有軌電車路口信號協(xié)同控制的研究

方 曉

（中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510699）

近幾年，各大城市的非中心城區(qū)、中小城市的公共交通線網(wǎng)規(guī)劃采用有軌電車制式的比重越來越高，從報批難度、投資額控制、建設(shè)周期、技術(shù)難度等方面分析，有軌電車均表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢。估計未來十年內(nèi)，全國有軌電車規(guī)劃新建里程將突破1 000 km，具有較高的市場空間。

有軌電車信號系統(tǒng)是保證相應(yīng)區(qū)域列車運行安全、縮短行車間隔、提高平均運行速度、提升全系統(tǒng)管理水平的關(guān)鍵系統(tǒng)。不同于地鐵，有軌電車屬于地面交通體系，在地面路口處與其他道路車流、行人不可避免地產(chǎn)生交叉。路口數(shù)量眾多，一般一條有軌電車線路上共有幾十個路口，路口區(qū)域的有軌電車通行效率，是影響全線旅行速度、運行效率的關(guān)鍵因素。

目前國內(nèi)較早開通的有軌電車項目，大部分沒有設(shè)置路口優(yōu)先系統(tǒng)。增加及優(yōu)化有軌電車信號系統(tǒng)路口優(yōu)先控制功能是解決路口問題的必然選擇，是當(dāng)前有軌電車規(guī)劃、建設(shè)過程中需重點考慮的問題。

根據(jù)路口的分類、交通場景的不同，目前有軌電車在路口的信號優(yōu)先控制策略和方案一般有不優(yōu)先方式、相對優(yōu)先方式、絕對優(yōu)先方式。相對優(yōu)先和絕對優(yōu)先方式是通過動態(tài)協(xié)調(diào)有軌電車到達(dá)時間和交叉口信號，為有軌電車提供優(yōu)先通行權(quán)，使其不停車通過交叉口的一種技術(shù)策略。有軌電車行駛至距交叉口一定距離時，發(fā)起信號優(yōu)先申請，信號控制中心計算有軌電車到達(dá)交叉口的時間，切斷其他相位信號，為有軌電車安排綠燈并辦理進(jìn)路。其缺點是對相交道路交通流的通行效率影響較大；有軌電車運行間隔較小時，對相交道路交通流的干擾頻繁。適用于相交方向為人行橫道、相交道路等級低或流量小、交叉口沖突點數(shù)少、有軌電車運行密度小等情形。

對于相交道路等級高或流量大、交叉口沖突點數(shù)多、有軌電車運行密度大等情形，上述兩種優(yōu)先方式并不適用。因此，需要尋找一種既不影響路口交通，又可保證有軌電車通過效率的技術(shù)手段，以促進(jìn)有軌電車產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

1 研究思路

1.1 路口信號協(xié)同的工作原理研究

由于有軌電車可與部分道路車輛在不沖突的情形下同時通過交叉口，因此，可以將二者組合為一個信號相位，在不改變交叉口各方向保證通行效率的前提下，合理安排相鄰交叉口之間綠燈開放的時間差（相位差），使上、下行兩個方向的有軌電車按照預(yù)定計劃行駛至各交叉口時，恰好遇到綠燈。

在綠波調(diào)整基礎(chǔ)上，根據(jù)有軌電車途徑交叉路口的周期和相位，動態(tài)調(diào)整有軌電車運行計劃，包括停站時間、區(qū)間運行速度，確保有軌電車在指定相位時間精確到達(dá)路口，以實現(xiàn)不停車通過路口。

1.2 路口綠波調(diào)整機(jī)制的研究

研究與路口信號機(jī)的協(xié)同控制機(jī)制，實現(xiàn)將途徑路口的有軌電車信號相位調(diào)整到最優(yōu)的時序，實現(xiàn)上下行有軌電車在最大可能情況下同時占用有軌電車相位，并且能夠不停車通過路口。

1.3 運行計劃與路口信號相位協(xié)同調(diào)整機(jī)制的研究

研究運行計劃動態(tài)調(diào)整算法，約束條件、調(diào)整因素包括停站時間、區(qū)間運行曲線、充斷電時間等。通過運行計劃的動態(tài)優(yōu)化算法，實現(xiàn)有軌電車的運行與路口有軌電車相位精確配合，在不影響路口交通的前提下，保證有軌電車的平均運行速度。

2 基礎(chǔ)系統(tǒng)功能說明

2.1 有軌電車智能運行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有軌電車采用中心級控制，中心綜合自動化通過冗余通信鏈路與軌旁設(shè)備（包括道岔控制器、路口控制器、供電設(shè)備、旅服設(shè)備等）連接。

