現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)方案研究

李強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)方案研究

李強(qiáng)

(蘭州交通大學(xué) 光電技術(shù)與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)現(xiàn)代有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題。重點(diǎn)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)中涉及安全的正線道岔控制子系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的功能、組成和結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)轍機(jī)控制、車地通信和列車定位等關(guān)鍵集成技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了一種兼顧效率與安全考慮的進(jìn)路控制方法和一套基于完全國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的系統(tǒng)方案。

有軌電車；道岔控制；車地通信；進(jìn)路控制；列車定位

0 引 言

傳統(tǒng)有軌電車在二十世紀(jì)前三十年得到了快速的發(fā)展，但隨著汽車工業(yè)的崛起，傳統(tǒng)有軌電車因其噪音、靈活性和效率等諸多劣勢(shì)逐步退出歷史舞臺(tái)[1]?，F(xiàn)代有軌電車采用電力驅(qū)動(dòng)、低地板列車和自動(dòng)控制等新技術(shù)，以較大的載運(yùn)量、綠色環(huán)保、城市景觀效果好及投資規(guī)模小等綜合優(yōu)勢(shì)得以快速發(fā)展[2]，近30年僅在法國(guó)有超過十個(gè)城市近30條現(xiàn)代有軌電車線路投入運(yùn)營(yíng)[3]，近年來也逐步進(jìn)入中國(guó)，在上海張江開發(fā)區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)和沈陽渾南新區(qū)建成投運(yùn)，也有很多城市在規(guī)劃建設(shè)中。

1 現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)

信號(hào)系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行指揮系統(tǒng)，有軌電車由司機(jī)駕駛，遵照信號(hào)燈及操作控制道岔設(shè)備信號(hào)的指示，按照行車運(yùn)行計(jì)劃和規(guī)則行駛。信號(hào)系統(tǒng)為了保證基本行車安全和盡可能高的行車效率，采用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車的定位、車地通信、信號(hào)設(shè)備的自動(dòng)控制和調(diào)度的信息化。信號(hào)系統(tǒng)主要解決的幾個(gè)問題：(1)運(yùn)營(yíng)調(diào)度，在控制中心進(jìn)行行車計(jì)劃的編制和下發(fā)，對(duì)實(shí)際列車運(yùn)行情況跟蹤監(jiān)督。(2)車地之間，車上司機(jī)對(duì)地面道岔進(jìn)行遙控從而實(shí)現(xiàn)走行方向的選擇[4]59，道岔響應(yīng)司機(jī)的操作指令并且進(jìn)行線路占用條件的判斷，符合安全邏輯的條件下轉(zhuǎn)動(dòng)到位并且聯(lián)動(dòng)控制地面信號(hào)燈指示，反饋車上司機(jī)運(yùn)行許可信號(hào)。(3)列車與控制中心之間，控制中心需要掌握所有列車運(yùn)行的位置，控制中心需要將運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)至列車。(4)控制中心與地面信號(hào)之間，控制中心需要地面設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息以便快速做出反應(yīng)，控制中心也可以根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃和列車運(yùn)行位置遠(yuǎn)程控制道岔設(shè)備的動(dòng)作從而提高運(yùn)行效率[4]59。

現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)制式并非完全一致，根據(jù)具體線路和路權(quán)的設(shè)計(jì)存在差異性[5]55。

2 正線道岔控制系統(tǒng)

總體分析，現(xiàn)代有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)分為正線道岔控制系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度兩大子系統(tǒng)[5]56。正線道岔控制系統(tǒng)是信號(hào)系統(tǒng)中唯一涉及安全的子系統(tǒng)，并且作為主要的地面控制設(shè)備與道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸等信號(hào)設(shè)備直接連接，還需通過無線和有線通信接口與車載設(shè)備、控制中心進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交互。正線道岔控制系統(tǒng)的核心設(shè)備是在每個(gè)有軌電車車站安裝軌旁的道岔控制柜，如圖1。

