有軌電車目視駕駛信號(hào)系統(tǒng)方案研究

李 杰

現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行存在不同的路權(quán)形式，包括全開(kāi)放的混合路權(quán)、半封閉的部分獨(dú)立路權(quán)和全封閉獨(dú)立路權(quán)。根據(jù)不同路權(quán)，有軌電車的信號(hào)系統(tǒng)大致可分為3種不同的解決方案：①目視駕駛方案；②具備列車自動(dòng)停車 （防止闖紅燈Train stop）的駕駛方案；③具備自動(dòng)列車防護(hù)功能（ATP）的駕駛方案。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)能需求、項(xiàng)目投資預(yù)算、行車調(diào)度和運(yùn)營(yíng)管理等多方面因素，目前國(guó)內(nèi)已建和擬建的有軌電車項(xiàng)目多采用司機(jī)目視駕駛方案。該方案的信號(hào)系統(tǒng)不具備超速防護(hù)、間隔追蹤、冒進(jìn)信號(hào)機(jī)防護(hù)等安全功能，司機(jī)在行車過(guò)程中需要觀察其他車輛、限速標(biāo)志、進(jìn)路表示器、交通信號(hào)燈等設(shè)備設(shè)施。

1 目視駕駛模式的信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以成都現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目為例，介紹目視駕駛模式下的信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，主要包括：運(yùn)營(yíng)控制中心、道岔區(qū)域聯(lián)鎖控制系統(tǒng)、IMU100車－地傳輸系統(tǒng)、軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng)、路口交通控制系統(tǒng)、信號(hào)機(jī)和車載及其他軌旁設(shè)備等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)配置方案

2．1 道岔區(qū)域聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

圖2是一個(gè)簡(jiǎn)化的聯(lián)鎖配置示意圖，其核心是基于標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)SIMATIC S7平臺(tái)，由一個(gè)搭載了應(yīng)用軟件的CPU模塊和連接外部元件的I／O數(shù)字接口模塊組成。接口模塊和CPU之間使用Profisafe協(xié)議通信。整個(gè)系統(tǒng)符合故障導(dǎo)向安全。整個(gè)聯(lián)鎖機(jī)柜采用模塊化的軟硬件設(shè)計(jì)，可大大降低項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和維護(hù)成本。

聯(lián)鎖機(jī)柜實(shí)現(xiàn)對(duì)外部元件的集中控制和監(jiān)控，通過(guò)PLC的I／O模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制軌旁設(shè)備，如轉(zhuǎn)轍機(jī)、進(jìn)路信號(hào)機(jī)等，同時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)控道岔位置、軌道的空閑／占用信息、信號(hào)機(jī)顯示狀態(tài)，接收有軌電車發(fā)來(lái)的進(jìn)路請(qǐng)求等。聯(lián)鎖CPU通過(guò)分析收到的信息，從而控制輸出，鎖閉并開(kāi)放用于列車運(yùn)行的進(jìn)路。

2．2 IMU100車－地傳輸系統(tǒng)

IMU100（西門子車－地通信感應(yīng)傳輸系統(tǒng)）包括：車載單元、車載天線、軌旁天線或環(huán)線、軌旁接收器。它是通過(guò)車載天線傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文，來(lái)實(shí)現(xiàn)路口優(yōu)先權(quán)請(qǐng)求和岔區(qū)進(jìn)路請(qǐng)求的功能。當(dāng)有軌電車通過(guò)軌旁天線時(shí)，車載單元將預(yù)設(shè)好的車輛信息以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式，通過(guò)車載天線發(fā)送給軌旁天線或環(huán)線，軌旁天線或環(huán)線將收到的信息傳遞給軌旁接收器。

軌旁接收器CPU850放置在路口機(jī)柜內(nèi)，用來(lái)接收來(lái)自軌旁天線的信息，并傳送信息給路口交通控制器。路口交通控制器根據(jù)收到的信息，判斷有軌電車距離路口的距離，并結(jié)合交管局設(shè)定的路口紅綠燈相位邏輯，給出有軌電車行車信號(hào)。平交路口信號(hào)優(yōu)先的控制策略可分為絕對(duì)優(yōu)先策略、相對(duì)優(yōu)先策略和部分優(yōu)先策略3種，見(jiàn)表1。

表1 有軌電車路口信號(hào)優(yōu)先控制策略比選表

2．3 軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng)

軌道空閑檢測(cè)系統(tǒng)由軌道電路和軌道電路控制器Tracon（西門子有軌電車專用軌道電路）組成，布置在道岔區(qū)域，用作檢測(cè)軌道電路區(qū)域是否存在軌道車輛。軌道電路包含軌道電感和電容組成的諧振電路。有軌電車通過(guò)軌道電路時(shí)，由于車輪短路鐵軌，從而降低了輸出電壓。任何電壓的跌落會(huì)被Tracon模塊采集，并作為軌道電路被占用的標(biāo)準(zhǔn)而被評(píng)估。如果車輛離開(kāi)軌道電路區(qū)域，輸出電壓開(kāi)始再次回升，Tracon模塊評(píng)估后給出軌道電路空閑的指示。系統(tǒng)可以在社會(huì)車輛和有軌電車占用之間做出區(qū)分，確保給出可靠的占用／空閑指示。

圖2 聯(lián)鎖配置示意圖

2．4 路口交通控制系統(tǒng)

