嚴(yán)建鵬 梁 奕 徐宏偉 陸艮峰

(國電南瑞科技股份有限公司軌道交通技術(shù)分公司，210061，南京//第一作者，工程師)

有軌電車具有速度低、軌旁設(shè)備少、與道路車輛共用路權(quán)等運(yùn)營特點(diǎn)。為保障其安全、準(zhǔn)時、高效、可靠運(yùn)行，現(xiàn)代有軌電車以車輛段調(diào)度中心集中控制為核心，采用司機(jī)人工駕駛模式，在道路平交路口以優(yōu)先通過權(quán)通行，集中控制道岔區(qū)域設(shè)備，并能實現(xiàn)準(zhǔn)確定位列車位置，形成了獨(dú)特的信號控制體系[1-2]。本文從有軌電車信號系統(tǒng)功能設(shè)計角度，討論其總體結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)方式。

1 有軌電車信號系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

有軌電車信號系統(tǒng)主要由ATS(列車自動監(jiān)控子系統(tǒng))、SCS(正線道岔控制子系統(tǒng))、CCS(道口控制子系統(tǒng))、VCS(車載控制子系統(tǒng))及DSS(車輛段信號子系統(tǒng))等構(gòu)成。各子系統(tǒng)之間通過專用有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。有軌電車信號系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流如圖1所示。

2 ATS

2.1 ATS組成

與地鐵和輕軌信號系統(tǒng)相比，有軌電車ATS只在控制中心有設(shè)備，在車站沒有設(shè)備。所有列車的運(yùn)營調(diào)度和指揮工作全部在控制中心調(diào)度工作站完成。ATS設(shè)備主要包括行車調(diào)度工作站、計劃調(diào)度工作站、視頻監(jiān)控工作站、維護(hù)工作站、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及大屏幕顯示系統(tǒng)等。各ATS設(shè)備通過信號安全以太網(wǎng)互聯(lián)，如圖2所示。目前，蘇州高新區(qū)有軌電車2號線ATS與ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))已實現(xiàn)深度集成，采用“平臺+應(yīng)用”設(shè)計模式，將信號、通信、機(jī)電、供電及乘客信息等多個專業(yè)的設(shè)備集成在統(tǒng)一的TIDS(綜合自動化平臺)之上，融合形成了以行車調(diào)度指揮為核心，對車、機(jī)、電統(tǒng)一監(jiān)控和管理的更高級信息整合。

2.2 ATS的基本功能

(1) 行車信息顯示。ATS接收并處理SCS、CCS、VCS、DSS的實時數(shù)據(jù)，在行車調(diào)度工作站和大屏幕上顯示全線線路、列車、車站及軌旁設(shè)備，以及供電等設(shè)備的各種狀態(tài)信息，實時反映在線列車的運(yùn)行位置、運(yùn)營狀況以及信號設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。行車調(diào)度工作站還可查看各類實時統(tǒng)計信息。其顯示內(nèi)容全面、直觀、簡潔。

(2) 列車運(yùn)行監(jiān)視的追蹤。ATS根據(jù)SCS、VCS及DSS發(fā)來的列車標(biāo)志、列車位置和線路占用信息，監(jiān)視每輛在線列車的運(yùn)行過程，并向每輛列車實時傳送其前后列車位置和速度信息，控制在線列車追蹤間隔，保證運(yùn)營安全暢通。這是ATS系統(tǒng)最重要的功能。

圖1 現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)流示意圖

圖2 現(xiàn)代有軌電車ATS基本組成圖

(3) 列車進(jìn)路控制。行車調(diào)度員通過行車調(diào)度工作站下發(fā)進(jìn)路控制或信號設(shè)備控制命令，開放信號，復(fù)位設(shè)備。進(jìn)路控制可自動觸發(fā)，也可人工辦理，并采用交路表和進(jìn)路表的方式，高效管理每條進(jìn)路和每列列車的運(yùn)行軌跡。

(4) 列車運(yùn)行計劃編制和查詢。將列車運(yùn)行計劃以時刻表的方式進(jìn)行編輯、存儲、查詢及修改；將列車實際到發(fā)時刻與計劃時刻表對比，統(tǒng)計早晚點(diǎn)情況，并實時進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化；在早晚高峰和節(jié)假日采用特定時刻表，以提高運(yùn)輸效率。