圖1 正線道岔控制系統(tǒng)組成與系統(tǒng)連接圖

道岔控制柜中配置核心邏輯運(yùn)算單元，運(yùn)算單元通過通信總線與其他控制接口設(shè)備交互，接收控制命令，采集地面信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，向控制接口板發(fā)送指令控制地面信號(hào)設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)向車載和控制中心發(fā)送信號(hào)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息?；诎踩缘目紤]，核心運(yùn)算單元在硬件上應(yīng)該采用二取二制式。

驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備有道岔控制單元和信號(hào)機(jī)控制單元。道岔控制單元要能夠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作并采集轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示狀態(tài)。在傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)控制領(lǐng)域，轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)采控制采用的是重力式繼電器組合，觸點(diǎn)控制方式，控制設(shè)備規(guī)模較大并且設(shè)備連接需要進(jìn)行焊線，軌旁控制柜根本無法容納如此笨重的控制設(shè)備，所以道岔控制采用電子化、模塊化和無觸點(diǎn)的控制板卡設(shè)備是必然的選擇。電子化道岔控制設(shè)備可以采用電力電子開關(guān)技術(shù)、二取二控制校核方法、閉環(huán)檢測(cè)方法、冗余通信總線技術(shù)來保證其安全性和可靠性[6]。一個(gè)道岔控制單元控制一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)，電氣特性方面目前國(guó)內(nèi)有軌電車轉(zhuǎn)轍機(jī)多采用AC380V和AC220V驅(qū)動(dòng)兩種制式。有軌電車信號(hào)機(jī)一組有三個(gè)燈位顯示，分別是紅色禁止燈光，綠色直行指示燈光，黃色轉(zhuǎn)向指示燈光，一個(gè)信號(hào)機(jī)控制單元可設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)一組或兩組信號(hào)機(jī)，信號(hào)機(jī)采用LED信號(hào)燈，控制單元輸出AC220V驅(qū)動(dòng)電源與信號(hào)點(diǎn)燈變壓器連接。道岔控制單元和信號(hào)控制單元設(shè)計(jì)要遵循基本的“故障—安全”原則，比如信號(hào)機(jī)控制單元在通信中斷的情況自動(dòng)點(diǎn)亮紅燈，道岔控制單元操動(dòng)道岔啟動(dòng)后無論任何條件變化都要持續(xù)驅(qū)動(dòng)到位[7]。

接口設(shè)備有通信接口單元和軌道狀態(tài)檢測(cè)單元。通信接口單元又分為車地通信接口單元，控制中心通信接口單元，接口單元負(fù)責(zé)將核心運(yùn)算單元的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其他有線或無線方式的通信數(shù)據(jù)傳輸至車載和控制中心。

核心運(yùn)算單元與道岔控制單元、信號(hào)機(jī)控制單元、通信接口單元、軌道狀態(tài)檢測(cè)單元之間采用通信總線方式連接，CAN總線最為常用，也可采用串行或CPCI總線等。

3 道岔控制邏輯

道岔路口的行車規(guī)則、道岔控制邏輯與有軌電車具體線路的路權(quán)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)規(guī)劃有關(guān)系，這里設(shè)計(jì)一種兼顧安全與效率的方案。道岔路口設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 道岔路口信號(hào)布置圖

1#、2#、3#為路口號(hào)，對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)為車地通信有效進(jìn)入范圍。A、B、C點(diǎn)設(shè)計(jì)為區(qū)段占用檢測(cè)點(diǎn)，用作檢測(cè)列車占用或通過。進(jìn)路處理邏輯如下：

(1)初始狀態(tài)下，即在系統(tǒng)上電復(fù)位后，進(jìn)路區(qū)段即道岔區(qū)段處于占用狀態(tài)，信號(hào)燈XI、XII、XIII處于紅燈狀態(tài)，道岔區(qū)段占用狀態(tài)通過在車載設(shè)備或現(xiàn)地操作盤上進(jìn)行確認(rèn)復(fù)位后恢復(fù)正常即出清狀態(tài)。

