現代有軌電車路口優先控制系統方案研究

易志剛

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

現代有軌電車路口優先控制系統方案研究

易志剛

（中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

在闡述現代有軌電車路口優先控制研究現狀的基礎上，分析系統方案存在控制策略固化簡單、控制模式單一和優化效果局限性大等問題，提出現代有軌電車路口優先控制系統方案，將有軌電車運營調度指揮與社會交通信號控制相結合，通過列車運行計劃協同編制、路口優先協同控制策略優化、社會交通信號協調控制實現一體化的協同控制。

現代有軌電車；平交路口；信號優先控制；協同

現代有軌電車具有投資較低、建設周期短、節約能源、綠色環保、運營靈活等特點，近年來大力發展有軌電車成為一種新的趨勢。現代有軌電車與輕軌等軌道交通存在著較多的不同[1～2]，路權形式就是其中一個顯著區別[3]。現代有軌電車路權形式分為獨立路權、半獨立路權和混合路權3種[4～5]，其中，在路段中設置專用路權，在交叉路口處采用與道路平交的半獨立路權是目前國內應用非常普遍的形式。半獨立路權形式具有減少建設成本、縮短建設周期等優勢，但在國內復雜的城市交通環境下，有軌電車在交叉路口平交與行人、車輛公共交通存在著沖突，據有關數據統計顯示，在有軌電車運營中出現的運行延誤，約有八成來自有軌電車在平交路口的停等延誤。有軌電車在平交路口的通行效率直接影響現代有軌電車系統的運營效率、運行速度以及準點率，在平交路口前頻繁加速、減速和停車，給乘客體驗、節能及運營安全等方面也帶來諸多問題。

1 問題提出

目前，我國一些城市如北京、上海、沈陽、天津、大連、廣州、深圳等，都在積極規劃建設現代有軌電車系統，總體來看，現代有軌電車在我國尚處于起步階段，對于有軌電車在平交路口的優先控制研究較少。對有軌電車在平交路口的優先控制策略，一般可分為空間優先和時間優先兩個方面。空間優先主要是有軌電車規劃設計時，選擇設置平交路口的通行車道、路權形式等，盡可能減少與其他交通流的路權沖突。時間優先則是體現在對路口信號的控制上，給予有軌電車優先通行的信號，保證其高效運行。目前，國內已運營的現代有軌電車，其路口優先控制系統大多采用在平交路口接近和離去兩個方向設置虛擬和物理檢測環線，通過環線檢測到列車通過信息，發送給社會車輛交通燈控制器，由社會車輛交通燈控制器進行路口交通相位轉換，司機和調度員可以設置優先級打開和關閉。這種路口優先控制基本上就是在優先級打開時采用絕對優先控制策略，優先級關閉時采用被動優先控制策略，該方式能夠對有軌電車通過路口進行防護，但優先級關閉時對降低有軌電車延誤沒有明顯作用，還會導致交叉路口公共車輛的延誤，當優先級打開時采用絕對優先控制策略，有軌電車運營效率得到保障，但社會車輛延誤成倍增長。這種方式在交通環境簡單、交通流量較少、道路通行能力富足的情況下，能取得較好效果，但在國內城市交通環境復雜[6]，每個路口都有其自身的特點，城市早晚高峰時段與平時交通情況差異很大的條件下，使得方案存在很多問題。

（1）交通環境復雜。我國各個城市的交通情況復雜，而且隨著城市的發展，規劃建設時和運營一定時間后，各個路口的交通情況都會發生很大的變化，而且每個交叉路口車道布置各有特點，城市早晚高峰時段與平時交通情況差異很大，采用一種或幾種固化的策略無法有效滿足有軌電車路口控制。

（2）路口優先控制模式單一。路口優先控制系統簡單，采用絕對優先策略，能保證有軌電車的運營效率，但社會車輛延誤會成倍增長。而且有軌電車運行間隔較短時，優先權引起的時段變化太過頻繁，會降低交叉路口的總體效益。

