有軌信號控制系統的研究與實現

溫業中 黃仁歡 楊建華 寧 博

(通號萬全信號設備有限公司，杭州 310000)

1 概述

隨著社會的發展和城市化水平的不斷提高，人們對交通出行的需求越來越多，對公共出行的要求也越來越高。作為一種新型軌道交通方式，現代有軌電車正在被越來越多的城市采用[1]，并且該方式低碳環保、運營效率高等特點，已被許多城市作為風景線納入城市建設的規劃。

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，針對這一發展趨勢，研究1 套有軌信號控制系統，保障有軌電車的安全運營，成為當前研究的課題。主要從有軌信號控制系統的構成、功能等方面闡述該信號控制系統的控制原理。

2 系統架構

現代有軌電車信號系統的總體結構是層次清晰，功能劃分合理，集中和分散控制相結合，并且復雜性和經濟成本相對合理。根據功能性的差異，將有軌電車整個系統設備分為前端和后端設備，中間通過骨干傳輸網進行通信交互。后端設備包括機房、控制中心、信號室；前端設備包括車載子系統、軌旁、道口。如圖1、2 所示。

圖1 后端部署Fig.1 Back-end deployment

圖2 前端部署Fig.2 Front-end deployment

整個網絡環境由有線和無線Wi-Fi AP、移動無線終端組成，如圖3 所示。通信協議均由RSA算法加密，保障通信安全可靠。后端部署、前端軌旁、道口均為有線光纖網絡；前端車載子系統由移動無線接入中心網絡；前端設備、機房服務器及控制中心各客戶端同處在1 個局域網中，前端設備通過無線網絡與機房中的服務器、控制中心的客戶端進行交互；控制中心、信號室的指令及數據采集則通過有線網絡先送至機房服務器或者交換機，再通過無線網絡送至前端。

圖3 信號系統架構圖Fig.3 Signal system architecture

系統特征如下。

1) 控制中心、信號室與服務器間采用C/S 架構，以達到豐富的界面操作，保證安全性，響應快。

2) 服務器功能角色主要有數據庫服務器、文件服務器、即時通信服務器、WEB 服務器。

其中根據系統點位大小，成本投放要求，可以將數據庫服務器、文件服務器、通信服務器進行三合一或三合二。WEB 服務器作為可選項，它的作用是方便遠程維護、遠程監控、遠程展示，可以遠程了解現場運營實時情況。

3) 前端設備與后端平臺主要是通過即時通信服務器進行交互，集控管理。這樣邏輯清楚，數據匯總統一。故障維護時，方便問題查找和問題定位。

4) 該架構降低網絡環境復雜性，層次分明，便于網絡問題定位和解決。

3 系統功能

3.1 控制中心

控制中心主要由顯控（HMI）、電子地圖、行車計劃等軟件組成。顯控軟件能顯示所有站場信息，內容包括區段、道岔、信號機等狀態，并且能通過顯示軟件進行選路排路、故解、出清等功能；電子地圖能反應所有車輛運營情況、物理位置、前后車距等信息；行車計劃主要實現運營車輛調度，提高運營效率。

3.2 車載子系統

車載子系統由車載主機、車載TOD、手操盤組成。車載主機通過采集速度傳感器、GPS 信息進行綜合運算，報告車輛的公里標、線路、上下行，作為基礎信息提供給控制中心，方便計算出前后車距，預警安全范圍；車載TOD 主機顯示設備狀態、站場信息（區段、道岔、信號機等）；手操盤可以實現排路、故解、單操等功能。

3.3 軌旁子系統

軌旁子系統由軌旁控制箱、道岔、轉轍機、進路表示器和無源信標等組成。

在道岔區域，無源信標安放在岔前直股、岔后側股、岔后直股位置，無源信標將道岔區域邏輯上分為接近區段、道岔區段和解鎖區段。只有道岔區段空閑，且沒有被其他列車占用，當前列車才可以操作道岔。當多臺列車都要經過道岔區段時，只有最前方的列車對道岔擁有控制權。

軌旁根據收到電車通過無線發送的“接近、到達、解鎖、離去”信標的信息，進行區段占用、區段出清等操作；同時根據進路情況，控制道岔的定反位、進路表示器的開放與關閉等操作、鎖閉進路；在聯鎖條件滿足的情況下，排出所需進路，保障列車的安全運營。

