有軌電車(chē)旅行速度提升方法

邢艷陽(yáng) 成正波 劉華祥

(1.上海軌道交通無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，200071，上海；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

有軌電車(chē)為中等運(yùn)能的城市軌道交通，具有節(jié)能、環(huán)保、美觀、投資省及建設(shè)周期短等特點(diǎn)，是城市軌道交通綜合規(guī)劃中的重要組成部分。在特大城市，有軌電車(chē)是大運(yùn)能地鐵線路的補(bǔ)充和延伸，能解決市民最后1 km的出行需求；在中小城市，有軌電車(chē)則可作為骨干交通線路，承擔(dān)大客流的運(yùn)送。

1 有軌電車(chē)旅行速度現(xiàn)狀

在平交路口，有軌電車(chē)同社會(huì)車(chē)輛及行人共享路權(quán)，并通過(guò)路口優(yōu)先控制器來(lái)申請(qǐng)路口的優(yōu)先通行權(quán)。由于每個(gè)平交路口的相位和配時(shí)方案不同，在缺少路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)管理的情況下，有軌電車(chē)到達(dá)平交路口恰逢有軌電車(chē)通行相位的概率較低，難以避免有軌電車(chē)在路口停車(chē)等待通行許可。而頻繁的路口停車(chē)等待直接導(dǎo)致有軌電車(chē)的平均旅行速度下降，從而增加了乘客的出行時(shí)間，降低了運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。本文通過(guò)分析影響旅行速度的關(guān)鍵因素，探討有軌電車(chē)旅行速度的提升方法。

2 制約旅行速度的影響要素

制約有軌電車(chē)旅行速度的影響要素較多。既有文獻(xiàn)對(duì)車(chē)站停站時(shí)間、站間距、線路限速等常規(guī)因素的分析較多，本文從有軌電車(chē)的車(chē)站布局、平交路口分布、平交路口優(yōu)先策略、時(shí)刻表匹配等視角，分析如何提升平交路口不停車(chē)通過(guò)率，從而提高有軌電車(chē)的平均旅行速度。

2.1 車(chē)站布局

有軌電車(chē)的車(chē)站布局需要考慮有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全和效率、道路的交通組織，方便乘客乘車(chē)或換乘。車(chē)站布置一般分為路口前設(shè)站和路口后設(shè)站，如圖1所示。

圖1 有軌電車(chē)站臺(tái)布置

對(duì)于路口前設(shè)站，無(wú)論前方路口當(dāng)前處于哪個(gè)相位，有軌電車(chē)均需進(jìn)站停車(chē)上下客。在乘客乘降期間，司機(jī)充分利用停站時(shí)間來(lái)人工申請(qǐng)路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)，以保證道路交通信號(hào)系統(tǒng)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)調(diào)整相位和配時(shí)。這樣，有軌電車(chē)從站臺(tái)出發(fā)時(shí)不停車(chē)通過(guò)該路口的概率較高。

對(duì)于路口后設(shè)站，有軌電車(chē)在接近路口時(shí)會(huì)自動(dòng)申請(qǐng)路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)。由于有軌電車(chē)的區(qū)間運(yùn)行速度較高，其申請(qǐng)路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)至到達(dá)路口的時(shí)間較短，不足以滿足道路交通控制系統(tǒng)調(diào)整相位及配時(shí)的需要。因此，部分有軌電車(chē)到達(dá)路口時(shí)，路口專(zhuān)用信號(hào)燈仍未開(kāi)放，有軌電車(chē)只能在路口前方等待通行許可，增加了有軌電車(chē)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。

2.2 平交路口分布

平交路口是制約有軌電車(chē)旅行速度的關(guān)鍵因素。由于各種車(chē)輛在平交路口共享路權(quán)，故有軌電車(chē)必須采用限速行駛。一般有軌電車(chē)直行通過(guò)平交路口的限速為30 km/h，左右轉(zhuǎn)彎通過(guò)平交路口的限速為15 km/h?？梢?jiàn)，有軌電車(chē)在平交路口的通行時(shí)間較長(zhǎng)，如再加上有軌電車(chē)通過(guò)平交路口前申請(qǐng)優(yōu)先通過(guò)權(quán)的等待時(shí)間，則每增加1個(gè)平交路口約增加25 s的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。

