有軌電車信號優(yōu)先等級動態(tài)調(diào)整控制策略研究

亓叔虎 劉健花 孟臻

有軌電車通常在城市道路上運行，一般采用封閉式、半封閉式路權(quán)，但在開放路權(quán)的交叉路口會與機動車、非機動車以及行人等社會交通形成平面交叉，如果不能給予有軌電車在通過交叉路口時的優(yōu)先權(quán)，則其旅行速度、準(zhǔn)點率等指標(biāo)難以保證，無法體現(xiàn)有軌電車的優(yōu)勢。而有軌電車的交通信號優(yōu)先又會占用其他社會交通相位的時間資源，因此，需要綜合考慮交叉路口的總體通行能力，降低有軌電車優(yōu)先通行后對社會交通造成的負(fù)面影響。

根據(jù)實現(xiàn)方法，有軌電車信號優(yōu)先可以分為被動式信號優(yōu)先和主動式信號優(yōu)先。主動式信號優(yōu)先的常用方法是基于綠燈延長、紅燈縮短和插入相位衍生出來的，根據(jù)有軌電車實時到達(dá)時刻與當(dāng)前信號控制所處的階段具體定制，而且應(yīng)在保證相交道路相位的最小綠燈、保證相位間的安全綠燈間隔的前提下實現(xiàn)［1］。目前國內(nèi)已開通的有軌電車一般采用固定優(yōu)先級的主動式優(yōu)先控制策略，根據(jù)社會道路車流量的大小，分配不同交叉路口的優(yōu)先級。舉例如下。

1）三亞有軌電車信號優(yōu)先控制模式分為2種：無條件優(yōu)先和有條件優(yōu)先。有條件優(yōu)先又分為高優(yōu)先和低優(yōu)先。根據(jù)社會交通具體情況，以低優(yōu)先為主，在已開放的6個路口中，2個路口為高優(yōu)先，2個路口為低優(yōu)先，1個路口為不優(yōu)先，1個路口為無條件優(yōu)先［2］，即采用固定的優(yōu)先等級。

2）蘇州高新區(qū)有軌電車采用交互式路口信號優(yōu)先控制方案，即由有軌電車信號控制器負(fù)責(zé)列車不同位置的檢測，并把位置信息發(fā)送給道路交通信號控制機，由道路交通信號控制機根據(jù)“紅燈縮短、綠燈延長”的策略進(jìn)行信號機控制［3］，此種方式的信號優(yōu)先仍舊是采用事先確定的優(yōu)先等級控制策略，即相對優(yōu)先策略。

3）淮安有軌電車提出了一種基于離線被動綠波協(xié)調(diào)控制的有條件主動優(yōu)先控制設(shè)計方案，當(dāng)交叉路口服務(wù)水平為A—D級時，采用絕對主動信號優(yōu)先；服務(wù)水平在E、F級時，采用被動式信號優(yōu)先。該優(yōu)先控制策略是基于服務(wù)水平，提前確定優(yōu)先的控制策略［4］。

本文提出了一種基于運營早晚點信息的優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整控制策略，可根據(jù)有軌電車平交路口控制系統(tǒng)提供的列車位置、早晚點等信息，并結(jié)合運營單位的時刻表，實時確定不同早晚點列車在經(jīng)過交叉路口時的優(yōu)先等級，在滿足有軌電車運營組織需求的同時，提高交叉路口總體通行能力。

1 方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

信號優(yōu)先控制系統(tǒng)包括有軌電車側(cè)的平交路口控制系統(tǒng)和社會交通側(cè)的道路交通信號控制系統(tǒng)2部分。平交路口控制系統(tǒng)通過檢測環(huán)線進(jìn)行列車位置檢測、轉(zhuǎn)發(fā)根據(jù)早晚點信息生成的優(yōu)先等級，同時根據(jù)道路交通信號控制系統(tǒng)反饋的信息，觸發(fā)有軌電車專用信號機的點燈命令；道路交通信號控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)根據(jù)平交路口控制系統(tǒng)提供的列車位置信息、優(yōu)先等級信息，采用主動式信號優(yōu)先控制策略，判斷何時開放有軌電車相位，并將準(zhǔn)備開放信息發(fā)送平交路口控制系統(tǒng)。信號優(yōu)先控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

優(yōu)先等級的判定由信號車載控制主機完成，運營時刻表會在始發(fā)站發(fā)車前下載到車載控制主機本地，車載控制主機可根據(jù)列車實際運行情況，判斷列車的早晚點信息以及對應(yīng)的優(yōu)先等級信息，并在列車經(jīng)過檢測環(huán)線時，向平交路口控制系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先等級信息。根據(jù)運營單位運營組織要求和時刻表調(diào)整策略，不同早晚點列車分配的優(yōu)先等級見表1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 早晚點時刻與優(yōu)先等級對應(yīng)表

