現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的研究*

趙曉春 陳光武

(1.蘭州交通大學(xué)自動控制研究所,730070,蘭州; 2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的研究*

趙曉春1,2陳光武1,2

(1.蘭州交通大學(xué)自動控制研究所,730070,蘭州; 2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的研究，包含道岔控制模式的選擇、軌旁聯(lián)鎖控制器的開發(fā)設(shè)計、軌旁聯(lián)鎖控制器設(shè)置方案及道岔區(qū)域電車定位方式的比較和選取。車載進(jìn)路模式在提高效率的同時降低了司機(jī)的勞動強(qiáng)度。軌旁聯(lián)鎖控制器采用全電子化執(zhí)行單元代替了有接點的繼電器。聯(lián)鎖控制器區(qū)域化設(shè)計將集中和分散控制的優(yōu)勢集為一體,結(jié)構(gòu)簡單且投資小。組合電子標(biāo)簽定位克服了其它單一定位手段的缺陷。該設(shè)計方案使得現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單,性能安全可靠,且投資小,適合現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展。

現(xiàn)代有軌電車;道岔控制; 聯(lián)鎖控制器

與地鐵、輕軌相比,現(xiàn)代有軌電車造價低廉、運能適中,適合市區(qū)小曲線半徑和大坡度運行,是我國未來城市軌道交通的發(fā)展方向之一。而100%低地板有軌電車憑借其出色的舒適性、人性化及美觀度等特點,正如雨后春筍般地發(fā)展[1]。對于非獨立路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車,沒有列車自動防護(hù)和自動駕駛的運營需求[2]。這種情況下,如何保證運營安全,提高效率,降低成本,減輕司乘人員勞動強(qiáng)度，是有軌電車設(shè)計的主要任務(wù)。

現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)主要包括運營調(diào)度子系統(tǒng),車輛段聯(lián)鎖子系統(tǒng),正線道岔控制子系統(tǒng),道口信號子系統(tǒng),通信子系統(tǒng)以及車載子系統(tǒng)等。其中，有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車正線信號系統(tǒng)的重要而關(guān)鍵的一大系統(tǒng)[3]。因此,研究現(xiàn)代有軌電車正線信號系統(tǒng),主要是分析設(shè)計正線道岔控制系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)

有軌電車的傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)在控制模式、定位方案、聯(lián)鎖控制器硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)及設(shè)置方案等方面還存在一定的不足。

傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)的道岔控制模式?jīng)]有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),給設(shè)計帶來了諸多不便。

聯(lián)鎖控制器沿用了計算機(jī)+繼電器的設(shè)計思路,沒有實現(xiàn)無接點的全電子化,而且故障定位的難度和維修的工作量大。目前傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)采用的聯(lián)鎖控制器設(shè)置方式有集中控制和分散控制。集中控制方式存在運算量大,光電纜有效長度不足的缺陷。分散控制方式的設(shè)備分散,需要的聯(lián)鎖控制器數(shù)量多,增加了維修量和工程投入[4]。

單一的GPS(全球定位系統(tǒng))、BDS(北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng))、軌道電路定位、計軸定位等常用的定位方案不論在精度還是在安全性方面都不能滿足道岔區(qū)段定位的需要。因此,本文主要針對以上存在的問題對現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)做了相應(yīng)的改進(jìn)和完善。

2 改進(jìn)正線道岔控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)正線進(jìn)路的控制,包括進(jìn)路的排列和進(jìn)路的解鎖,以及道岔的單獨鎖閉和單獨解鎖等[3]。正線道岔控制系統(tǒng)的構(gòu)成見圖1。正線道岔控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括正線道岔控制模式的選擇,軌旁聯(lián)鎖控制器的設(shè)計及其布置方式的分析選擇,正線道岔區(qū)段電車的定位方案的確定。

圖1 正線道岔控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 正線道岔控制模式

對于全封閉獨立路權(quán)的城市軌道交通而言,其正線道岔控制系統(tǒng)可采用中央控制模式,由中心調(diào)度員統(tǒng)籌調(diào)度。這樣既可提高效率,又能保證安全。此時，調(diào)度員只需根據(jù)工作站顯示及聯(lián)鎖安全保證排列進(jìn)路即可。

對于與道路交通混行的現(xiàn)代有軌電車而言，其道路不封閉,調(diào)度員不能掌握道路即時狀況,尤其是道岔布置在開放路口的情況下,中心調(diào)度員即使要辦理進(jìn)路也需經(jīng)過司機(jī)確認(rèn)。因此,現(xiàn)代有軌電車的正線道岔控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載排路模式,以使得有軌電車運營更加靈活高效。當(dāng)然調(diào)度中心也可通過無線方式與司機(jī)溝通，對列車運行進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度。

