城際鐵路列控系統方案探討

杜 平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

隨著大規模的鐵路建設，鐵路路網已形成一定規模，局部高度發展的城市圈對交通需求日益突現，如珠三角地區、長三角地區、京津唐地區、武漢城市圈、長沙城市圈等相繼建設城際鐵路，形成以中心城市為中心連接周邊城市的便捷交通網。根據其功能定位，它既不同于大鐵路的交通干線，又不同于城市軌道交通，如何科學、合理地選擇信號列控系統方案是值得探討的問題。

1 城際鐵路的特點

城際鐵路為區域性鐵路，服務于中心城市間、城市組團間的城際客流運輸，是區域內緊密聯系、相互依存、合理分工的城市間基礎交通設施，是密集開行公交化列車的新型公交化運輸系統。運營組織一般采用開行大站越行快車、慢車站站停2種模式。概括起來具有以下主要特點。

（1）站間距小，車站規模不大，一般情況下車站間距為3～10 km。

（2）速度中等，小于客運專線，高于城市軌道交通，一般慢車站站停列車最高運行速度為140 km/h，越行快車最高速度為200 km/h及以上。

（3）行車密度較客運專線高，但較城市軌道交通低。

（4）靠近正線的站臺設有安全門/屏蔽門，因此，對站內停車要求車門對應安全門/屏蔽門。

（5）城際列車一般不會每列車廂設置列車員或不設列車員。為確保只有靠近站臺的車廂門才可以被打開，只由司機人控是不安全的，列車車門具有聯動控制功能需求。

（6）為了節能和乘坐舒適度的要求，可以考慮設置ATO自動駕駛功能。

（7）城際鐵路為區域性鐵路，根據列車運營組織的不同，可與全國鐵路路網互聯互通，因此應具有開放性，這是與城市軌道交通的不同之處。

2 列控系統應用分析

列控系統實時控制列車運行，是保證列車安全運行的重要部分。根據實現方式不同，目前運營的國鐵和城市軌道交通普遍應用的列控系統主要有以下幾種制式。

（1）基于ZPW-2000或UM軌道電路的CTCS-2級列控系統。

（2）基于GSM-R的CTCS-3級列控系統。

（3）基于通信的CBTC列控系統。

1）基于交叉感應電纜環的CBTC-IL列控系統。

2）基于無線通信的CBTC-RF列控系統。

（4）基于歐洲ETCS 1級的點式列控系統。

2.1 基于ZPW-2000或UM軌道電路的CTCS-2級列控系統

CTCS-2級列控系統采用ZPW-2000（UM）系列無絕緣軌道電路檢查列車占用，并向列車傳送列車運行前方的空閑閉塞分區數或進路信息；通過點式應答器向車載設備傳輸臨時限速、列車定位、線路參數等信息。列控車載設備根據軌道電路和應答器傳送的信息生成目標－距離速度控制曲線監控列車運行。列車在CTCS-2級線路上運行，以ATP車載信號作為行車憑證。CTCS-2級列控系統應用時速250 km及以下的運行線路，追蹤間隔為3 min。目前已有一定規模的開通運營經驗，系統較為成熟穩定，可以和大鐵路干線跨線運行及互聯互通，因此，CTCS-2級列控系統比較適合城際鐵路需求。但CTCS-2級列控系統的車地信息單向傳輸，不具備雙向傳輸功能，不能實現ATO自動駕駛、精確停車、自動開關車門、聯動屏蔽門/安全門功能，對城際鐵路的這些相關需求不能滿足，需進一步做適應性改造；同時不能與現行的城市軌道交通列控系統兼容，不能實現與城市軌道交通互聯互通。

2.2 基于GSM-R的CTCS-3級列控系統

CTCS-3級列控系統控車原理與CTCS-2級相似，增加了無線閉塞中心（RBC）和GSM-R無線通信設備，軌道電路僅用于檢查列車占用，應答器用于列車定位和傳輸GSM-R網絡注冊和RBC切換等信息，地面RBC與車載設備通過GSM-R無線網絡傳輸行車許可和線路數據等信息。CTCS-3級列控系統一般應用于時速350km的運行線路，追蹤間隔為3 min。目前隨著武廣、鄭西客運專線的開通，也積累了一定規模的開通運營經驗，系統日益成熟穩定。配合ZPW-2000（UM）系列無絕緣軌道電路提供的低頻信息，可自動向下兼容CTCS-2級列控系統，車地信息傳輸具備雙向傳輸功能。采用CTCS-3級列控系統，可與大鐵路干線跨線運行及互聯互通，不能與現行的地鐵列控系統兼容，不能與城市軌道交通互聯互通。同樣CTCS-3級列控系統不具備ATO自動駕駛、精確停車、自動開關車門、聯動屏蔽門/安全門功能，適合時速250 km及以上城際鐵路采用，同時滿足3 min運行間隔需求。