軌旁控制柜內的各功能模塊相互獨立，模塊之間采用總線可靠連接，便于擴展和設備更換，采取雙機熱備的設計模式，通過骨干傳輸網將軌旁數據傳送到各個子系統，還具備實現采集道岔動作電流、動作時間、位置狀態、故障、進路表示器、點燈電流、色燈狀態、斷絲、控制箱溫度、濕度、轉轍機坑積水、電車正線信號系統車載操作記錄等信息。

軌旁子系統功能包括：列車注冊/釋放、進路辦理/取消、進路正常解鎖、道岔單獨控制。

1) 列車注冊/釋放

列車注冊：軌旁道岔控制器接收到車載或控制中心的注冊信息，檢測始端信號機未被其他車輛注冊后，將該車次號注冊到始端信號機。

列車釋放：軌旁道岔控制器接收到控制中心的移除注冊命令，釋放注冊信息。

2) 進路辦理/取消

軌旁道岔控制器接收到車載或控制中心的排路命令后，根據聯鎖條件、道岔等狀態，判斷滿足進路開放條件，開放進路并鎖閉，然后開放信號。

軌旁道岔控制器接收到車載或控制中心的進路取消命令后，關閉對應已經開放的信號并解鎖進路。

3) 進路正常解鎖

列車信號開放后，隨著列車的正常走行，進路上的區段將自動解鎖。軌旁道岔控制器判斷列車已經過該進路區段，解鎖進路、出清軌道區段并釋放始端信號機注冊信息。

4) 道岔單獨控制

軌旁道岔控制器接收到控制中心道岔動作命令后，檢查進路、區段鎖閉狀態并且道岔未在規定位置，根據命令對道岔進行正/反位操作。

3.4 路口優先

由于有軌電車與社會車輛采用共享路權的行車方式，在有軌電車經過路口時，有3 種方式來對信號進行控制。不同的優先通過方式對比如表1 所示。

表1 路口優先控制方式Tab.1 Crossing priority control mode

路口優先控制系統主要實現有軌電車在平交路口位置檢測，負責完成有軌電車在過路口時向道路交通信號控制系統提出優先申請，優先申請信號包括“預告”、“接近”、“到達”、“離去”4 個信號。道路交通信號控制系統根據此申請判斷是否具備開放有軌電車優先通過的條件，如果具備條件，則控制道路交通信號燈提前結束紅燈，開放綠燈，同時給予平交路口綜合控制系統“允許通行”信號，平交路口信號控制器據此點亮有軌電車專用機的通行燈。路口優先控制系統通過無源干接點和RS-485通信接口與道路交通信號控制系統實現信息交換。

4 實現原理

4.1 控制中心實現

控制中心對列車運行具有監視和指揮作用，包含顯控軟件、電子地圖軟件、行車計劃軟件、監測軟件等。顯控軟件具有顯示岔區聯鎖圖與遠程操控岔區轉轍機正反位、進路辦理與取消功能，顯示方式有單站視圖顯示、聯鎖視圖顯示、區域視圖顯示。電子地圖軟件部署于大屏上，方便調度人員實時觀察運營列車在正線上的運行軌跡。根據路線號進行控制臺分類，每一個控制臺部署一個行車計劃軟件，負責對應路線的次日行車計劃編輯、下達功能，確保運營的緊張有序進行。監測軟件負責車輛段信號設備、正線信號設備、地埋式轉轍機、電子器件、溫濕度監控、電壓電流采集等數據的顯示與報警功能，確保在第一時間內將信息準確無誤的收集反饋，用于故障預防與維護使用。

4.2 車載子系統實現

列車前后端各部署1 套車載子系統，整個系統采用主備切換的冗余模式，以列車司機鑰匙作為人工操作控制權限的標識，通過鑰匙的切換達到主備的切換，如圖4 所示。車載主機與車載TOD 直接通過CAN 總線進行通信，與軌旁系統通過無線433 通道或者Wi-Fi 輔助通道進行數據交互。車載TOD 動態顯示列車運行信息，如GPS 信息、站點信息、前后車距離、報警等，在需要人工操作進路時，通過機械鍵盤按下相應按鈕，可實現進路辦理與取消。

