都市圈軌道交通CBTC制式與CTCS-2制式互聯互通方案的研究

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.031

收稿日期：2023-02-03

摘? 要：針對都市圈軌道交通CBTC系統和CTCS-2系統跨信號系統制式互聯互通的運營需求，初步分析了互聯互通的前提條件。提出“雙套地面設備方案”“地面設備兼容方案”“雙套車載設備方案”“一體化車載設備方案”四種互聯互通方案，對工程投資、工程實施、運營維護等方面分析對比。重點研究跨信號系統制式互聯互通中央級實施方案、車站級實施方案，并對CBTC制式和CTCS-2制式切換流程進行分析，給出符合近期信號系統領域技術發展現狀、符合技術發展趨勢的推薦方案。

關鍵詞：都市圈；CTCS-2；CBTC；互聯互通

中圖分類號：U284.48? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

國家發改委印發的《關于培育發展現代化都市圈的指導意見》提出，在有條件的地區編制都市圈軌道交通規劃，推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通“四網融合”，打造軌道上的“都市圈”，實現軌道交通線網一體化融合，實現都市圈市中心城區快速通達[1]。根據線路特點、運營需求和建設主導方等因素，都市圈軌道交通線路信號系統一般可以采用城市軌道交通CBTC系統或中國列車控制系統CTCS-2系統。但CBTC系統和CTCS-2系統在設計標準、閉塞制式、列車駕駛模式、車地無線通信方式、控車原理、行車憑證、運營能力、設備上線許可、自動化等級等方面均有較大差異，為滿足軌道交通線網一體化融合的要求，軌道交通CBTC制式與CTCS-2制式不同制式的互聯互通迫在眉睫。本文通過對CBTC系統和CTCS-2系統的特點和差異分析，結合近期信號系統領域技術發展現狀，對跨信號系統制式互聯互通方案進行分析研究。

1? CBTC系統和CTCS-2系統

CBTC系統是基于無線通信傳輸技術的列車控制系統，利用無線通信傳輸技術建立車-地之間連續、雙向、高速的通信，實現列車命令和狀態在列車和地面之間進行實時可靠的交換，并結合列車的準確位置及列車間的相對距離，保證列車的安全間隔[2]。

CTCS-2系統是基于軌道電路和應答器傳輸行車許可信息，采用目標-距離模式曲線監控列車安全運行的列車運行控制系統[3]。

CBTC系統和CTCS-2系統技術對比如表1所示。

2? 互聯互通的前提條件的初步分析

為滿足CBTC制式與CTCS-2制式不同制式的互聯互通的需求，前提條件的初步分析如下：

1）線路：兩條線線路配線需互通；車站長度需滿足兩條線列車進站停車需求；存車線、折返線等長度需與兩條線列車車長匹配。

2）車輛：一般城市軌道交通線路接觸網供電制式為直流供電制式，城際鐵路、市域（郊）鐵路接觸網制式為交流供電制式。若兩條線接觸網供電制式不同，車輛需滿足雙流制式運營的需求，配置雙流制式車輛，可實現不停車進行供電制式的切換；滿足CBTC系統和CTCS-2+ATO系統車載設備并存的安裝條件；不同車輛的牽引制動性能宜保持一致；車輛須與對方線路限界相匹配，不得侵入設備限界。

3）限界：與對方線路限界相匹配，滿足各專業設備安裝后不得侵入設備限界。

4）控制中心：兩條線控制中心須實現互通互聯。

5）站臺門：站臺門尺寸須滿足互聯互通線路車輛停車下客的要求。

6）票務系統：票務系統應兼容實名制及非實名制兩種要求。

7）建設標準及運營組織：打破既有CBTC線路、CTCS-2線路獨立建設運營的限定；規劃統一的建設模式；制定統一的技術標準；制定相互兼容的運營規則；研究高效的跨線網運營計劃。

