有軌電車目視駕駛信號系統(tǒng)方案研究

李 杰

現(xiàn)代有軌電車的運行存在不同的路權形式，包括全開放的混合路權、半封閉的部分獨立路權和全封閉獨立路權。根據不同路權，有軌電車的信號系統(tǒng)大致可分為3種不同的解決方案：①目視駕駛方案；②具備列車自動停車 （防止闖紅燈Train stop）的駕駛方案；③具備自動列車防護功能（ATP）的駕駛方案。

根據實際運能需求、項目投資預算、行車調度和運營管理等多方面因素，目前國內已建和擬建的有軌電車項目多采用司機目視駕駛方案。該方案的信號系統(tǒng)不具備超速防護、間隔追蹤、冒進信號機防護等安全功能，司機在行車過程中需要觀察其他車輛、限速標志、進路表示器、交通信號燈等設備設施。

1 目視駕駛模式的信號系統(tǒng)結構

以成都現(xiàn)代有軌電車項目為例，介紹目視駕駛模式下的信號系統(tǒng)結構。如圖1所示，主要包括：運營控制中心、道岔區(qū)域聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、IMU100車－地傳輸系統(tǒng)、軌道空閑檢測系統(tǒng)、路口交通控制系統(tǒng)、信號機和車載及其他軌旁設備等。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

2 系統(tǒng)配置方案

2．1 道岔區(qū)域聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

圖2是一個簡化的聯(lián)鎖配置示意圖，其核心是基于標準的工業(yè)級SIMATIC S7平臺，由一個搭載了應用軟件的CPU模塊和連接外部元件的I／O數(shù)字接口模塊組成。接口模塊和CPU之間使用Profisafe協(xié)議通信。整個系統(tǒng)符合故障導向安全。整個聯(lián)鎖機柜采用模塊化的軟硬件設計，可大大降低項目的設計和維護成本。

聯(lián)鎖機柜實現(xiàn)對外部元件的集中控制和監(jiān)控，通過PLC的I／O模塊實現(xiàn)遠程控制軌旁設備，如轉轍機、進路信號機等，同時負責監(jiān)控道岔位置、軌道的空閑／占用信息、信號機顯示狀態(tài)，接收有軌電車發(fā)來的進路請求等。聯(lián)鎖CPU通過分析收到的信息，從而控制輸出，鎖閉并開放用于列車運行的進路。

2．2 IMU100車－地傳輸系統(tǒng)

IMU100（西門子車－地通信感應傳輸系統(tǒng)）包括：車載單元、車載天線、軌旁天線或環(huán)線、軌旁接收器。它是通過車載天線傳輸數(shù)據報文，來實現(xiàn)路口優(yōu)先權請求和岔區(qū)進路請求的功能。當有軌電車通過軌旁天線時，車載單元將預設好的車輛信息以數(shù)據報文的形式，通過車載天線發(fā)送給軌旁天線或環(huán)線，軌旁天線或環(huán)線將收到的信息傳遞給軌旁接收器。

軌旁接收器CPU850放置在路口機柜內，用來接收來自軌旁天線的信息，并傳送信息給路口交通控制器。路口交通控制器根據收到的信息，判斷有軌電車距離路口的距離，并結合交管局設定的路口紅綠燈相位邏輯，給出有軌電車行車信號。平交路口信號優(yōu)先的控制策略可分為絕對優(yōu)先策略、相對優(yōu)先策略和部分優(yōu)先策略3種，見表1。

表1 有軌電車路口信號優(yōu)先控制策略比選表

2．3 軌道空閑檢測系統(tǒng)

軌道空閑檢測系統(tǒng)由軌道電路和軌道電路控制器Tracon（西門子有軌電車專用軌道電路）組成，布置在道岔區(qū)域，用作檢測軌道電路區(qū)域是否存在軌道車輛。軌道電路包含軌道電感和電容組成的諧振電路。有軌電車通過軌道電路時，由于車輪短路鐵軌，從而降低了輸出電壓。任何電壓的跌落會被Tracon模塊采集，并作為軌道電路被占用的標準而被評估。如果車輛離開軌道電路區(qū)域，輸出電壓開始再次回升，Tracon模塊評估后給出軌道電路空閑的指示。系統(tǒng)可以在社會車輛和有軌電車占用之間做出區(qū)分，確保給出可靠的占用／空閑指示。

圖2 聯(lián)鎖配置示意圖

2．4 路口交通控制系統(tǒng)

