有軌電車路口信號協同控制的研究

方 曉

（中鐵四院集團廣州設計院有限公司，廣東廣州 510699）

近幾年，各大城市的非中心城區、中小城市的公共交通線網規劃采用有軌電車制式的比重越來越高，從報批難度、投資額控制、建設周期、技術難度等方面分析，有軌電車均表現出較高的優勢。估計未來十年內，全國有軌電車規劃新建里程將突破1 000 km，具有較高的市場空間。

有軌電車信號系統是保證相應區域列車運行安全、縮短行車間隔、提高平均運行速度、提升全系統管理水平的關鍵系統。不同于地鐵，有軌電車屬于地面交通體系，在地面路口處與其他道路車流、行人不可避免地產生交叉。路口數量眾多，一般一條有軌電車線路上共有幾十個路口，路口區域的有軌電車通行效率，是影響全線旅行速度、運行效率的關鍵因素。

目前國內較早開通的有軌電車項目，大部分沒有設置路口優先系統。增加及優化有軌電車信號系統路口優先控制功能是解決路口問題的必然選擇，是當前有軌電車規劃、建設過程中需重點考慮的問題。

根據路口的分類、交通場景的不同，目前有軌電車在路口的信號優先控制策略和方案一般有不優先方式、相對優先方式、絕對優先方式。相對優先和絕對優先方式是通過動態協調有軌電車到達時間和交叉口信號，為有軌電車提供優先通行權，使其不停車通過交叉口的一種技術策略。有軌電車行駛至距交叉口一定距離時，發起信號優先申請，信號控制中心計算有軌電車到達交叉口的時間，切斷其他相位信號，為有軌電車安排綠燈并辦理進路。其缺點是對相交道路交通流的通行效率影響較大；有軌電車運行間隔較小時，對相交道路交通流的干擾頻繁。適用于相交方向為人行橫道、相交道路等級低或流量小、交叉口沖突點數少、有軌電車運行密度小等情形。

對于相交道路等級高或流量大、交叉口沖突點數多、有軌電車運行密度大等情形，上述兩種優先方式并不適用。因此，需要尋找一種既不影響路口交通，又可保證有軌電車通過效率的技術手段，以促進有軌電車產業良性發展。

1 研究思路

1.1 路口信號協同的工作原理研究

由于有軌電車可與部分道路車輛在不沖突的情形下同時通過交叉口，因此，可以將二者組合為一個信號相位，在不改變交叉口各方向保證通行效率的前提下，合理安排相鄰交叉口之間綠燈開放的時間差（相位差），使上、下行兩個方向的有軌電車按照預定計劃行駛至各交叉口時，恰好遇到綠燈。

在綠波調整基礎上，根據有軌電車途徑交叉路口的周期和相位，動態調整有軌電車運行計劃，包括停站時間、區間運行速度，確保有軌電車在指定相位時間精確到達路口，以實現不停車通過路口。

1.2 路口綠波調整機制的研究

研究與路口信號機的協同控制機制，實現將途徑路口的有軌電車信號相位調整到最優的時序，實現上下行有軌電車在最大可能情況下同時占用有軌電車相位，并且能夠不停車通過路口。

1.3 運行計劃與路口信號相位協同調整機制的研究

研究運行計劃動態調整算法，約束條件、調整因素包括停站時間、區間運行曲線、充斷電時間等。通過運行計劃的動態優化算法，實現有軌電車的運行與路口有軌電車相位精確配合，在不影響路口交通的前提下，保證有軌電車的平均運行速度。

2 基礎系統功能說明

2.1 有軌電車智能運行控制系統結構

有軌電車采用中心級控制，中心綜合自動化通過冗余通信鏈路與軌旁設備（包括道岔控制器、路口控制器、供電設備、旅服設備等）連接。

通過冗余無線通信與包括車載控制器、車載旅服單元連接，實現對全線有軌電車狀態綜合監視、綜合計劃調度、全專業自動控制、車站及車輛上旅客信息服務。

2.2 交通燈信號控制系統結構

（1）交通燈信號控制系統的控制結構是三級協調分布式控制結構：即指揮中心為中央控制級、確定協調控制級（多個區域）和路口控制機級。

（2）一臺區域控制計算機可以控制128個路口，一個交通燈信號控制系統中央控制室能夠連接64臺區域交通控制計算機，系統能夠最多適用于8 000個路口控制需求。

3 研究內容

3.1 路口信號協同控制功能的研究

（1）智能交通管理系統與交通燈信號控制系統中心設備、有軌電車中心設備進行接口，實現如下功能：

①智能交通管理系統與交通燈信號控制系統中心設備接口，獲取各路口車流和信號控制狀態、各路口控制方案等；

②智能交通管理系統與有軌電車中心設備接口，獲取有軌電車運行計劃、運行狀態等；

③智能交通管理系統綜合感知城市交通路況，根據交通燈信號控制系統的控制方案和實時狀態、有軌電車系統的運行計劃和當前狀態，動態制定路口信號控制策略，發送至交通燈信號控制系統和有軌電車系統。

（2）有軌電車中心設備與交通燈信號控制系統中心設備接口，實現如下功能：

①交通燈信號控制系統直接控制路口信號燈；

②有軌電車系統直接采集每個路口當前信號狀態；

③有軌電車系統通過繼電接口向交通燈信號控制系統發送每個路口的接近/離去狀態（信號控制需求）；

④有軌電車系統根據當地智能交通管理系統發送的路口信號控制方案、交通燈信號控制系統發送的每個路口下一周期信號控制方案、有軌電車系統當前狀態等信息，調整運輸計劃，控制有軌電車按計劃精確運行，高效通過路口。

