現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)的探討

趙正平 于天澤 于佳亮

20世紀(jì)70年代以來，歐洲發(fā)達國家重新將大容量的軌道交通作為發(fā)展城市公共交通的重點。在歐洲、大洋洲和美洲，有軌電車在不同規(guī)模的城市運用非常廣泛，現(xiàn)代有軌電車已成為中小城市和大城市郊區(qū)公共交通的新興骨干模式。

在中國，現(xiàn)代有軌電車雖然起步較晚，但發(fā)展勢頭很猛。特大城市的周邊地區(qū)和中小城市，現(xiàn)代有軌電車以其便捷性、舒適性及美觀性受到市民和政府的肯定。上海、天津、大連等數(shù)個城市已經(jīng)運用多年，沈陽、蘇州、廣州等城市也在大力建設(shè)或啟動有軌電車項目。

現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)形式有多種，例如，專用路權(quán)的有軌電車 (Metrotram)、部分專用路權(quán)和無專用路權(quán)的有軌電車、與鐵路共享路權(quán)的有軌電車(Tramtrain)等。其中，不具有專用路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車，由于投資少見效快，受到了各地政府的高度關(guān)注，陸續(xù)有多個城市啟動了大規(guī)模的有軌電車建設(shè)程序。

有軌電車的種類也分為客運和貨運 (Cargot ram)等。特別是近年來新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，有力推動了有軌電車的運用和發(fā)展。例如，第三軌供電技術(shù)、單軌導(dǎo)向橡膠輪胎、低地板車輛以及信號與行車管理技術(shù)的進步等，可以代表現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)

從規(guī)范的意義來講，現(xiàn)代有軌電車需要一種適應(yīng)特定混合路權(quán)的應(yīng)用環(huán)境，采用計算機、通信、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)有軌電車的運行控制系統(tǒng)。就現(xiàn)狀來分析，該系統(tǒng)包括以下幾部分:運營調(diào)度指揮系統(tǒng)、車載控制系統(tǒng)、軌旁控制系統(tǒng)和站場控制系統(tǒng)、路口優(yōu)先系統(tǒng)、追蹤監(jiān)督系統(tǒng)等。其基礎(chǔ)部件主要包括:道岔驅(qū)動設(shè)備、信號顯示設(shè)備、各種傳感器件 (位置、速度、狀態(tài)等)、車-地通信設(shè)備、綜合監(jiān)控檢測設(shè)備、車載控制設(shè)備、車載調(diào)度跟蹤設(shè)備和顯示及操作終端等。有軌電車信號與行車管理系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

有軌電車的行車路權(quán)直接影響有軌電車運行的效率和安全，并決定著有軌電車的行車管理方式和信號控制模式。根據(jù)美國運輸研究學(xué)會的建議，軌道交通路權(quán)分類表如表1所示，可將軌道交通系統(tǒng)的路權(quán)劃分為3種形式9個類別。

圖1 有軌電車信號與行車管理系統(tǒng)構(gòu)成圖

表1 軌道交通路權(quán)分類表

在國內(nèi)外的工程實踐中，地鐵和輕軌系統(tǒng)廣泛采用A類路權(quán)，而對于有軌電車，可以采用多種路權(quán)形式。為節(jié)省投資和運營成本，大多數(shù)采用C類路權(quán)，部分路段采用B類路權(quán)。在專有的信號控制與行車管理方式下，可以有效地提高運輸效率和保證運營安全性。

本文所述的現(xiàn)代有軌電車信號與行車管理技術(shù)，是特指適用于具有B類和C類路權(quán)的有軌電車信號與控制系統(tǒng)。

2 現(xiàn)代有軌電車運行控制系統(tǒng)的特點

目前，有的設(shè)計單位將有軌電車運行控制系統(tǒng)與地鐵信號系統(tǒng)等同看待，甚至采用地鐵信號系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)，來要求現(xiàn)代有軌電車運行控制系統(tǒng)。這將不必要地提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，大幅度地提高建設(shè)投資和運營成本。但是，也有不同的意見，諸如:提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全要求是有利的;不需要信號系統(tǒng)等情況。因此，需要分析論證地鐵信號系統(tǒng)與現(xiàn)代有軌電車運行控制系統(tǒng)的差別，其實質(zhì)是對專用路權(quán)和非專用路權(quán)有軌電車運行控制系統(tǒng)的合理區(qū)分及定位。

