現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)設計研究

高桂桂

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，100037，北京∥高級工程師）

現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)設計研究

高桂桂

（北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，100037，北京∥高級工程師）

提出了確定有軌電車列控方式的原則和影響因素。針對車載遙控道岔方案存在的安全隱患提出了改進方案，設計了聯(lián)鎖控制方案；對三種道岔控制方案進行分析并給出了適用條件。提出了GPS（全球定位系統(tǒng)）定位結合無線通信的列車定位方案，與計軸方案進行了技術分析和比較。結合北京現(xiàn)代有軌電車西郊線進行信號系統(tǒng)設計，確定了司機人工控制方式，給出了聯(lián)鎖集中控制方案及GPS結合無線通信的列車定位方案；針對地下隧道提出了應用航位推算技術的解決方案。

現(xiàn)代有軌電車；信號系統(tǒng)；道岔控制；列車定位

Author's addressBeijing Urban Construction Design&Development Group Co.，Ltd.，100037，Beijing，China

現(xiàn)代有軌電車于20世紀90年代后期在多個西歐國家成功建設運營，其嶄新的形象、舒適的服務迅速吸引了國內城市的關注和研究［1］。繼大連、天津、上海成功運營有軌電車之后，我國眾多城市也在積極規(guī)劃和建設，沈陽渾南新區(qū)有軌電車工程已于2013年10月正式建成通車。現(xiàn)代有軌電車是在傳統(tǒng)有軌電車的基礎上全面改造升級的一種先進的公共交通方式，具有客運能力大、速度高、彈性靈活、舒適新穎的特點［1］。

隨著現(xiàn)代有軌電車（以下簡稱“有軌電車”）服務水平的不斷提升，對行車安全和效率也有了更高的需求。有軌電車信號系統(tǒng)的設計既不能照搬傳統(tǒng)有軌電車模式，又與城市軌道交通中信號系統(tǒng)的設計差別明顯。因此，對適用于有軌電車的信號系統(tǒng)進行探討、總結實踐經(jīng)驗，具有重要意義。

本文針對有軌電車信號系統(tǒng)設計中的難點和關鍵問題進行分析，并以北京現(xiàn)代有軌電車西郊線信號系統(tǒng)設計為例，給出了系統(tǒng)功能、構成及關鍵技術方案。

1 列車控制方式的選擇

城市軌道交通中采用基于設備控制的信號系統(tǒng)實現(xiàn)全線列車的高效運行和安全防護；而傳統(tǒng)的有軌電車為司機人工控制列車，信號設備僅控制道岔。有軌電車適用的列車控制方式，需結合有軌電車的特點確定。

（1）行車需求是確定列車控制方式的依據(jù)。傳統(tǒng)的有軌電車速度低、間隔大、列車質量小，司機發(fā)現(xiàn)前方有車后制動，可保證安全停車。有軌電車質量大，隨著行車需求的提高，以人的能力控制車將越發(fā)困難，因此列控方式應根據(jù)行車需求，結合列車質量、制動性能、線路坡度等數(shù)據(jù)計算確定。

（2）列車控制方式的選擇應基于線路環(huán)境條件。城市軌道交通中信號系統(tǒng)實施自動控制的前提是列車行駛在封閉的環(huán)境中，而有軌電車往往行駛于城市道路上，受各種不確定因素的影響，不利于設備實施控制。

（3）列車控制方式與平交路口控制方式密切相關。道口控制在平交路口設物理隔離設施，具備設備控制的可能，但是對垂直方向交通流影響很大，且需有人值守。有軌電車按公共交通燈的顯示行車，在路口面臨復雜、不確定的環(huán)境，更適合采用司機人工控制。

（4）列車控制方式受軌旁設備設置、線路景觀需求的影響。有軌電車行駛在城市道路上，不宜設置軌旁設備。軌旁設備除影響景觀外，還面臨開放環(huán)境中軌旁設備的安裝、抗干擾、防盜等一系列問題。司機人工控制意味著系統(tǒng)的簡化和軌旁設備的減少，更適合有軌電車工程。

（5）基于故障-安全理念設計的設備控制方式，比人工控制具有更好的安全性，也使工程整體的自動化水平顯著提升。

（6）人工控制所需的信號系統(tǒng)簡單、設備少，相對于基于設備控制的信號系統(tǒng)，可大幅降低系統(tǒng)投資。

綜上所述，列車控制方式受多種因素影響，應結合具體工程的特點和功能需求確定。行車需求低的工程適合司機人工控制方式；行車需求高的工程須采用列車自動控制方式實現(xiàn)安全防護，并盡量創(chuàng)造封閉的線路環(huán)境，通過立交的方式減少平交路口，為信號系統(tǒng)提供實施自動控制的條件。總之，有軌電車工程應是一個各專業(yè)設計方案互相匹配的系統(tǒng)工程，需根據(jù)實際情況確定適用的列車控制方式。