(5) 車輛運(yùn)用計劃和車輛管理。ATS根據(jù)當(dāng)日計劃時刻表、車輛檢修計劃及司機(jī)派班計劃等信息，編制當(dāng)日車輛運(yùn)用計劃和配車計劃，并發(fā)送給DSS，由DSS辦理車輛出入段進(jìn)路和調(diào)車進(jìn)路，統(tǒng)一管理全線列車的上線和入庫。

(6) 列車運(yùn)行信息記錄和查詢。ATS將全線列車運(yùn)行信息、操作情況、設(shè)備狀態(tài)、報警信息實時分類存儲，并形成各類統(tǒng)計分析報表。運(yùn)營工作人員的可隨時查詢各類信息，便于清楚地掌握運(yùn)營實際狀況。

(7) 人員培訓(xùn)和系統(tǒng)維護(hù)。通過培訓(xùn)工作站，可對新上崗人員獨(dú)立進(jìn)行各類培訓(xùn)和教學(xué)。在視頻和維護(hù)工作站，設(shè)備維護(hù)人員可方便實時查看系統(tǒng)運(yùn)行狀況與報警信息，實時了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和修復(fù)情況。

此外，為保證ATS系統(tǒng)控制命令的安全下發(fā)，對道岔復(fù)位、軌道區(qū)段復(fù)位、區(qū)域限速取消等涉及安全的關(guān)鍵操作，規(guī)定采用安全命令，且安全完整性等級(SIL)要求達(dá)到SIL2級。

3 SCS

3.1 SCS的組成

有軌電車信號系統(tǒng)沒有車站設(shè)備。道岔區(qū)域設(shè)備由SCS集中控制。SCS主要設(shè)備安裝在軌旁道岔控制箱里，具備耐高溫極寒、安全可靠、維護(hù)簡單且成本低等技術(shù)要求，是有軌電車電車信號系統(tǒng)中最關(guān)鍵的子系統(tǒng)，其功能SIL最低需要達(dá)到SIL3級。

道岔控制設(shè)備一般沿線分散設(shè)置。1套SCS設(shè)備控制1個道岔區(qū)域，并將道岔、信號機(jī)、軌道電路、現(xiàn)地控制盒及感應(yīng)環(huán)線等信息集中處理和控制。但對于較短的有軌電車線路，也可多個道岔區(qū)域共用1套SCS設(shè)備，或全線只在控制中心集設(shè)置1套SCS設(shè)備。這樣可減少設(shè)備，方便設(shè)備的集中監(jiān)測。SCS基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 道岔控制子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 各組成部分的功能

道岔控制主機(jī)是道岔控制子系統(tǒng)的核心部分，一般采用符合“故障-安全”原則的二乘二取二或三取二安全計算機(jī)平臺來搭載聯(lián)鎖業(yè)務(wù)，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、安全采集與驅(qū)動。道岔控制主機(jī)根據(jù)ATS指令，結(jié)合相鄰道岔控制主機(jī)數(shù)據(jù)，選排和鎖閉進(jìn)路，集中控制道岔轉(zhuǎn)動方向和信號機(jī)顯示燈光，是信號系統(tǒng)最關(guān)鍵的控制設(shè)備。

軌道電路控制器負(fù)責(zé)對軌道電路檢測信息的處理，并將區(qū)段占用/空閑狀態(tài)發(fā)送給道岔控制主機(jī)。感應(yīng)環(huán)線收發(fā)器負(fù)責(zé)將環(huán)線檢測信息和車載VCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送給道岔控制主機(jī)，同時將道岔控制主機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送給經(jīng)過環(huán)線的列車，是車-地通信的重要通道。為保證道岔控制主機(jī)的外部安全，采用了安全型繼電器和防雷模塊組成的接口電路，將轉(zhuǎn)轍機(jī)及信號機(jī)同道岔控制主機(jī)進(jìn)行電氣隔離。

道岔控制功能主要包括進(jìn)路排列、進(jìn)路解鎖以及單獨(dú)操控等。道岔控制方式有中心ATS自動控制、本地道岔控制子系統(tǒng)自動控制、車載人工遙控及司機(jī)通過現(xiàn)地控制盒人工控制4種[3-4]。相鄰道岔控制子系統(tǒng)通過信號專用以太網(wǎng)核心交換機(jī)互聯(lián)在一起，相互通信、相互照查。

