城市轨道交通中小运量线路信号系统的分析与展望

方正、谢星、王丽丽、李启翮、吴美玲

中车株洲电力机车研究所有限公司 湖南株洲 412001

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摘要：城市轨道交通中小运量线路是指运营距离较短、单向运量在每小时1万人次~3万人次的城市轨道交通线路，主要为城市短距离出行和机场、产业园区等内部出行服务。中小运量线路信号系统是保障列车安全、高效、舒适运行的关键设备，其设计与优化对降低工程建设成本和运营成本，提高系统可靠性和可用性，增强乘客体验和满意度具有重要意义。本文针对中小运量线路的特点和需求，分析目前信号系统的特点与限制，并对未来的优化进行了展望。

1.国内外研究现状

1.1国外研究现状

欧美、日本等国家和地区在中小运量线路信号系统的技术创新方面取得了一系列成果，如无线通信技术、卫星定位技术、人工智能技术、云计算技术等，并在多个城市或地区进行了应用示范，如法国里昂的VAL系统、德国汉诺威的H-Bahn系统、日本东京的新交通系统等。这些技术创新和应用示范为中小运量线路信号系统的发展提供了先进的技术支撑和成功的经验借鉴。

1.2 国内研究现状

国内在多个城市或地区开展了中小运量线路信号系统的工程建设和运营管理，如北京、上海、深圳、成都、重庆、武汉、南京等，形成了一批具有代表性的工程实例，如北京S1线、上海浦江线、深圳机场快线、成都天府绿道、重庆轻轨2号线、武汉光谷机场快线、南京宁高线等。这些工程建设和运营管理为中小运量线路信号系统的发展提供了实践经验和管理模式。

2中小运量城市轨道交通线路的运营特点及其对信号系统的需求分析

2.1 中小运量城市轨道交通线路的定义

中小运量城市轨道交通线路是指单向运量在每小时1万人次~3万人次的城市轨道交通线路，可采用的制式有地铁、轻轨、有轨电车、磁悬浮、单轨等多种形式。中小运量城市轨道交通线路主要服务于城市内部或近郊区域的中短途客流，具有运输能力适中、建设成本相对较低、线路组织灵活等特点。

根据不同的技术特征和运营模式，中小运量城市轨道交通线路可以分为地铁、轻轨、有轨电车、磁浮、单轨以及ART系统。

2.2 中小运量城市轨道交通线路的运营特点

1）建设成本低。相比于大运量地铁系统，中小运量城市轨道交通系统的建设成本较低，一般在每公里1亿~3亿元之间，而地铁系统的建设成本一般在每公里5亿~10亿元之间。这对于缺乏财力的中小城市或者一二线城市的边缘区域来说，是一种经济合理的选择。

2）布设灵活。中小运量城市轨道交通系统的布设灵活，可以根据城市道路、地形、客流等条件进行适应性设计，可以采用地面、高架、地下等不同方式进行布设，也可以与其他交通方式进行无缝衔接，实现多层次的交通网络。

3）建设周期短。中小运量城市轨道交通系统的建设周期短，一般在2~3年之内就可以完成，而地铁系统的建设周期一般在5~10年之间。这对于迫切需要解决交通问题的城市来说，是一种快速有效的方式。

4）适应性强。中小运量城市轨道交通系统的适应性强，可以满足不同规模、不同类型、不同需求的城市出行。中小运量城市轨道交通系统适用于一二线城市地铁线路接驳线和加密线、三四线城市中运量线路、地形复杂城市线路、规划新城区域、市中心CBD、旅游线等场景。

5）节能环保。中小运量城市轨道交通系统的节能环保，相比于公共汽车等其他公共交通方式，可以节省能源消耗，减少污染排放，提高出行效率，改善出行环境。

2.3 中小运量城市轨道交通线路对信号系统的功能需求

信号系统是城市轨道交通的核心系统之一，主要负责列车的运行控制、调度指挥、安全保障等功能。结合中小运量城市轨道交通自身特点，其对信号系统的功能需求如下：

1）灵活的运营组织模式，可由司机完成车辆驾驶。中小运量城市轨道交通线路的客流量相对较低，可不需实现列车的全自动驾驶，而是由司机进行人工驾驶或半自动驾驶。因此，信号系统需要提供司机驾驶模式下的列车运行控制功能，同时也要具备全自动驾驶功能。