（3）人工控制路口優先控制開關效果無法保證。系統不結合實際情況自動控制優先模式開關，只能依靠調度員、司機的經驗進行簡單判斷，無法保證選擇的時機是否適合優先通過路口，盲目選擇對通行效率提高有限，還對路口其他社會交通流通行產生很大影響。

（4）路口優先控制涉及到空間、時間、有軌電車運行情況、實際社會交通流等多個因素的影響，割裂各個因素的聯系，無法有效提高交叉路口的通行效率。

2 現代有軌電車路口優先控制方案

2.1 設計思路

現代有軌電車路口優先控制系統的根本目標是保證列車高效、安全通過平交路口，減少在平交路口頻繁加速、減速、停車，提高乘客乘坐體驗，減少能源消耗，對路口的其他社會交通流產生盡可能小的影響，適應安全生產、滿足旅客出行、實現一流運營品質、一流服務品質的要求。

系統以每個平交路口的空間條件為基礎，以有軌電車的實際運行狀態為依據，結合路口實際交通情況，并采用路口檢測裝置精確檢測有軌電車預告、占用、出清平交路口的信息，實現路口優先控制系統與運營調度系統、社會交通信號控制系統的整合、協調、協同控制，自動選擇最優的路口優先控制時機和策略。

系統應能夠適應路口空間和時間條件的變化，靈活地進行變更和擴展。

系統可以獨立運行，也可以作為現代有軌電車綜合運營調度系統標準模塊與其協同工作，能與綜合運營調度系統內部各子系統之間做到完全匹配、有效集成、嚴密對接，具有極高的穩定性和可靠性。

2.2 系統方案

有軌電車路口優先控制系統由路口優先控制單元、通信接口模塊、路口優先控制模塊組成，其中，路口優先控制單元安裝在路口的地面控制柜中，通信接口模塊和路口優先控制模塊部署在控制中心，可以獨立部署，也可以與綜合運營調度系統集成到一起。系統技術方案如圖1所示。

路口優先控制單元主要包括列車檢測采集單元、路口信號控制單元、社會交通信號接口單元。

（1）列車檢測采集單元

列車檢測采集單元通過列車位置檢測裝置采集有軌電車優先預告、優先請求、進入路口、出清路口的狀態，并通過CAN總線將有軌電車的位置信息發送給路口信號控制單元、路口優先控制模塊。

（2）路口信號控制單元

路口信號控制單元依據路口優先控制模塊下發的路口優先控制策略，將列車檢測采集單元采集的有軌電車在平交路口的位置狀態信息，通過社會交通信號接口單元發送給社會交通控制系統，由社會交通控制系統根據路口交通流狀態、交通控制策略等進行路口交通相位的控制。

平交路口信號控制器根據有軌電車位置狀態信息及社會交通相位信息控制有軌電車路口信號機顯示，并將信號機顯示狀態及自檢狀態等上傳至路口優先控制模塊和綜合運營調度系統運營調度監視模塊。

（3）社會交通信號接口單元

社會交通信號接口單元實現路口優先控制單元與社會交通控制系統在平交路口的數據交互，向社會交通控制系統提供有軌電車在平交路口的位置狀態信息，接收社會交通信號相位、交通流狀態等信息。

（4）路口優先控制模塊

路口優先控制模塊以平交路口的空間條件為基礎，從綜合運營調度系統獲取有軌電車列車運行計劃、列車運行間隔、路口通行時間等基礎數據，并實時獲取有軌電車接近、進入、出清平交路口的位置信息，有軌電車運行速度、早晚點等運行狀態信息，平交路口的車輛、行人等其他交通流狀態信息，基于路口優先控制策略模型，自動選擇有軌電車通過平交路口的最優控制策略，并將控制策略下發到路口信號控制單元，輔助有軌電車高效、安全通過平交路口。

（5）通信接口模塊

通信接口模塊實現路口優先控制系統與有軌電車綜合運營調度系統、社會交通信號控制系統之間的外部數據交換，以及系統內部路口優先控制模型與軌旁路口優先控制單元之間的數據接口。

