有軌信號控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

溫業(yè)中 黃仁歡 楊建華 寧 博

(通號萬全信號設(shè)備有限公司，杭州 310000)

1 概述

隨著社會的發(fā)展和城市化水平的不斷提高，人們對交通出行的需求越來越多，對公共出行的要求也越來越高。作為一種新型軌道交通方式，現(xiàn)代有軌電車正在被越來越多的城市采用[1]，并且該方式低碳環(huán)保、運營效率高等特點，已被許多城市作為風(fēng)景線納入城市建設(shè)的規(guī)劃。

現(xiàn)代有軌電車具有投資較低、建設(shè)周期短、節(jié)約能源、綠色環(huán)保、運營靈活等特點，近年來大力發(fā)展有軌電車成為一種新的趨勢，針對這一發(fā)展趨勢，研究1 套有軌信號控制系統(tǒng)，保障有軌電車的安全運營，成為當(dāng)前研究的課題。主要從有軌信號控制系統(tǒng)的構(gòu)成、功能等方面闡述該信號控制系統(tǒng)的控制原理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是層次清晰，功能劃分合理，集中和分散控制相結(jié)合，并且復(fù)雜性和經(jīng)濟成本相對合理。根據(jù)功能性的差異，將有軌電車整個系統(tǒng)設(shè)備分為前端和后端設(shè)備，中間通過骨干傳輸網(wǎng)進行通信交互。后端設(shè)備包括機房、控制中心、信號室；前端設(shè)備包括車載子系統(tǒng)、軌旁、道口。如圖1、2 所示。

圖1 后端部署Fig.1 Back-end deployment

圖2 前端部署Fig.2 Front-end deployment

整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境由有線和無線Wi-Fi AP、移動無線終端組成，如圖3 所示。通信協(xié)議均由RSA算法加密，保障通信安全可靠。后端部署、前端軌旁、道口均為有線光纖網(wǎng)絡(luò)；前端車載子系統(tǒng)由移動無線接入中心網(wǎng)絡(luò)；前端設(shè)備、機房服務(wù)器及控制中心各客戶端同處在1 個局域網(wǎng)中，前端設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)與機房中的服務(wù)器、控制中心的客戶端進行交互；控制中心、信號室的指令及數(shù)據(jù)采集則通過有線網(wǎng)絡(luò)先送至機房服務(wù)器或者交換機，再通過無線網(wǎng)絡(luò)送至前端。

圖3 信號系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Signal system architecture

系統(tǒng)特征如下。

1) 控制中心、信號室與服務(wù)器間采用C/S 架構(gòu)，以達到豐富的界面操作，保證安全性，響應(yīng)快。

2) 服務(wù)器功能角色主要有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器、即時通信服務(wù)器、WEB 服務(wù)器。

其中根據(jù)系統(tǒng)點位大小，成本投放要求，可以將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器、通信服務(wù)器進行三合一或三合二。WEB 服務(wù)器作為可選項，它的作用是方便遠程維護、遠程監(jiān)控、遠程展示，可以遠程了解現(xiàn)場運營實時情況。

3) 前端設(shè)備與后端平臺主要是通過即時通信服務(wù)器進行交互，集控管理。這樣邏輯清楚，數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)一。故障維護時，方便問題查找和問題定位。

4) 該架構(gòu)降低網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜性，層次分明，便于網(wǎng)絡(luò)問題定位和解決。

3 系統(tǒng)功能

3.1 控制中心

控制中心主要由顯控（HMI）、電子地圖、行車計劃等軟件組成。顯控軟件能顯示所有站場信息，內(nèi)容包括區(qū)段、道岔、信號機等狀態(tài)，并且能通過顯示軟件進行選路排路、故解、出清等功能；電子地圖能反應(yīng)所有車輛運營情況、物理位置、前后車距等信息；行車計劃主要實現(xiàn)運營車輛調(diào)度，提高運營效率。

