現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)及技術(shù)關(guān)鍵的研究

孫吉良

（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

我國首列100%低地板現(xiàn)代有軌電車（以下簡稱現(xiàn)代有軌電車），是2006年由國家科技部“十一五”科技支撐計劃立項，由長春軌道客車有限公司在掌握70%低地板列車技術(shù)的基礎(chǔ)上研制的。該項目2007年啟動設(shè)計，2010年8月通過科技部專家組驗收，2011年完成了正線約5 000 km的運行試驗。2012年10月19日，首列現(xiàn)代有軌電車在長春市軌道交通4號線正式載客運營。

現(xiàn)代有軌電車可運行于城區(qū)狹小地帶，線路可不完全封閉，可不單獨設(shè)置站臺，可與汽車和行人共享路權(quán)，極大的節(jié)約了城市用地和建筑成本，為現(xiàn)代城市交通建設(shè)提供了一項全新的軌道交通選擇。現(xiàn)代有軌電車作為城市新型的綠色軌道交通方式，已完成了從傳統(tǒng)到現(xiàn)代化的轉(zhuǎn)變，正在國內(nèi)許多城市得到應(yīng)用。

國內(nèi)有軌電車曾是北京、上海等城市的重要公共交通工具。如今在長春、大連等城市，仍然還保留著有軌電車線路。大連是國內(nèi)保留有軌電車線路最多、經(jīng)營最完善的城市。新建的天津濱海新區(qū)、上海浦東的張江開發(fā)區(qū)有軌電車項目均采用了法國Lohr公司的膠輪與導(dǎo)軌的現(xiàn)代有軌電車。如今，我國的北京、上海、天津已改建或新增了現(xiàn)代有軌電車交通，已規(guī)劃新建有軌電車交通的城市還有深圳、廣州、南京、沈陽、重慶、成都、蘇州、宜春、泉州、三亞、六盤水、遵義、煙臺、平頂山和泰州等。

2 現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)

現(xiàn)代有軌電車沿軌道運行，其路權(quán)直接影響著有軌電車運行的安全和效率，并決定著有軌電車的運行控制模式。所謂路權(quán)，是指交通參與者根據(jù)交通法規(guī)的規(guī)定，在一定空間和時間內(nèi)使用道路的權(quán)利。有軌電車的路權(quán)，是指經(jīng)過交通管理部門確認的，符合相關(guān)交通管理法律法規(guī)的，為有軌電車規(guī)定的，在專門時間和范圍內(nèi)使用專用通道的權(quán)利。有軌電車的路權(quán)一般可劃分為A、B、C 3個級別。

1）A級別的路權(quán)不允許有平面交叉口，在法規(guī)上不允許任何其他車輛或行人進入，即全封閉專用道，在形式上可以是隧道、高架橋或在地面上隔離出的通道。輕軌、地鐵系統(tǒng)均采用A級別路權(quán)。

2）B級別的路權(quán)沿著其通路擁有與其他交通方式的物理隔離措施，如路緣石或柵欄等，但其與其他交通方式（機動車、行人）有平面交叉。較多的不同級別的平交道口防護和不同的有軌電車運營組織方式，易造成各種交通方式的相互影響，甚至造成交通擁堵。該級別路權(quán)相對A級別路權(quán)對有軌電車的運營安全和運營效率有一定影響。

3）C級別的路權(quán)指各種交通模式混行的通道，有軌電車可以擁有非物理隔離的保留車道，也可能是在普通車道上運營。眾多的平交道口和與機動車混行，不僅使有軌電車運行速度受到限制，而且完全依靠司機目視行車，特別是在夜間或惡劣天氣下的目視行車，保障基本的運營安全和運行順暢是司機的主要職責(zé)，該級別路權(quán)相對B級別路權(quán)對有軌電車的運營安全和運營效率有更大的影響。

3 國內(nèi)有軌電車信號系統(tǒng)運營保障現(xiàn)狀

我國現(xiàn)代有軌電車運行控制技術(shù)主要是基于成熟通信技術(shù)和通信產(chǎn)品集成并進行適應(yīng)性應(yīng)用開發(fā)。

1）有軌電車車載設(shè)備通過GPS信號、電子標(biāo)簽、速度等信息進行定位；

2）通過車載定位設(shè)備、控制中心設(shè)備及車載智能終端實現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車調(diào)度管理。調(diào)度管理的主要作用是編制/管理行車/配車計劃，實現(xiàn)對全線有軌電車的自動監(jiān)控；