本文以珠海有軌電車1號線首期工程的平面十字交叉路口為例，介紹相應(yīng)的設(shè)備布置方案。在路口處設(shè)置有軌電車專用信號機，用于指示有軌電車是否通行。為避免干擾社會車輛，有軌電車專用信號機使用定制顯示：禁止信號“紅色T”，準(zhǔn)備信號“黃色T”，允許信號“白色箭頭”。其中準(zhǔn)備信號亮燈，用于提示司機優(yōu)先信號即將開放；準(zhǔn)備信號滅燈后，允許信號立即亮燈。若路口兩側(cè)檢測線圈布置范圍內(nèi)無車站設(shè)置，則在有軌電車專用線路交叉路口前布置3個定位檢測線圈，分別為預(yù)告檢測線圈、主檢測線圈和接近檢測線圈；在交叉路口后方布置1個定位檢測線圈，為離去檢測線圈。檢測線圈為有源線圈，通過專用電纜接入到有軌電車平交路口控制系統(tǒng)。路口兩側(cè)未設(shè)置車站時設(shè)備布置見圖2。

圖2 路口兩側(cè)未設(shè)置車站時的設(shè)備布置

若路口附近有車站設(shè)置時，列車進(jìn)站后需要停站上下客，可利用此段時間間隔，提前申請路口優(yōu)先，節(jié)約通行時間；同時要避免提前占用路口優(yōu)先資源，防止信號優(yōu)先開放后列車還未駛離站臺，造成資源浪費。為應(yīng)對上述需求，可在站臺停止線位置布置檢測線圈，保證列車進(jìn)站停車時停在檢測線圈通信范圍內(nèi)，并在司機臺設(shè)置“準(zhǔn)備出發(fā)按鈕”，在停站時間臨近結(jié)束時，按壓“準(zhǔn)備出發(fā)按鈕”，此時平交路口控制系統(tǒng)將車載控制主機下發(fā)的信息作為有效信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。這樣就可保證列車?yán)猛Ｕ緯r間提前申請優(yōu)先，同時又避免提前占用信號資源，影響交叉路口通行能力。

1.2 接口設(shè)計

有軌電車平交路口控制系統(tǒng)與道路交通信號控制系統(tǒng)傳遞的信息量較少，可采用硬線接口。平交路口控制系統(tǒng)向道路交通信號控制系統(tǒng)發(fā)送檢測到的位置信息、優(yōu)先等級信息等，道路交通信號控制系統(tǒng)經(jīng)過計算，具備開放優(yōu)先信號的條件后，向平交路口控制系統(tǒng)發(fā)送準(zhǔn)備開放信息，平交路口控制系統(tǒng)根據(jù)此信號，先點亮有軌電車專用信號燈黃色T燈位，幾秒后黃色T燈位滅燈，接著點亮白色箭頭燈位，當(dāng)檢測到列車駛離或者最大保持時間到達(dá)后，關(guān)閉準(zhǔn)備開放信息，根據(jù)此信息白色箭頭滅燈，紅色T燈位點亮。信號機燈位變換時序見圖3。

圖3 信號機燈位變換時序

有軌電車平交路口控制系統(tǒng)向道路交通信號控制系統(tǒng)發(fā)送：上/下行預(yù)告檢測信息、上/下行主檢測信息、上/下行接近檢測信息、上/下行離去檢測信息、上/下行優(yōu)先等級1、上/下行優(yōu)先等級2、上/下行優(yōu)先等級3、平交路口控制系統(tǒng)故障信息等。道路交通信號控制系統(tǒng)向平交路口控制系統(tǒng)發(fā)送：上/下行優(yōu)先準(zhǔn)備開放信息、道路交通信號控制系統(tǒng)故障信息等。

列車經(jīng)過不同位置的檢測線圈時，各系統(tǒng)間的信息交互有所不同。正常情況下，當(dāng)列車經(jīng)過預(yù)告檢測線圈時，各系統(tǒng)間的信息交互流程見圖4。有軌電車將列車ID、優(yōu)先等級等信息發(fā)送平交路口控制系統(tǒng)，由平交路口控制系統(tǒng)將列車位置、優(yōu)先等級等信息發(fā)送道路交通信號控制系統(tǒng)，道路交通信號控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的信息進(jìn)行信號優(yōu)先計算，有軌電車?yán)^續(xù)行駛，此時有軌電車專用信號機紅色T燈位為點亮狀態(tài)，不允許列車通過路口。