3.2 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)由車載主機、車載TOD、手操盤組成。車載主機通過采集速度傳感器、GPS 信息進行綜合運算，報告車輛的公里標(biāo)、線路、上下行，作為基礎(chǔ)信息提供給控制中心，方便計算出前后車距，預(yù)警安全范圍；車載TOD 主機顯示設(shè)備狀態(tài)、站場信息（區(qū)段、道岔、信號機等）；手操盤可以實現(xiàn)排路、故解、單操等功能。

3.3 軌旁子系統(tǒng)

軌旁子系統(tǒng)由軌旁控制箱、道岔、轉(zhuǎn)轍機、進路表示器和無源信標(biāo)等組成。

在道岔區(qū)域，無源信標(biāo)安放在岔前直股、岔后側(cè)股、岔后直股位置，無源信標(biāo)將道岔區(qū)域邏輯上分為接近區(qū)段、道岔區(qū)段和解鎖區(qū)段。只有道岔區(qū)段空閑，且沒有被其他列車占用，當(dāng)前列車才可以操作道岔。當(dāng)多臺列車都要經(jīng)過道岔區(qū)段時，只有最前方的列車對道岔擁有控制權(quán)。

軌旁根據(jù)收到電車通過無線發(fā)送的“接近、到達、解鎖、離去”信標(biāo)的信息，進行區(qū)段占用、區(qū)段出清等操作；同時根據(jù)進路情況，控制道岔的定反位、進路表示器的開放與關(guān)閉等操作、鎖閉進路；在聯(lián)鎖條件滿足的情況下，排出所需進路，保障列車的安全運營。

軌旁控制柜內(nèi)的各功能模塊相互獨立，模塊之間采用總線可靠連接，便于擴展和設(shè)備更換，采取雙機熱備的設(shè)計模式，通過骨干傳輸網(wǎng)將軌旁數(shù)據(jù)傳送到各個子系統(tǒng)，還具備實現(xiàn)采集道岔動作電流、動作時間、位置狀態(tài)、故障、進路表示器、點燈電流、色燈狀態(tài)、斷絲、控制箱溫度、濕度、轉(zhuǎn)轍機坑積水、電車正線信號系統(tǒng)車載操作記錄等信息。

軌旁子系統(tǒng)功能包括：列車注冊/釋放、進路辦理/取消、進路正常解鎖、道岔單獨控制。

1) 列車注冊/釋放

列車注冊：軌旁道岔控制器接收到車載或控制中心的注冊信息，檢測始端信號機未被其他車輛注冊后，將該車次號注冊到始端信號機。

列車釋放：軌旁道岔控制器接收到控制中心的移除注冊命令，釋放注冊信息。

2) 進路辦理/取消

軌旁道岔控制器接收到車載或控制中心的排路命令后，根據(jù)聯(lián)鎖條件、道岔等狀態(tài)，判斷滿足進路開放條件，開放進路并鎖閉，然后開放信號。

軌旁道岔控制器接收到車載或控制中心的進路取消命令后，關(guān)閉對應(yīng)已經(jīng)開放的信號并解鎖進路。

3) 進路正常解鎖

列車信號開放后，隨著列車的正常走行，進路上的區(qū)段將自動解鎖。軌旁道岔控制器判斷列車已經(jīng)過該進路區(qū)段，解鎖進路、出清軌道區(qū)段并釋放始端信號機注冊信息。

4) 道岔單獨控制

軌旁道岔控制器接收到控制中心道岔動作命令后，檢查進路、區(qū)段鎖閉狀態(tài)并且道岔未在規(guī)定位置，根據(jù)命令對道岔進行正/反位操作。

3.4 路口優(yōu)先

由于有軌電車與社會車輛采用共享路權(quán)的行車方式，在有軌電車經(jīng)過路口時，有3 種方式來對信號進行控制。不同的優(yōu)先通過方式對比如表1 所示。

