鄒仕順

現(xiàn)代有軌電車的信號控制技術(shù)

鄒仕順

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，對公交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所采用?，F(xiàn)從現(xiàn)代有軌電車的技術(shù)特點入手，結(jié)合其線路、車輛、旅行速度和最高速度、信號系統(tǒng)等方面對現(xiàn)代有軌電車的技術(shù)特征進(jìn)行了具體的闡述;重點對路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)、正線道岔控制系統(tǒng)、道岔區(qū)段列車檢測設(shè)備等關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)行了分析比較，探索在我國復(fù)雜的城市道路交通狀況下，如何采用合理的相關(guān)技術(shù)，充分發(fā)揮現(xiàn)代有軌電車的技術(shù)特點和優(yōu)勢。

現(xiàn)代有軌電車;軌道交通;信號優(yōu)先控制;道岔控制

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代有軌電車在國際上已經(jīng)掀起了復(fù)興的熱潮。對于現(xiàn)代有軌電車，我們有必要摒棄舊的印象，對其進(jìn)行重新認(rèn)識。提到有軌電車，許多人會想起小時候見過的拖著兩條長辮子的老電車，或者香港的“當(dāng)當(dāng)車”。前者一度被淘汰，后者更多的是作為文化符號被保留。

現(xiàn)代有軌電車是指以城市道路為基礎(chǔ)，主要在地面敷設(shè)軌道，采用電力牽引的低地板有軌電車，輸送能力介于傳統(tǒng)公交車及輕軌之間，屬中等運量城市地面快速公交系統(tǒng)?，F(xiàn)代有軌電車在線路結(jié)構(gòu)上采用了降噪音技術(shù)，噪音低、速度高、轉(zhuǎn)彎半徑小、上下乘客方便;在速度要求較高的線路上，采用專用車道。與地鐵項目比，有軌電車的建設(shè)成本更低，每公里是地鐵的1/4或1/5。與公交車相比，有軌交通的載客量更大，一輛現(xiàn)代有軌電車可搭乘300名乘客。由于有優(yōu)先路權(quán)，有軌電車的平均時速比公交車快。國家“十二五”規(guī)劃中提出“有序推進(jìn)輕軌、地鐵、有軌電車等城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)”。現(xiàn)代有軌電車作為一種新的軌道交通方式，必將成為今后軌道交通發(fā)展的一支重要力量。

1 現(xiàn)代有軌電車的主要特點

相比較于其他的城市公交系統(tǒng)，現(xiàn)代有軌電車的運能雖不及地鐵系統(tǒng)，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般公交車輛，而且造價低，靈活性好，對車站要求不高，站點也可以變動，可以滿足城市街道的復(fù)雜布局要求?，F(xiàn)代有軌電車主要具有以下特點。

1.它是一種中低運量的城市軌道交通，其單向高峰小時客運量為0.3萬至1.9萬人次，介于地鐵輕軌和公共汽車之間。對于中等城市可以組成公交骨干線路，對于大城市可以作為公交輔助線路，是一種比較經(jīng)濟(jì)的客運方式。

2.與老式有軌電車相比，現(xiàn)代有軌電車的車輛技術(shù)進(jìn)行了更新。除流暢美觀的外部造型外，車輛內(nèi)部也一般設(shè)空調(diào)系統(tǒng)。

3.線路一般采用地面線的敷設(shè)形式?？梢允怯歇毩⒙坊母綦x地段，也可以是與其他車輛共用路基的混行地段。在平交道口采用道口信號控制技術(shù)，保證現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先通過。

4.車站設(shè)施非常簡單。由于沒有車站運營設(shè)施，不必修建站房，車站主要建筑就是裝有雨棚的站臺，設(shè)施簡單明快。

5.作為公共交通，更加注重了美觀和城市景觀。除注重流暢美觀的車輛外形外，對接觸網(wǎng)和軌道的選型進(jìn)行了改進(jìn)，使得現(xiàn)代有軌電車與整個城市融為一體，減少了對城市景觀的破壞。