通過冗余無線通信與包括車載控制器、車載旅服單元連接，實現(xiàn)對全線有軌電車狀態(tài)綜合監(jiān)視、綜合計劃調(diào)度、全專業(yè)自動控制、車站及車輛上旅客信息服務(wù)。

2.2 交通燈信號控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）交通燈信號控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是三級協(xié)調(diào)分布式控制結(jié)構(gòu)：即指揮中心為中央控制級、確定協(xié)調(diào)控制級（多個區(qū)域）和路口控制機(jī)級。

（2）一臺區(qū)域控制計算機(jī)可以控制128個路口，一個交通燈信號控制系統(tǒng)中央控制室能夠連接64臺區(qū)域交通控制計算機(jī)，系統(tǒng)能夠最多適用于8 000個路口控制需求。

3 研究內(nèi)容

3.1 路口信號協(xié)同控制功能的研究

（1）智能交通管理系統(tǒng)與交通燈信號控制系統(tǒng)中心設(shè)備、有軌電車中心設(shè)備進(jìn)行接口，實現(xiàn)如下功能：

①智能交通管理系統(tǒng)與交通燈信號控制系統(tǒng)中心設(shè)備接口，獲取各路口車流和信號控制狀態(tài)、各路口控制方案等；

②智能交通管理系統(tǒng)與有軌電車中心設(shè)備接口，獲取有軌電車運行計劃、運行狀態(tài)等；

③智能交通管理系統(tǒng)綜合感知城市交通路況，根據(jù)交通燈信號控制系統(tǒng)的控制方案和實時狀態(tài)、有軌電車系統(tǒng)的運行計劃和當(dāng)前狀態(tài)，動態(tài)制定路口信號控制策略，發(fā)送至交通燈信號控制系統(tǒng)和有軌電車系統(tǒng)。

（2）有軌電車中心設(shè)備與交通燈信號控制系統(tǒng)中心設(shè)備接口，實現(xiàn)如下功能：

①交通燈信號控制系統(tǒng)直接控制路口信號燈；

②有軌電車系統(tǒng)直接采集每個路口當(dāng)前信號狀態(tài)；

③有軌電車系統(tǒng)通過繼電接口向交通燈信號控制系統(tǒng)發(fā)送每個路口的接近/離去狀態(tài)（信號控制需求）；

④有軌電車系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)?shù)刂悄芙煌ü芾硐到y(tǒng)發(fā)送的路口信號控制方案、交通燈信號控制系統(tǒng)發(fā)送的每個路口下一周期信號控制方案、有軌電車系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)等信息，調(diào)整運輸計劃，控制有軌電車按計劃精確運行，高效通過路口。

3.2 路口信號協(xié)同控制原則

路口信號協(xié)同控制原理如圖1所示。

圖1 路口信號協(xié)同控制原理圖

（1）為保障有軌電車安全高效通行和社會交通協(xié)調(diào)暢通，應(yīng)在方案計劃層與信號控制層實現(xiàn)智能交通管理系統(tǒng)、交通燈信號控制系統(tǒng)、有軌電車系統(tǒng)的緊密協(xié)同。

（2）有軌電車經(jīng)過交叉路口和人行過軌路口信號由交通燈信號控制系統(tǒng)直接控制。

（3）為確保公路交通的通暢和有軌電車的高效運行，有軌電車系統(tǒng)具有允許時間范圍內(nèi)的信號優(yōu)先控制權(quán)限（綠燈插入、綠燈提前和綠燈延時）。

（4）有軌電車應(yīng)采用計劃與路口信號協(xié)同算法，降低路口信號絕對優(yōu)先申請概率。

（5）有軌電車專用信號燈由ICC統(tǒng)一控制，有軌電車路口控制箱只對信號燈亮滅狀態(tài)進(jìn)行采集。

（6）有軌電車通過繼電接口向交通燈信號控制系統(tǒng)提交優(yōu)先請求，交通燈信號控制系統(tǒng)根據(jù)實際情況進(jìn)行響應(yīng)，并控制信號燈；指揮有軌電車根據(jù)信號燈狀態(tài)行駛。

3.3 路口信號協(xié)同控制方案

從降低有軌電車對交通指揮的干擾和提高有軌電車運行速度等方面考慮，需要根據(jù)不同路口、不同時間的人以及車流量、有軌電車的運輸計劃進(jìn)行分析，并制定切實可行的解決辦法。