當(dāng)車載設(shè)備正常,但調(diào)度中心系統(tǒng)發(fā)生故障時,應(yīng)采用車載排路模式。車載設(shè)備根據(jù)GPS、BDS設(shè)備及電子標(biāo)簽,可確定電車是否接近道岔區(qū)段。車載顯示終端會顯示以電車所在位置為始端的所有可能進(jìn)路。當(dāng)司機(jī)選擇并確認(rèn)進(jìn)路后,首先，車載控制器將進(jìn)路號通過車地?zé)o線通信系統(tǒng)發(fā)送至軌旁聯(lián)鎖控制器,由軌旁聯(lián)鎖控制器進(jìn)行聯(lián)鎖運算；然后,由無接點的全電子化執(zhí)行單元動作道岔,鎖閉進(jìn)路,開放進(jìn)路表示器;最后，司機(jī)按進(jìn)路顯示器的信號顯示人工駕駛電車通過道岔區(qū)段。在車輛獲得道岔控制權(quán)至完全離開道岔區(qū)段期間,為了保證行車安全,不允許控制系統(tǒng)賦予其它車輛對該道岔的控制權(quán)[3]。圖2為車載排路模式簡圖。

圖2 車載排路模式

車載排路模式主要包括正常確認(rèn)模式、人工輔助模式和隔離模式。

2.1.1 正常確認(rèn)模式

正常情況下,車載排路模式的控制開關(guān)處于確認(rèn)進(jìn)路模式下。此時，由調(diào)度中心負(fù)責(zé)排列進(jìn)路,鎖閉道岔。車載顯示終端顯示道岔的實際位置和進(jìn)路的選用狀態(tài),并顯示將要通過的進(jìn)路及其進(jìn)路確認(rèn)按鈕,屏蔽其它進(jìn)路及操作按鈕。在司機(jī)確認(rèn)進(jìn)路后,軌旁全電子執(zhí)行單元開放進(jìn)路表示器;司機(jī)按信號顯示人工駕駛電車通過道岔區(qū)段。

2.1.2 人工輔助模式

在人工輔助模式下,當(dāng)列車接近道岔區(qū)域時,車載顯示終端不僅自動顯示前方道岔區(qū)域的站場圖,還會自動顯示以電車所在的位置為起點的所有可能的進(jìn)路終端；然后，司機(jī)根據(jù)運營需要進(jìn)行判斷,選擇并確認(rèn)需要的進(jìn)路終端；隨后，車載控制器將相應(yīng)的進(jìn)路號發(fā)至軌旁聯(lián)鎖控制器,并由軌旁聯(lián)鎖控制器排列相應(yīng)進(jìn)路、搬動道岔及鎖閉道岔區(qū)域,并自動開放進(jìn)路表示器;最后，司機(jī)按信號顯示人工駕駛電車通過道岔區(qū)段。

2.1.3 隔離模式

在車地通信中斷情況下,司機(jī)可選擇后備控制模式——隔離模式。當(dāng)電車接近道岔區(qū)段時,車載顯示終端不會提示進(jìn)路狀態(tài)或岔區(qū)站場圖,而會顯示隔離狀態(tài)。這時,司機(jī)須下車至軌旁通過道岔控制盒手動控制道岔動作,或者至轉(zhuǎn)轍機(jī)處人工搬動道岔,之后再駕駛電車,慢速通過。

2.2 軌旁聯(lián)鎖控制器

根據(jù)“故障安全”原則，一旦發(fā)生故障，信號設(shè)備或系統(tǒng)也能防止出現(xiàn)災(zāi)難性后果,自動導(dǎo)向安全一方?？梢?，信號設(shè)備或系統(tǒng)對有軌電車的運營安全至關(guān)重要。其中,軌旁連鎖控制器的設(shè)計和設(shè)置是較為重要的。在每個區(qū)域集中站設(shè)置1套軌旁聯(lián)鎖控制器,以負(fù)責(zé)實現(xiàn)本站及管轄范圍內(nèi)車站的聯(lián)鎖邏輯運算，對其控制范圍內(nèi)正線上的所有道岔和進(jìn)路指示器等設(shè)備進(jìn)行控制。軌旁聯(lián)鎖控制器的核心處理單元硬件平臺采用二乘二取二安全計算機(jī)。

2.2.1 二乘二取二安全計算機(jī)