平交路口越多，則區(qū)間運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)而使有軌電車(chē)的平均旅行速度越低。尤其對(duì)于連續(xù)多個(gè)平交路口的區(qū)間，由于路口與路口的間距較小，且路口與車(chē)站的間距也較小，有軌電車(chē)速度尚未加速到線路限速前就需施加制動(dòng)減速。頻繁的牽引和制動(dòng)既浪費(fèi)能源，又嚴(yán)重限制有軌電車(chē)的運(yùn)行速度。因此，平交路口的分布情況是影響有軌電車(chē)平均旅行速度的關(guān)鍵因素。

2.3 平交路口的優(yōu)先策略

平交路口的有軌電車(chē)優(yōu)先策略一般有綠燈延長(zhǎng)、紅燈縮短、插入相位、跳躍相位等，如圖2所示。

圖2 信號(hào)相位周期示意圖

綠燈延長(zhǎng)：當(dāng)有軌電車(chē)即將進(jìn)入路口或進(jìn)入路口后，如當(dāng)前相位為有軌電車(chē)專(zhuān)用相位，則道路交通控制系統(tǒng)將為該有軌電車(chē)延長(zhǎng)通行時(shí)間，以確保有軌電車(chē)安全出清路口。

紅燈縮短：當(dāng)有軌電車(chē)接近路口時(shí)，如當(dāng)前相位為非有軌電車(chē)專(zhuān)用相位，則道路交通控制系統(tǒng)將通過(guò)壓縮相應(yīng)相位的配時(shí)，或縮短有軌電車(chē)專(zhuān)用相位的紅燈等待時(shí)間，以盡快進(jìn)入有軌電車(chē)專(zhuān)用相位。

插入相位：通常情況下，該路口不設(shè)置有軌電車(chē)專(zhuān)用相位，以避免路口資源的浪費(fèi)。當(dāng)有軌電車(chē)接近路口時(shí)，道路交通控制系統(tǒng)為該路口插入有軌電車(chē)專(zhuān)用相位。

跳躍相位：當(dāng)有軌電車(chē)接近路口時(shí)，道路交通控制系統(tǒng)打破相位固定輪轉(zhuǎn)的次序，將有軌電車(chē)專(zhuān)用相位直接調(diào)整到當(dāng)前相位，以快速進(jìn)入有軌電車(chē)專(zhuān)用相位。

綠燈延長(zhǎng)和紅燈縮短為常用的優(yōu)先策略，對(duì)社會(huì)交通的影響較小。插入相位可用于有軌電車(chē)出入車(chē)庫(kù)相鄰路口，其調(diào)整速度快，但對(duì)社會(huì)車(chē)輛的行駛有影響，較少采用。

有軌電車(chē)信號(hào)系統(tǒng)與道路交通信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)接口交換信息。商定每個(gè)平交路口的優(yōu)先策略，根據(jù)不同的道路交通控制系統(tǒng)的優(yōu)先調(diào)整能力來(lái)確定申請(qǐng)優(yōu)先通過(guò)權(quán)的時(shí)機(jī)。

2.4 時(shí)刻表匹配

有軌電車(chē)的智能控制系統(tǒng)具有時(shí)刻表管理功能，由在線時(shí)刻表定義每列運(yùn)營(yíng)有軌電車(chē)在每個(gè)車(chē)站的到發(fā)點(diǎn)和停站時(shí)間，以及有軌電車(chē)運(yùn)行的交路。當(dāng)有軌電車(chē)偏離時(shí)刻表時(shí)，智能控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整有軌電車(chē)的停站時(shí)間，使有軌電車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。

道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)在每個(gè)路口都有特有的相位和配時(shí)，其中包含了有軌電車(chē)通行的相位。相位和配時(shí)可根據(jù)路口優(yōu)先申請(qǐng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

在最有利情況下，當(dāng)有軌電車(chē)接近路口時(shí)，該路口的有軌電車(chē)相位恰好開(kāi)放通行，有軌電車(chē)可不停車(chē)通過(guò)該路口。而在最不利情況下，當(dāng)有軌電車(chē)接近路口時(shí)，該路口的有軌電車(chē)相位恰好結(jié)束，有軌電車(chē)需要在該路口等待較長(zhǎng)時(shí)間后方可通行。若最有利情況的概率遠(yuǎn)高于最不利情況，則有軌電車(chē)平均旅行速度較高；若最有利情況的概率遠(yuǎn)低于最不利情況，則有軌電車(chē)平均旅行速度較低。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮有軌電車(chē)的時(shí)刻表與道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)路口相位的匹配性。