表1 路口優(yōu)先控制方式Tab.1 Crossing priority control mode

路口優(yōu)先控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)有軌電車在平交路口位置檢測，負責(zé)完成有軌電車在過路口時向道路交通信號控制系統(tǒng)提出優(yōu)先申請，優(yōu)先申請信號包括“預(yù)告”、“接近”、“到達”、“離去”4 個信號。道路交通信號控制系統(tǒng)根據(jù)此申請判斷是否具備開放有軌電車優(yōu)先通過的條件，如果具備條件，則控制道路交通信號燈提前結(jié)束紅燈，開放綠燈，同時給予平交路口綜合控制系統(tǒng)“允許通行”信號，平交路口信號控制器據(jù)此點亮有軌電車專用機的通行燈。路口優(yōu)先控制系統(tǒng)通過無源干接點和RS-485通信接口與道路交通信號控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息交換。

4 實現(xiàn)原理

4.1 控制中心實現(xiàn)

控制中心對列車運行具有監(jiān)視和指揮作用，包含顯控軟件、電子地圖軟件、行車計劃軟件、監(jiān)測軟件等。顯控軟件具有顯示岔區(qū)聯(lián)鎖圖與遠程操控岔區(qū)轉(zhuǎn)轍機正反位、進路辦理與取消功能，顯示方式有單站視圖顯示、聯(lián)鎖視圖顯示、區(qū)域視圖顯示。電子地圖軟件部署于大屏上，方便調(diào)度人員實時觀察運營列車在正線上的運行軌跡。根據(jù)路線號進行控制臺分類，每一個控制臺部署一個行車計劃軟件，負責(zé)對應(yīng)路線的次日行車計劃編輯、下達功能，確保運營的緊張有序進行。監(jiān)測軟件負責(zé)車輛段信號設(shè)備、正線信號設(shè)備、地埋式轉(zhuǎn)轍機、電子器件、溫濕度監(jiān)控、電壓電流采集等數(shù)據(jù)的顯示與報警功能，確保在第一時間內(nèi)將信息準(zhǔn)確無誤的收集反饋，用于故障預(yù)防與維護使用。

4.2 車載子系統(tǒng)實現(xiàn)

列車前后端各部署1 套車載子系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用主備切換的冗余模式，以列車司機鑰匙作為人工操作控制權(quán)限的標(biāo)識，通過鑰匙的切換達到主備的切換，如圖4 所示。車載主機與車載TOD 直接通過CAN 總線進行通信，與軌旁系統(tǒng)通過無線433 通道或者Wi-Fi 輔助通道進行數(shù)據(jù)交互。車載TOD 動態(tài)顯示列車運行信息，如GPS 信息、站點信息、前后車距離、報警等，在需要人工操作進路時，通過機械鍵盤按下相應(yīng)按鈕，可實現(xiàn)進路辦理與取消。

圖4 車載系統(tǒng)車內(nèi)設(shè)備部署圖Fig.4 Onboard system equipment deployment diagram

根據(jù)射頻信號采集器讀取到的信標(biāo)來判斷列車的4 種狀態(tài)——“接近”、“鎖閉”、“解鎖”、“離去”。當(dāng)列車讀到接近信標(biāo)時，往軌旁設(shè)備發(fā)送“接近”請求，軌旁設(shè)備注冊該車，允許該車辦理進路或者根據(jù)自動進路通過，表明列車接近；列車?yán)^續(xù)行駛，當(dāng)列車讀到到達/鎖閉信標(biāo)時，將信標(biāo)信息反映給軌旁設(shè)備，軌旁設(shè)備登記該車到達岔區(qū)，并對其進行聯(lián)鎖防護；同理，當(dāng)列車讀到解鎖信標(biāo)時，將信標(biāo)數(shù)據(jù)傳至軌旁，軌旁再次登記該車已經(jīng)解鎖；最后，到列車讀到離去信標(biāo)時，發(fā)送離去信息到軌旁，軌旁注銷該車或者該條計劃。整個過程中，軌旁設(shè)備實時發(fā)送站場信息到控制主機，并在車載TOD 上顯示。

4.3 軌旁子系統(tǒng)實現(xiàn)

每一個軌旁系統(tǒng)根據(jù)物理站點的位置進行部署，軌旁系統(tǒng)作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的采集者，在整個信號系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用，如圖5 所示。