具有專用路權(quán)的地鐵和輕軌信號系統(tǒng)，是地鐵和輕軌運行系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)技術(shù)裝備之一，直接影響到運營的效率和安全。地鐵信號系統(tǒng)一般亦可稱為具有移動閉塞功能的列車自動控制系統(tǒng)(ATC)，可以由四大系統(tǒng)組成:計算機聯(lián)鎖系統(tǒng) (SICAS)、列車自動防護系統(tǒng) (ATP)、列車自動駕駛系統(tǒng) (ATO)和列車自動監(jiān)督系統(tǒng) (ATS)。

現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)與地鐵信號系統(tǒng)的主要區(qū)別體現(xiàn)在以下幾點。

1.控制及管理對象的運行模式差異顯著。以列車、車輛行駛路權(quán)為例，地鐵列車具有“獨享”的專用路權(quán)，而現(xiàn)代有軌電車則主要是“非專用路權(quán)”或“混合路權(quán)”。因此，不能直接采用與地鐵相同的信號方式及系統(tǒng)，不能照搬地鐵的ATO、ATP運行模式。國外普遍采用類似于地鐵的“無ATP的人工駕駛模式”(在地鐵屬于非常規(guī)模式)，如西門子公司的“警告狀態(tài)下行駛的信號技術(shù)系統(tǒng)”，甚至不需要專門的信號及控制系統(tǒng) (傳統(tǒng)電車)。

2.世界上多數(shù)國家普遍將有軌電車包含在道路機動車范圍內(nèi)，適用于國家的道路交通法。例如，英國國家鐵路標(biāo)準(zhǔn) (國家鐵路監(jiān)督管理辦公室ORR)定義了有軌電車的3種線路形式:開放、半隔離、封閉 (包括懸浮、高架)。并規(guī)定在前2種線路形式情況下采用目視駕駛;第3種路形采用目視與信號結(jié)合駕駛方式。如此規(guī)范的核心正是與地鐵信號系統(tǒng)的關(guān)鍵差別:保證安全的手段主要是靠駕駛者 (人工方式)，而不是依賴于信號設(shè)備系統(tǒng)。

3.ORR規(guī)范了目視駕駛的含義:有軌電車車輛可以通過駕駛者人工制動剎車，在前方障礙時，以預(yù)期速度停車，而不需要或不強制要求自動停車。控制有軌電車運行的主要目的是:防止碰撞、防止在臨界點或道岔上的脫軌 (當(dāng)目視駕駛時，其前進信號與道路交通信號相似)。

4.受路權(quán)以及運用環(huán)境的限制，有軌電車行駛過程中的道岔控制和信號表示，可以分布式就地控制，特別是可以通過運行車輛 (駕駛者)自主發(fā)送進路控制指令或控制道岔動作，并且通常是常態(tài)或標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)方式。而這種方式在地鐵信號中是絕對禁止的。此外，有軌電車軌旁信號設(shè)備的安裝與地鐵有較大的不同。例如轉(zhuǎn)轍機設(shè)備等，必須安裝在道路平面以下;地鐵普遍采用的軌道電路方式，在現(xiàn)代有軌電車領(lǐng)域也受到極大地限制。

5.有軌電車信號系統(tǒng)要考慮與交警部門管理的道路交通信號相結(jié)合，必須遵循道路交通信號行車 (也可以采用有軌電車優(yōu)先處理)，而地鐵信號系統(tǒng)則不存在類似問題。

6.工程造價方面 (單位經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo))，現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)明顯低于地鐵信號系統(tǒng) (三分之一以下)。

上述差別和特點，決定了現(xiàn)代有軌電車信號與行車管理系統(tǒng)，不能直接采用地鐵和一般的軌道交通信號設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也不宜直接采用與地鐵信號系統(tǒng)對應(yīng)的安全完整性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。因此，必須盡快研究或采用更加適用、更有針對性的系統(tǒng)設(shè)計方案和技術(shù)規(guī)范。

3 典型現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)的主要技術(shù)方案

在歐洲，西門子交通技術(shù)集團提出一種模塊化的有軌電車信號系統(tǒng)，它基于信號、通信和運行控制技術(shù)，能夠適合不同運營要求，提供低成本的解決方案。與傳統(tǒng)的地鐵信號系統(tǒng)相比，這種有軌電車信號的一個重要特點是由車輛自動設(shè)置進路，并可探測自身所處的位置。位于前方的路口和車站可提前獲得列車即將到達的通知，這樣可在路口獲得優(yōu)先通過的道岔轉(zhuǎn)換信號并更新車站的旅客信息。即使車站控制中心完全癱瘓，也能保證列車?yán)^續(xù)運行。西門子公司提供了4套互相獨立的工作系統(tǒng):①運行控制和行車調(diào)度系統(tǒng) (VICOSLIO);②旅客信息系統(tǒng) (Smartinfo);③警告狀態(tài)下行使的信號技術(shù)系統(tǒng);④通信設(shè)備。