6.舊式有軌電車的震動和噪音，以及汽車交通的環(huán)境污染，是現(xiàn)代有軌電車必須克服的問題?，F(xiàn)代有軌電車采用電力牽引，避免了汽車尾氣的污染;車輛采用彈性車輪和徑向轉(zhuǎn)向架技術(shù)，能吸收和消減沖擊力和震動;在軌道上，除采用無縫線路外，還在軌下采用了有效的彈性墊層;車輛采用了“圍裙技術(shù)”，減少了噪音的輻射;在必要的地段設(shè)置聲屏障，將噪音和震動的影響降到了最低值。

7.具有耐候性強的特點。現(xiàn)代有軌電車采用輪軌系統(tǒng)和道口信號系統(tǒng)，其行車安全是有保障的，尤其在雨、雪、霧等天氣時，大多數(shù)乘客會選擇這種基本不受天氣情況干擾的安全的交通工具。

8.建設(shè)費用相當(dāng)?shù)土?。地鐵和輕軌的造價相當(dāng)高，是大多數(shù)城市難以承受的，而現(xiàn)代有軌電車相對來說工程造價低得多，對處于發(fā)展中的我國來說，其優(yōu)勢是顯而易見的。

2 現(xiàn)代有軌電車的主要技術(shù)特征

2.1 線路

現(xiàn)代有軌電車的封閉程度低，一般采用地面敷設(shè)方式。在有獨立路基的隔離地段為了減少工程量和降低投資，一般采用平交道，僅在交通特別繁忙的交叉路口采用立交道;在與市區(qū)道路共用路基的地段采用與其它車輛混行的方式。由于一般運行在城市之內(nèi)的城市道路上，為滿足城市道路的需要，現(xiàn)代有軌電車可以在降低車速的情況下設(shè)置50 m的小半徑曲線，個別地點也可以實現(xiàn)19 m的小半徑曲線。

2.2 車輛

現(xiàn)代化的有軌電車車輛早已今非昔比，無論從牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和輪軌相互作用等方面都發(fā)生了根本性的變化。有軌電車目前已普遍采用了交流傳動技術(shù)，極大地改善了列車運行平穩(wěn)性，甚至部分有軌電車采用了獨立驅(qū)動的線性輪箍電機(jī)，不僅減輕了牽引系統(tǒng)的重量、提高了效率，而且進(jìn)一步改善了輪軌相互作用，優(yōu)化了列車的曲線通過性能，并滿足20 m以下小半徑曲線的通行，輪軌磨耗和輪軌噪聲大大降低。采用微機(jī)控制的電控制動系統(tǒng)，可以完全滿足復(fù)雜路面的行駛要求。

現(xiàn)代有軌電車大多采用了低地板結(jié)構(gòu)，通常有70%或100%低地板結(jié)構(gòu)，目前最低地板可達(dá)到180 mm以下，而且可以根據(jù)不同氣候、不同路面調(diào)整高度，以滿足各種工況的行駛要求，可以最大限度地降低車輛地板面的高度。有軌電車通常不必考慮車站站臺的設(shè)置，可以滿足殘疾車輛上下車要求?，F(xiàn)代有軌電車與舊式有軌電車的不同之處主要是它不但具有外貌鮮明的現(xiàn)代化色彩，而且車輛輕、速度快(軸重僅9t左右)。有軌電車的車輛寬度通?？梢愿鶕?jù)城市道路可容納性進(jìn)行限制。

2.3 旅行速度和最高速度

傳統(tǒng)有軌電車最高設(shè)計速度一般為30 km/h左右，實際運行速度為10 km/h左右。而現(xiàn)代有軌電車的設(shè)計速度可達(dá)70～80 km/h，在城市中心地區(qū)的運行速度一般為20 km/h左右，在郊區(qū)的運行速度可達(dá)30 km/h。如果在城際鐵路上運行，運行速度則可達(dá)到70 km/h。

2.4 信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)是保證行車安全、提高運行效率的重要系統(tǒng)，現(xiàn)代有軌電車的信號系統(tǒng)通常符合以下原則。