8）信號系統：CBTC系統與CTCS-2系統互聯互通；為便于過軌運營管理，避免跨線車司機辨識信號含義錯誤，應統一CTCS-2系統與CBTC系統信號機顯示含義。

3? 跨制式互聯互通信號系統方案對比分析

為滿CBTC制式與CTCS-2制式跨制式的互聯互通的需求，提出了“雙套地面設備方案”“地面設備兼容方案”“雙套車載設備方案”“一體化車載設備方案”四種互聯互通方案[4]。通過對工程投資、工程實施、運營維護成本等方面分析對比，分析如下所示：

3.1? 雙套地面設備方案

方案介紹：地面設置CTCS-2系統和CBTC系統雙套設備。CTCS-2系統設備控制CTCS-2制式列車；CBTC系統設備控制CBTC制式列車。不存在控制系統切換。

工程實施方面：技術風險低、技術層面可實施性強；界面清晰，不存在控制系統切換，工程實施簡單。調試、測試工作量大。

工程投資方面：信號需雙套完整的系統設備，工程投資翻倍；建筑、供電、通風空調、動力照明等各配套專業工程投資增加很大。

運營維護方面：運維人員須熟悉CTCS-2系統和CBTC系統，增加維保人員工作量，對維保人員技術素質要求更高；中心存在CTC、ATS雙套調度指揮系統，歸屬、運營職責難以劃分。運營維護成本翻倍。

3.2? 地面設備兼容方案

方案介紹：CTCS-2線路地面增加ZC及無線通信系統（LTE、WLAN），與CTCS-2線路聯鎖及CTC系統接口；CBTC線路地面增加CTC設備、GSM-R系統，與CBTC線路聯鎖及ZC接口；地面構建CTCS-2系統與CBTC系統的聯合控制，可支持CBTC列車與CTCS-2列車的混跑。

工程實施方面：技術風險較高、技術層面可實施性較低。缺少建設及驗收標準規范支持；存在系統二次研發工作；存在的準入問題（設備上道行政許可與CRCC）；調試、測試工作量較大。

工程投資方面：在對方線路需增加的列控設備和無線通信設備，工程投資增加；建筑、供電、通風空調、動力照明等各配套專業工程投資增加較大。

運營維護方面：運維人員須熟悉本線信號系統設備外，還需熟悉對方線路的列控系統和無線通信系統設備，增加維保人員工作量，對維保人員技術素質要求更高；運營維護成本增加較大。

3.3? 雙套車載設備方案

方案介紹：列車上同時裝備CTCS-2設備和CBTC設備，列車在系統制式切換點處進行控制系統切換。

工程實施方面：技術風險低、技術層面可實施性強；除中心及地面站聯接口外，其他地面設備可不做改動；標準符合性高，調試、測試工作量少；設備上道較易滿足國鐵集團CRCC+行政許可要求；雙套車載設備，運營操作獨立，界面清晰；

工程投資方面：地面設備無須增加；設置雙套車載設備。工程建投資較高。

運營維護方面：司機需同時掌握兩個制式的車載設備操作及行車規則，能力要求高；運營維護成本增加較大。

3.4? 一體化車載設備方案

方案介紹：列車裝備一體化車載ATC設備，能夠兼容并適配CBTC系統及CTCS-2系統構架及外部接口，在系統制式切換點處進行控制系統切換。

工程實施方面：技術風險較高、技術層面可實施性較高；存在的準入問題（設備上道行政許可與CRCC）；車廂內和車底僅需安裝一套設備，安裝空間??；調試、測試工作量較少。

工程投資方面：地面設備無須增加；設置一體化車載設備。工程建投資較低。

運營維護方面：運營維護方便、基本不增加運營維護成本。

通過上述分析對比，歸納后方案對比表如表2所示。

綜上所述，一體化車載設備方案比雙套車載設備方案、地面設備兼容方案、雙套地面設備方案更具備優勢，雙套車載方案比地面設備兼容方案、雙套地面設備方案更優?？紤]到雙套地面設備方案和地面設備兼容方案：地面設備多，調試工作量大，維保人員工作量大，工程投資大，且不符合技術發展趨勢，因此本文中不再研究雙套地面設備方案和地面設備兼容方案。以下就雙套車載設備方案及一體化車載設備方案，在中央級實施方案、車站級實施方案、跨制式切換流程三方面進行分析研究。

