有軌電車信號(hào)系統(tǒng)制式研究

潘 雷 王秋平

目前，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大以及人口數(shù)量的增加，城市交通問(wèn)題逐漸突出，現(xiàn)代有軌電車具有環(huán)保性、成本低、客容量大、建設(shè)速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并以一種中小運(yùn)力軌道交通形式，逐漸成為城市軌道交通的重要補(bǔ)充，其發(fā)展和優(yōu)化也成為國(guó)內(nèi)學(xué)者和專家的重點(diǎn)研究目標(biāo)［1］。

有軌電車已在我國(guó)部分城市投入運(yùn)營(yíng)，如天津、上海、沈陽(yáng)等?；谧陨斫煌ㄐ枨蠹疤攸c(diǎn)，部分城市還將現(xiàn)代有軌電車納入公共交通建設(shè)統(tǒng)籌范圍。信號(hào)系統(tǒng)作為現(xiàn)代有軌電車指揮中樞，承擔(dān)著保障列車在軌道上安全有效運(yùn)行的任務(wù)，隨著智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的協(xié)同高速發(fā)展，信號(hào)系統(tǒng)功能也需進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

由于現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)模式對(duì)有軌電車運(yùn)行安全及效率有著直接影響，并決定其運(yùn)行控制方式［2］，因此需先明確現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)。

1 現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)

1）獨(dú)立路權(quán)。指現(xiàn)代有軌電車只能運(yùn)行在規(guī)定的線路上，該線路的使用權(quán)具有唯一性，社會(huì)上其他車輛不會(huì)干擾到有軌電車的運(yùn)行。該模式保證了列車旅行速度更快、通行能力更高［3］。

2） 半獨(dú)立路權(quán)。指普通路段與獨(dú)立路權(quán)相同，特定路段如與社會(huì)上其他車輛交叉路口處，通過(guò)隔離設(shè)施進(jìn)行隔離，采用信號(hào)優(yōu)先權(quán)限配置的方式，實(shí)現(xiàn)有軌電車優(yōu)先通過(guò)交叉路口。該路權(quán)模式可降低造價(jià)成本、縮短工期，安全性較高，但對(duì)線路的交通運(yùn)營(yíng)組織存在一定影響。

3）混合路權(quán)。指社會(huì)上其他車輛、行人、現(xiàn)代有軌電車均可以使用特定路段的路權(quán)。該模式線路利用率較高，對(duì)現(xiàn)有線路改造較小、造價(jià)成本低，但其他社會(huì)車輛、行人會(huì)干擾和制約現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行，導(dǎo)致有軌電車的運(yùn)營(yíng)效率和旅行速度處在一個(gè)較低水平［4］。

本文主要對(duì)傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)、CBTC 信號(hào)系統(tǒng)、點(diǎn)式ATC 信號(hào)系統(tǒng)和新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、功能特點(diǎn)等進(jìn)行具體介紹和對(duì)比。

2 傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)

傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)由運(yùn)營(yíng)調(diào)度管理、道岔控制、路口信號(hào)控制、車輛段、車載等5 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其整體架構(gòu)如圖1 所示［5］。

圖1 傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)原理

由于傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，需要司機(jī)目視駕駛，并根據(jù)列車運(yùn)行方向手動(dòng)扳動(dòng)道岔，由司機(jī)負(fù)責(zé)列車運(yùn)行安全，只能滿足運(yùn)營(yíng)的基本要求，不適應(yīng)目前有軌電車對(duì)行車安全和運(yùn)營(yíng)效率的要求，因此傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)制式正在逐漸被淘汰［6］。

3 CBTC 信號(hào)系統(tǒng)

CBTC 信號(hào)系統(tǒng)是一種基于無(wú)線通信，支持移動(dòng)閉塞的信號(hào)系統(tǒng)方案，目前在城市軌道交通項(xiàng)目工程中得到推廣應(yīng)用。CBTC 信號(hào)系統(tǒng)由列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)、列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）子系統(tǒng)、列車自動(dòng)控制（ATO）子系統(tǒng)、聯(lián)鎖（CI）子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)、維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、車輛段子系統(tǒng)等組成，其原理如圖2 所示。

1）ATS 子系統(tǒng)。它由控制中心服務(wù)器、骨干網(wǎng)交換機(jī)、正線設(shè)備集中站/非設(shè)備集中站交換機(jī)、本地服務(wù)器、車輛段ATS 設(shè)備等構(gòu)成，具有自動(dòng)排列進(jìn)路、列車運(yùn)行調(diào)整、列車監(jiān)督和追蹤、時(shí)刻表管理、設(shè)備監(jiān)督報(bào)警等功能［7］。

