劉華祥 陳恒宇

(1.卡斯柯信號(hào)有限公司， 200072， 上海；2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司， 518026， 深圳∥第一作者， 高級(jí)工程師)

伴隨國家多個(gè)指導(dǎo)意見的出臺(tái)，市域(郊)鐵路的發(fā)展已被提升到國家交通戰(zhàn)略發(fā)展層面。 “十四五” 期間，京津冀、長江三角洲(以下簡稱“長三角”)和粵港澳3大區(qū)域計(jì)劃新開工建設(shè)的城際鐵路和市域(郊)鐵路總長度約10 000 km，其目標(biāo)是將都市圈內(nèi)已經(jīng)建成的國家干線鐵路網(wǎng)、城際鐵路網(wǎng)及城市軌道交通線網(wǎng)進(jìn)行多網(wǎng)融合。

目前，如北京、上海、廣州、成都、溫州等多個(gè)城市己經(jīng)開始嘗試市域快線規(guī)劃建設(shè)，分別修建了不同類型的市域鐵路。此外，還有多個(gè)城市的多條市域鐵路正在規(guī)劃籌建中。至2025年，這3個(gè)都市圈將基本形成城際鐵路骨架網(wǎng)絡(luò)和市域(郊)鐵路骨架網(wǎng)絡(luò)。

與此同時(shí)，國家多個(gè)政策文件也對(duì)市域鐵路進(jìn)行了明確的定位，包括國辦發(fā)[2018]52號(hào)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》、發(fā)改基礎(chǔ)[2017]1173號(hào)《關(guān)于促進(jìn)市域(郊)鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》及發(fā)改規(guī)劃[2019]328號(hào)《國家發(fā)展改革委關(guān)于培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》等。這些文件明確了基于四網(wǎng)融合的市域鐵路應(yīng)具有公交化和網(wǎng)絡(luò)化兩大特點(diǎn)。

市域鐵路的信號(hào)系統(tǒng)也應(yīng)滿足多網(wǎng)融合的需求。作為信號(hào)系統(tǒng)的指揮大腦，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)需具備可同時(shí)調(diào)度指揮不同層次軌道交通線路列車運(yùn)行的功能。但是，目前國內(nèi)可同時(shí)支持公交化和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)尚屬空白?；诖?，本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的建設(shè)需求，圍繞市域鐵路公交化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，對(duì)市域鐵路的信號(hào)調(diào)度系統(tǒng)展開研究。

1 市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)需求分析

從建設(shè)和運(yùn)營需求角度分析，目前國內(nèi)市域鐵路需要考慮3類運(yùn)營場景：獨(dú)立成網(wǎng)運(yùn)營、與國家鐵路(以下簡稱“國鐵”)線路互通運(yùn)營及與城市軌道交通線網(wǎng)互通運(yùn)營。無論在哪類場景下，市域鐵路信號(hào)系統(tǒng)都應(yīng)能同時(shí)滿足公交化和網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)營需求。

1.1 公交化運(yùn)營需求

1.1.1 通勤化

為了滿足通勤化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備列車運(yùn)行計(jì)劃的自動(dòng)調(diào)整、在線列車車次號(hào)的靈活調(diào)整、大小交路同時(shí)運(yùn)營、無人及有人駕駛模式下列車的自動(dòng)折返/跳停/扣車、調(diào)度命令的編輯及下發(fā)到車站和列車、信號(hào)設(shè)備自動(dòng)和人工控制、區(qū)間運(yùn)營等級(jí)和停站時(shí)間的靈活調(diào)整、在站列車提前發(fā)車及列車節(jié)能運(yùn)行等功能。

1.1.2 快速化

為了滿足快速化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備支持列車以200 km/h的最高速度在線運(yùn)行。

1.1.3 大運(yùn)量

為了滿足大運(yùn)量線路的調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)支持列車靈活聯(lián)掛和解編、不同編組列車在線混跑及根據(jù)客流情況自動(dòng)調(diào)整在線列車數(shù)等功能。