2.3 基于通信的CBTC列控系統

從控車技術本身比較，各系統差異不大，但從控車信息獲取、傳輸方式上比較，各系統差異較大，也決定了各系統的適應性有較大差異。根據CBTC列控系統車地通信的傳輸頻率區分，可分為電磁感應式和無線通信式2種。電磁感應式采用感應環線作為數據傳輸的介質，頻率一般選用在1 MHz以下；無線通信式僅要求空氣作為數據傳輸的介質，頻率一般選用在2.4 GHz或5.8 GHz，信息傳輸量大。

（1）基于交叉感應電纜環線的CBTC-IL列控系統，以泰雷茲（THALES）加拿大運輸自動化公司的SELTRAC MB為代表，系統基于交叉感應電纜環線，實現列車與地面間的雙向數據傳輸。該系統的最大特點是應用比較成熟、軌旁設備少、抗干擾能力強、對列車的控制靈活。

車地通信采用基于感應環線的傳輸系統實現。同時，列車通過交叉感應環線交叉點實現列車的基本定位。由車軸上的轉速表測定交叉點間的位置。轉速表和環線交叉共同確定列車的準確位置，形成速度-距離模式控制曲線，實現對列車的安全控制。

缺點：CBTC-IL列控系統需要在道床上安裝感應電纜環線，受一定安裝條件限制，數據傳輸速率較低，同時在城際鐵路應用上存在一定防盜問題。

其次，CBTC-IL列控系統不是按開放傳輸系統設計的，無法適應城際鐵路網發展的互聯互通及跨線運行要求，同時在200km/h的高速條件下沒有成功應用案例，因此城際鐵路不宜采用。

（2）基于無線擴頻/跳頻的CBTC-RF列控系統。該系統基于無線的AP、漏纜、波導管方式實現列車與地面間的雙向數據傳輸，無線擴頻通信采用開放ISM（工業、科學、醫療）頻段2.4～2.483 5 GHz，分別代表的系統：西門子采用直接序列擴頻（DSSS）方式，泰雷茲采用跳頻擴頻（FHSS）方式，阿爾斯通采用波導管方式。列車通過輪軸測速測距與地面鋪設應答器實現列車的精確定位，列車車載控制器（VOBC）通過探測安裝在軌道上的歐洲標準應答器或TAG信標，查找它們在系統數據庫的位置，然后確定列車所在位置，并且測量自前一個探測到的應答器起已行駛的距離。VOBC通過列車到軌旁的雙向無線通信向軌旁CBTC設備軌旁區域控制器ZC和ATS報告列車的位置。

CBTC軌旁區域控制器ZC根據列車的位置、速度及運行方向等因素，并考慮列車進路、道岔狀態、線路限速以及其他障礙物的條件，向列車發送“移動授權MA”信息，從而保證列車的安全間隔。CBTC系統以速度-距離模式曲線控制列車運行。

從以上分析來看，基于無線擴頻/跳頻的CBTCRF列控系統在城際鐵路應用也有明顯缺點。

1）目前基于WLAN技術的無線系統已得到廣泛應用，采用WLAN技術實現CBTC-RF存在多種基于WLAN技術系統帶來的干擾，尤其是新建的城際鐵路主要經過城區，地面線路自由空間周圍存在大量的WLAN系統，干擾問題不容忽視。雖然CBTC-RF可以采用FHSS對抗干擾，然而，當跳頻的頻率數目有一半頻率被干擾時，對通信會產生嚴重影響，在密集城區甚至中斷通信。

2）高速移動環境下，無線通信系統由于多普勒效應產生頻移，對200 km/h及以上運行速度，多普勒頻移非常明顯，將直接導致信號衰減和誤碼率上升。同時高速移動環境下，不同AP之間的切換也非常棘手，因為切換算法需要一定的信號判別時間，該時間必須足夠短。否則，很可能還未來得及切換，列車已行駛至下一個AP范圍，從而造成通信中斷。對列車速度的提高具有一定局限性。

3）不能適應城際鐵路線網發展的互聯互通、跨線運行的要求，同時在200 km/h及以上高速條件下，也沒有成功應用案例，城際鐵路不宜采用。

2.4 基于歐洲ETCS 1級的點式列控系統

基于歐洲ETCS 1級的點式ATC信號系統是用計軸軌道電路提供列車占用信息，通過每個信號機處設置的LEU對軌道空閑情況進行編碼，發送給點式應答器，由應答器提供列車安全運行所需的控制信息，車載計算機進行數據處理，生成目標-距離控制曲線，實現列車超速防護和自動駕駛功能?？梢钥闯?，它不是連續信息的列控系統，在列控速度及運行間隔上有一定的局限性，不能與大鐵信號系統兼容實現跨線運行；通過必要的適應性改造，可以作為城市軌道交通信號系統的后備運行模式降級使用，但能力較低，不能滿足城際鐵路的行車密度要求。