2）ATP 子系統(tǒng)。它包含軌旁設(shè)備（區(qū)域控制器ZC）和車載設(shè)備，是為列車安全、高效率運(yùn)行提供技術(shù)保障的主要系統(tǒng)，具有列車定位、列車追蹤、列車間隔控制、車門和站臺(tái)門監(jiān)控、退行監(jiān)控、自檢和自診斷等功能。

3） ATO 子系統(tǒng)。在ATP 安全防護(hù)條件下，依據(jù)從ATS 系統(tǒng)接收的命令達(dá)到控制列車自動(dòng)運(yùn)行的目的，具有列車自動(dòng)運(yùn)行、無(wú)人自動(dòng)折返、精確停車、車門控制等功能。

4）聯(lián)鎖子系統(tǒng)。它具有進(jìn)路控制、信號(hào)機(jī)控制、道岔控制、操作及維護(hù)信息管理等功能［8］。

5） 數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)。它是一個(gè)封閉通信網(wǎng)絡(luò)，為信號(hào)系統(tǒng)中的ATP/ATO、ATS 等子系統(tǒng)提供穩(wěn)定、快速、可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，主要包括有線網(wǎng)絡(luò)、車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，有線網(wǎng)絡(luò)由ATP 骨干網(wǎng)、ATS 骨干網(wǎng)、LTE-A 骨干網(wǎng)和LTE-B 骨干網(wǎng)4 張物理上獨(dú)立的環(huán)狀骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過(guò)光纖環(huán)路互聯(lián)的以太網(wǎng)交換機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的100 M/1 000 M 以太網(wǎng)接口；車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)目前采用WLAN 技術(shù)和LTE技術(shù)［9］。

6） 維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)匯集各車站聯(lián)鎖、燈絲報(bào)警儀、計(jì)軸、道岔缺口的診斷和監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)，并對(duì)這些狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和診斷，實(shí)現(xiàn)全線信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)督和實(shí)時(shí)展現(xiàn)。

7）車輛段子系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備和集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備，完成對(duì)場(chǎng)段內(nèi)信號(hào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)督和在線檢測(cè)，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)異常時(shí)，及時(shí)為維護(hù)人員提供有效報(bào)警信息。

圖2 CBTC 信號(hào)系統(tǒng)原理

4 點(diǎn)式ATC 信號(hào)系統(tǒng)

點(diǎn)式ATC 信號(hào)系統(tǒng)與CBTC 信號(hào)系統(tǒng)主要區(qū)別，在于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的原理及數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)的功能，其他子系統(tǒng)功能不再贅述。

點(diǎn)式ATC 信號(hào)系統(tǒng)為分層控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)式通信級(jí)和聯(lián)鎖級(jí)二級(jí)列車控制功能。第1 級(jí)聯(lián)鎖級(jí)控制，為點(diǎn)式通信級(jí)列車控制設(shè)備故障時(shí)的底層后備，由地面信號(hào)系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供全面的聯(lián)鎖防護(hù)；第2 級(jí)點(diǎn)式通信級(jí)列車控制，為主用控制級(jí)，由地面信號(hào)系統(tǒng)和車載設(shè)備協(xié)作，為列車運(yùn)行提供點(diǎn)式ATP 防護(hù)。

點(diǎn)式ATC 信號(hào)系統(tǒng)以閉塞分區(qū)的方式，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行間隔的控制，通過(guò)有源應(yīng)答器定點(diǎn)向列車發(fā)送前方進(jìn)路信息，并根據(jù)列車自身存儲(chǔ)的線路數(shù)據(jù)信息，按照列車安全制動(dòng)模型，控制列車運(yùn)行間隔和安全防護(hù)距離，并實(shí)現(xiàn)列車超速防護(hù)［10］。

數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)在ATS/ATP 系統(tǒng)的設(shè)備間組成環(huán)狀的有線網(wǎng)絡(luò)鏈路，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向信息傳輸功能。有線網(wǎng)絡(luò)由二層骨干網(wǎng)交換機(jī)、三層交換機(jī)、接入交換機(jī)構(gòu)成，其中骨干網(wǎng)由信號(hào)專業(yè)獨(dú)立組網(wǎng)。通過(guò)配置網(wǎng)管工作站，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能，即對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)故障進(jìn)行告警和記錄。

5 新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)

新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)基于車地?zé)o線通信，通過(guò)將區(qū)域控制器與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖功能模塊整合，從而實(shí)現(xiàn)一體化控制，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能和ATP功能，支持在ATP 防護(hù)下的自動(dòng)駕駛、目視駕駛模式的運(yùn)營(yíng)，其系統(tǒng)原理如圖3 所示。

