基于軌旁通信的路口信號優先系統在大漢陽有軌電車試驗線的應用

鄭天

摘要：車輛定位和追蹤在有軌電車路口信號優先系統中占據著及其重要的地位，本文通過對大漢陽有軌電車試驗線項目路口信號優先系統和軌旁VETRA通信設備的工作原理進行介紹以及從設備選用、工程實施、安裝測試角度進行實際分析，得出結論，并對該設備未來的發展趨勢提出要求。

關鍵詞：有軌電車；路口信號優先系統；軌旁通信

1項目基本情況和線路特點分析

大漢陽有軌電車試驗線位于湖北省武漢經濟技術開發區，線路西起黃陵，東至郭徐嶺車輪廣場，首期實施線路全長16.8km。線路沿鳳凰大道、殊山二路、全力三路、后官湖大道、車城西路和沌陽大道走行，除全力三路外，整條線路均于道路路中敷設。為保證沿線和周邊道路路網的完整性和功能性，滿足線路兩側行人、非機動車的過街需求，同時綜合考慮工程進度、總投資和實施難度等因素，該線路并未采用下穿上跨等立體交通形式，而大量采用了有軌電車和社會交通的平面交叉。經統計，全線共設置37個交叉口，其中25個道路交叉口，12個行人過街通道。現代有軌電車作為新興軌道交通形式，力爭以快速、美觀、造價低廉等優勢打開國內市場，本線路設置了相對較多的交叉口，如果完全跟隨社會車輛信號燈行駛，不但發揮不了有軌電車的快速便捷優勢，極易造成所經交叉路口的車輛擁塞、滯留，而且無形中加大了與社會車輛剮蹭、碰撞的風險。因此，大漢陽有軌電車試驗線參照國內外有軌電車的成熟的運營經驗，根據開發區的實際情況，采用了基于軌旁通信的路口信號優先系統。

2大漢陽有軌電車路口信號優先系統簡介

2.1系統概述

該項目路口信號優先系統主要靈活實現有軌電車在交叉路口的信號優先控制功能，滿足有軌電車、機動車輛在各種交通情景、交通狀況以及交通流量的條件下安全、有序、高效運行。整套系統分為室內設備和室外設備，室內設備安裝于大漢陽有軌電車試驗線官蓮湖車輛基地控制中心和開發區交管調度管理中心內，室外設備主要安裝于交叉路口和行人過街處，路口控制器充分考慮室外設備環境的特征，完全具備了設備在有效使用年限內的防水、防撞、防腐、防氧化等保障措施，這套設備應用于大漢陽有軌電車項目并非其在國內的首次使用，而是已在上海張江和蘇州高新等有軌電車的實際項目應用中得到了考驗和證明。

2.2系統構成

從國際上對公共信號優先（Transit Signal Priority）的框架來看，一個完整的優先控制包括優先請求者（PRG）和優先請求服務者（PRS），PRG的功能放在有軌電車路口控制器（或有軌電車控制中心）中，PRS功能放在路口交通燈控制器中（或城市道路交通控制中心），其架構如圖1所示。

在本項目中，圖1左側區域為有軌電車信號控制子系統，右側區域為智能交通控制子系統，基于建設時序和國內市場產品成熟度的考慮，兩個子系統由項目建設單位發包給兩家設備集成商供貨和施工，施工界面的劃分位于智能交通控制柜接線端子排外側。

整個系統為離散控制系統（DCS），基本運行模式由充當PRG的信號子系統根據有軌電車運行的實際情況產生與路口信號燈相位控制相關的邏輯數據，向作為PRS的智能交通控制子系統發送優先通過請求，智能交通控制子系統通過架設在電子警察桿件上的交通流量視頻檢測器，結合目前觀測到交通流量數據對未來一個信號周期的交通流量進行合理預測，綜合分析交叉路口各個方向的交通狀況，作出準予優先請求或不準予優先請求的判斷，同時在有軌電車同方向上采用綠燈延長、紅燈縮短或插入相位的模式向路口交通燈控制器發出指令，并鎖定與有軌電車行駛沖突方向的交通燈顯示，以保障有軌電車的通行安全。PRG和PRS在有軌電車通過路口時始終保持數據交換，直到信號子系統感應到有軌電車已完全出清路口，即按照以上模式再次向智能交通控制子系統發送出清請求。智能交通系統響應該請求并解鎖各個方向的交通燈控制，整個路口按照正常的相位周期運行。