3.3 控制方式

在目前國內(nèi)已開通的線路中，有軌電車岔區(qū)軌道占用檢測和車地通信基本都采用軌道電路和信標(biāo)配合的方式完成?！坝嬢S+感應(yīng)環(huán)線”方式簡單準(zhǔn)確，維護(hù)量小。但因有軌電車采用U型槽軌，計軸磁頭安裝點(diǎn)需要切軌?！敖涣鬈壍离娐?感應(yīng)環(huán)線”方式成本低、易于維護(hù)，不用切軌。

道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備一般選擇采用地埋式轉(zhuǎn)轍機(jī)，道岔防護(hù)信號機(jī)一般采用矩形框形狀顯示的LED(發(fā)光二極管)三色進(jìn)路表示器。

3.4 路權(quán)等級不同的影響

根據(jù)運(yùn)營需求和線路采用的路權(quán)等級，可確定是否選用應(yīng)答器作為絕對坐標(biāo)來校正列車定位誤差，以及是否選用ATP設(shè)備來保證有軌電車安全間隔。有軌電車線路路權(quán)有A級、B級及C級。

A級路權(quán)為獨(dú)立路權(quán)。采用A級路權(quán)的有軌電車線路大多全線封閉，可配置ATP(列車自動防護(hù))和ATO(列車自動運(yùn)行)，甚至可達(dá)到無人駕駛。A級路權(quán)適合繁忙路段，或高標(biāo)準(zhǔn)投資且具備同地鐵或輕軌線路對接條件的線路。

B級路權(quán)為部分獨(dú)立路權(quán)，又稱混合路權(quán)。有軌電車在區(qū)間享有獨(dú)立路權(quán)，在道路平交道口與其他交通方式混行。B級路權(quán)的有軌電車可參照點(diǎn)式ATP標(biāo)準(zhǔn)，采用連續(xù)式速度控制模式。列車追蹤間隔可縮小至2～3 min。電車優(yōu)先通過道路平交道口。行車安全由司機(jī)和車載ATP來保證。雖然投資成本和維護(hù)成本較低，但對車載設(shè)備和軌道電路的要求較高，對公共車輛通行影響也較大，適合較繁忙路段，或站間距較大、平交道口較少、列車通行條件較好的線路。

C級路權(quán)為開放式路權(quán)，即有軌電車與其他道路交通混合行駛。C級路權(quán)的有軌電車信號系統(tǒng)由道岔控制器、軌道電路、感應(yīng)環(huán)線及車載輔助駕駛設(shè)備組成。列車間隔為3～5 min。有軌電車在平交道口遵守公共交通信號，其行車安全由司機(jī)保證，對公共車輛通行影響很小，但運(yùn)能和收益都優(yōu)于BRT(快速公交系統(tǒng))，適合大部分線路或作為B級路權(quán)信號系統(tǒng)的后備模式[5]。

在已開通線路中，佛山南海線、上海松江線采用A級路權(quán)，長春凈月線采用B級路權(quán)，蘇州高新區(qū)1號線、南京河西線、沈陽渾南線、廣州海珠線等線路采用C級路權(quán)。C路級權(quán)線路在設(shè)計時都考慮或預(yù)留了升級擴(kuò)容能力，以適應(yīng)未來客流的增長。

4 CCS

CCS是保證有軌電車與道路交通車輛安全通行的重要設(shè)備，其核心功能是檢測道口區(qū)域列車的接近、占用和離去，并根據(jù)優(yōu)先通行模式和道路交通信號燈來控制道口通行邏輯、控制道口信號燈的顯示燈光。CCS基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CCS基本結(jié)構(gòu)示意圖

道口控制主機(jī)接收ATS信息，在設(shè)定的道口優(yōu)先級模式下，根據(jù)列車時刻表、列車接近和離去信息，向道路交通控制機(jī)實時發(fā)送信號請求，并根據(jù)道路交通控制機(jī)信息，適時開放綠燈，同時將道口設(shè)備狀態(tài)和道路交通控制機(jī)邏輯數(shù)據(jù)發(fā)送給ATS。CCS在每個道口設(shè)置3組感應(yīng)環(huán)線，分別用于列車接近、占用和離去檢測，檢測信息由道口控制主機(jī)統(tǒng)一處理。距離道岔區(qū)域較近的平交道口，道口控制主機(jī)還可與道岔控制相互通信，甚至可共用1個設(shè)備箱。