路口交通控制系統(tǒng)中，交通控制器接收來(lái)自車地傳輸系統(tǒng)的信息，評(píng)估有軌電車距離路口的相對(duì)位置，再根據(jù)當(dāng)前路口交通信號(hào)燈的相位以及預(yù)定的路口優(yōu)先策略最終發(fā)出交通信號(hào)燈信號(hào)。

2．5 運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)

目前，國(guó)內(nèi)司機(jī)目視駕駛的有軌電車項(xiàng)目要求設(shè)置運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng) （OCC），OCC需能實(shí)現(xiàn)對(duì)有軌電車的運(yùn)輸組織管理、運(yùn)行監(jiān)控、車輛運(yùn)用、供電監(jiān)控、維修管理等 “人－車－路－站－段”一體化、智能化、綜合化和集成化管理。

3 設(shè)計(jì)討論

根據(jù)目前有軌電車信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不同需求，給出一些建議。

3．1 正線聯(lián)鎖的冗余設(shè)計(jì)

PLC的冗余設(shè)計(jì)在工控領(lǐng)域已有成熟方案。包括CPU冗余、軟件設(shè)計(jì)冗余、通信通道冗余、I／O模塊冗余等。其中PLC雙CPU的硬件冗余方案是通過(guò)軟件完成雙CPU的控制，2塊CPU同時(shí)在線運(yùn)行，一塊處于主控制模式，另一塊處于熱備模式。擁有主控制權(quán)的CPU具有輸出控制權(quán)，而熱備CPU同時(shí)采集數(shù)據(jù)和保持通信連接，但輸出被禁止。2個(gè)CPU模塊互相監(jiān)視對(duì)方的運(yùn)行狀態(tài)和通信情況，一旦發(fā)現(xiàn)對(duì)方故障，立即發(fā)出報(bào)警，并上傳給運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心。如果是主控CPU故障，熱備CPU自動(dòng)切入獲得主控權(quán)，雙CPU模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。

但對(duì)于有軌電車目視駕駛，正線聯(lián)鎖是否必須采用冗余設(shè)計(jì)的要求，行業(yè)中有不同的意見(jiàn)。雖然冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間，縮短系統(tǒng)平均故障修復(fù)時(shí)間，但如果獨(dú)立系統(tǒng)自身已經(jīng)達(dá)到要求的平均無(wú)故障時(shí)間，那么就沒(méi)有必要采用冗余技術(shù)。因?yàn)槿哂嘣O(shè)計(jì)會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時(shí)冗余配置會(huì)增加用戶的系統(tǒng)投資。

3．2 有軌電車專用信號(hào)機(jī)

有軌電車要求司機(jī)根據(jù)地面有軌電車專用信號(hào)機(jī)的顯示、目視駕駛行車。此時(shí)除道岔區(qū)段設(shè)有軌電車專用信號(hào)機(jī) （進(jìn)路信號(hào)機(jī)）外，在平交路口也需設(shè)置有軌電車專用信號(hào)機(jī)，司機(jī)目視并依據(jù)專用信號(hào)燈顯示控制行車。這樣就需要在路口交通控制系統(tǒng)中，增加安裝專用信號(hào)機(jī)控制設(shè)備，接收交通控制器的指令，控制信號(hào)機(jī)的顯示，同時(shí)監(jiān)控信號(hào)機(jī)的顯示狀態(tài)，并反饋給交通信號(hào)控制器。即交通信號(hào)控制器不僅要控制和檢測(cè)路口交通信號(hào)紅綠燈，還要控制和檢測(cè)有軌電車專用信號(hào)機(jī)。針對(duì)這一點(diǎn)的設(shè)計(jì)需要預(yù)先與交通管理部門確定控制策略。

3．3 進(jìn)路控制盤

當(dāng)車－地通信故障或車載設(shè)備故障時(shí)，有軌電車不能自動(dòng)或司機(jī)手工遙控操縱道岔。司機(jī)需要通過(guò)設(shè)置于軌旁進(jìn)路信號(hào)機(jī)上的進(jìn)路控制盤，手動(dòng)進(jìn)行道岔的控制操作。待列車出清道岔區(qū)段后，進(jìn)路解鎖，其他列車方可通行。控制盤可以安裝在進(jìn)路信號(hào)機(jī)內(nèi)。

3．4 計(jì)軸設(shè)備

計(jì)軸設(shè)備由計(jì)軸機(jī)柜和軌旁設(shè)備組成。利用發(fā)送磁頭交變磁通變化，接收磁頭感應(yīng)相應(yīng)信號(hào)幅值改變的原理，分析判斷道岔區(qū)域占用出清狀態(tài)和行車方向。與軌道電路相比，安全性和可靠性更高，但安裝維護(hù)較復(fù)雜，投資成本過(guò)高。計(jì)軸設(shè)備國(guó)內(nèi)更多應(yīng)用于干線鐵路和城市地鐵交通。歐洲有軌電車信號(hào)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)普遍建議采用軌道電路。

4 總結(jié)

介紹了司機(jī)目視駕駛條件下信號(hào)系統(tǒng)的配置方案，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)組成、基于SIMATAC S7的聯(lián)鎖配置、車－地通信系統(tǒng)和軌道電路空閑檢查系統(tǒng)，同時(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)中存在的不同需求給出一些建議。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．TB10007－2006．鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．2006．

［2］ 中華人民共和國(guó) ．GB／T12758－2004．城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通用技術(shù)條件［S］．2004．

［3］ 王灝 ．現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實(shí)踐［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011．

［4］ 朱濟(jì)龍 ．現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)概論［M］．北京：中國(guó)機(jī)械工業(yè)出版社，2015．