2 道岔控制方案

在采用人工控制方式的有軌電車工程中，對道岔的控制和安全防護成為信號系統(tǒng)的主要設計內容，可選擇傳統(tǒng)有軌電車常用的車載遙控道岔方案或軌道交通使用的聯(lián)鎖控制方案。

2.1 車載遙控道岔方案

2.1.1 傳統(tǒng)的車載遙控道岔

傳統(tǒng)的有軌電車采用車載遙控道岔，列車行駛至道岔附近，司機通過車載按鈕遙控道岔轉動。較先進的車載遙控道岔系統(tǒng)設有與轉轍機聯(lián)動的信號機，司機根據(jù)信號行車，可避免擠岔事故發(fā)生。

但是，該方式仍然存在較多的安全隱患。例如，在一列車通過道岔還沒有完全出清的情況下，若另一列車遙控道岔轉動，將造成前一列車掉道。

2.1.2 改進的車載遙控道岔方案

為解決上述列車爭搶道岔控制權帶來的安全隱患，可對方案做如下改進：在道岔岔前和岔后定位、反位分別安裝無源電子標簽，車載設備讀取電子標簽信息時即表示列車已進入該道岔控制區(qū)域（見圖1）；車載設備向地面設備請求道岔的控制權，地面設備把控制權授予某列車后，相應道岔即被該車鎖定，不再受其它列車的控制；司機通過車載按鈕遙控道岔轉動，道岔自動檢查鎖閉、信號機開放；列車通過道岔后讀取道岔另一端的電子標簽，即表示已駛出道岔控制區(qū)域，車載設備向地面設備發(fā)送信息釋放控制權。

圖1 車載遙控道岔方案示意

該方案的軌旁設備除了轉轍機和信號機外，增加了無源電子標簽和地面控制設備、通信設備。電子標簽可結合有軌電車牽引供電電線桿安裝，地面控制設備可離開軌道一定距離（根據(jù)線纜選型和信號衰耗情況確定）選擇適當?shù)奈恢冒惭b。

2.2 聯(lián)鎖集中控制方案

聯(lián)鎖是通過技術方法，使信號、道岔和進路必須按照一定程序并滿足一定條件，才能動作或建立起來的相互關系［2］。

聯(lián)鎖方案是采用計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對道岔進行集中控制。由于有軌電車工程正線道岔較少，道岔主要用于列車端站折返和出入段，因此，可采用中心自動辦理進路方式，特殊情況下轉為控制中心調度員人工辦理。如圖2所示，在道岔前設進路觸發(fā)區(qū)段，列車進入進路觸發(fā)區(qū)段后，系統(tǒng)進行聯(lián)鎖關系照查，自動辦理進路，鎖閉道岔、開放信號；列車出清道岔區(qū)段后，系統(tǒng)自動解鎖。

圖2 聯(lián)鎖集中控制方案原理示意圖

該方案增加了較多的軌旁計軸設備，且控制設備復雜、數(shù)量多。

2.3 方案適用性分析

3種道岔控制方案的比較及適用條件如表1所示。

表1 道岔控制方案性能比較

綜上所述，車載遙控道岔方案適用于行車速度低、間隔大、列車制動性能好、對折返效率要求不高的有軌電車工程；行車速度高、間隔小、折返效率和安全需求高的有軌電車工程，應考慮采用聯(lián)鎖控制方案。

3 列車定位方案

有軌電車工程如對列車調度監(jiān)視有需求，則獲取列車實時定位數(shù)據(jù)是實現(xiàn)此功能的關鍵。可選擇GPS（全球定位系統(tǒng)）定位結合無線通信和基于計軸的列車檢測方案。

3.1 GPS定位結合無線通信方案

該方案在快速公交（BRT）和出租車等交通方式中廣泛應用。系統(tǒng)通過GPS車載終端獲得列車位置、速度等數(shù)據(jù)，通過無線通信將數(shù)據(jù)實時傳輸至控制中心。無線通信方案可利用有軌電車工程通信系統(tǒng)組建的無線網(wǎng)絡，如不具備該條件，可采用租用公網(wǎng)方案。租用公網(wǎng)可選擇GSM（全球移動通信系統(tǒng)）、GPRS（通用分組無線服務）或CDMA（碼分多址通信）等通信技術。