有軌電車線路和城市道路有多個平交道口，多條有軌電車線路之間也存在互相交叉的道口；因此，有軌電車的運(yùn)行也必須遵循一定的交通規(guī)則。B級或C級路權(quán)時，通常采用有軌電車信號絕對優(yōu)先、相對優(yōu)先、常規(guī)信號行駛3種通行規(guī)則[6]，有軌電車信號系統(tǒng)與道路交通信號系統(tǒng)相互制約，合理控制各自信號燈的開放時機(jī)[7]。A級路權(quán)時，有軌電車信號系統(tǒng)與道路交通信號系統(tǒng)相互獨(dú)立，對道路交通基本沒有影響，但需要道路交通信號系統(tǒng)為有軌電車專設(shè)右轉(zhuǎn)信號燈[8]。例如沈陽渾南線有軌電車道口信號機(jī)僅指示進(jìn)路開放狀態(tài)，不指示平交道口通行權(quán)，故有軌電車需遵守道路交通信號指示。通常大部分平交道口都采用有軌電車信號優(yōu)先控制模式，道口控制主機(jī)將列車接近、占用、離去等信息發(fā)送給道路交通控制系統(tǒng)，由道路交通控制系統(tǒng)根據(jù)通行策略，控制各個方向交通信號燈顯示和等候時間，從而降低有軌電車行程時間和等候綠燈時間，提高準(zhǔn)點(diǎn)率和服務(wù)水平。

道口通行方式需要根據(jù)線路具體特點(diǎn)來綜合考慮。有軌電車線路上每個道口采用何種通行策略，需要根據(jù)道口具體特點(diǎn)來綜合考慮，不一定全都采用同一種方式。目前，淮安有軌電車等線路為提高有軌電車道口通行能力，已成功應(yīng)用了“綠波帶”技術(shù)分段設(shè)計信號優(yōu)先策略，并取得了良好的效果。

5 VCS

VCS是輔助司機(jī)駕駛列車的重要設(shè)備，主要由車載控制主機(jī)、車地雙向無線通信設(shè)備、GPS接收天線、感應(yīng)環(huán)線設(shè)備、測速設(shè)備以及司機(jī)顯示屏等部分構(gòu)成，并與駕駛臺司機(jī)按鈕盤、列車牽引制動系統(tǒng)、列車電源屏等設(shè)備相連。VCS的核心功能是實時檢測列車運(yùn)行速度、向ATS提供列車位置信息，以及與ATS進(jìn)行雙向通信。對于列車運(yùn)行速度較高、間隔時間較短、行車密度較大的線路，應(yīng)考慮在VCS中增加超速防護(hù)功能。VCS基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

車載無線電臺負(fù)責(zé)利用無線網(wǎng)絡(luò)接收ATS系統(tǒng)實時報文信息，并送給車載控制主機(jī)進(jìn)行解析和處理。GPS/BD(北斗定位系統(tǒng))天線負(fù)責(zé)接收GSP或北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位信號，并通過車載主機(jī)送給ATS系統(tǒng)按照站場圖進(jìn)行擬合，轉(zhuǎn)化為信號系統(tǒng)定義的精確坐標(biāo)，以此來控制列車間隔，實現(xiàn)多車追蹤運(yùn)行。測速單元負(fù)責(zé)將雷達(dá)信號和其他速度傳感器信號進(jìn)行濾波和融合，將速度數(shù)據(jù)送給車載主機(jī)。感應(yīng)環(huán)線處理單元及環(huán)線接收天線負(fù)責(zé)從地面環(huán)線接收SCS進(jìn)路信息，并將列車接近信息和司機(jī)進(jìn)路遙控指令發(fā)給SCS，實現(xiàn)車載設(shè)備與道岔控制設(shè)備之間的雙向通信。

圖5 車載控制子系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

車載控制主機(jī)負(fù)責(zé)處理ATS信息、SCS信息、導(dǎo)航定位信息、測速信息以及司機(jī)按鈕盤信號，同時將列車實時速度、目的地距離、前后列車位置與速度、前方道岔區(qū)域進(jìn)路狀態(tài)等信息分類顯示在司機(jī)界面上。為保證電車安全追蹤間隔，車載控制主機(jī)還應(yīng)能實時計算超速防護(hù)曲線，并仍由司機(jī)參照該“速度-距離”曲線來駕駛列車。這樣既實用，又便于車載設(shè)備功能升級。