二乘二取二安全計算機(jī)是軌旁聯(lián)鎖控制器的核心,負(fù)責(zé)整個有軌電車信號系統(tǒng)的聯(lián)鎖運算。二乘二取二安全計算機(jī)根據(jù)從全電子執(zhí)行層采集的現(xiàn)場信號設(shè)備的實時狀態(tài)和有軌電車發(fā)送的控制命令信息,進(jìn)行聯(lián)鎖運算；同時，將運算結(jié)果發(fā)送到全電子執(zhí)行單元、運營調(diào)度系統(tǒng)及車載設(shè)備[5]。圖3為二乘二取二安全計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 二乘二取二安全計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 全電子執(zhí)行單元

全電子執(zhí)行單元是軌旁聯(lián)鎖控制器的執(zhí)行表示電路,是由不同功能電子模塊組成的全電子電路。電子模塊按照道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號表示器等不同類型的驅(qū)動與采集對象劃分,且每個單元模塊相對獨立設(shè)計。電子模塊本身具有執(zhí)行控制命令、采集狀態(tài)信息、檢測信號設(shè)備動作和故障-安全等功能,可實現(xiàn)控制、監(jiān)督和監(jiān)測一體化,而且還具有帶電熱插拔功能。

全電子執(zhí)行單元與二乘二取二安全計算機(jī)之間采用2路CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))通信接口進(jìn)行信息交換；而與運營調(diào)度中心的監(jiān)測機(jī)間信息交換采用單獨的CAN通信接口[6]。全電子執(zhí)行單元經(jīng)過防雷柜、分線盤和軌旁信號設(shè)備連接。圖4為全電子執(zhí)行單元硬件組成圖。

全電子執(zhí)行單元采用冗余技術(shù)來保證其可靠性和安全性。微控制器(MPU)及其驅(qū)動電路采用了靜態(tài)的二取二冗余結(jié)構(gòu),可通過表決來隔離發(fā)生的故障。全電子執(zhí)行單元采用兩路單獨的采集電路,將采集到的數(shù)據(jù)分別送給2個MPU(A和B)。這樣從源頭上對聯(lián)鎖數(shù)據(jù)進(jìn)行了安全性防護(hù)。在MPU A和MPU B兩者之間還設(shè)計了信息同步,實現(xiàn)了兩路MPU輸出數(shù)據(jù)的對齊。

整個全電子單元的涉安環(huán)節(jié)都采用了一定的容錯和避錯技術(shù),以滿足“故障安全”原則,進(jìn)而保證了行車安全,提高了運營效率,改善了工作人員的勞動條件。

2.3 軌旁聯(lián)鎖控制器設(shè)置方案

軌旁聯(lián)鎖控制器的設(shè)置有集中聯(lián)鎖,區(qū)域聯(lián)鎖和分散聯(lián)鎖3種方案。

(1)集中聯(lián)鎖方案在全線只設(shè)1套聯(lián)鎖主機(jī),并在每個或距離較近的相鄰道岔區(qū)域均設(shè)置1套遠(yuǎn)程I/O(輸入/輸出)設(shè)備。聯(lián)鎖主機(jī)可放置在控制中心,也可放置在有條件的正線車站。

(2) 區(qū)域聯(lián)鎖方案在相鄰幾個道岔區(qū)集中設(shè)置一套聯(lián)鎖主機(jī)進(jìn)行控制；每個道岔區(qū)相互獨立,且道岔區(qū)之間無聯(lián)鎖關(guān)系。聯(lián)鎖控區(qū)的劃分原則與地鐵類似。

(3) 分散聯(lián)鎖方案以單獨控制道岔為基礎(chǔ),將道岔控制器分散在軌旁道岔附近,1個道岔區(qū)域設(shè)置1套道岔控制器。有軌電車的進(jìn)路無需經(jīng)過中心或車站辦理,而完全依靠有軌電車和軌旁道岔控制設(shè)備的交互來實現(xiàn)道岔控制,使道岔區(qū)段內(nèi)的道岔和進(jìn)路表示器之間建立起正確的聯(lián)鎖關(guān)系,以保證道岔控制的安全性和可靠性[7]。

圖4 全電子執(zhí)行單元硬件組成圖

集中聯(lián)鎖方案需在軌道沿線敷設(shè)大量的光電纜。當(dāng)光電纜的長度超過一定的控制距離后,往往還需要設(shè)置遠(yuǎn)程控制單元和現(xiàn)場接口設(shè)備。這加大了前期建設(shè)中的設(shè)備投資額。此外,一旦通信出現(xiàn)故障,將會全面影響運營。而且，集中設(shè)置的主機(jī)如果發(fā)生故障,則影響面較大。因此集中聯(lián)鎖方案對于有軌電車信號系統(tǒng)而言并非首選。