1.立足現(xiàn)代有軌電車工程特點，在滿足功能需求的前提下簡化系統(tǒng)和設(shè)備配置。

2.技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡潔、可靠耐用、管理維修方便，并且設(shè)備集中設(shè)置，滿足標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化要求，便于維修、更換及系統(tǒng)擴(kuò)展。

3.操作顯示設(shè)備及操作界面便于操作，符合人體工程學(xué)原理。

4.設(shè)備選型及設(shè)置要與車站及沿線周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，并注意滿足環(huán)保要求，同時系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)滿足自然環(huán)境條件、線路車站環(huán)境條件的要求。

5.凡涉及行車安全的設(shè)備必須滿足故障-安全原則，主要行車指揮設(shè)備的計算機(jī)系統(tǒng)采用冗余結(jié)構(gòu)。

6.具有安全、靈活、可靠的降級控制模式，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，后備控制模式能夠接管并維持一定運營水平，盡量降低對實際運營的影響。

7.具備抗電磁干擾的能力，所有室內(nèi)外設(shè)備應(yīng)具有可靠的接地、防雷等安全措施。

3 現(xiàn)代有軌電車的關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)

現(xiàn)代有軌電車在地面路段行駛時與社會車輛共同行駛在道路上，雖然享有專用路權(quán)，但與其他車道之間存在著平面交叉，因此，如何合理利用資源，不可避免地需要利用路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)，以便控制調(diào)度中心實時監(jiān)控各有軌電車車輛的運行狀況，保障整條線路運營的安全和通暢，保證有軌電車與社會車輛有序運行。有軌電車在公交路口處應(yīng)按公交系統(tǒng)路口信號燈顯示行車，具體設(shè)計時需結(jié)合有軌電車線路布置情況和路口性質(zhì)進(jìn)行分析。

目前廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車工程的路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)主要有“區(qū)域控制”和“集中控制”2種模式。

1.區(qū)域控制方案。有軌電車全程保持衛(wèi)星定位，調(diào)度中心定位主要針對運營全局的監(jiān)視和應(yīng)急情況下的指揮;車載定位裝置無須電子地圖顯示、主要負(fù)責(zé)定位信息的實時計算。在車輛進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的“判定范圍”內(nèi)時，車載設(shè)備結(jié)合車輛位置信息、車速和已知的交叉口位置信息等，啟動預(yù)計到達(dá)時間的計算，并通過短程通信以一定時間間隔將“優(yōu)先請求信號”發(fā)送至具備有“信號優(yōu)先判定模塊”的路邊設(shè)備，由路邊設(shè)備根據(jù)當(dāng)前信號燈相位并結(jié)合當(dāng)時行車狀況，選擇延長或縮減相位為有軌電車車輛顯示綠燈。在此過程中，車輛通過路邊設(shè)備與路口機(jī)依靠無線傳輸信道進(jìn)行實時交互，以確保行駛車輛能夠與路口機(jī)充分配合，在保證行車安全的前提下通過路口。

2.集中控制方案。在有軌電車上裝載BD/ GPS，車輛通過GPRS向控制中心發(fā)送本車位置信息，該信息通過公共交通信號優(yōu)先系統(tǒng)處理，從控制中心通過光纜向交警控制中心的智能交通信號控制主機(jī)發(fā)送優(yōu)先信號;然后通過智能交通信號系統(tǒng)接口對系統(tǒng)進(jìn)行控制干預(yù)，以達(dá)到優(yōu)先的目的。公共交通信號優(yōu)先系統(tǒng)在其內(nèi)部可以通過比對車輛運營實時位置時間表與運營方提供的理想到站時間表，來確定該有軌電車是否能夠準(zhǔn)時到達(dá)車站，是否需要調(diào)整途經(jīng)路口的信號燈相位，以此達(dá)到信號優(yōu)先的目的。

其中，區(qū)域控制模式由于信號優(yōu)先的交互僅處于區(qū)域范圍內(nèi)，因此信號優(yōu)先判定過程中基本不存在信息傳輸延時問題;車輛位置信息無需頻繁上傳，信息傳輸成本相對較低;在車載定位設(shè)備基礎(chǔ)之上，如加之通信和管理功能，則可形成完善的車載系統(tǒng)。集中控制模式相對區(qū)域控制而言，GPRS傳輸信息量過大，不利于運營成本的控制;定位信息的傳輸存在延時，定位精度不高，特別是在車輛高速運行的情況下，影響優(yōu)先信號的實時性和連續(xù)性等。綜合考慮各種因素，路口信號區(qū)域控制模式顯然具有更廣泛的實用性。