1.1.4 智能化

為了滿足智能化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)支持最高GoA4(無人干預(yù)列車運(yùn)行)下列車的全自動(dòng)運(yùn)行功能(包括自動(dòng)喚醒、出庫、入庫、休眠、喚醒、段內(nèi)自動(dòng)調(diào)車、出庫自動(dòng)領(lǐng)號(hào)、回庫自動(dòng)消號(hào)等)，并應(yīng)與其他系統(tǒng)(包括綜合監(jiān)控、通信、供電、站臺(tái)門、施工管理系統(tǒng)、市域動(dòng)車組管理系統(tǒng)、司機(jī)派班、國鐵旅客服務(wù)等)進(jìn)行信息聯(lián)動(dòng)。此外，還應(yīng)具備故障處置完成后列車運(yùn)行圖的自動(dòng)恢復(fù)、運(yùn)營及維護(hù)數(shù)據(jù)的智能化統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備狀態(tài)的智能監(jiān)控和報(bào)警等功能。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營需求

1.2.1 列車運(yùn)行圖的統(tǒng)一編制和調(diào)整

為了滿足網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具備跨線路列車統(tǒng)一編圖的功能，支持按照線路、線網(wǎng)、調(diào)度臺(tái)管轄區(qū)等不同方式進(jìn)行編圖，多線間交界站列車間的接入和交出可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)勾連。統(tǒng)一編制后的線網(wǎng)列車運(yùn)行圖可以按照不同線路、不同調(diào)度臺(tái)管轄范圍自動(dòng)拆分，并下達(dá)給對(duì)應(yīng)的調(diào)度臺(tái)。如對(duì)線網(wǎng)列車運(yùn)行圖進(jìn)行修改，修改后的列車運(yùn)行圖將會(huì)及時(shí)通知并更新至每個(gè)相關(guān)的調(diào)度臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)列車運(yùn)行圖的實(shí)時(shí)同步更新。

1.2.2 調(diào)度管轄區(qū)的靈活劃分

為了滿足網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮需求，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度臺(tái)管轄范圍應(yīng)能靈活配置，支持按照線路、區(qū)段或區(qū)域進(jìn)行調(diào)度指揮。一個(gè)調(diào)度臺(tái)的管轄車站可以僅僅是ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)車站或CTC(調(diào)度集中)車站，也可以是ATS和CTC車站的組合，可根據(jù)新建市域鐵路的列車控制制式及運(yùn)營需求進(jìn)行配置。

1.2.3 與其他層次軌道交通建立調(diào)度系統(tǒng)接口

為了實(shí)現(xiàn)市域鐵路與既有國鐵線路或城市軌道交通線路間的互通運(yùn)營，市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)需要與既有國鐵線路的CTC、城市軌道交通線路的ATS進(jìn)行接口互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)不同層次軌道交通列車運(yùn)行計(jì)劃的順利實(shí)施，不同層次軌道交通信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息的共享，以及不同層次軌道交通調(diào)度命令的相互傳遞等，滿足列車跨線運(yùn)營所需的信息交互需求。

2 既有軌道交通調(diào)度系統(tǒng)簡述

目前我國的軌道交通信號(hào)調(diào)度指揮系統(tǒng)主要有兩種類型：一類是國鐵線路的CTC系統(tǒng)及TDCS (列車調(diào)度指揮系統(tǒng))，另一類是城市軌道交通線路的ATS系統(tǒng)。其中，TDCS僅有監(jiān)視功能，與市域鐵路的調(diào)度需求差距較大。本文僅對(duì)CTC和ATS進(jìn)行簡要介紹和對(duì)比。

2.1 國鐵線路CTC系統(tǒng)

CTC主要用于國鐵干線、城際線路的信號(hào)調(diào)度指揮。CTC具有很好的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度功能[1]，但在公交化運(yùn)營方面尚需提升。

1) 由于國鐵的列車種類眾多、線路范圍較廣、業(yè)務(wù)種類繁多、標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，因此， CTC功能較為復(fù)雜；CTC需要完全按照國鐵車站管理細(xì)則的要求進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)，其中有很多業(yè)務(wù)目前尚需依靠人工進(jìn)行操作和確認(rèn)。