3.2 基于計軸的列車檢測方案

計軸是軌道交通中常用的檢測軌道區(qū)段內列車占用/出清的設備。根據(jù)閉塞分區(qū)的劃分，在分界點設計軸檢測列車通過該點的車軸數(shù)，通過比較相鄰兩個計軸點的車軸數(shù)，得到兩個計軸點之間（即軌道區(qū)段內）的列車占用/出清情況，從而得到列車所在的區(qū)段。這種應用建立在一個軌道區(qū)段內只允許有一列車的基礎上。如果運營上允許多列車進入一個軌道區(qū)段，這時計軸執(zhí)行更復雜的功能，需對計軸軟件進行開發(fā)。

由于計軸是基于區(qū)段檢測列車而不是單點定位，因此只能顯示列車在某個區(qū)段內，而不能顯示列車在區(qū)段內的具體位置和速度。另外，計軸只能檢測列車，不能實現(xiàn)列車的識別，雖可以從軟件上為線路上運行的列車分別賦予車次號，但不能識別具體為某列車。需增加列車識別設備，如射頻設備實現(xiàn)此功能。

3.3 方案分析

GPS定位結合無線通信方案在公共交通領域應用廣泛。GPS技術成熟，無線通信如能利用本工程通信系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，則系統(tǒng)簡單、投資低。該方案存在GPS信號遮擋、無線通信延遲等問題，但是由于定位數(shù)據(jù)僅用于調度監(jiān)視，不涉及安全，對功能實現(xiàn)影響不大，因此，本方案非常適用于有軌電車。如果本工程沒有無線網(wǎng)絡，則需租用公網(wǎng)，增加了運營費用。

計軸檢測方案中信息均采用有線方式傳輸，可靠性、實時性好，但系統(tǒng)復雜、投資高、軌旁設備多、維護工作量大，適合在不具備無線通信條件的情況下使用。需要注意的是，計軸方案在工程初期建設了基礎信號設備，利于將來升級為信號系統(tǒng)。

4 北京西郊線實例分析

北京現(xiàn)代有軌電車西郊線是連接主城區(qū)和香山風景區(qū)的旅游觀光線路，全長9 041 m，包括地下線、高架線、地面線三種形式，全線設車站7座，車輛段1座。線路位于道路中間的綠化帶內，軌面與軌旁綠化平齊，設計行車速度25 km/h，發(fā)車間隔4 min，存在多處平交路口。

4.1 信號系統(tǒng)功能

西郊線線路環(huán)境開放，平交路口采用公共交通燈控制。由于對周邊景觀要求高，且選定的有軌電車具有很好的加速和制動性能，可由司機駕駛保證安全，故列車采用司機人工控制方式。

基于以人為主導的列車控制方式，信號系統(tǒng)設計以滿足功能需求、簡化系統(tǒng)配置為原則，功能定位為道岔控制和調度管理。

4.2 系統(tǒng)方案

西郊線信號系統(tǒng)由正線道岔控制系統(tǒng)、車輛段道岔控制系統(tǒng)和調度管理系統(tǒng)構成。

4.2.1 正線道岔控制方案

西郊線作為北京第一個現(xiàn)代有軌電車工程，整體定位高，相對于傳統(tǒng)有軌電車具有行車速度高、折返間隔小、對行車效率和安全需求高等特點，因此正線道岔采用聯(lián)鎖控制方案。

在道岔區(qū)段設計軸，對道岔進行聯(lián)鎖集中控制；設進路觸發(fā)區(qū)段，控制中心自動辦理進路，可轉為人工辦理；在正線聯(lián)鎖站設應急盤，中心設備或通道故障以及運行需要時轉為車站人工控制。

由于西郊線軌頂與軌旁草坪平齊，選用可埋入地下安裝的轉轍機，并預埋地下排水管路。為防止道岔轉動傷人，道岔區(qū)域采用綠化等方式進行局部封閉處理。

4.2.2 車輛段道岔控制方案

車輛段的作業(yè)方式主要是車輛的進、出段和段內的調車作業(yè)。基于車輛段道岔多、作業(yè)復雜、站場封閉的特點，為保證發(fā)車和調車效率，道岔采用聯(lián)鎖集中控制方案，列車檢測設備采用計軸。