4? 中央級實施方案分析

4.1? ATS與CTC接口互聯方案

CBTC線路中心ATS與CTCS-2線路中心CTC按照統一接口協議進行接口，完成接口數據（顯示、運行圖、車次號等信息）互傳，統一調度命令、限速指令的設置原則。ATS與CTC接口互聯方案示意圖如圖1所示。

4.2? 網絡化中央調度系統方案

CBTC線路和CTCS-2線路按照同一個控制中心建設，設置融合中央CTC和中央ATS網絡化中央調度系統，系統可采用兩級或三層架構，對CBTC制式和CTCS-2制式列車進行統一調度指揮，具備跨線一體化運行圖編制的功能，實現網絡化的調度管理。網絡化中央調度系統方案（2層架構）示意圖如圖2所示。

網絡化中央調度系統方案（3層架構）示意圖如圖3所示。

5? 車站級實施方案分析

5.1? 制式切換點（共管區）位置選擇

制式切換點（共管區）位置可選擇在區間，也可選擇在站臺區。

若選擇在站臺區進行制式切換，制式切換可采用手動切換，也可采用自動切換方案，為了提高制式切換效率，建議在進站前一定距離設置呼叫應答器組，盡早與ZC/TSRS建立通信。同時在站臺區制式切換時，因CBTC系統和CTCS-2系統關于站臺門聯動的原理不同，因此車門/站臺門的開門和關門指令須由相同信號制式發出，即列車停在站臺后，且站臺門已打開，此時須關閉站臺門后，車載方可執行制式切換。CBTC系統和CTCS-2系統站臺門聯動的原理示意圖如圖4所示。

若選擇在區間進行制式轉化切換，建議采用自動切換方案，考慮到若自動切換失敗后，建議在制式切換執行點外一定距離（常用制動長度）設置信號機，用于提示司機目前前方進路是否開放。

5.2? 銜接站聯鎖方案分析

5.2.1? 聯鎖合場設置方案

計算機聯鎖可在共線或跨線區域統一設置一套，即合場設置方式，分別與網絡化調度系統行車指揮系統、CBTC系統ZC及CTCS-2系統TCC接口，對受控區域進路、道岔、信號機、計軸、軌道電路、緊急關閉按鈕、站臺門控制器、IBP盤等設備實施統一管理。聯鎖合場設置方案架構圖示意圖如圖5所示。

5.2.2? 聯鎖分場設置方案

計算機聯鎖在跨線區域亦可獨立設置，即分場設置方式，兩套聯鎖之間通過網絡安全數據傳輸或繼電器接口實現信息交互，在列車轉線進路辦理時遵循相應運營管理流程，確保列車轉線作業安全。聯鎖分場設置方案架構圖示意圖如圖6所示。

聯鎖分場設置方案相對于聯鎖合場設置方案具有以下優點：

1）CBTC系統和CTCS-2系統界面清晰，有利于設備維護和管理。

2）CBTC系統和CTCS-2系統各自的聯鎖軟件的基本聯鎖邏輯不變。

3）CBTC系統和CTCS-2系統聯鎖接口采用統一的通信協議，方案成熟。

4）聯鎖接口研發內容較少，有利于工程實施。

5）單側設備故障對相鄰站影響范圍小。

6）CBTC系統和CTCS-2系統可以獨立升級，影響范圍小。

建議：若制式切換點（共管區）位置選擇在區間，銜接站聯鎖方案建議采用聯鎖分場設置方案。若制式切換點（共管區）位置選擇在站臺區，考慮到相鄰集中站聯鎖至制式切換點（共管區）軌旁信號設備較遠，控制距離較長，也可根據工程實際需求采用聯鎖合場設置方案。