2) CTC的運(yùn)輸計(jì)劃主要包括客運(yùn)計(jì)劃、貨運(yùn)計(jì)劃、施工計(jì)劃等。如圖1所示，CTC通過與TDMS(運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng))接口實(shí)現(xiàn)基本列車運(yùn)行計(jì)劃(又稱“基本圖”)的編制，并實(shí)時(shí)獲取國鐵線路的日班計(jì)劃；運(yùn)營期間列車運(yùn)行計(jì)劃主要依靠調(diào)度員進(jìn)行人工調(diào)整，尚不具備成熟的自動(dòng)調(diào)圖功能。

3) CTC尚不具備自動(dòng)領(lǐng)取列車運(yùn)行計(jì)劃、列車自動(dòng)折返、自動(dòng)跳停和扣車、自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行交路、靈活自動(dòng)聯(lián)掛和解編、與旅客服務(wù)系統(tǒng)直接接口等功能。

CTC具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮優(yōu)勢，如圖2所示。一個(gè)鐵路局管轄范圍內(nèi)的所有高速鐵路和城際線路可以共用一套CTC軟硬件系統(tǒng)，且不同鐵路局間可通過中國國家鐵路集團(tuán)有限公司制定的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)列車的跨局交接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全國范圍列車的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度指揮。

注：軍特調(diào)度是指軍隊(duì)列次及其他特殊列次的調(diào)度。

注：每個(gè)站段的管轄范圍在15個(gè)車站以內(nèi)。

CTC應(yīng)用在國鐵線網(wǎng)上具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度優(yōu)勢，但CTC與城市軌道交通線網(wǎng)信號(hào)系統(tǒng)間無接口。市域鐵路需具備可同時(shí)調(diào)度指揮國鐵線路列車和城市軌道交通線路列車運(yùn)行的功能，僅采用CTC系統(tǒng)不能滿足市域鐵路的調(diào)度指揮需求。

2.2 城市軌道交通線路ATS系統(tǒng)

ATS系統(tǒng)主要用于城市軌道交通單一線路(以下簡稱“單線”)的信號(hào)調(diào)度指揮。由于城市軌道交通線路按照公交化要求運(yùn)營，因此ATS系統(tǒng)具有較好的公交化調(diào)度指揮功能。圖3為城市軌道交通單線ATS的系統(tǒng)架構(gòu)。每條城市軌道交通線路的ATS均可分為車站和中心兩個(gè)部分，且各單線ATS的軟硬件互相獨(dú)立。不同的城市軌道交通線路歸屬不同的OCC(運(yùn)營控制中心)和調(diào)度系統(tǒng)管轄。對(duì)于相互接軌的相鄰線路，每條線的ATS系統(tǒng)可通過其OCC的接口實(shí)現(xiàn)與鄰線信息的互傳[2]。

圖3 城市軌道交通單線ATS系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于采用單一CBTC(基于通信的列車控制)信號(hào)制式的市域鐵路線網(wǎng)，可以采用一套兼具軟硬件的ATS作為調(diào)度系統(tǒng)，但需對(duì)其網(wǎng)絡(luò)化功能進(jìn)行提升，如線網(wǎng)列車運(yùn)行圖的統(tǒng)一編制和調(diào)整、調(diào)度管轄區(qū)的靈活劃分、線網(wǎng)運(yùn)營下的PIS(乘客信息系統(tǒng))和PA(公共廣播)信息的預(yù)告等。但由于ATS不具備與國鐵CTC的接口，市域線路若僅采用ATS系統(tǒng)，也不能滿足其調(diào)度指揮需求。

2.3 CTC和ATS在市域鐵路中的應(yīng)用分析

綜上所述，CTC和ATS分別在網(wǎng)絡(luò)化和公交化方面具有優(yōu)勢。本文針對(duì)不同類型的市域鐵路，對(duì)其信號(hào)調(diào)度系統(tǒng)采用CTC或ATS的適用性進(jìn)行了對(duì)比分析。如表1所示，提升了公交化功能后的CTC可用于單一國鐵制式的市域鐵路，提升了網(wǎng)絡(luò)化功能后的線網(wǎng)ATS可用于單一城市軌道交通制式的市域鐵路。