3）司機可利用車載設(shè)備對正線道岔進行遙控，實現(xiàn)道岔區(qū)段內(nèi)的道岔、進路的聯(lián)鎖；

4）車載設(shè)備可向司機提供有軌電車接近平交道口、接近道岔區(qū)段、進入限速區(qū)段等相應(yīng)告警提示。

即典型的現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)是一個功能定位于正線道岔控制和列車調(diào)度的簡易信號系統(tǒng)，由正線信號系統(tǒng)和車輛基地信號系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。其正線信號系統(tǒng)可由運營調(diào)度、正線道岔控制、平交道口信號控制、車載4個子系統(tǒng)構(gòu)成。

3.1 正線道岔控制

正線道岔控制包括集中控制和司機遙控兩種控制方式。

1）集中控制：有軌電車接近道岔區(qū)域時，軌道占用檢測設(shè)備檢測出有軌電車位置，并通過車地雙向通信設(shè)備獲得有軌電車運行信息，發(fā)送至控制中心，控制中心根據(jù)有軌電車信息遠程控制轉(zhuǎn)轍機自動辦理相應(yīng)進路；

2）司機遙控：司機駕駛有軌電車進入道岔控制區(qū)域后自動取得控制權(quán)，通過操作車載設(shè)備遙控道岔轉(zhuǎn)動至需要的位置，道岔自動鎖閉、信號開放，車輛駛出道岔控制區(qū)域后自動失去控制權(quán)。

3.2 平交道口信號控制

1）主干路與主干路平交道口，即城市道路的交通流量與現(xiàn)代有軌電車正線的交通流量相當(dāng)?shù)钠浇坏揽?。該類型平交道口控制設(shè)備的設(shè)置原則應(yīng)在確定有軌電車按規(guī)定速度通過平交道口的最少綠燈時間的前提下，采用常規(guī)信號控制并保證有軌電車在平交道口順利通過，簡稱最少綠燈原則；

2）主干路與次干路平交道口，即城市道路的交通流量小于現(xiàn)代有軌電車正線交通流量但相差不大的平交道口。該類型平交道口控制設(shè)備需協(xié)調(diào)主干路與次干路的地面交通關(guān)系，允許有軌電車相對優(yōu)先通行。即與有軌電車行車方向相應(yīng)的城市道路交通信號已亮紅燈或黃燈時，保持原有城市道路信號控制方式不變。若有軌電車到達平交道口時相應(yīng)的城市道路信號已為綠燈，則延長綠燈時間，直到有軌電車通過道口，實現(xiàn)有軌電車相對優(yōu)先通行的同時盡量減少對次干路交通的影響，簡稱相對優(yōu)先通行原則；

3）主干路與支小路的平交道口，即城市支小路的交通流量明顯低于現(xiàn)代有軌電車正線的交通流量。對主干路采用絕對信號優(yōu)先的控制方式，即道口控制設(shè)備持續(xù)對主干路的有軌電車保持通行，支小路保持禁止通行。當(dāng)支小路檢測設(shè)備檢測到一定范圍內(nèi)的機動車到達時，道口控制設(shè)備才允許支小路顯示允許通行的綠燈信號，簡稱絕對信號優(yōu)先原則。

3.3 車載設(shè)備

車載設(shè)備主要由車地雙向無線通信設(shè)備、車載天線、主機、GPS終端、顯示單元等構(gòu)成。車載設(shè)備通過GPS、列車位置檢測設(shè)備、傳感器等實現(xiàn)有軌電車的組合定位，并以無線通信方式實時將定位信息發(fā)送至控制中心。車載設(shè)備實時接收控制中心的運行間隔計劃，并實時顯示當(dāng)前電車位置、前后車車距和車速、進路表示器和道岔定反位狀態(tài)等信息，當(dāng)前后車距和車速不滿足設(shè)定的行車安全要求時進行報警提示。

3.4 運營調(diào)度

現(xiàn)代有軌電車運營調(diào)度是運營管理、行車指揮、監(jiān)督及報警管理和運營統(tǒng)計的總稱。

1）運營管理：控制中心根據(jù)運營要求制定運營計劃，編輯時刻表，并將當(dāng)日運行計劃時刻表下載至車輛基地終端，車輛基地根據(jù)該時刻表組織有軌電車運營；

2）行車指揮：系統(tǒng)通過現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)接收所有在線有軌電車的位置信息，經(jīng)處理后將有軌電車所在位置動態(tài)顯示在綜合表示屏及調(diào)度員工作站，調(diào)度員根據(jù)當(dāng)日運行時刻表對在線有軌電車進行行車指揮；