車-地?zé)o線通信是有軌電車車載設(shè)備與控制中心ATS實現(xiàn)雙向、實時、大容量交換信息的重要途徑。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對車-地通信性能指標(biāo)有嚴(yán)格的規(guī)定[9]。目前在軌道交通信號領(lǐng)域，廣泛采用基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN(無線局域網(wǎng))技術(shù)，其可靠性、安全性和可用性都能滿足要求，但存在同頻干擾問題，且設(shè)備成本高、維護(hù)工作量大。隨著列車控制信息、PIS(乘客信息系統(tǒng))信息及視頻信息量的不斷增加，抗干擾性能強(qiáng)、覆蓋范圍廣、移動性和服務(wù)質(zhì)量更好的TD-LTE(時分長期演進(jìn))技術(shù)成了新的研究熱點(diǎn)[9-10]。目前，廣州海珠線和寧波鄞州線等有軌電車信號系統(tǒng)正在嘗試采用紅藍(lán)雙網(wǎng)冗余配置的TD-LTE技術(shù)。未來有軌電車通信和信號系統(tǒng)將共用更多設(shè)備，逐步融為一體。

有軌電車通常采用人工目視駕駛模式，由司機(jī)來保證行車安全。為增強(qiáng)暴雨和霧雪天氣下的行車安全，VCS可采用雷達(dá)探測、紅外探測及視頻檢測等技術(shù)，以便及時發(fā)現(xiàn)線路附近的社會車輛和行人等危險點(diǎn)，并通過告警輔來助司機(jī)提高反映能力。

6 DSS

相比于地鐵車輛段，有軌電車車輛段規(guī)模雖小，但信息化、集成化程度卻完全相同，且具備地鐵車輛段全部功能。為降低成本，兼顧運(yùn)營方便，通常1條有軌電車線路僅在中間位置設(shè)置1個車輛段，并從車輛段向兩側(cè)線路同時發(fā)車。列車運(yùn)行至終點(diǎn)車站后折返換端，以保證前線列車有序運(yùn)行。以車輛段計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為核心的DSS，通過信號安全以太網(wǎng)與控制中心ATS相連，接收ATS指令和信息。車輛段值班人員通過值班員工作站或應(yīng)急控制臺，進(jìn)行接發(fā)列車和調(diào)車作業(yè)。維護(hù)管理工作站和微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，用于安排檢修任務(wù)、維護(hù)信號設(shè)備、實時掌握設(shè)備運(yùn)行狀況。通過試車線工作站，可試驗車載設(shè)備性能，培養(yǎng)駕駛?cè)藛T。同時，車輛段計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通過信號安全以太網(wǎng)，還可與正線道岔控制器進(jìn)行通信，獲取正線進(jìn)路和設(shè)備狀態(tài)，開放或關(guān)閉出入段信號機(jī)，向正線發(fā)車。正線SCS則通過網(wǎng)絡(luò)獲取車輛段聯(lián)鎖條件，排列列車返回車輛段的進(jìn)路。DSS基本組成如圖6所示。

圖6 DSS基本組成示意圖

由于有軌電車信號設(shè)備較少且功能較為簡單的特點(diǎn)，車輛段聯(lián)鎖和道岔控制系統(tǒng)更適合采用同1套安全計算機(jī)平臺，使備品備件可以通用，以節(jié)省維護(hù)和人力成本。

7 結(jié)語

本文研究了現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、工作原理及數(shù)據(jù)交換過程，闡述了各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和主要功能，并總結(jié)了有軌電車信號系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和功能實現(xiàn)方式。

現(xiàn)代有軌電車綜合自動化系統(tǒng)已成為及各個專業(yè)為一體的信息化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。隨著應(yīng)用經(jīng)驗的不斷累積，未來有軌電車信號系統(tǒng)將會采用更多新技術(shù)、新設(shè)備，進(jìn)一步提供系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，受限于道路交通通行規(guī)則的約束，有軌電車運(yùn)行速度仍相對較低，如何在保證安全的前提下，實現(xiàn)有軌電車的快速起停和高效運(yùn)行，以及有軌電車在交叉路口安全高效通行，最大限度的發(fā)揮運(yùn)能，仍是有軌電車信號產(chǎn)品研發(fā)和工程設(shè)計追求的目標(biāo)。