由表1可知，只采用CTC或ATS，均不能完全滿足基于城市軌道交通和國鐵信號(hào)制式的多線互聯(lián)互通市域鐵路的調(diào)度指揮要求，因此，需要從市域鐵路的運(yùn)營需求角度著手，對(duì)既有的調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行融合和創(chuàng)新，形成一套運(yùn)營管理模式統(tǒng)一、維護(hù)簡便、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、可靈活配置的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)，以滿足表1中各種類型市域鐵路的運(yùn)營需求，并為既有市域鐵路的接入和改造創(chuàng)造條件，實(shí)現(xiàn)真正的多網(wǎng)融合。

表1 市域鐵路應(yīng)用CTC和ATS的適應(yīng)性分析

3 市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由上文可知，CTC的優(yōu)勢是采用了網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)架構(gòu)，ATS的優(yōu)勢是具備了良好的公交化調(diào)度指揮功能，因此，可以借鑒CTC和ATS各自既有的優(yōu)勢并進(jìn)行融合創(chuàng)新，即在CTC的架構(gòu)基礎(chǔ)上增加ATS的功能模塊，形成一套完全滿足公交化、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行要求，且可根據(jù)市域鐵路實(shí)際運(yùn)營需求進(jìn)行靈活調(diào)配的市域調(diào)度系統(tǒng)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

3.1 主要功能模塊

本文所提的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，將CTC和ATS的軟件功能模塊進(jìn)行融合和再分配，充分利用ATS的公交化模塊和CTC的網(wǎng)絡(luò)化模塊，融合后的模塊可同時(shí)具備公交化和網(wǎng)絡(luò)化功能，并可與既有國鐵線路無縫連接。融合后的調(diào)度系統(tǒng)分為調(diào)度中心和車站兩層架構(gòu)。

在唐傳奇中，常常涉及鬼怪神魔，而這些異時(shí)空的生物，在白天往往只是偶然現(xiàn)身于人們的生活，到了夜禁開始之后，街道上空無一人，白晝的花花世界此時(shí)便為這些“神鬼所占據(jù)。

調(diào)度中心層主要包括以下功能模塊：① 線網(wǎng)運(yùn)輸計(jì)劃管理；② 在線列車運(yùn)行圖管理；③ 調(diào)度命令管理；④ 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理；⑤ 與城市軌道交通線路外部接口管理，主要包括與綜合監(jiān)控、通信、供電等專業(yè)的接口，以及與相鄰城市軌道交通線網(wǎng)NOCC連接等；⑥ 與國鐵線路外部接口管理，主要包括與TCC、TSRS、GSM-R、TDMS、動(dòng)車組管理、旅客服務(wù)及設(shè)備維修管理等專業(yè)/系統(tǒng)的接口，以及與鄰線CTC連接等；⑦ 國鐵車站接入通信模塊；⑧ 調(diào)度中心通信模塊；⑨ 調(diào)度終端模塊；⑩ 車輛段控制管理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理；培訓(xùn)管理；維護(hù)模塊；統(tǒng)計(jì)分析模塊；回放模塊。

車站層主要包括以下功能模塊：① 城市軌道交通車站LATS(本地ATS)分機(jī)；② 城市軌道交通車站HMI(人機(jī)操作界面)；③ 城市軌道交通車站發(fā)車倒計(jì)時(shí)；④ 國鐵車站下位機(jī)；⑤ 國鐵車站上位機(jī)；⑥ 復(fù)示終端模塊。

3.2 主要設(shè)備組成

本方案采用分布式架構(gòu)，將CTC和ATS的軟硬件設(shè)備進(jìn)行融合。為了實(shí)現(xiàn)與既有國鐵線路信號(hào)系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，本方案單獨(dú)設(shè)置外部接口服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)國鐵線路的非改動(dòng)接入。本方案包括的主要設(shè)備有調(diào)度中心設(shè)備和車站設(shè)備兩部分。