圖4 車載系統車內設備部署圖Fig.4 Onboard system equipment deployment diagram

根據射頻信號采集器讀取到的信標來判斷列車的4 種狀態——“接近”、“鎖閉”、“解鎖”、“離去”。當列車讀到接近信標時，往軌旁設備發送“接近”請求，軌旁設備注冊該車，允許該車辦理進路或者根據自動進路通過，表明列車接近；列車繼續行駛，當列車讀到到達/鎖閉信標時，將信標信息反映給軌旁設備，軌旁設備登記該車到達岔區，并對其進行聯鎖防護；同理，當列車讀到解鎖信標時，將信標數據傳至軌旁，軌旁再次登記該車已經解鎖；最后，到列車讀到離去信標時，發送離去信息到軌旁，軌旁注銷該車或者該條計劃。整個過程中，軌旁設備實時發送站場信息到控制主機，并在車載TOD 上顯示。

4.3 軌旁子系統實現

每一個軌旁系統根據物理站點的位置進行部署，軌旁系統作為現場數據信息的采集者，在整個信號系統中起著關鍵性的作用，如圖5 所示。

1）信標類型分類

為了判斷出信標類型，同時為了支持逆向行車方式，需要成對安裝信標。接近信標、離去信標、鎖閉信標和解鎖信標，根據行車方向和信標安裝位置決定類型，類型判斷由車載邏輯判斷得出。為了準確判斷信標類型，第一個信標判為未知類型；如果邏輯判斷出鎖閉信標的，當讀到第二個信標時就能得出類型；如果邏輯判斷出是解鎖信標的，必須保證車尾讀卡器讀到信標，才能給出解鎖類型。

2）進路方式

圖5 軌旁系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of trackside systems

列車進路方式可分為：自動進路、固定進路、人工進路、通過進路4 種方式。

自動進路需要控制中心編制合理的行車計劃并下達到每個控制箱，當收到車載命令后，自動取消自動進路，轉為人工進路，當天未執行完的行車計劃，系統在零點自動清空；固定進路，一般在單渡線使用，不需要控制中心事先下達行車計劃；人工進路，由車載或控制中心手動排列進路；通過進路，需要虛擬車輛的支持，平時信號機開放，車輛離開后又自動開放，進路不解鎖。

4.4 路口系統實現

采用相對優先方式，可保證列車的行車效率得到一定提升，同時對市政的交通情況影響不大，其原理如圖6 所示。

圖6 路口優先原理圖Fig.6 Schematic diagram of crossing priority

路口優先系統由定位、路口專用信號機、路口優先控制器組成。車載或控制中心判斷列車進入路口范圍時，通過車地無線或車地環線向該平交路口綜合控制器發送列車位置和速度等信息，平交路口信號控制器向道路交通信號系統發送不同的優先申請信號；道路交通信號系統判斷滿足優先通過條件后， 反饋“允許通過”信號，平交路口信號控制器控制路口專用信號機點亮通行燈。

當列車駛離路口后，平交路口信號控制器向道路交通信號系統發送列車離去信息，在接收到道路交通控制系統發送的“禁止通行”信號后，關閉有軌電車專用信號機的通行燈，點亮禁行燈。

在車載信號故障或非裝備車通過平交路口時，可以用控制中心觸發列車接近信號，平交路口信號控制器可以根據該信號向道路交通信號系統發送優先申請。同時車載配置一個人工二次觸發優先的按鈕，在司機駕駛至路口前，發現沒有通行信號時，可以通過該按鈕二次觸發優先信號。

控制中心可以設置每個路口優先功能的開放和關閉，在優先功能關閉時，平交路口綜合控制系統處于伴隨模式，由道路交通信號系統控制點亮有軌電車通行燈和禁行燈。

5 結語

該套有軌電車信號的研究方案已經投入沈陽渾南有軌電車運行長達5 年時間，它有效保證列車行車安全，提升運營管理的規范性和效率，起到了保駕護航的作用。

隨著社會的進步，城市的發展，低碳環保的理念深入人心，有軌電車的需求量將越來越大。可以在既有的研究方案上進行改造升級，往更加安全、更加效率、更加便捷、更加智能化的方向發展。同時，隨著信號控制系統技術的發展，將很大程度上緩解了日益增長的城市交通壓力，讓市民有一個便利、快捷的出行體驗。本文介紹了有軌電車信號系統的組成以及各個子系統的功能和實現原理，為有軌電車的工程實施和行車提供參考。