2.3 路口優先協同控制原理及關鍵過程

每個平交路口都有其自身特點，需要結合每個路口的空間條件、時間條件、交通流狀態等信息，充分考慮路口優先控制與綜合運營調度、社會交通信號控制之間聯系，實現路口優先一體化協同控制。路口優先協同控制方案如圖2所示。

在有軌電車路口優先控制中，其關鍵是對有軌電車通過平交路口的位置狀態信息的采集、路口優先協同控制策略的選擇及路口優先控制策略的執行。

2.3.1 有軌電車位置狀態的采集

對于每個運行方向，配置有4個列車檢測裝置：列車預告檢測裝置、列車請求檢測裝置、入口列車接近檢測裝置及出口列車離去檢測裝置。

列車預告檢測裝置位于平交路口前方，用于保證有軌電車可以按正常行駛速度通過路口。

列車請求檢測裝置位于平交路口前方，距平交路口的距離為有軌電車在該位置按最大運行速度行駛可以安全制動的距離，用于保證有軌電車到達該位置路口信號燈為禁止通過時，有軌電車制動并能在信號機前方停車。

入口列車接近檢測裝置位于平交路口前方，距離為4～8 m，具體需要根據路口實際空間條件確認，用于檢測確認有軌電車已進入并占用平交路口。

圖2 有軌電車路口優先一體化控制方案

出口列車離去檢測裝置位于平交路口后方，距離為4～8 m，具體需要根據路口實際空間條件確認，用于檢測確認有軌電車已經完全離開平交路口區域。

2.3.2 路口優先協同控制策略的選擇

有軌電車在平交路口會與行人、非機動車、機動車等其他社會交通流進行交叉交織，為保證有軌電車優先通過路口的同時減少對其他沖突交通流的影響，需要將有軌電車路口優先通行需求與社會交通信號控制、有軌電車運營調度相關功能進行整合，實現一體化的協同控制。

（1）列車運行計劃協同編制

列車運行計劃是有軌電車的日常運營的依據，也是影響路口通行效率的一個重要因素。結合各個路口的社會交通信號控制配時方案、有軌電車路口通行時間、各個車站不同時段乘客上下車時間等參考經驗值，優化列車運行計劃編制，盡量避免在一個信號周期中出現多次有軌電車優先通行需求等情形，減少對其他沖突交通流的影響，并將運營過程中的實際路口通信時間、上下車時間等信息進行存儲分析，逐步優化提高參考經驗值的準確性。

（2）路口優先協同控制策略優化

路口優先控制模塊以有軌電車運行計劃為基礎，通過有軌電車綜合運營調度系統實時接收列車運行位置、速度、早晚點等信息，結合社會交通信號控制系統提供的路口交通流狀態，以保障有軌電車高效、安全通過路口，并對路口其他交通流的影響最小化為目標，建立路口優先控制模型，評估有軌電車是否能實現不停車通過下一平交路口，若無法實現，則通過采用發車指示器或車載控制單元提示司機控制停站時間、控制列車運行速度、向路口社會交通信號控制單元提交優先請求申請等多種方式，實現路口優先協同控制。

（3）社會交通信號協調控制

各路口社會交通信號控制單元通過車輛檢測采集分析模塊獲得路口實時的交通流狀態，根據各相位交通流的飽和程度、各個方向的阻塞情況等[7]，制定優化各路口的配時方案。路口社會交通信號控制單元接收路口優先控制單元發送的有軌電車通過平交路口的位置狀態、到達路口時間、優先請求等信息，并結合信號配時方案和區域交通信號協調控制策略，采用延長綠燈相位時間、提前開放綠燈相位、插入有軌電車專用相位、綠燈相位重啟等策略[8～10]實現有軌電車的優先通行。