在整個系統中，關系到信號優先效率的重點是信號控制子系統發送優先請求的時機和智能交通控制子系統的交通流協調控制算法。智能交通控制子系統的交通流協調控制算法的基礎是每個交叉口的道路等級，以及與交管部門充分溝通、協商的根據沿線及交叉、甚至相鄰區域道路交通流量而確定的有軌電車優先級。此項在不同地域，甚至相同地域的不同路口中均需特定設計，不可一概而論。而信號控制子系統發送優先請求的時機，則是基于軌旁設備感應有軌電車進入路口和出清路口的時間點，及在該時間段內對車輛占用路口情況的監測。

3軌旁通信設備及實際效果分析

3.1軌旁通信設備組成

該項目軌旁通信設備采用的是歐洲Elektroline公司的VETRA車地通信系統。VETRA車地通信系統是一種小范圍的無線數據傳輸系統，能夠保證有軌電車和多種軌旁設備之間快速可靠的數據傳輸。VETRA通信系統廣泛應用于道岔控制系統（道岔自動設置）、道口控制系統（有軌電車路口優先權）、軌旁PIS系統（可選列車檢測）、車載PIS系統（將當前車輛位置信息發送給車輛）、停車場自動管理系統（自動進路、列車檢測及其他）、車載限速控制系統（列車超速實時監測）等領域。

一套完整的VETRA車地通信系統主要包含車載部分和軌旁部分。車載部分的主要設備有車載VETRA天線，VTKl5車載控制器（用以有軌電車司機手動發送優先請求，進行車載設備必要的通信管理和配置管理），邏輯I，0接口等，軌旁部分主要包含軌旁VETRA天線，STC軌旁控制器（連接軌旁輸入輸出接口，進行軌旁設備必要的通信管理和配置管理），邏輯I/O接口等。在該項目中該系統分別在有軌電車駛入交叉口位置以及駛離交叉口位置布設三組埋地天線（如圖2），天線埋地位置根據列車通過路口時允許的安全速度、有軌電車接近速度、有軌電車制動率、交通信號相位切換時間、系統延誤安全余量等進行計算，通過與安裝于有軌電車底部的車載VETRA天線進行2.4GHz的雙向無線通信，確保有軌電車高速運行下的可靠而安全的車地通信，并且其通信數據是加密的。endprint

3.2軌旁設備工作原理

如圖3所示，VTKl5車載控制器連接車載VETRA天線，并通過RS485接口于車載控制主機通信，基于MODBUS-RTU協議實施交互數據。安裝于路口信號控制箱內的STC軌旁控制器則通過線纜與布設于軌道中間的VETRA相連，當車載天線位于軌旁天線作用區域時，車載設備和軌旁設備之間開始傳輸數據。車載設備向軌旁設備傳輸的數據包含車輛類型、運行方向、車輛端頭信息、連掛狀態及車輛ID等信息，同時軌旁設備向車載設備傳輸VETRA天線ID、VETRA位置信息等數據，車載和軌旁數據雙向傳輸，既可以將接收到的車載主機設置指令及線路編號等數據發送給軌旁系統，也可以將接收到的前方進路狀態等信息發送給車載主機。

3.3設備優勢及在該項目中的適應性分析

選用該設備作為該項目軌旁通信設備主要基于以下四點原因：

①VETRA軌旁天線一般安裝于地埋天線盒中，地埋天線盒尺寸一般為25.7cm*17.9cm*17.7cm，體積小巧，安裝方便，結構簡單且抗外力沖擊能力強，能夠承受施工期間施工機具和后期社會車輛的行駛動荷載，大漢陽有軌電車試驗線建設斷面較窄，沿線路口較多距離較近，需要在同一斷面下、較小里程范圍內安裝軌道電路，計軸設備、鋼軌回流線、雜散電流防護等設備，較小的安裝體積要求符合本項目的實際情況。與傳統的低頻電感車地通信系統相比，VETRA的地埋天線盒能安裝在鋼筋混凝土的軌道電路諧振區域，具備很大的優勢。車載設備安裝簡單，僅通過固定支架和塑料底板即能牢固安裝于車頭下方，能夠適用于幾乎所有的有軌電車車輛類型。

②VETRA天線采用的是基于2.4G頻段的車地雙向通信，地埋天線盒中安裝有1c、2c雙天線，保證信號覆蓋的同時，也方便進行擴展。信號強度高速穩定，安全性能高，具備強大的抗干擾機制，車地時速達到100公里每小時依然能保持通信的穩定。大漢陽試驗線珠山二路路段因屬于非人口密集區，且該段為有軌電車專用道，車輛行駛平均車速可達70km/h甚至更高，VETRA設備在高車速環境下的穩定程度為該路段提速創造了有利條件。