1）信標(biāo)類型分類

為了判斷出信標(biāo)類型，同時為了支持逆向行車方式，需要成對安裝信標(biāo)。接近信標(biāo)、離去信標(biāo)、鎖閉信標(biāo)和解鎖信標(biāo)，根據(jù)行車方向和信標(biāo)安裝位置決定類型，類型判斷由車載邏輯判斷得出。為了準(zhǔn)確判斷信標(biāo)類型，第一個信標(biāo)判為未知類型；如果邏輯判斷出鎖閉信標(biāo)的，當(dāng)讀到第二個信標(biāo)時就能得出類型；如果邏輯判斷出是解鎖信標(biāo)的，必須保證車尾讀卡器讀到信標(biāo)，才能給出解鎖類型。

2）進路方式

圖5 軌旁系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of trackside systems

列車進路方式可分為：自動進路、固定進路、人工進路、通過進路4 種方式。

自動進路需要控制中心編制合理的行車計劃并下達到每個控制箱，當(dāng)收到車載命令后，自動取消自動進路，轉(zhuǎn)為人工進路，當(dāng)天未執(zhí)行完的行車計劃，系統(tǒng)在零點自動清空；固定進路，一般在單渡線使用，不需要控制中心事先下達行車計劃；人工進路，由車載或控制中心手動排列進路；通過進路，需要虛擬車輛的支持，平時信號機開放，車輛離開后又自動開放，進路不解鎖。

4.4 路口系統(tǒng)實現(xiàn)

采用相對優(yōu)先方式，可保證列車的行車效率得到一定提升，同時對市政的交通情況影響不大，其原理如圖6 所示。

圖6 路口優(yōu)先原理圖Fig.6 Schematic diagram of crossing priority

路口優(yōu)先系統(tǒng)由定位、路口專用信號機、路口優(yōu)先控制器組成。車載或控制中心判斷列車進入路口范圍時，通過車地?zé)o線或車地環(huán)線向該平交路口綜合控制器發(fā)送列車位置和速度等信息，平交路口信號控制器向道路交通信號系統(tǒng)發(fā)送不同的優(yōu)先申請信號；道路交通信號系統(tǒng)判斷滿足優(yōu)先通過條件后， 反饋“允許通過”信號，平交路口信號控制器控制路口專用信號機點亮通行燈。

當(dāng)列車駛離路口后，平交路口信號控制器向道路交通信號系統(tǒng)發(fā)送列車離去信息，在接收到道路交通控制系統(tǒng)發(fā)送的“禁止通行”信號后，關(guān)閉有軌電車專用信號機的通行燈，點亮禁行燈。

在車載信號故障或非裝備車通過平交路口時，可以用控制中心觸發(fā)列車接近信號，平交路口信號控制器可以根據(jù)該信號向道路交通信號系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先申請。同時車載配置一個人工二次觸發(fā)優(yōu)先的按鈕，在司機駕駛至路口前，發(fā)現(xiàn)沒有通行信號時，可以通過該按鈕二次觸發(fā)優(yōu)先信號。

控制中心可以設(shè)置每個路口優(yōu)先功能的開放和關(guān)閉，在優(yōu)先功能關(guān)閉時，平交路口綜合控制系統(tǒng)處于伴隨模式，由道路交通信號系統(tǒng)控制點亮有軌電車通行燈和禁行燈。

5 結(jié)語

該套有軌電車信號的研究方案已經(jīng)投入沈陽渾南有軌電車運行長達5 年時間，它有效保證列車行車安全，提升運營管理的規(guī)范性和效率，起到了保駕護航的作用。

隨著社會的進步，城市的發(fā)展，低碳環(huán)保的理念深入人心，有軌電車的需求量將越來越大?？梢栽诩扔械难芯糠桨干线M行改造升級，往更加安全、更加效率、更加便捷、更加智能化的方向發(fā)展。同時，隨著信號控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，將很大程度上緩解了日益增長的城市交通壓力，讓市民有一個便利、快捷的出行體驗。本文介紹了有軌電車信號系統(tǒng)的組成以及各個子系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)原理，為有軌電車的工程實施和行車提供參考。