(2)列車行至1#路口時(shí)，司機(jī)根據(jù)信號(hào)燈XI顯示行車，信號(hào)燈顯示紅燈、進(jìn)路區(qū)段出清、未排列進(jìn)路，此種情況下，司機(jī)根據(jù)行車需要通過車載設(shè)備排列直行或右行進(jìn)路，道岔轉(zhuǎn)動(dòng)到位后信號(hào)燈開放，直行開放綠燈，右行開放黃燈，道岔鎖閉，以XI為始端的進(jìn)路排列成功。

(3)信號(hào)開放后列車駛?cè)氲啦韰^(qū)段，A點(diǎn)檢測(cè)到區(qū)段占用后信號(hào)關(guān)閉，進(jìn)路狀態(tài)改變?yōu)檫M(jìn)路占用，列車駛過道岔區(qū)段后原進(jìn)路信號(hào)自動(dòng)開放，道岔保持鎖閉狀態(tài)，后續(xù)同向列車不需要再排列進(jìn)路，根據(jù)信號(hào)開放顯示行車。

(4)進(jìn)路開行方向與計(jì)劃行車方向不一致的時(shí)候，司機(jī)需要取消已排進(jìn)路后再根據(jù)需要排列新的進(jìn)路。

(5)已排列了以XI信號(hào)機(jī)為始端的進(jìn)路時(shí)，如果列車行至2#路口即XII信號(hào)機(jī)前方并計(jì)劃由2#路口行至1#路口，或者計(jì)劃實(shí)施直行折返作業(yè)行至3#路口方向，計(jì)劃行進(jìn)方向與已排進(jìn)路方向相反，此時(shí)確認(rèn)道岔區(qū)段無車后通過取消進(jìn)路操作后再排列需要的進(jìn)路，已排進(jìn)路取消后XI信號(hào)機(jī)隨即關(guān)閉轉(zhuǎn)向紅燈。

(6)三個(gè)路口的信號(hào)燈在同一時(shí)間最多只能有一個(gè)信號(hào)機(jī)處于開放狀態(tài)。

該設(shè)計(jì)方法中，引入進(jìn)路和信號(hào)燈防護(hù)的概念，相比完全由司機(jī)人工判斷行車大幅提高了安全性；列車駛?cè)?，信?hào)關(guān)閉，列車駛出，信號(hào)自動(dòng)開放，后續(xù)列車無需操作連續(xù)行進(jìn)，保證了較高的效率。

4 車地通信技術(shù)

目前的信號(hào)系統(tǒng)方案中，車地通信采用了多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，主要有802.11無線網(wǎng)絡(luò)WLAN通信加電子標(biāo)簽定位方式、感應(yīng)式通信環(huán)線技術(shù)、RFD射頻識(shí)別技術(shù)[8]。更為先進(jìn)的發(fā)展方向是采用4 G移動(dòng)通信LTE技術(shù)，通過采用基于LTE技術(shù)的超大帶寬的傳輸平臺(tái)，建立無線通信專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅可用于車地雙向通信，還可為其他如旅客引導(dǎo)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)[5]58。

道岔控制柜與控制中心通信多采用光網(wǎng)有線通信方式，為了提高可靠性，也可采用工業(yè)環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