當(dāng)列車經(jīng)過主檢測線圈時，各系統(tǒng)間的信息交互流程見圖5。道路交通信號控制系統(tǒng)收到列車位置、優(yōu)先等級等信息后，開始信號優(yōu)先計算。如果具備開放優(yōu)先條件，則向平交路口控制系統(tǒng)發(fā)送準(zhǔn)備開放信息，平交路口控制系統(tǒng)根據(jù)此信息，控制黃色T點燈，經(jīng)過若干秒后，黃色T滅燈，白色箭頭點燈，允許列車通過路口；若一直不具備開放優(yōu)先條件，則保持當(dāng)前無優(yōu)先狀態(tài)，紅色T燈位點燈，不允許列車通過路口。

當(dāng)列車經(jīng)過接近檢測線圈時，各系統(tǒng)間的信息交互流程見圖6。列車到達(dá)接近檢測線圈時，若信號優(yōu)先已經(jīng)開放，則保持當(dāng)前優(yōu)先狀態(tài)；若信號優(yōu)先未開放，則不允許列車通過路口，列車需要在有軌電車專用信號機前停車，等待開放信號優(yōu)先，道路交通信號控制系統(tǒng)根據(jù)收到的信息進(jìn)行信號優(yōu)先計算，當(dāng)具備開放條件時，開放信號優(yōu)先，允許列車通過路口。

當(dāng)列車經(jīng)過離去檢測線圈時，各系統(tǒng)間的信息交互流程見圖7。列車到達(dá)離去檢測線圈前，若信號優(yōu)先開放未超過最大限制，列車到達(dá)離去檢測線圈時，道路交通信號控制系統(tǒng)向平交路口控制系統(tǒng)發(fā)送關(guān)閉準(zhǔn)備開放信息，平交路口控制系統(tǒng)根據(jù)此信息，控制白色箭頭燈位滅燈、紅色T燈位點燈；若信號優(yōu)先開放超過最大限制時，此時信號優(yōu)先關(guān)閉，紅色T燈位點亮，列車到達(dá)離去檢測線圈時，保持當(dāng)前無優(yōu)先狀態(tài)。

2 安全分析

有軌電車通過交叉路口時一般無專用路權(quán)，通常會占用專用相位，可能會與社會交通發(fā)生沖突，存在一定的安全隱患。本文提出采用HAZOP方法［5］對信號優(yōu)先控制系統(tǒng)中的典型危害進(jìn)行初步識別，見表2。

圖4 列車經(jīng)過預(yù)檢測線圈后信息交互流程

圖5 列車經(jīng)過主檢測線圈后信息交互流程

目前，有軌電車的基本設(shè)計原則是司機目視駕駛［6］，由司機保證行車安全。因此，表2中分析的影響行車安全的危害及對應(yīng)安全需求，最終可轉(zhuǎn)換為在交叉路口處對司機的運營操作要求。平交路口控制系統(tǒng)和道路交通信號控制系統(tǒng)不承擔(dān)安全功能，無安全性要求（為SIL0系統(tǒng)）。

若要減輕司機的安全責(zé)任，提高平交路口控制系統(tǒng)和道路交通信號控制系統(tǒng)的安全等級，則需要引入風(fēng)險矩陣，對原始風(fēng)險、剩余風(fēng)險的嚴(yán)重性、發(fā)生概率等進(jìn)行進(jìn)一步的評估，確定系統(tǒng)功能的安全等級，并對由此帶來的成本進(jìn)行分析，最終確定是否要提高該系統(tǒng)的安全等級。

圖6 列車經(jīng)過接近檢測線圈后信息交互流程

圖7 列車經(jīng)過離去檢測線圈后信息交互流程

3 結(jié)束語

根據(jù)國內(nèi)有軌電車優(yōu)先控制策略的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了一種基于早晚點信息的主動式優(yōu)先控制策略。以珠海有軌電車1號線首期工程為例，介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，并以平面十字交叉路口為例，對有站臺、無站臺情況下的設(shè)備布置情況進(jìn)行說明；完成接口設(shè)計，對列車經(jīng)過不同檢測線圈的數(shù)據(jù)交互流程進(jìn)行詳細(xì)說明；對信號優(yōu)先控制系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了初步分析。根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用情況反饋，可在滿足有軌電車運營組織需求的同時，提高交叉路口總體通行能力。

表2 信號優(yōu)先控制系統(tǒng)初步危害分析