2）车站简易、规模小，对设备系统需求简化。中小运量城市轨道交通线路的车站一般为地面或高架车站，车站规模较小，不需要设置复杂的换乘设施和出入口。因此，需要简化的信号系统车站设备，包括列车接近显示器、列车到站显示器、站台门控制器、紧急停止按钮等。

3）具备与其他交通方式联网联动的能力。中小运量城市轨道交通线路往往作为大运量地铁系统或其他公共交通方式的补充和延伸，需要与之实现无缝衔接和协调运营。因此，信号系统需要具备与其他交通方式联网联动的能力，即根据其他交通方式的时刻表和实时信息，在接驳点实现列车间的换乘优化，并向乘客提供换乘指引和信息服务。

2.4 既有信号系统分析

既有中低小运量线路信号系统主要采用CBTC信号系统以及在此基础上叠加自动化功能实现的全自动运行信号系统，主要具有高安全性与可靠性、完备的后备模式、较高的运力、满足GoA4级要求并向下兼容以及应用广泛技术成熟度高等特点。

然而CBTC系统基本采用的是区域控制器（ZC）+计算机联锁（CI）+车载控制器（VOBC）的架构，其主要特点是：

1）所有在线车辆将其位置和状态信息发送给ZC，ZC汇总这些信息后再发送移动授权给列车；

2）线路资源的管理和分配由CI完成，并通知ZC；

3）列车位置关系的计算则由ZC完成并告知CI，ZC根据CI提供的线路资源分配使用的状态和列车提供的位置报文为列车计算移动授权。

这种CBTC设计方案有ZC和CI两个区域控制的核心，会带来如下问题：

1）CBTC控制逻辑都必须经过VOBC、ZC和CI三个子系统的协调处理，在一定程度上改善系统性能的同时也使得整个系统更加脆弱，请求/确认机制的任何环节的中断都可能带来整个流程的死锁。

2）完备后备模式的要求使得所有与安全相关的系统设计均必须考虑CBTC等级列车和后备模式列车混跑以及两种模式随时切换的场景，同时带来轨旁设备较多而降低整体系统可靠性的问题。

同时，针对中小运量线路，系统复杂、建设运维成本高以及无法根据客流实现灵活运营组织的问题将会更加明显。

2.5 中低运量线路信号系统优化设想

1）目前的CBTC系统设计方案之所以无法离开轨旁设备，根本原因是列车无法依靠自身配置的传感器安全地感知周围的线路状态和障碍物信息。

2）如果由于列车无法实现全自主导航，CBTC系统中仍然必须配备轨旁控制器，则为了降低网络通信故障的影响范围，需要一种能提供更多信息的次级检测设备，该次级检测设备可以检测列车ID信息，从而可以使整个系统对车地通信的依赖降低。

3）在既有传感器配置的前提下，列控联锁一体化是一个可行的发展方向。其既可大幅降低当前CBTC系统中资源管理算法的复杂度，又可以提升资源管理效率。

根据以上分析，针对中小运量线路的信号系统优化可能有如下发展方向：

1）基于OC的集中式方案：在传感器技术没有根本性变革的前提下，基于列控联锁一体化的思路，将ZC和CI功能融合为轨旁OC的功能，采用OC+VOBC的系统架构。该系统架构可保证运营效率得到一定提升，同时在一定程度上减少了轨旁设备，简化了轨旁设备之间的接口。

2）基于车车通信的半集中式方案：OC+VOBC的系统架构，可不采用次级检测设备。OC只负责维护线路资源的占用情况，移动授权的计算由车载通过车车间通信实现，轨旁设备之间无接口。

3）车载全自主导航方案：在传感器技术革命性变革的前提下，完全摆脱轨旁设备的限制，实现列车的全自主导航。

3 展望

综上，未来针对中小运量的信号系统应具有以下特征：更精简的系统架构、更低的全生命周期成本、更灵活的运营组织、更低成本的系统扩展和改造需求以及更高追踪效率。

作者简介：方正，男，工程师，412001 湖南株洲

基金项目：单轨车辆关键技术及系列产品平台研究（2020CKA003）