4.1 無線網(wǎng)絡(luò)加電子標(biāo)簽方式

道岔控制柜作為WLAN通信的局部中心端，車載設(shè)備配置有無線AP，列車進(jìn)入WLAN信號(hào)范圍后通過驗(yàn)證自動(dòng)接入，接入后就可以收到地面控制單元發(fā)送的呼叫信息從而實(shí)現(xiàn)與地面的通信。但是為了防止非法用戶接入和前后多趟列車同時(shí)接入后對(duì)道岔的無序操作，需要確認(rèn)先到達(dá)列車和對(duì)列車的操作授權(quán)，此時(shí)需要使用電子標(biāo)簽[9]。無源電子標(biāo)簽可以存儲(chǔ)道岔標(biāo)識(shí)號(hào)、路口號(hào)和相關(guān)的位置信息，電子標(biāo)簽埋置于軌間，并且在岔前、岔后和彎股三個(gè)接近道岔區(qū)段的位置設(shè)置，如圖2的1#、2#、3#三點(diǎn)，列車接近道岔區(qū)段，可以從電子標(biāo)簽讀入該道岔的識(shí)別信息，將該識(shí)別信息和該列車的車次號(hào)組合編碼，通過WLAN通信發(fā)送給道岔控制柜進(jìn)行校驗(yàn)，說明該列車是最先接近道岔區(qū)段的，核心運(yùn)算單元接收到該信息后校驗(yàn)道岔識(shí)別號(hào)正確并且道岔區(qū)段處于完全空閑狀態(tài)，即可給該車次號(hào)列車授權(quán)進(jìn)行道岔控制，可以響應(yīng)該列車的道岔操動(dòng)指令，該授權(quán)的有限期一直延續(xù)到列車壓入道岔區(qū)段并且全列通過后道岔區(qū)段恢復(fù)空閑終止，在此期限內(nèi)不再向其他進(jìn)入道岔控制范圍的列車進(jìn)行授權(quán)和響應(yīng)其操作指令。4.2 感應(yīng)式通信環(huán)線方式

感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)通信方式是采用環(huán)形布置的電纜作為發(fā)射天線的一種無線數(shù)據(jù)傳輸方式。感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)包括軌間環(huán)線電纜、車載天線和地面車載的數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備三部分。道岔控制柜中，核心運(yùn)算單元通過感應(yīng)環(huán)線通信接口板主動(dòng)發(fā)送呼叫信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過接口板調(diào)制為FSK信號(hào)，發(fā)送到軌間的環(huán)線電纜，列車駛?cè)胄盘?hào)機(jī)前方接近區(qū)段的通信環(huán)線鋪設(shè)范圍，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過車載天線感應(yīng)到來自地面的呼叫信號(hào)，此信號(hào)被送入車載設(shè)備的環(huán)線通信接口板，經(jīng)過諧振、放大、濾波和解調(diào)，最終還原為有效的數(shù)據(jù)信息，接口板將信息轉(zhuǎn)送給車載控制單元處理[10]，車載控制單元收到呼叫信息意味著進(jìn)入道岔控制區(qū)域范圍，并且從呼叫信息中獲知路口號(hào)、前方進(jìn)路信息和道岔位置信息，此時(shí)車載單元要回傳包含路口號(hào)的應(yīng)答信息給地面道岔控制柜，道岔操作指令也包含在應(yīng)答信息中，應(yīng)答信息傳輸過程與呼叫信息傳輸過程正好相反，地面控制單元收到應(yīng)答信息后校驗(yàn)路口號(hào)回傳一致并讀取該趟列車車次號(hào)，解析道岔控制命令進(jìn)行運(yùn)算執(zhí)行。在該趟列車未完全駛過該路口的情況下不再響應(yīng)其他應(yīng)答信息，防止列車連續(xù)跟進(jìn)造成道岔誤動(dòng)作。

感應(yīng)通信環(huán)線實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向通信，采用微距通信和專用頻率，相對(duì)開放式的WLAN通信方式，具有安全性高、數(shù)據(jù)無延遲、通信對(duì)象唯一、準(zhǔn)確和快速的優(yōu)勢(shì)。

5 列車定位技術(shù)

傳統(tǒng)鐵路中多采用的軌道電路列車定位技術(shù)，在開放式和嵌入地面的有軌電車線路上是不適用的，現(xiàn)代有軌電車多采用計(jì)軸、重力感應(yīng)環(huán)、感應(yīng)通信環(huán)線、GPS定位等方式進(jìn)行列車的定位追蹤。正線道岔控制子系統(tǒng)中，分為接近區(qū)段、道岔區(qū)段和離去區(qū)段軌道占用情況檢測(cè)，需要配置符合“故障—安全”原則的定位設(shè)備，一般采用組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)，比如車地通信中介紹的感應(yīng)通信環(huán)線也可作為檢測(cè)列車接近和離去的手段，信標(biāo)加WLAN通信的方式也可以作為另一種接近和離去區(qū)段占用檢測(cè)手段[11]，道岔區(qū)段一般采用安全性較高的計(jì)軸設(shè)備，或者也可以采用基于安全設(shè)計(jì)加至少兩點(diǎn)檢查安全邏輯判斷的重力感應(yīng)環(huán)設(shè)備，計(jì)軸和重力感應(yīng)環(huán)設(shè)備布置點(diǎn)類似，如圖2在A、B、C三點(diǎn)布置。