道岔控制和信號顯示系統(tǒng)的請求是通過車輛自動發(fā)送的，無須得到控制中心的指示。根據(jù)即將到達車輛所需要的進路，道岔的位置可單獨進行控制;有軌電車將其在規(guī)定行車間隔內(nèi)的確切位置傳送給運行控制中心。實際的車輛位置由里程表脈沖發(fā)生器進行計算，規(guī)定地點的確切位置通過ORBAS位置信標(biāo)傳送給車輛。

4 沈陽現(xiàn)代有軌電車運行控制系統(tǒng)

沈陽渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車一期工程是目前我國在建的最大現(xiàn)代有軌電車項目，其中1、2、3、5、6號線在建，4、7、8號線待建，已經(jīng)建成線路全長約62.5km，共設(shè)車站65個 (含6個預(yù)留站)，1個車輛段，2個綜合交通樞紐，1個停車場。

沈陽現(xiàn)代有軌電車運行控制系統(tǒng) (信號工程)，其設(shè)計理念與前述西門子公司的類似，適合我國國情。該系統(tǒng)主要由正線信號系統(tǒng)、車輛段/停車場聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、運營調(diào)度系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、路口優(yōu)先系統(tǒng)、車輛追蹤系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖2所示。

正線信號系統(tǒng)由車載設(shè)備和軌旁設(shè)備組成。車載設(shè)備和軌旁控制設(shè)備采用ISM頻段的無線通信設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸;車載設(shè)備與控制中心采用無線和有線通信進行數(shù)據(jù)傳輸;軌旁控制設(shè)備采用光纖將數(shù)據(jù)傳送到控制中心。

圖2 沈陽有軌電車信號及行車管理系統(tǒng)示意圖

正線道岔部分，采用司機通過車載設(shè)備遙控道岔轉(zhuǎn)換的方式，并設(shè)置進路表示器進行防護;當(dāng)停電及道岔故障以及運行需要時，可轉(zhuǎn)為手動道岔轉(zhuǎn)換。正線道岔控制系統(tǒng)分為車控模式和地控模式。車控模式是指控制點內(nèi)的道岔信號，全部在電車上進行控制，電車司機通過車載操作盤操作地面信號設(shè)備;地控模式是操作人員通過地面操作按鈕，操作信號設(shè)備。當(dāng)車控模式失效對，所有區(qū)域內(nèi)的車輛都必須采用地面操作按鈕進行操作。

車輛組合定位部分，采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合車輪測距、位置傳感設(shè)備等，實現(xiàn)車輛自主連續(xù)定位?？刂浦行目梢詫α熊囘\行狀態(tài)進行實時自動跟蹤監(jiān)測。

運營調(diào)度輔助系統(tǒng)負責(zé)電車運行計劃的編制和下達，指揮電車按計劃行車，并在電車運行過程中，對電車運行的全過程進行跟蹤，可以自動調(diào)整電車運行時刻，提供司機控制或半自動進路控制。

運營調(diào)度系統(tǒng)由數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信服務(wù)器、培訓(xùn)服務(wù)器、通信前置機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、用戶工作站(包括調(diào)度員工作站、模擬/培訓(xùn)工作站、時刻表編輯工作站、系統(tǒng)管理員工作站等)、大屏幕接口工作站以及網(wǎng)絡(luò)通信、存儲和打印設(shè)備等構(gòu)成。

5 結(jié)束語

以現(xiàn)代有軌電車信號與行車管理技術(shù)為主題，針對系統(tǒng)的技術(shù)特點、與地鐵信號系統(tǒng)的區(qū)別、目前存在的主要問題及發(fā)展設(shè)想等加以闡述，并根據(jù)典型系統(tǒng)技術(shù)方案，指出目前工程設(shè)計中的認(rèn)識差異和一些標(biāo)準(zhǔn)問題。

［1］ 林瑜筠，李鵬，李岱峰，等．鐵路信號新技術(shù)概論［M］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［2］ 中華人民共和國鐵道部．TB10007-2006．鐵路信號設(shè)計規(guī)范［S］．2006．

［3］ 馮琳玲，劉湘國．高速鐵路軌道電路［M］．北京:中國鐵道出版社，2011．6 ．

［4］ 黃衛(wèi)中．區(qū)域計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)［J］．鐵道通信信號，2005，41(9):6 －10．