3）監(jiān)督及報警管理：系統(tǒng)內(nèi)的主要設(shè)備具有自診斷功能，一旦檢測到設(shè)備故障，該故障信息即可在控制中心調(diào)度員終端給出相應(yīng)報警信息；

4）運營統(tǒng)計：根據(jù)運營計劃和通過現(xiàn)代有軌電車定位設(shè)備采集的有軌電車位置、時間及車次號等信息進行運營統(tǒng)計并生成相應(yīng)報表。運營統(tǒng)計功能還可包括有軌電車管理及有軌電車修程統(tǒng)計等。

車輛基地聯(lián)鎖可采用計算機聯(lián)鎖設(shè)備，能對車輛基地內(nèi)的調(diào)車作業(yè)進行集中控制，實現(xiàn)車輛基地內(nèi)進路上的道岔、信號機和軌道區(qū)段的聯(lián)鎖功能，在保證車輛基地內(nèi)調(diào)車及出/入基地作業(yè)安全的同時向控制中心發(fā)送各種表示信息。

4 適用于A級路權(quán)的有軌電車信號系統(tǒng)

A級別路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)可采用基于數(shù)字化無絕緣軌道電路的列車自動控制ATC系統(tǒng)（簡稱TBTC系統(tǒng)）。系統(tǒng)由ATS設(shè)備、軌旁ATP設(shè)備（包括：區(qū)域控制中心設(shè)備（含計算機聯(lián)鎖）、數(shù)字化無絕緣軌道電路設(shè)備、車地雙向通信設(shè)備）、車載ATP/ATO設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，且ATP設(shè)備的安全完整性等級（SIL）達到了4級。該系統(tǒng)技術(shù)成熟并具有一定的先進性，在功能上能夠滿足大運量城市軌道交通的要求，且建設(shè)成本較低，系統(tǒng)調(diào)試維護智能化程度較高。

擁有A級路權(quán)的長春軌道交通4號線為長春市中心區(qū)東半環(huán)“U”形線，線路全長15.953 km，共設(shè)車站15座，其中地下車站3座，高架車站12座，配屬低地板列車23列，列車遠期最小行車間隔2 min。該工程信號系統(tǒng)成功采用了基于數(shù)字化無絕緣軌道電路的列車自動控制(ATC)系統(tǒng)，并已于2013年2月成功開通運營。

擁有A級路權(quán)的佛山市南海區(qū)現(xiàn)代有軌電車交通工程，線路全長14.72 km，其中地下4.47 km，高架線6.236 km，地面線3.698 km，敞口段0.316 km。全線共設(shè)車站14座，其中地下站5座，地面站4座，高架站5座。配屬低地板列車。其信號系統(tǒng)由地下段信號系統(tǒng)和地面段信號系統(tǒng)兩部分組成。地下段信號系統(tǒng)采用城市軌道交通通用的點式ATC系統(tǒng)，具有列車超速防護和列車自動運行功能，但為節(jié)省投資，其地面段采用了有軌電車信號系統(tǒng)，系統(tǒng)不具備列車超速防護功能，行車安全由司機及運營管理人員人為保證。

擁有A級路權(quán)的有軌電車交通與CJJ/T114-2007定義的輕軌系統(tǒng)極為相似，具有輕軌列車在城市地面或高架橋上運行的明顯特征，所以采用A級路權(quán)的有軌電車信號系統(tǒng)可參照輕軌信號系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)實施。為保證A級路權(quán)的有軌電車運行安全，并提高運行效率，其信號系統(tǒng)（包括：CBTC、TBTC或點式ATC系統(tǒng)）應(yīng)配置ATP子系統(tǒng)，根據(jù)需要可選配ATO子系統(tǒng)或無人駕駛子系統(tǒng)。

5 適用于B級路權(quán)的有軌電車信號系統(tǒng)

B級別路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)可采用基于數(shù)字化無絕緣軌道電路的列車超速防護(ATP)系統(tǒng)或點式ATP系統(tǒng)。

基于數(shù)字化無絕緣軌道電路的列車超速防護系統(tǒng)由控制中心設(shè)備、車載設(shè)備、軌旁設(shè)備和車站設(shè)備組成。該系統(tǒng)采用連續(xù)式速度控制模式，使同一線路上運行的列車能夠以2 min的最小追蹤間隔安全運行。該系統(tǒng)技術(shù)成熟，在功能上能夠滿足較大運量城市軌道交通的需求，且建設(shè)成本較低、周期較短，系統(tǒng)調(diào)試維護智能化程度較高。