6 結(jié)束語

正線道岔控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)中唯一涉及安全的子系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)開通線路多采用國(guó)外技術(shù)集成設(shè)備，比如西門子的全套系統(tǒng)。但就一套可靠高效的信號(hào)系統(tǒng)的各項(xiàng)集成技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)都有成熟的國(guó)產(chǎn)化的應(yīng)用實(shí)例，比如全電子化道岔及信號(hào)控制技術(shù)、計(jì)軸設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車定位、二取二的安全計(jì)算平臺(tái)都通過了歐標(biāo)SIL4級(jí)認(rèn)證并在國(guó)鐵和地鐵應(yīng)用，感應(yīng)式通信環(huán)線實(shí)現(xiàn)車地通信也已應(yīng)用于高鐵線路[12]。基于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)鐵路復(fù)雜聯(lián)鎖關(guān)系的研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)鎖安全方面也是國(guó)際領(lǐng)先的。所以在有軌電車信號(hào)系統(tǒng)方面，應(yīng)該堅(jiān)持走完全國(guó)產(chǎn)化的道路，降低成本，推動(dòng)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

[ 1 ] 秦國(guó)棟，苗彥英，張素燕. 有軌電車的發(fā)展歷程與思考[J].城市交通，2013，11(4)：6-11.

[ 2 ] 唐淼，馬韻. 現(xiàn)代有軌電車在城市區(qū)域內(nèi)的適應(yīng)性[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(8):71-75.

[ 3 ] 衛(wèi)超，顧保南.歐洲現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展及其啟示[J].城市軌道交通研究，2008,11(1):11-14.

[ 4 ] 王國(guó)軍，賈利生，韓曉.有軌電車道岔控制方案及安裝方式研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(1)：57-60.

[ 5 ] 孫吉良.現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)及技術(shù)關(guān)鍵的研究[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2013，10(4):55-59.

[ 6 ] 何濤，范多旺，魏宗壽.鐵路車站信號(hào)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖全電子執(zhí)行單元研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2007，29(2):118-121.

[ 7 ] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T3027—2002,計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002.

[ 8 ] 王力. 新型有軌電車的信號(hào)系統(tǒng)[J].鐵道通信信號(hào)，2009，45(1):33-34.

[ 9 ] 唐賈言. 現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2010,51(12):61-65.

[10] 劉偉中.一種基于感應(yīng)環(huán)線通信的數(shù)據(jù)接收器設(shè)計(jì)[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2013，10(5):58-62.

[11] 李鴻旭，喻智宏，劉圣革. 現(xiàn)代有軌電車智能控制系統(tǒng)中的車輛定位技術(shù)方案[J].都市快軌交通，2013，26(6):160-162.

[12] 李向紅. 軌間環(huán)線車地通信系統(tǒng)在高速鐵路中的應(yīng)用[J]. 鐵路通信信號(hào)設(shè)計(jì),2003,25(3):17-19.

A Study on the Switch Control System of the Main Track of Modern Trams

LI Qiang

(Key Laboratory of Photoelectric Technology and Intelligent Control of the Ministry of Educationin Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu,730070, China)

The paper analyzes the key problems to be solved in the signaling control system of modern trams. It analyzes the functions, composition and structure of the main track switch control subsystem concerned with the safety of the signaling system, makes an analytic comparison of key integration techniques such as switch machine, tram-ground communication and tram positioning, and presents a route control method achieving balance between efficiency and safety as well as a fully localized system solution.

tram; switch control;tram-ground communication;route control;tram positioning

蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2012033)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.034

U284.5

A

1000-3886(2015)02-0100-03

李強(qiáng)，(1980-)， 男，甘肅慶陽人，講師，碩士生。

定稿日期: 2014-08-29