根據以上各列控方案的分析比較，對城際鐵路的列控系統方案選擇具有一定的困難，目前的系統都不能很好地滿足城際鐵路的功能需求，從工程、經濟、可實施性及國家的國產化技術政策等方面考慮，具有完全自主知識產權并具有一定運營經驗的CTCS-2級或CTCS-3級列控系統最為合適，在滿足運行速度及運行間隔的同時，可實現與大鐵線路的跨線及互聯互通運行，同時還可實現與大鐵運營管理資源的共享。但對城際鐵路的特殊需求還需進一步做適應性改進完善，完全適應城際鐵路的功能需求。對CTCS-2級或CTCS-3級列控系統在城際鐵路應用存在的主要問題進一步分析如下。

（1）聯動安全門/屏蔽門

城際鐵路大部分為地面站，如果開行列車密度不大，設置專門候車區，根據列車到站情況開放檢票進站，在設置專人管理的情況下，可以考慮不設安全門；當客流密度較大，列車開行密度也大，旅客不經候車區或不設候車區的情況下，旅客直接檢票進站，為了確保站臺候車安全，必須設置安全門；還有一種情況，城際鐵路進入城市中心區后，由于受建設條件、環保及換乘等因素的要求可能設置地下車站。對于地下車站，為了安全、環保及節能考慮在站臺上設置屏蔽門。對安全門/屏蔽門的控制要求是在列車停穩、車門對準后與車門配合進行安全開啟或關閉。在列車具有ATO功能時，由ATO自動完成。在列車不具有ATO功能時，車站站臺的安全門/屏蔽門由專職站臺值班員確認開關、列車車門由司機控制開關是可行的，只是要注意兩門開關的協調性，對值班員、司機等人員要求較高，不如設備控制可靠。但通過熟練的操作和經驗積累是可以實現的，人工操作方案是可行性；或增加列車對安全門/屏蔽門的無線遙控功能，由司機一人控制兩門的開啟關閉也簡單易行，不需對列控系統做較大改造就可實現。

（2）精確定位停車

由于安全門/屏蔽門的應用，要求列車的停車精度在±0.3 m，CTCS-2級列控系統在大鐵干線應用中沒有考慮精確定位停車功能，但在大鐵高速動車組的運用中有準確停車的需求。為保證停車的準確， 在CTCS-2級或CTCS-3級列控系統防護曲線設計中，進站停車前就將速度降到較低，一般情況下的速度都不高于10 km/h，司機可以在較低的速度下，按照站臺設置的停車標志將車停穩、停準，停車精度在人工駕駛下也可滿足±0.3 m的要求。雖然停車過程可能存在由于司機的操作不平穩而造成乘坐舒適度降低、甚至二次啟動的可能，但目前此方案還是可行的，遠期隨著技術的發展，通過對CTCS-2級或CTCS-3級系統的適應性改造，如增加環線、增加點式應答器或無線局域網等方式，可以實現系統的精確停車。

3 列控系統選擇

綜上所述，目前城際鐵路的列控系統選擇CTCS-2級或CTCS-3級是最合適的，可以與大鐵干線、中心車站跨線運行，實現互聯互通，滿足列車200 km/h及以上運行速度、運行間隔3 min需求，同時CTCS-2級或CTCS-3級列控系統在我國已成功應用，具有完全或大部分自主知識產權，從工程管理、設計、施工、設備生產制造、運營維護都有豐富的經驗，應用基礎牢固，符合國家技術政策，對城際鐵路工程實施具有堅強的支撐，隨著技術的發展和對系統的不斷創新，CTCS-2級或CTCS-3級列控系統會日趨完善，最終實現ATO功能，從根本上解決中國各種鐵路需求下的列車控制技術。

[1] 鐵運函[2006]462號 時速200 km和300 km動車組主要技術條件[S].

[2] 鐵集成[2007]124號 客運專線CTCS-2級列控系統配置及運用技術原則（暫行）[S].

[3] 魏曉東．城市軌道交通自動化系統與應用[M]．北京：電子工業出版社，2004.

[4] 耿臘元，毛玉泉，丁笑亮，等．基于擴頻的數據鏈抗干擾性能研究[J]．信息通信，2009（6）：12-15．