點式ATP系統(tǒng)是一種點式信息傳遞，主要由地面應(yīng)答器、軌旁電子單元（LEU）、車載設(shè)備，列車占用檢查（計軸或軌道電路）設(shè)備4部分組成。目前在城市軌道交通信號系統(tǒng)中點式ATP系統(tǒng)通常作為CBTC系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，具有一定的先進性，在功能上能夠滿足非大運量城市軌道交通的需求，且建設(shè)成本較低，施工簡單，系統(tǒng)調(diào)試簡單。

擁有B級路權(quán)的長春軌道交通凈月線工程，線路全長17.4正線km，其中地下線路1.2 km、高架線路8.8 km，地面線路7.4 km。全線共設(shè)17座車站，配屬低地板列車37列。遠期列車最小行車間隔2 min。該工程信號系統(tǒng)成功采用基于數(shù)字化無絕緣軌道電路的安全完整性等級（SIL）達到4級的列車超速防護系統(tǒng)，已于2006年12月成功開通運營。

擁有B級路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車交通與城市道路交通（機動車、行人）有平面交叉，不同級別的平交道口不可避免的會對有軌電車連續(xù)運行造成影響，有軌電車信號控制系統(tǒng)必須增加平交道口信號控制設(shè)備或與城市平交道口信號控制設(shè)備接口，設(shè)置最少綠燈時間、相對優(yōu)先通行和絕對信號優(yōu)先的平交道口配時原則，在保證有軌電車交通暢通的前提下盡量減少其對城市道路交通的影響。為保證B級路權(quán)有軌電車的運行安全，其信號系統(tǒng)應(yīng)配置連續(xù)速度控制模式的ATP系統(tǒng)或點式ATP系統(tǒng)。

6 適用于C級路權(quán)的有軌電車信號系統(tǒng)

C級別路權(quán)有軌電車信號系統(tǒng)是一個功能僅定位于正線道岔控制和列車調(diào)度的簡易信號系統(tǒng)，其正線信號系統(tǒng)中的正線道岔控制設(shè)備、平交道口信號控制設(shè)備、車載設(shè)備的安全完整性等級（SIL）未達到4級。有軌電車信號系統(tǒng)不具備地鐵或輕軌信號系統(tǒng)的進路控制、列車追蹤、超速防護、自動運行等功能。

擁有C級路權(quán)的沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車一期工程位于沈陽市渾南新區(qū)，其現(xiàn)代有軌電車一期工程共設(shè)1、2、3、5號4條線，線路全長約59.5 km，共設(shè)車站65座（含6座預(yù)留站）。配屬低地板列車30列車，列車最小行車間隔初期5 min，遠期3 min。該工程采用了全人工控制模式的有軌電車信號系統(tǒng)，有軌電車運行實行人工調(diào)度管理模式，即由運營部門按照客流要求編制不同時期的運營時刻表（如平日時刻表、節(jié)假日時刻表等），在各線首發(fā)站、末站和車輛段設(shè)置人工調(diào)度，由調(diào)度員按照運行時刻表控制列車的出發(fā)時間和出退勤作業(yè)?？刂浦行闹行恼{(diào)度員對列車在區(qū)間的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，保證行車間隔的均勻。

擁有C級路權(quán)的有軌電車交通與城市道路交通有眾多的平交道口和與機動車及行人混行，僅依靠司機目視行車，將使有軌電車的運行安全、運行效率和運行速度受到限制。

7 B或C級路權(quán)有軌電車信號系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

目前，我國現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的實施經(jīng)驗也相對缺乏；B或C級別路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)與地鐵和輕軌系統(tǒng)相比，具有站間距離短、行車速度低，線路處于街區(qū)與機動車及行人混合運行的特點。因此有軌電車行車秩序規(guī)率性較差、行車組織較為困難，客運能力相對較弱。國外有軌電車系統(tǒng)與我國相比，運用環(huán)境差異較大，技術(shù)水平相差較多。我國缺少可參照的有軌電車信號系統(tǒng)運用水平等級，逐步實現(xiàn)有軌電車信息完全監(jiān)控是我國有軌電車系統(tǒng)運用和管理的發(fā)展趨勢。未來較完整的現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)可具備如圖2所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