3 有軌電車(chē)旅行速度提升方法

在同等邊際條件下，有軌電車(chē)的平均旅行速度越高，則該線路的運(yùn)能越大，經(jīng)濟(jì)效益更佳，運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平更優(yōu)。本文將從四個(gè)方面分析如何提升有軌電車(chē)的平均旅行速度。

3.1 合理的車(chē)站布局

按前文所述，一般情況下，為減少路口二次停車(chē)，應(yīng)盡量采用路口前設(shè)站，以使有軌電車(chē)發(fā)車(chē)后有較大概率能不停車(chē)通過(guò)站臺(tái)前方路口。

社會(huì)車(chē)輛和有軌電車(chē)的平均旅行速度不同，故二者在同一路段的運(yùn)行用時(shí)是不一樣的。這將導(dǎo)致社會(huì)車(chē)輛和有軌電車(chē)對(duì)道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)路口的相位和配時(shí)的需求不一致。因此，在考慮車(chē)站布置時(shí)，應(yīng)采用路口前設(shè)站和路口后設(shè)站相結(jié)合的方案，并仿真計(jì)算社會(huì)車(chē)輛和有軌電車(chē)的綠波協(xié)調(diào)性。當(dāng)社會(huì)車(chē)輛和有軌電車(chē)可以協(xié)調(diào)在1個(gè)相位周期內(nèi)通過(guò)時(shí)，則該路口應(yīng)優(yōu)化為路口后設(shè)站；當(dāng)社會(huì)車(chē)輛和有軌電車(chē)無(wú)法協(xié)調(diào)在1個(gè)相位周期內(nèi)通過(guò)時(shí)，則該路口應(yīng)采用路口前設(shè)站。

3.2 優(yōu)化平交路口設(shè)計(jì)

既然平交路口是制約有軌電車(chē)旅行速度的關(guān)鍵因素，那么減少平交路口的數(shù)量，就是一種直接而有效提升有軌電車(chē)平均旅行速度的方法。在部分車(chē)流人流較少的路段，可適當(dāng)關(guān)閉一些平交路口，將平交路口改為有軌電車(chē)專(zhuān)用路權(quán)；為解決行人過(guò)街問(wèn)題，可搭建人行天橋，取消部分行人過(guò)街路口；可在部分車(chē)站設(shè)置地下通道，使乘客能通過(guò)地下通道出入車(chē)站，以減少行人對(duì)地面交通的影響。

通過(guò)減少或合并部分平交路口，或通過(guò)人行天橋分流行人，或通過(guò)人行地道出入車(chē)站，可明顯減少平交路口對(duì)行車(chē)的影響，縮短單程旅行時(shí)間，有效提升平均旅行速度。

3.3 靈活配置路口優(yōu)先策略

路口優(yōu)先控制設(shè)備應(yīng)能提供可配置的優(yōu)先策略，并根據(jù)不同時(shí)段的不同交通流量動(dòng)態(tài)給出最優(yōu)化的優(yōu)先策略：當(dāng)檢測(cè)到平交路口的社會(huì)車(chē)輛流量較小時(shí)，可為有軌電車(chē)設(shè)置絕對(duì)優(yōu)先通過(guò)權(quán)，以確保有軌電車(chē)優(yōu)先快速通行；當(dāng)檢測(cè)到平交路口社會(huì)車(chē)輛流量較大時(shí)，可為有軌電車(chē)設(shè)置相對(duì)優(yōu)先通過(guò)權(quán)，以確保有軌電車(chē)的優(yōu)先通行；當(dāng)檢測(cè)到平交路口社會(huì)車(chē)輛流量很大且相關(guān)沖突車(chē)道已積壓大量社會(huì)車(chē)輛時(shí)，可為有軌電車(chē)設(shè)置伴隨相位，以降低有軌電車(chē)對(duì)社會(huì)車(chē)輛通行效率的影響。

有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)有軌電車(chē)的運(yùn)行速度、到達(dá)路口的距離、道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)的優(yōu)先調(diào)整能力等因素，來(lái)配置路口優(yōu)先通過(guò)的預(yù)告、接近、進(jìn)入、離開(kāi)等接口信息。如圖3所示，合理優(yōu)化布置有軌電車(chē)位置檢測(cè)點(diǎn)可有效提高路口不停車(chē)通過(guò)率，并可及早釋放路口資源。