2.3.3 路口優先控制策略的執行

當有軌電車進站后，路口優先控制模塊實時分析下一路口距離、交通流狀態、交通信號配時方案等，確定路口優先控制策略，提示司機參考發車時間。有軌電車通過列車預告檢測裝置時，系統根據路口優先控制策略決定是否自動發送“有軌電車接近請求”給路口社會交通信號控制單元。社會交通信號控制單元依據社會交通信號協調控制策略，開啟并保持沖突相位信號燈關閉。平交路口信號控制單元根據有軌電車接近信息及社會交通相位信息控制有軌電車信號機顯示。僅當有軌電車接近并且收到沖突相位信號燈已關閉信號后，平交路口信號控制單元將有軌電車信號機顯示從“紅色”變為“綠色”。

當有軌電車通過列車請求檢測裝置時，系統給路口社會交通信號控制單元發送“有軌電車已接近”信號，通知社會交通信號控制系統有軌電車已接近且不能停在平交路口前方。社會交通信號控制系統保持沖突相位信號燈為“紅色”并且保持“沖突相位信號燈已關閉”信號。有軌電車司機按照信號顯示及允許的平交路口通行速度駕駛前行。

當有軌電車通過入口列車接近檢測裝置時，系統發送“平交路口占用”信號給路口社會交通信號控制單元以通知有軌電車已經進入平交路口。平交路口信號控制單元將有軌電車信號機顯示從“綠色”變為“紅色”。社會交通信號控制系統將保持沖突相位信號燈為“紅色”，并且保持“沖突相位信號燈已關閉”信號。

當有軌電車完全通過出口列車離去檢測裝置時，“入口”及“出口”的順序占用及空閑確認有軌電車已經完全離開平交路口。平交路口信號控制單元撤銷“平交路口占用”信號，通知路口社會交通信號控制單元有軌電車已離開平交路口。

此后，社會交通信號控制系統可根據配時方案繼續控制路口的交通相位。

3 結束語

有軌電車安全、高效地通過平交路口是現代有軌電車運營調度過程中的一項重要工作，處理好現代有軌電車在交叉路口處的優先通行問題，不但會帶來很好的運營效率和經濟效益，也是保證其吸引力的關鍵因素。

文章結合目前國內交通環境、有軌電車路口優先控制研究現狀，提出了有軌電車運營調度指揮與社會交通信號控制相結合，將有軌電車路口優先通行需求與社會交通信號優化控制、有軌電車綜合運營調度指揮相關功能進行整合，實現路口優先一體化協同控制的解決方案，為協調有軌電車和社會車輛的路口通行沖突提供了新的思路和方法。

[1]中國建筑工業出版社.CJJ/T 114—2007 城市公共交通分類標準[S]．北京：中國建筑工業出版社，2007，7．

[2]現代有軌電車系統研究與實踐[R]．北京：北京市基礎設施投資有限公司，2011．

[3]易志剛，劉皓瑋.現代有軌電車運營管理系統的研究[J].鐵道通信信號，2014，51（7）：66-69.

[4]王舒祺.現代有軌電車交叉路口優先控制管理方法研究綜述[J].城市軌道交通研究，2014，17（6）：17-22.

[5]王 灝，田振清.現代有軌電車系統研究與實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2011，7.

[6]左忠義，苗彥英，劉 巖．現代有軌電車系統技術特性的研究[M]．北京：中國鐵道出版社，2003．

[7]羅 霞，劉 瀾.交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2008：107-121.

[8]沈國江，張 偉.城市道路智能交通控制技術[M].北京：科學出版社，2015：84-89.

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[10]趙鳳艷.城市智能交通運輸系統中的智能技術應用[J].鐵路計算機應用，2002，11（4）：4-6.

責任編輯 王 浩

Intersection Priority Control System for modern tramcar

YI Zhigang
( Signal &Communication Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This article expounded the current research status of intersection priority control for modern tramcar,analyzed problems related to simple control strategy,single control mode and limited optimization effect,put forward the program of Intersection Priority Control System for modern tramcar.The System was combined the operation dispatching command with the social traffc signal control,through collaborative program train timetable,optimization control strategy and social traffc signal control to implement the coordinated control.

modern tramcar;intersection;signal priority control;coordination

U231.6∶TP39

A

1005-8451（2016）11-0062-05

2016-04-22

中國鐵道科學研究院通信信號研究所青年基金課題（2015HT11）。

易志剛，助理研究員。