3.2 正線道岔控制系統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對

正線道岔進(jìn)行聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)道岔區(qū)段內(nèi)道岔、信號機(jī)、軌道區(qū)段之間正確的聯(lián)鎖關(guān)系及進(jìn)路控制的安全。主要功能如下。

1.正常情況下中心自動或人工辦理進(jìn)路;中心設(shè)備或通道故障以及運行需要時，轉(zhuǎn)為車站人工對道岔進(jìn)行操作。

2.按正確的聯(lián)鎖關(guān)系及列車位置自動排列進(jìn)路。

3.實現(xiàn)列車進(jìn)路鎖閉、解鎖和取消，軌道區(qū)段故障恢復(fù)、信號機(jī)關(guān)閉、道岔單操及鎖閉。

4.對道岔實現(xiàn)進(jìn)路鎖閉、人工鎖閉;對控制范圍內(nèi)的道岔實行單獨操作和單獨鎖閉;對列車開放引導(dǎo)進(jìn)路;對軌道區(qū)段、道岔、信號機(jī)等實施封鎖、禁止通過其排列進(jìn)路等。

5.對進(jìn)路實現(xiàn)接近鎖閉，鎖閉的進(jìn)路隨列車的運行自動分段解鎖。

6.具有較完善的自診斷功能，對聯(lián)鎖設(shè)備、列車占用檢測設(shè)備(如計軸)、信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)等設(shè)備工作狀況檢測報警，在車站的維護(hù)工作站上顯示及報警，并在控制中心實施遠(yuǎn)程故障診斷。

目前，道岔控制系統(tǒng)普遍采用聯(lián)鎖集中控制和車載遙控控制2種模式。聯(lián)鎖集中控制模式下，車載子系統(tǒng)根據(jù)BD/GPS系統(tǒng)獲取當(dāng)前位置，通過DCS數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)把位置信息傳輸給控制中心，同時控制中心通過軌旁有線通信網(wǎng)絡(luò)獲取道岔控制系統(tǒng)的道岔、信號燈狀態(tài)，并顯示在中心調(diào)度員界面上;在電車接近岔區(qū)并讀取入口處的電子標(biāo)簽后響應(yīng)本地控制單元的呼叫，本地控制單元識別該電車后將信息發(fā)給控制中心，中心根據(jù)該電車的運行計劃向相應(yīng)的道岔控制子系統(tǒng)發(fā)送進(jìn)路控制信息;通過軌道占用檢測設(shè)備(計軸/軌道電路)檢測車輛位置，控制中心可以自動辦理進(jìn)路，遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)轍機(jī);在聯(lián)鎖站車控室設(shè)道岔單操控制盤，當(dāng)控制中心設(shè)備或通道故障以及運行需要時可以轉(zhuǎn)為車站人工控制。車載遙控控制模式下，司機(jī)駕駛車輛進(jìn)入道岔控制區(qū)域后自動取得控制權(quán)，通過車載系統(tǒng)向本地控制單元發(fā)送指令，遙控道岔轉(zhuǎn)動至需要的位置，道岔控制系統(tǒng)檢查岔區(qū)的占用狀態(tài)，在條件滿足的情況下轉(zhuǎn)動道岔，道岔動作到位后向轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)送鎖閉指令，并且向進(jìn)路表示器發(fā)送顯示指令;道岔自動鎖閉、信號開放，車輛駛出道岔控制區(qū)域后自動失去控制權(quán)以保證不會因司機(jī)誤操作造成道岔再次轉(zhuǎn)動;車輛取得控制權(quán)至車輛完全離開道岔區(qū)段期間，系統(tǒng)不授予其他車輛對道岔的控制權(quán)，并保證道岔鎖閉，以保證運行安全;有軌電車出清后，解除對轉(zhuǎn)轍機(jī)的鎖閉指令;系統(tǒng)通過在地面安裝電子標(biāo)簽的方式劃分道岔區(qū)段和道岔控制區(qū)域，以無線的方式實現(xiàn)車載和地面控制設(shè)備之間的通信。