路口交通控制系統(tǒng)中，交通控制器接收來自車地傳輸系統(tǒng)的信息，評估有軌電車距離路口的相對位置，再根據當前路口交通信號燈的相位以及預定的路口優(yōu)先策略最終發(fā)出交通信號燈信號。

2．5 運營控制系統(tǒng)

目前，國內司機目視駕駛的有軌電車項目要求設置運營控制系統(tǒng) （OCC），OCC需能實現(xiàn)對有軌電車的運輸組織管理、運行監(jiān)控、車輛運用、供電監(jiān)控、維修管理等 “人－車－路－站－段”一體化、智能化、綜合化和集成化管理。

3 設計討論

根據目前有軌電車信號系統(tǒng)設計中存在的不同需求，給出一些建議。

3．1 正線聯(lián)鎖的冗余設計

PLC的冗余設計在工控領域已有成熟方案。包括CPU冗余、軟件設計冗余、通信通道冗余、I／O模塊冗余等。其中PLC雙CPU的硬件冗余方案是通過軟件完成雙CPU的控制，2塊CPU同時在線運行，一塊處于主控制模式，另一塊處于熱備模式。擁有主控制權的CPU具有輸出控制權，而熱備CPU同時采集數(shù)據和保持通信連接，但輸出被禁止。2個CPU模塊互相監(jiān)視對方的運行狀態(tài)和通信情況，一旦發(fā)現(xiàn)對方故障，立即發(fā)出報警，并上傳給運營調度中心。如果是主控CPU故障，熱備CPU自動切入獲得主控權，雙CPU模塊實現(xiàn)無擾動切換。

但對于有軌電車目視駕駛，正線聯(lián)鎖是否必須采用冗余設計的要求，行業(yè)中有不同的意見。雖然冗余技術提高系統(tǒng)的平均無故障時間，縮短系統(tǒng)平均故障修復時間，但如果獨立系統(tǒng)自身已經達到要求的平均無故障時間，那么就沒有必要采用冗余技術。因為冗余設計會增加系統(tǒng)的復雜度，同時冗余配置會增加用戶的系統(tǒng)投資。

3．2 有軌電車專用信號機

有軌電車要求司機根據地面有軌電車專用信號機的顯示、目視駕駛行車。此時除道岔區(qū)段設有軌電車專用信號機 （進路信號機）外，在平交路口也需設置有軌電車專用信號機，司機目視并依據專用信號燈顯示控制行車。這樣就需要在路口交通控制系統(tǒng)中，增加安裝專用信號機控制設備，接收交通控制器的指令，控制信號機的顯示，同時監(jiān)控信號機的顯示狀態(tài)，并反饋給交通信號控制器。即交通信號控制器不僅要控制和檢測路口交通信號紅綠燈，還要控制和檢測有軌電車專用信號機。針對這一點的設計需要預先與交通管理部門確定控制策略。

3．3 進路控制盤

當車－地通信故障或車載設備故障時，有軌電車不能自動或司機手工遙控操縱道岔。司機需要通過設置于軌旁進路信號機上的進路控制盤，手動進行道岔的控制操作。待列車出清道岔區(qū)段后，進路解鎖，其他列車方可通行?？刂票P可以安裝在進路信號機內。

3．4 計軸設備

計軸設備由計軸機柜和軌旁設備組成。利用發(fā)送磁頭交變磁通變化，接收磁頭感應相應信號幅值改變的原理，分析判斷道岔區(qū)域占用出清狀態(tài)和行車方向。與軌道電路相比，安全性和可靠性更高，但安裝維護較復雜，投資成本過高。計軸設備國內更多應用于干線鐵路和城市地鐵交通。歐洲有軌電車信號設計經驗普遍建議采用軌道電路。

4 總結

介紹了司機目視駕駛條件下信號系統(tǒng)的配置方案，重點介紹系統(tǒng)組成、基于SIMATAC S7的聯(lián)鎖配置、車－地通信系統(tǒng)和軌道電路空閑檢查系統(tǒng)，同時，對于設計中存在的不同需求給出一些建議。

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

［2］ 中華人民共和國 ．GB／T12758－2004．城市軌道交通信號系統(tǒng)通用技術條件［S］．2004．

［3］ 王灝 ．現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實踐［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

［4］ 朱濟龍 ．現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)概論［M］．北京：中國機械工業(yè)出版社，2015．