圖3 平交路口有軌電車(chē)位置檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置

對(duì)于路口前設(shè)站，司機(jī)可根據(jù)駕駛經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合路口相位輪轉(zhuǎn)順序及從站臺(tái)出發(fā)駛至路口所需的時(shí)間，擇機(jī)申請(qǐng)路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)。當(dāng)前方路口當(dāng)前相位距有軌電車(chē)專(zhuān)用相位的等待時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，司機(jī)可適當(dāng)提前，在進(jìn)站時(shí)就申請(qǐng)路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)；當(dāng)前方路口的道路交通信號(hào)燈已進(jìn)入有軌電車(chē)專(zhuān)用相位的前一個(gè)相位時(shí)，司機(jī)可在站臺(tái)發(fā)車(chē)前申請(qǐng)路口優(yōu)先通過(guò)權(quán)。

3.4 增加控制中心的協(xié)同

有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)的控制中心管理著全線運(yùn)營(yíng)有軌電車(chē)的時(shí)刻表，并根據(jù)各有軌電車(chē)的早晚點(diǎn)情況實(shí)時(shí)調(diào)整其時(shí)刻表。道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)自適應(yīng)控制和區(qū)域自適應(yīng)控制，其控制中心管理路口配時(shí)邏輯。

國(guó)內(nèi)有軌電車(chē)線路多采用半獨(dú)立路權(quán)，各時(shí)段客流有明顯差異。因此，有軌電車(chē)通過(guò)路口的時(shí)間和乘客站臺(tái)乘降時(shí)間存在一定不確定性，有軌電車(chē)很難保證嚴(yán)格遵循時(shí)刻表定義的時(shí)間到達(dá)站臺(tái)或路口。

如圖4所示，有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)控制中心與道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)控制中心的接口可提供實(shí)現(xiàn)軌-路協(xié)調(diào)的一體化解決方案，使得城市軌道交通融入市政道路交通系統(tǒng)，并將其對(duì)道路交通的影響降到最低。在雙方控制中心的協(xié)同控制下，有軌電車(chē)的運(yùn)行可被交通管理部門(mén)監(jiān)控，有軌電車(chē)調(diào)度中心可實(shí)時(shí)獲得道路交通的擁堵及車(chē)流信息；有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)主動(dòng)將發(fā)車(chē)時(shí)間與交通信號(hào)燈周期時(shí)間相互匹配，以減少所需道路交通信號(hào)主動(dòng)調(diào)整信號(hào)周期的次數(shù)，提高路口的不停車(chē)通行效率；有軌電車(chē)智能控制系統(tǒng)的控制中心可提前將每輛有軌電車(chē)到達(dá)相應(yīng)路口的時(shí)刻發(fā)送到各道路交通系統(tǒng)路口控制設(shè)備，為路口控制設(shè)備預(yù)留足夠的優(yōu)先調(diào)整時(shí)間，確保及時(shí)為有軌電車(chē)開(kāi)放通行相位，大幅壓縮路口等待時(shí)間。

圖4 雙方控制中心的協(xié)同控制

4 結(jié)語(yǔ)

有軌電車(chē)是多制式軌道交通的重要組成部分。受制于平交路口的半獨(dú)立路權(quán)，有軌電車(chē)的平均旅行速度普遍偏低，制約了有軌電車(chē)的快速發(fā)展。影響有軌電車(chē)旅行速度的關(guān)鍵因素為平交路口不停車(chē)通過(guò)率。本文從車(chē)站布局、平交路口設(shè)計(jì)、優(yōu)先策略、時(shí)刻表匹配等視角分析了如何提升平交路口不停車(chē)通過(guò)率。在規(guī)劃車(chē)站位置時(shí)，應(yīng)仿真計(jì)算社會(huì)車(chē)輛和有軌電車(chē)的綠波協(xié)調(diào)性，采用路口前設(shè)站和路口后設(shè)站相結(jié)合的方案。平交路口的數(shù)量和優(yōu)先策略直接影響有軌電車(chē)的旅行速度，應(yīng)縮減或合并車(chē)流人流量較小的路口，采用靈活配置的優(yōu)先策略提高路口優(yōu)先申請(qǐng)的效率。有軌電車(chē)的運(yùn)行時(shí)刻表應(yīng)與路口交通信號(hào)燈周期時(shí)間相互匹配，改被動(dòng)調(diào)整為主動(dòng)匹配，以提高路口的通行效率。在有軌電車(chē)線路規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可綜合應(yīng)用上述方法來(lái)提升有軌電車(chē)的旅行速度。