4.2.3 地下段列車定位方案

本工程采用GPS定位結合無線通信方案。西郊線的設計難點在于存在地下段，隧道內GPS無法接收數(shù)據(jù)。本方案利用航位推算技術解決地下段列車定位問題。

航位推算（Dead-Reckoning，簡為DR）是一種常用的自主式導航定位手段，其基本原理是從一個已知的坐標位置和方向開始，根據(jù)車輛在該點的航向、航速和時間來推算下一時刻的坐標位置［3］，如圖3所示。由圖3可得航位推算法的基本計算公式為：

圖3 航位推算原理示意圖

式中：

d Rn-1，dθn——分別為物體從n-1時刻的位置（Xn-1，Yn-1）到n時刻位置（Xn，Yn）的位移變化矢量和航向變化量。

由于航位推算的固有缺陷，如里程計誤差、航向角誤差等，單一的航位推算系統(tǒng)在實際定位過程中不可避免地會出現(xiàn)誤差，且里程誤差將隨著時間不斷地累加。該過程可用下式表示：

式中：

ΔSn——n時刻列車運行距離的累計誤差；

Δθn——n-1至n時刻列車航向信息累計誤差；

T——傳感器采樣間隔；

t1，t2，…，tn——傳感器采樣時間點。

在有軌電車工程中，鋼軌是固定的，通過在車載設備上裝載線路數(shù)據(jù)（車載電子地圖），可得到任意點列車的運行方向（即θn已知），且是準確的、不含誤差的。以GPS信號失去鎖閉狀態(tài)前的位置為基點，通過電子地圖獲得列車運行方向，通過速度數(shù)據(jù)計算失去鎖閉狀態(tài)后列車行走的里程，即可推算出列車的瞬時位置。這里可能存在里程數(shù)據(jù)的誤差，但通過采用高精度的速度傳感器，可有效控制縱向誤差。西郊線地下隧道均在500 m以內，且列車定位數(shù)據(jù)僅做調度監(jiān)視使用，不涉及安全功能，因此航位推算產(chǎn)生的誤差對系統(tǒng)應用影響不大。

在地下隧道較長或對定位精度要求高的工程中，可在隧道內裝設應答器，車載電子地圖包含應答器所在位置的準確里程，可對航位推算產(chǎn)生的誤差進行修正，有效控制累計誤差。如圖4所示。

圖4 航位推算誤差修正示意圖

上述方案適用于地下隧道內沒有道岔的情況，否則，道岔上列車的運行方向是不確定的，需設置方向傳感器（角速度陀螺儀）。另外，由于本工程線路設于道路旁綠化帶內，采用GPS結合航位推算的定位方案也可有效解決GPS信號受樹木遮擋的問題。

5 結論

（1）有軌電車工程應是一個各專業(yè)設計方案互相匹配的系統(tǒng)工程。列車控制方式應考慮行車需求、環(huán)境條件、平交路口、景觀需求等因素，結合實際工程特點確定。

（2）車載遙控道岔方案適用于行車速度低、間隔大、列車制動性能好、景觀要求高、對折返效率要求不高的有軌電車工程；反之，應考慮聯(lián)鎖控制方案。

（3）GPS定位結合無線通信方案可為有軌電車工程提供列車定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不涉及安全的功能。地下隧道內列車定位及地面線GPS信號遮擋問題可通過GPS結合航位推算的方法解決。

［1］ 薛美根，楊立峰，程杰.現(xiàn)代有軌電車主要特征與國內外發(fā)展研究［J］.城市交通，2008，6（6）：88.

［2］ TB 454—1981鐵路信號名詞術語［S］.

［3］ 王慧青，王慶.車載航位推算系統(tǒng)中傳感器參數(shù)的在線標定［J］.測繪技術，2008（12）：21.

［4］ 劉新平.新型有軌電車信號系統(tǒng)方案研究［J］.城市軌道交通研究，2012（5）：50.

On the Signal System Design in Modern Tramcar Project

Gao Guigui

Principles and impact factors in the selection of train control mode are proposed.Based on the hidden risks，the improvement plans for the on-board remote control of railway switch and interlocking control scheme are designed，the application conditions are summarized after a thorough comparison of three switch control schemes.A train location method that combines wireless communication with GPSpositioning method is put forward and compared with the axle counter method for a detailed technical analysis.The manual train control mode and interlocking control are determined in the signaling system design according to the features of the modern tramcar project in Beijing West suburb.Finally，the dead reckoning technology is recommended in underground tunnel conditions.

modern tramcar；signal system；switch control；train positioning

U 282+.2：U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2015.01.016

2013-04-25）