調(diào)度中心設(shè)備包括：① 調(diào)度中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；② 各種接口服務(wù)器；③ 各種工作站終端；④ 網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備；⑤ 培訓(xùn)設(shè)備。

車站設(shè)備包括：① 城市軌道交通車站LATS的下位機(jī)設(shè)備；② 國鐵車站下位機(jī)設(shè)備；③ 城市軌道交通車站發(fā)車計(jì)時(shí)器設(shè)備；④ 各種工作站終端設(shè)備；⑤ 網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

3.3 外部接口

本方案支持同時(shí)管理城市軌道交通和國鐵兩種信號(hào)制式的列車，因此，調(diào)度系統(tǒng)需同時(shí)支持與城市軌道交通和國鐵兩種信號(hào)制式的軌旁接口。此外，還需按照既有國鐵、城際鐵路的標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)與既有和新建城際鐵路的接口，同時(shí)調(diào)度系統(tǒng)還應(yīng)支持與信號(hào)系統(tǒng)外部相關(guān)專業(yè)的接口。圖5以深圳城際鐵路調(diào)度系統(tǒng)為例，對(duì)采用本方案時(shí)市域調(diào)度系統(tǒng)的外部接口進(jìn)行說明。

圖5中，每個(gè)接口均按照最大化復(fù)用既有標(biāo)準(zhǔn)原則予以設(shè)計(jì)，部分接口還根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目需求新增了標(biāo)準(zhǔn)或?qū)?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改。市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)外部接口標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.4 方案的特點(diǎn)及創(chuàng)新

本文提出的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)方案對(duì)CTC和ATS進(jìn)行了融合設(shè)計(jì)，完全滿足市域鐵路的公交化和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營需求，其具有如下特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)：

1) 靈活配置：可以根據(jù)市域鐵路的不同類型配置為僅管轄國鐵信號(hào)制式列車運(yùn)行或僅管轄城市軌道交通信號(hào)制式列車運(yùn)行的調(diào)度指揮系統(tǒng)，也可以配置為可同時(shí)管轄國鐵和城市軌道交通兩種信號(hào)制式列車運(yùn)行的調(diào)度指揮系統(tǒng)。

注：數(shù)字1～10為接口編號(hào)；CCS——通信控制服務(wù)器；CBI——計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；CC——車載控制器；ZC——區(qū)域控制器；DSU——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

2) 靈活部署：本方案采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊之間相互獨(dú)立，可根據(jù)市域鐵路項(xiàng)目需要進(jìn)行靈活的部署和硬件擴(kuò)容，支持云平臺(tái)部署。

3) 軟硬件一體化設(shè)計(jì)：通過技術(shù)手段將CTC和ATS的軟硬件進(jìn)行融合，降低了城際鐵路市域調(diào)度各系統(tǒng)間的耦合度，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了市域鐵路的建設(shè)和運(yùn)維成本，便于保持調(diào)度模式上的統(tǒng)一。

4) 采用標(biāo)準(zhǔn)化的外部接口：本方案在設(shè)計(jì)時(shí)盡量復(fù)用既有成熟的外部接口，并根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目需求對(duì)既有接口進(jìn)行修改或新增接口，與國鐵線路間的接口按照既有國鐵標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，可以完全滿足既有國家鐵路和城際鐵路的無縫接入。

表2 市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)外部接口標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)語

目前，我國著力發(fā)展的都市圈主要包括京津冀、長三角、粵港澳大灣區(qū)等，北京、上海、深圳、廣州等城市現(xiàn)階段都已經(jīng)具備了較為完善的城市軌道交通建設(shè)體系。但是在都市圈市域鐵路領(lǐng)域，各地的建設(shè)需求、信號(hào)制式選型及調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面的差異較大。如何實(shí)現(xiàn)調(diào)度層面的多網(wǎng)融合，建立與之匹配的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)尤為重要。

本文從市域鐵路的公交化和網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營需求出發(fā)，對(duì)國內(nèi)既有的軌道交通調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了分析和對(duì)比，對(duì)CTC和ATS進(jìn)行了融合設(shè)計(jì)，提出了市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以期為后續(xù)基于多網(wǎng)融合的市域鐵路調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)提供參考。