③VETRA設備工作溫度為-40攝氏度到70攝氏度，武漢地區氣候冬冷夏熱，夏天地表溫度常常超過60攝氏度，冬天又低于0攝氏度，需要設備具有較寬的工作溫度范圍。且因武漢地處長江中下游洼地，長江汛期和梅雨季節期間城市排水疏澇能力有限，常常出現道路積水問題。VETRA車載天線防護等級達到IP65，軌旁天線安裝在地箱中，天線具備IP68防護等級，能夠完全防水，即使長時間泡在水中也能進行工作，天線連接器防水實用，也較易于更換。

④在大漢陽有軌電車試驗線項目中，道岔自動控制系統和路口信號優先系統中均使用了VETRA車地通信設備。在部分路口和岔區密集區域，為節約工程總投資，盡可能減少路面設備的布置，實現了同一VETRA設備的復用，即在道岔控制系統和路口信號優先系統均發揮了精確定位的功能。兩套系統共使用VETRA天線303套、車載VETRA天線42套。

3.4工程實際實施角度分析

①軌旁VETRA天線安裝于天線盒內并通過RS485接口與STC軌旁控制器相連，線纜敷設于兩股軌道之間，采用了簡單的PVC套管的保護形式。因為信號系統在有軌電車軌道板澆筑完成后即布設完成，后期還存在軌道表面填土、綠化施工，容易造成PVC管道破損、線纜挖斷、天線盒移位等設備損壞，這就要求項目管理單位加強管理，注意成品保護。

②STC控制器安裝于交叉口附近信號控制箱內，在道路新建項目中，往往為了施工工期，在人行道和道口完工之前就需要進場施工，存在交叉施工問題，且設備在安裝完成后進行調試過程中，路口和人行道還在進行土方清挖、瀝青攤鋪等作業，無法完全保證設備和調試人員的安全。

③信號控制箱和智能交通控制箱采用無源干接點或者串行通信接口相連，在安裝位置上兩臺控制箱要盡可能靠近，而路口往往地下管網縱橫交錯，控制箱實際選址存在一定的不確定性，并且也存在著二次遷改的可能性。

3.5軌旁設備安裝測試結果分析

①利用RS485接口連接器、萬用表、PC機和ARMUSB連接器，分別檢查STC端口線纜的連接、驗證STC設備的各項參數是否正常工作：

②利用RS485接口連接器、萬用表、PC機及VETRA天線專用測試連接線，分別檢查VETRA天線lc、2c的線纜安裝和級聯，并確保能夠利用測試設備讀取VETRA天線的ID號、UART通道、天線功率、天線通訊頻道等基礎數據。

③以上兩項測試用例完成后，機柜上電，STC設備與PC機連接，利用車載VETRA模擬器按照預設的不同的測試環境模擬列車行駛，檢查軌旁天線的通信范圍和信號強度，確保軌旁天線的通信范圍在合理區間內，并且具有較強的信號強度。

經過以上的驗證測試，基本確定VETRA天線的有效響應時間、有效距離的信號強度，信號發送功率、STC、VTK設備采集VETRA天線的設備信息安裝配置符合使用要求。配合有軌電車聯調聯試期間的動車測試，該套設備的響應時間完全滿足列車占用與空閑檢測的應變響應時間應不大于1秒，及車載信號設備自接收軌旁信息至完成處理的時間應不大于1秒的設計要求，保障了列車的通行效率和通過安全。

4結語

本文通過對基于軌旁通信的路口信號優先系統和VETRA車地通信系統的介紹，并結合大漢陽有軌電車試驗線項目的實際情況進行分析。有軌電車作為一種大運量、逐漸在國內興起的與地面社會交通混行的軌道交通形式，被給予交叉路口信號優先是未來的發展的趨勢，而車地間穩定、可靠的通信和適合有軌電車更高優先級的交通控制算法則是實現該趨勢的基礎。隨著有軌電車運行時速的加快，交叉口交通流復雜程度的上升，對于有軌電車快速精準定位是必不可少的，這就要求未來的車地通信模塊具備更快的響應時間，更高的信號強度，更精準的定位數據等特質。隨著有軌電車行業的蓬勃發展，將信號控制子系統和路口智能交通控制子系統進行高度集成化設計，形成更成熟穩定的具有有軌電車信號優先處理請求，并且能夠處理超大規模路口、更復雜交通形式，占地規模更小、布線更簡單的交通控制一體機產品無疑是眾多有軌電車投資方和建設方所期待的，因此未來信號優先和軌旁通信設備要實施完全自主化、模塊化生產，根據不同項目情況進行有效組合，以符合更復雜項目建設的需求。endprint