新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)與CBTC 信號(hào)系統(tǒng)相比，控制中心、車載和場(chǎng)段信號(hào)設(shè)備配置基本一致，主要區(qū)別在于將軌旁設(shè)備區(qū)域控制器和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖模塊整合成軌旁控制子系統(tǒng)，且對(duì)數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，其他子系統(tǒng)功能不再贅述。

1）軌旁控制子系統(tǒng)。它由PCS 道岔控制器、WCU 控制器、無(wú)源信標(biāo)構(gòu)成，其中PCS 道岔控制器和WCU 控制器是軌旁控制子系統(tǒng)的核心設(shè)備。

圖3 新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)原理

PCS 道岔控制器采用分布式控制模式，每個(gè)道岔區(qū)域配置獨(dú)立控制機(jī)柜，按照室外型設(shè)備設(shè)計(jì)，不需要配置設(shè)備用房。PCS 道岔控制器主要包括控制主機(jī)、IO 單元、繼電接口，以及集成的計(jì)軸主機(jī)和IBP 盤等。車站和場(chǎng)段PCS 控制器具有道岔和信號(hào)機(jī)控制、緊急停車按鈕控制等功能，并且支持遠(yuǎn)程維護(hù)功能，維護(hù)人員可以在控制中心通過(guò)維護(hù)工作站或便攜式終端，實(shí)現(xiàn)道岔控制器的遠(yuǎn)程配置、維護(hù)、監(jiān)控與管理。

WCU 控制器包括中心和場(chǎng)段WCU 控制器，主要設(shè)備有WCU 主機(jī)、通信單元和切換單元、電源模塊、維護(hù)診斷單元等。中心WCU 控制器配置聯(lián)鎖和列控功能，包括列車管理、列車位置追蹤、列車移動(dòng)授權(quán)計(jì)算、進(jìn)路辦理、道岔和信號(hào)機(jī)控制、緊急停車按鈕控制等功能。場(chǎng)段WCU 控制器僅配置聯(lián)鎖功能，包括進(jìn)路辦理、道岔和信號(hào)機(jī)控制等功能。

無(wú)源信標(biāo)安裝在軌道上，主要作用是輔助列車完成精確定位。

2）數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)。新型有軌電車對(duì)數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用綜合承載網(wǎng)（LTE-M）。由于列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)信息影響行車安全，對(duì)無(wú)線通信的可靠性要求較高，因此組建A、B 雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，A 網(wǎng)承載CBTC 業(yè)務(wù)；B 網(wǎng)承載CBTC 業(yè)務(wù)、列車狀態(tài)信息、車載CCTV 業(yè)務(wù)、PIS 業(yè)務(wù)以及緊急文本信息等。綜合承載網(wǎng)（LTE-M）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖4。

6 不同信號(hào)系統(tǒng)制式對(duì)比

如表1 所示，傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)適用于半獨(dú)立路權(quán)、混合路權(quán)的有軌電車項(xiàng)目，建設(shè)成本雖低，但也存在自動(dòng)化程度低、運(yùn)行效率低等缺點(diǎn)；CBTC 信號(hào)系統(tǒng)具有功能完善、安全等級(jí)高、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但建設(shè)成本高，目前成熟應(yīng)用于地鐵項(xiàng)目，也可應(yīng)用于獨(dú)立路權(quán)的有軌電車項(xiàng)目；點(diǎn)式ATC 信號(hào)系統(tǒng)只適用于獨(dú)立路權(quán)的有軌電車項(xiàng)目，具有軌旁設(shè)備少、運(yùn)行效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但建設(shè)成本較高；新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)適用于獨(dú)立路權(quán)、混合路權(quán)的有軌電車項(xiàng)目，能滿足用戶定制化需求和系統(tǒng)高可靠性要求，同時(shí)相比較而言，其建設(shè)成本和運(yùn)維成本處于中等水平。

隨著智能化、自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)有軌電車行業(yè)將面臨不同方面的挑戰(zhàn)，針對(duì)不同的有軌電車項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇合適的信號(hào)系統(tǒng)制式，將對(duì)行車安全和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生積極影響。

7 結(jié)束語(yǔ)

介紹了不同信號(hào)系統(tǒng)制式的結(jié)構(gòu)及工作原理，并從系統(tǒng)功能、建設(shè)成本等方面進(jìn)行了對(duì)比。由于目前國(guó)內(nèi)有軌電車尚未有統(tǒng)一成熟的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式多樣，因此對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)的解決方案還需結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證和完善，以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

圖4 綜合承載網(wǎng)（LTE-M）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 不同信號(hào)系統(tǒng)制式對(duì)比