线一期工程为例，建立了CBTC标准模型[18]，扣除无线通信（WLAN）部分约150万元/公里后，正线系统指标约577.81万元/公里。

站间距对正线系统投资影响较大，通常来讲，站间距越大，指标越低，成反比关系。重庆城轨快线站间距介于国铁和城轨之间，按以下公式套用上述CTCS2+ATO/CBTC指标，结果如表1所示。

正线系统指标=正线系统指标（参考）×站间距（参考）÷站间距

从表1可以看出，采用CTCS2+ATO正线系统（不含无线通信）费用约为CBTC的1.7倍。

4.2 土建费用分析

CTCS2+ATO在信号机前设置列车安全保护区段，CBTC在信号机后设置，控制方式不同，导致土建工程造价存在差别。保护区段按60 m[19]计算，CTCS2+ATO相较于CBTC，有岔地下站两端开挖断面增加至少120 m，按照25 m跨度开挖0.86万元/平方米指标估算，土建工程造价增加约2 580万元/站。

表1 CTCS2+ATO/CBTC系统估算表Tab1 Investment estimation of CTCS2+ATO/CBTC

4.3 维护管理分析

就CTCS2+ATO和CBTC维护管理内容而言，主要区别在于区间区段占用检查设备不同，CTCS2+ATO采用轨道电路，而CBTC采用计轴（点式后备模式），进而导致维管工作有区别。

CTCS2+ATO区间轨道电路一般按每双线15 km配置1名维护人员，该标准是按照平均每1.2 km设置一段轨道电路制定的，考虑到重庆城轨快线大部分为地下线路，道砟电阻条件较差，为保证轨道电路可靠性[20]，宜按每0.6 km设置一段考虑，约每双线7.5 km配置1名维护人员，即0.13人/公里。

CBTC按照点式后备模式6 min追踪间隔配置计轴设备，约2.4 km设置一处，即双线0.83 处/公里。参照国铁“四显示自动闭塞（主要为轨道电路）年换算道岔组数为0.84 组/公里，计轴为0.75 组/处”[21]，根据二者维护工作量比值，可计算出计轴需每34处配置1名维护人员，约每双线41 km配置1名维护人员，即0.024 人/公里。

综上所述，CTCS2+ATO维管定员约为CBTC的5.4倍。