5.3? 制式切換點（共管區）信號設備布置方案分析

跨制式共管區域，建議同時布置計軸和軌道電路兩種軌道占用檢測設備（也可僅布置軌道電路，軌道區段的劃分、空閑/占用情況通過站聯接口傳送給ZC），且軌道區段劃分應遵循統一設計原則。布置呼叫點應答器組（建立與ZC/TSRS通信）、預告點應答器組（DMI界面提示制式切換信息）、執行點應答器組（自動切換制式）。以CTCS-2向CBTC制式切換為例，制式切換點（共管區）信號設備布置示意圖如圖7所示。

5.4? 制式切換點（共管區）車地無線通信交叉重疊覆蓋分析

CBTC線路車地無線通信（如采用LTE技術）與CTCS-2線路GMS-R車地無線通信交叉重疊覆蓋，進行車次號校核及調度命令互傳。以CTCS-2制式向CBTC制式切換為例，CBTC線路車地無線通信應延伸覆蓋至共管區呼叫點，用于列車與ZC建立通信，CBTC制式向CTCS-2制式切換，CBTC的無線通信再覆蓋至執行點一段距離，滿足CBTC車載向地面區域控制器注銷和斷開連接[5]。制式切換點（共管區）車地無線通信交叉重疊覆蓋示意圖如圖8所示。

6? 跨制式切換流程分析

下面以為CTCS-2制式向CBTC制式不停車自動切換為例，分析列車由CTCS-2級控車不停車轉換到CBTC級控車的過程，此過程系統自動完成，無須司機操作。具體流程如下：

1）列車從CTCS-2系統控制區進入共管區，通過“制式切換呼叫點”應答器組后，車載VOBC與ZC建立通信，進行注冊，并匯報位置，ZC對該列車完成定位、篩選后，向車載信號設備發送MA（此時列車接收到來自ZC的MA和來自軌道電路的移動授權），但此時列車仍由CTCS-2系統控車。

2）列車通過共管區“制式切換預告點”應答器組后，向司機提示制式切換，同時激活CBTC系統的DMI（DMI分設方案）或在CBTC系統與CTCS-2系統共用DMI上提示司機即將進入制式切換，由系統自動確認，也可由司機人工確認。

3）列車通過共管區“制式切換執行點”應答器組后，CTCS-2系統請求注銷與地面設備的通信，此后不再使用來自軌道電路的移動授權，僅采用來自ZC的MA，即按照CBTC制式控車，DMI上提示司機已進入CBTC級別。

4）如轉換不成功，車載設備在DMI上向司機提示轉換失敗原因并報警，列車按常用制動停在線路制式切換點邊界外方入口信號機前。

CTCS-2制式向CBTC制式切換示意圖如圖9所示。

CBTC制式向CTCS-2制式不停車自動切換的原理及流程相似，本文不再詳細贅述。

7? 結? 論

目前信號集成商（如交控、通號、卡斯柯、鐵科、泰雷茲）均處于CBTC系統與CTCS-2系統互聯互通方案研究階段，其一體化設備正處于研發或驗證的不同階段，尚無工程實施案例。因此結合近期信號系統領域技術發展現狀，推薦近期建設的線路可采用雙套車載方案，進行一定程度融合（車載輔助設備：OPG、BTM天線等）。后期根據技術發展趨勢，待相關規范標準制定后，且一體化設備滿足國鐵集團CRCC+行政許可要求，適時采用一體化車載設備方案。

參考文獻

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[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157-2013 [S].北京，中國建筑工業出版社，2013.

[3] 中華人民共和國國家鐵路局.CTCS-2級列控系統總體技術要求：TB/T 3516-2018 [S].北京，中國鐵道出版社，2018.

[4] 申樟虹，李名淦，劉瀟洋，等.跨線網互聯互通運營信號系統技術方案研究 [J].城市軌道交通研究，2023，26（7）：66-70.

[5] 全宏宇，張敏慧.市域鐵路CTCS-2與CBTC列控系統切換方案 [J].鐵路通信信號工程技術，2023，20（1）：61-66+94.

作者簡介：杜亞康（1991.12—），男，漢族，安徽渦陽人，工程師，本科，研究方向：城市軌道交通信號系統。