其中，聯(lián)鎖集中控制在大鐵和地鐵中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，安全可靠，進(jìn)路的辦理和道岔鎖閉與車輛的行駛各自獨立進(jìn)行;車載遙控控制在大連、天津等城市有軌電車工程中有所應(yīng)用，但是缺乏廣泛應(yīng)用的業(yè)績，而且控制道岔中間環(huán)節(jié)較多，相對來說可靠性和安全性較差，且無線通信可能受牽引供電及周邊其他無線信號的電磁干擾，存在影響行車安全的隱患。因此，從安全及技術(shù)成熟角度分析，推薦采用聯(lián)鎖集中控制系統(tǒng)實現(xiàn)對道岔的聯(lián)鎖控制，但可以將車載遙控控制作為一種備用模式，在聯(lián)鎖集中設(shè)備或通道出現(xiàn)故障時，用來替代聯(lián)鎖集中控制系統(tǒng)。

3.3 道岔區(qū)段列車檢測設(shè)備

常用的檢測軌道區(qū)段內(nèi)列車占用/出清的設(shè)備有50Hz軌道電路、25Hz軌道電路、計軸設(shè)備及電子標(biāo)簽。其中，軌道電路相對于計軸軌旁設(shè)備較多，與環(huán)境景觀不相協(xié)調(diào)，不便于安裝在路邊，且兩條鋼軌容易受到外界金屬物質(zhì)的短路干擾，影響行車安全。計軸設(shè)備安裝方便，軌旁設(shè)備少，不會影響線路兩側(cè)景觀、不容易受到外界干擾、維護(hù)維修方便，因此，在現(xiàn)代有軌電車工程中，一般采用計軸設(shè)備作為道岔區(qū)段列車檢測設(shè)備。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代有軌電車收益高、污染小、見效快。它的特點是占道小、起速快、運行靈活、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、換乘方便，更適應(yīng)于一般的大中城市。從運力、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、環(huán)保等各個方面綜合評價，它能真正達(dá)到大客流、低成本、安全、快速等要求。從國外大量的工程實踐以及科技進(jìn)步發(fā)展的趨勢看，在我國大、中型城市中，適當(dāng)修建現(xiàn)代有軌電車，作為城市軌道交通系統(tǒng)的一種形式，緩解城市交通壓力是合理可行的，符合城市公交系統(tǒng)多元化的戰(zhàn)略思想。

［1］北京城建設(shè)計研究總院有限公司．現(xiàn)代有軌電車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［R］．2010．

［2］王灝．現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實踐［M］．中國建筑工業(yè)出版社，2011．

［3］周路菡．現(xiàn)代有軌電車的崛起［J］．新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2013，09．

［4］于禹夫．現(xiàn)代有軌電車交通系統(tǒng)及其車輛的技術(shù)定位［J］．地鐵與輕軌，2003，12．

［5］葉芹祿．論城市有軌電車及其系統(tǒng)的技術(shù)特性［J］．鐵道勘探與設(shè)計，2008，01．

With the developmentof the society and the continuous improvementof urbanization level，the demands of transport traveling of people are increasingly pressing and the requirements of public transport traveling are also getting higher．As a new type of rail transit，modern tramcars are adopted bymany cities．Started from the characteristics ofmodern tramcar，this paper expounds the technology features of modern tramcar in detail in terms of line，vehicle，traveling velocity and maximum velocity，signal system．It focuses on analysis and comparison of some key technologies，such as crossing signal priority control system，mainline switch control system，vehicle detection device in switch area etc，in order to explore how to use the technology reasonably and fully utilize the characteristics and advantages ofmodern tramcar under complex urban road traffic conditions in China．

Modern tramcar;Rail transit;Signal priority control;Switch control

鄒仕順:中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所助理研究員100081北京

2013-12-09

(責(zé)任編輯:張利)