車地雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)采用LTE(Long Term Evolution)技術(shù)，通過采用基于LTE技術(shù)的超大帶寬的傳輸平臺，建立無線通信專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可為車地雙向無線傳輸系統(tǒng)、無線數(shù)字集群系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)提供統(tǒng)一的無線信息傳輸載體，并實現(xiàn)這些系統(tǒng)的信息、語音和圖像業(yè)務(wù)的傳輸整合。同時LTE技術(shù)具有向其他系統(tǒng)（如：防災(zāi)系統(tǒng)、專用電話系統(tǒng)、公安通信系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、CCTV信息等）進行擴展的能力。通過采用完善的IP傳輸機制和多種QoS服務(wù)保證傳輸QoS目標(biāo)，實現(xiàn)差異化服務(wù)、保證優(yōu)先級最高的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時能夠優(yōu)先傳輸?shù)竭_目的地，不會造成中斷或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。LTE技術(shù)的應(yīng)用將使通信信號技術(shù)趨于一體，使最終實現(xiàn)通信信號一體化成為可能。

有軌電車的定位可通過GPS信號和電子標(biāo)簽校準(zhǔn)方式實現(xiàn)。

1）線路電子地圖可存儲于控制中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；

2）對于基本無遮擋物的線路，系統(tǒng)可利用衛(wèi)星信號結(jié)合讀取線路上的電子標(biāo)簽（RFID）實現(xiàn)有軌電車的位置校準(zhǔn)；

3）對于遮擋物較多或隧道較長線路，有軌電車車載設(shè)備可通過讀取線路上的標(biāo)簽（RFID）實現(xiàn)定位。

有軌電車正線的道岔控制如下。

1）正常情況下道岔接受控制中心的監(jiān)控，道岔區(qū)段的進路依據(jù)時刻表自動排列；當(dāng)控制權(quán)限被下放到本地或特殊情況下，授權(quán)司機可在有軌電車上遙控前方要通過的道岔；

2）中心只監(jiān)不控，道岔的控制完全由司機完成；特殊情況下，控制中心調(diào)度員可利用無線通信向司機發(fā)出特殊操作指令；

3）系統(tǒng)可不對道岔進行控制，對于線路條件簡單的現(xiàn)代有軌電車交通，由于道岔搬動次數(shù)較少，允許采用可擠的彈簧道岔。

車輛基地的道岔控制可有兩種方式。

1）繼電聯(lián)鎖方式；

2）計算機聯(lián)鎖方式。鑒于車輛基地一般規(guī)模較大，宜采用計算機聯(lián)鎖方式。

8 有軌電車信號系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵

采用A級別路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)宜直接采用滿足地鐵或輕軌建設(shè)規(guī)范的其安全完整性等級（SIL）達到4級的列車超速防護ATP系統(tǒng)。但因為有軌電車交通運量介于地鐵或輕軌與城市公共汽車之間，所以可研制安全完整性等級（SIL）低于4級（如SIL3級）的列車超速防護ATP系統(tǒng)，作為現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配套子系統(tǒng)。

平交道口信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計涉及城市道路交通管理部門和電車運營單位，涉及城市道路交通的統(tǒng)一規(guī)劃及交通效率，應(yīng)專題研究有軌電車最少綠燈原則、相對優(yōu)先通行原則和絕對信號優(yōu)先原則，在保證有軌電車的通行效率的同時盡量減少其對城市道路交通的影響。

北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司和北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司已于2010年發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)《北京市現(xiàn)代有軌電車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，但國家級或行業(yè)級現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范相對缺乏，使現(xiàn)代有軌電車建設(shè)主要參照地鐵或輕軌建設(shè)規(guī)范成為現(xiàn)實，應(yīng)盡快制定更有針對性的適用于現(xiàn)代有軌電車交通建設(shè)的國家級或行業(yè)級技術(shù)規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代有軌電車交通綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)為通信、信號和信息化綜合的運行控制系統(tǒng)?；贚TE技術(shù)的超大帶寬的傳輸平臺，利用國家主管部門可能規(guī)劃的城市軌道交通專用的無線頻點，可建立無線通信專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可在加強現(xiàn)代有軌電車車地雙向通信技術(shù)研究的同時，使我國現(xiàn)代有軌電車交通綜合自動化系統(tǒng)向通信信號一體化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化方向發(fā)展。

[1] 鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司.沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車一期工程1、2、3、5 號線初步設(shè)計.

[2] 鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司.佛山市南海區(qū)新型公共交通系統(tǒng)試驗段.

[3] 北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司.北京市現(xiàn)代有軌電車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].