雖然分散聯(lián)鎖方案的道岔控制安全性和可靠性較高,但是其設(shè)備分散,不便于安裝和維護(hù)。區(qū)域聯(lián)鎖方案既克服了集中聯(lián)鎖方案的控制距離受限這一短板,也避免了分散聯(lián)鎖方案的設(shè)備分散、安裝維護(hù)不便的缺點。因此,綜合考慮了安全性，市政景觀和資源投入等因素，區(qū)域聯(lián)鎖方案為有軌電車軌旁聯(lián)鎖控制器設(shè)置首選方案。

2.4 電車定位

目前世界上主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的GPS、我國的BDS、俄羅斯的GLONASS(格洛納斯定位系統(tǒng))及歐洲的Galileo(伽利略定位系統(tǒng))。目前,在這幾種定位系統(tǒng)中,GPS定位精度最高(普通民用GPS定位精度達(dá)到10 m),穩(wěn)定性最好。但不論是BDS還是GPS,單一的衛(wèi)星定位方案在現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)中仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,必須考慮其他輔助的定位工具,以使有軌電車在道岔區(qū)段的定位更加精確。

其它輔助的列車定位手段有軌道電路定位、計軸器定位、感應(yīng)式通信環(huán)線定位及RFID(射頻識別)電子標(biāo)簽等。使用傳統(tǒng)的軌道電路進(jìn)行列車定位時,只能確定列車所在的道岔區(qū)段,無法進(jìn)行精確位置的判斷。軌道電路定位的電纜布置及設(shè)備會使得整個系統(tǒng)復(fù)雜化。采用計軸器定位時,由于現(xiàn)代有軌電車軌面與城市道路布置在同一個水平面上,因此存在鋸軌現(xiàn)象。隨著無線通信技術(shù)和電子技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,同時為了提高列車定位的精確度，實現(xiàn)“故障安全”原則,基于GPS/BDS+RFID電子標(biāo)簽的有軌電車組合定位手段應(yīng)運而生[8]。

有軌電車首先通過車載的GPS/BDS終端獲取有軌電車的位置信息;然后，通過地面設(shè)置的RFID電子標(biāo)簽對GPS/BDS獲取的位置信息進(jìn)行校正；隨后，將最終的位置信息通過無線通信方式發(fā)送至控制中心(OCC)；最后，通過RFID電子標(biāo)簽檢測出有軌電車在道岔區(qū)段的占用和出清。

RFID讀寫器及通信設(shè)備安裝在車載安全計算機(jī)上,無源電子標(biāo)簽按一定間隔安裝在道岔區(qū)段，并在道岔區(qū)段前方一定距離處專設(shè)1個電子標(biāo)簽用以判斷列車是否已接近道岔區(qū)段。每當(dāng)有軌電車通過1個電子標(biāo)簽時,安裝在有軌電車底部的讀寫器就會讀取標(biāo)簽內(nèi)的精確位置信息數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)精確的定位。有軌電車在運行時會連續(xù)、依次讀取多個標(biāo)簽內(nèi)的位置信息,而車載安全計算機(jī)就會根據(jù)電車的位置信息的變化及電車實際長度,判斷出有軌電車的運行方向及運行距離,進(jìn)而確定有軌電車在道岔區(qū)段的占用和出清情況。

3 結(jié)語

以當(dāng)前現(xiàn)代有軌電車信號控制技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合軌道交通“故障安全”原則要求,從有軌電車進(jìn)路控制模式,軌旁聯(lián)鎖控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軌旁聯(lián)鎖控制器的設(shè)置方式和電車在道岔區(qū)段定位手段入手,對有軌電車信號控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計。改進(jìn)后的正線道岔控制系統(tǒng)在理論設(shè)計中較傳統(tǒng)的道岔控制系統(tǒng)更簡單,安全性更高,工程投入量更少。

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Research on Main Switch Control System of Modern Tram

ZHAO Xiaochun, CHEN Guangwu

In the study of modern tram switch control system on the main track, there are four key aspects: the selection of switch control mode, exploitation and design of track-side interlocking controller, setting scheme of the track-side interlocking controller, the comparison and selection of trolley positioning in switch-area.Car-driver control mode improves the efficiency, at the same time reduces the labor intensity of the driver. The way-side interlocking controller adopts all-electronic execution units instead of the contact relays, the design of regionalization interlocking controller combines the advantages of centralized control with decentralized control, which is simple and requires only small investment, while the GPS/BDS+RFID electronic tag positioning overcomes the defect of other single positioning methods.The whole design scheme makes the system simple, safe and reliable with small investment, therefore is suitable for the development of modern tram.

modern tram; switch control; interlocking controller

Institute of Automatic Control,Lanzhou Jiaotong University,730070,Lanzhou,China

*甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體計劃項目(1606RJIA327); 甘肅省科技支撐計劃項目(1604GKCA009)

U 213.6:U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.022

2015-12-15)