3.3.1 路口分類

某有軌電車項目平交路口為行人路口、機(jī)動車十字路口、有軌電車停車場進(jìn)出路口3種類型。

（1）行人路口特點：只有行人橫穿有軌電車鋼軌區(qū)域，沒有機(jī)動車穿過鋼軌區(qū)域。

（2）機(jī)動車十字路口特點：有行人和機(jī)動車橫穿有軌電車鋼軌區(qū)域。

（3）有軌電車停車場進(jìn)出路口特點：在早晨或晚上會占用該路口用于出車和收車；線上車列發(fā)生故障時，需要占用該路口用于發(fā)出或返回維修工程車。

3.3.2 有軌電車路口系統(tǒng)與交通燈信號控制系統(tǒng)的連接方式與構(gòu)成

（1）有軌電車路口系統(tǒng)由位于調(diào)度中心的中心服務(wù)器、車載控制系統(tǒng)和位于現(xiàn)場的路口設(shè)備組成。

（2）有軌電車路口系統(tǒng)采用不與公網(wǎng)連接的專用網(wǎng)絡(luò)，使用雙網(wǎng)構(gòu)成冗余。路口控制箱根據(jù)路口數(shù)量進(jìn)行布置，每個路口放置1個控制箱+2個（或4個）有軌電車專用信號燈構(gòu)成。因此，交通燈信號控制系統(tǒng)的路口信號機(jī)（ICC）需要具有預(yù)留控制4個信號燈的控制/接線能力，有軌電車信號燈的亮滅狀態(tài)與同相位的交通信號燈一致。

（3）有軌電車信號燈用于指揮有軌電車是否可以通過路口，并全部由交通燈信號控制系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。

（4）路口控制箱采集相應(yīng)的信號燈狀態(tài)，把該信息通過有軌電車有線骨干網(wǎng)發(fā)送至有軌電車中心計劃調(diào)度管理服務(wù)器。

（5）路口控制箱對ICC進(jìn)行有軌電車優(yōu)先通過信號申請，在不同的路口形式下，ICC具有不同的處理策略。

3.3.3 交通燈信號控制系統(tǒng)與有軌電車控制中心交互說明

（1）交通燈信號控制系統(tǒng)由ICC、交通燈信號區(qū)域控制中心、交通燈信號中央管理系統(tǒng)組成。ICC需要根據(jù)路口規(guī)模的大小進(jìn)行設(shè)置，控制所有的信號燈，包括有軌電車專用信號燈。

（2）交通燈信號中央管理系統(tǒng)具有與有軌電車控制中心交互數(shù)據(jù)的能力，通道為專用的光纖網(wǎng)，使用防火墻進(jìn)行隔離。交通燈信號中央管理系統(tǒng)向有軌電車控制中心發(fā)送的數(shù)據(jù)為所有相關(guān)路口信號燈的實時狀態(tài)和下一狀態(tài)的持續(xù)時間、開始時間等內(nèi)容；有軌電車控制中心向交通燈信號中央管理系統(tǒng)發(fā)送運營計劃、車列位置、車速等信息或其他需要的信息。

（3）交通燈信號中央管理系統(tǒng)與有軌電車控制中心的對接問題由交警部門和有軌電車建設(shè)單位協(xié)商解決。

3.3.4 有軌電車專用信號燈控制方法

（1）行人路口控制。有軌電車具有絕對優(yōu)先，無有軌電車時，行人方向可以常綠。

路口控制箱判斷有軌電車到達(dá)并意圖通過人行路口時，向ICC發(fā)出優(yōu)先信號（繼電器接點），ICC收到信號后，倒計時轉(zhuǎn)變當(dāng)前相位為有軌電車相位，開放有軌電車專用信號燈；當(dāng)有軌電車通過路口時，關(guān)閉有軌電車專用信號燈。倒計時時間取5～19 s。

（2）有軌電車停車場進(jìn)出路口控制。由于該路口只有在清晨出車和夜間收車時被占用，因此，控制原則同行人路口，建議也采用絕對優(yōu)先方式。

（3）機(jī)動車十字路口控制。十字路口采用絕對優(yōu)先原則，即當(dāng)有軌電車發(fā)出信號申請時，由ICC根據(jù)當(dāng)前時間段/當(dāng)前流量，判斷是否開放信號給有軌電車系統(tǒng)，有軌電車系統(tǒng)根據(jù)信號指揮行車。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 路口有軌電車信號相位綠波帶調(diào)整算法和機(jī)制

有軌電車的混合路權(quán)指有軌電車在路段上具有獨立路權(quán)，在交叉口處應(yīng)與道路交通共享路權(quán)，如何保證有軌電車高效通過交叉口，并對道路交通影響最小，需要對二者進(jìn)行綜合考慮和權(quán)衡。信號優(yōu)先和綠波是兩種典型的有軌電車交叉口通過技術(shù)。

信號優(yōu)先：通過動態(tài)協(xié)調(diào)有軌電車到達(dá)時間和交叉口信號，為有軌電車提供優(yōu)先通行權(quán)，使其不停車通過交叉口的一種技術(shù)策略。

綠波：由于有軌電車可與部分道路車輛在不沖突的情形下同時通過交叉口，因此，可以將二者組合為一個信號相位，在不改變交叉口各方向的有效通行效率的前提下，合理安排相鄰交叉口之間綠燈開放的時間差（相位差），使上、下行兩個方向有軌電車按預(yù)定計劃行駛至各交叉口時恰好趕上綠燈。

4.2 與路口有軌電車信號相位協(xié)同的運行計劃自動調(diào)整

基于路口有軌電車信號相位綠波帶調(diào)整算法，生成滿足綠波的有軌電車相位、各路口信號周期、相匹配的有軌電車運行計劃趨勢圖，在運行過程中，需要通過計劃自動調(diào)整算法保證運行計劃與實際運行狀態(tài)的一致性。

5 路口信號協(xié)同控制技術(shù)方案

有軌電車路口信號控制子系統(tǒng)是通過對交叉路口交通信號控制策略的優(yōu)化設(shè)計，對有軌電車車輛進(jìn)行傾斜性的信號分配，提高車輛在交叉口的通行效率。

有軌電車路口信號控制系統(tǒng)與交通燈信號控制系統(tǒng)進(jìn)行接口完成信息交互，路口信號控制系統(tǒng)獲取列車的位置及請求過路口信息，具備給道路交通控制系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先請求的功能。

正常情況下，列車通過無線通信方式向路口控制子系統(tǒng)發(fā)送位置報告及過路口請求命令。當(dāng)無線通信系統(tǒng)失效時，可以通過無線通信定位單元完成車地間信息交互。

路口控制箱具有在線實時自檢功能，包括軌旁有軌電車專用信號機(jī)，對故障進(jìn)行報警，將檢測結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到有軌電車中心調(diào)度管理子系統(tǒng)。

有軌電車正線線路與公路的平交路口處設(shè)路口控制箱，路口控制箱內(nèi)設(shè)路口控制單元，設(shè)置列車定位單元實現(xiàn)列車在路口的定位功能和列車與路口的距離確定功能。

在平交路口設(shè)置有軌電車專用路口信號機(jī)，路口信號機(jī)用于平交路口防護(hù)。列車通過該信號機(jī)后無下一架信號機(jī)指示進(jìn)路終端，由司機(jī)根據(jù)列車位置目視控制。

路口信號機(jī)設(shè)置于列車運行方向的右側(cè)，特殊情況可設(shè)于列運行方向的左側(cè)或其他位置。路口信號機(jī)采用綠、紅、黃三燈位，信號機(jī)以紅色禁止信號為定位。

有軌電車中心調(diào)度管理子系統(tǒng)向路口信號控制系統(tǒng)發(fā)送操作命令。路口信號控制系統(tǒng)向中心調(diào)度管理子系統(tǒng)提供信號狀態(tài)以及各種報警等信息。

有軌電車中心調(diào)度管理系統(tǒng)根據(jù)實時接收的各路口信號狀態(tài)，統(tǒng)計計算各路口信號相位和周期規(guī)律。根據(jù)各路口信號周期和有軌電車相位、線路屬性和列車動力學(xué)屬性、運營需求等信息生成運行計劃。

有軌電車中心調(diào)度管理系統(tǒng)將計劃下發(fā)至各運營車輛的列車控制系統(tǒng)，通過車載顯示器提示司機(jī)按照計劃精確控車。包括準(zhǔn)點發(fā)車、按推薦速度區(qū)間運行、按時按規(guī)定速度到達(dá)路口。

車載控制系統(tǒng)按照列車運行狀態(tài)和計劃要求，觸發(fā)各路口到達(dá)和離去狀態(tài)。路口信號觸發(fā)的時機(jī)須滿足交警允許的各路口優(yōu)先申請原則。

有軌電車中心計劃調(diào)度管理系統(tǒng)根據(jù)列車運行實際狀態(tài)、位置、速度等信息實時調(diào)整運行計劃，保證列車運行以及路口信號始終保持協(xié)同狀態(tài)。

6 結(jié)語

通過系統(tǒng)層面及子系統(tǒng)層面的深度分析、外部系統(tǒng)的探索、與業(yè)主和交警部門的深度溝通、現(xiàn)場測試，系統(tǒng)功能及性能指標(biāo)得到較為充分測試和驗證。在項目實施過程中應(yīng)用落地，取得良好效果。