3.2 路口信號協同控制原則

路口信號協同控制原理如圖1所示。

圖1 路口信號協同控制原理圖

（1）為保障有軌電車安全高效通行和社會交通協調暢通，應在方案計劃層與信號控制層實現智能交通管理系統、交通燈信號控制系統、有軌電車系統的緊密協同。

（2）有軌電車經過交叉路口和人行過軌路口信號由交通燈信號控制系統直接控制。

（3）為確保公路交通的通暢和有軌電車的高效運行，有軌電車系統具有允許時間范圍內的信號優先控制權限（綠燈插入、綠燈提前和綠燈延時）。

（4）有軌電車應采用計劃與路口信號協同算法，降低路口信號絕對優先申請概率。

（5）有軌電車專用信號燈由ICC統一控制，有軌電車路口控制箱只對信號燈亮滅狀態進行采集。

（6）有軌電車通過繼電接口向交通燈信號控制系統提交優先請求，交通燈信號控制系統根據實際情況進行響應，并控制信號燈；指揮有軌電車根據信號燈狀態行駛。

3.3 路口信號協同控制方案

從降低有軌電車對交通指揮的干擾和提高有軌電車運行速度等方面考慮，需要根據不同路口、不同時間的人以及車流量、有軌電車的運輸計劃進行分析，并制定切實可行的解決辦法。

3.3.1 路口分類

某有軌電車項目平交路口為行人路口、機動車十字路口、有軌電車停車場進出路口3種類型。

（1）行人路口特點：只有行人橫穿有軌電車鋼軌區域，沒有機動車穿過鋼軌區域。

（2）機動車十字路口特點：有行人和機動車橫穿有軌電車鋼軌區域。

（3）有軌電車停車場進出路口特點：在早晨或晚上會占用該路口用于出車和收車；線上車列發生故障時，需要占用該路口用于發出或返回維修工程車。

3.3.2 有軌電車路口系統與交通燈信號控制系統的連接方式與構成

（1）有軌電車路口系統由位于調度中心的中心服務器、車載控制系統和位于現場的路口設備組成。

（2）有軌電車路口系統采用不與公網連接的專用網絡，使用雙網構成冗余。路口控制箱根據路口數量進行布置，每個路口放置1個控制箱+2個（或4個）有軌電車專用信號燈構成。因此，交通燈信號控制系統的路口信號機（ICC）需要具有預留控制4個信號燈的控制/接線能力，有軌電車信號燈的亮滅狀態與同相位的交通信號燈一致。

（3）有軌電車信號燈用于指揮有軌電車是否可以通過路口，并全部由交通燈信號控制系統進行直接控制。

（4）路口控制箱采集相應的信號燈狀態，把該信息通過有軌電車有線骨干網發送至有軌電車中心計劃調度管理服務器。

（5）路口控制箱對ICC進行有軌電車優先通過信號申請，在不同的路口形式下，ICC具有不同的處理策略。

3.3.3 交通燈信號控制系統與有軌電車控制中心交互說明

（1）交通燈信號控制系統由ICC、交通燈信號區域控制中心、交通燈信號中央管理系統組成。ICC需要根據路口規模的大小進行設置，控制所有的信號燈，包括有軌電車專用信號燈。

（2）交通燈信號中央管理系統具有與有軌電車控制中心交互數據的能力，通道為專用的光纖網，使用防火墻進行隔離。交通燈信號中央管理系統向有軌電車控制中心發送的數據為所有相關路口信號燈的實時狀態和下一狀態的持續時間、開始時間等內容；有軌電車控制中心向交通燈信號中央管理系統發送運營計劃、車列位置、車速等信息或其他需要的信息。

（3）交通燈信號中央管理系統與有軌電車控制中心的對接問題由交警部門和有軌電車建設單位協商解決。

3.3.4 有軌電車專用信號燈控制方法

（1）行人路口控制。有軌電車具有絕對優先，無有軌電車時，行人方向可以常綠。

路口控制箱判斷有軌電車到達并意圖通過人行路口時，向ICC發出優先信號（繼電器接點），ICC收到信號后，倒計時轉變當前相位為有軌電車相位，開放有軌電車專用信號燈；當有軌電車通過路口時，關閉有軌電車專用信號燈。倒計時時間取5～19 s。

（2）有軌電車停車場進出路口控制。由于該路口只有在清晨出車和夜間收車時被占用，因此，控制原則同行人路口，建議也采用絕對優先方式。

（3）機動車十字路口控制。十字路口采用絕對優先原則，即當有軌電車發出信號申請時，由ICC根據當前時間段/當前流量，判斷是否開放信號給有軌電車系統，有軌電車系統根據信號指揮行車。

4 關鍵技術

4.1 路口有軌電車信號相位綠波帶調整算法和機制

有軌電車的混合路權指有軌電車在路段上具有獨立路權，在交叉口處應與道路交通共享路權，如何保證有軌電車高效通過交叉口，并對道路交通影響最小，需要對二者進行綜合考慮和權衡。信號優先和綠波是兩種典型的有軌電車交叉口通過技術。

信號優先：通過動態協調有軌電車到達時間和交叉口信號，為有軌電車提供優先通行權，使其不停車通過交叉口的一種技術策略。

綠波：由于有軌電車可與部分道路車輛在不沖突的情形下同時通過交叉口，因此，可以將二者組合為一個信號相位，在不改變交叉口各方向的有效通行效率的前提下，合理安排相鄰交叉口之間綠燈開放的時間差（相位差），使上、下行兩個方向有軌電車按預定計劃行駛至各交叉口時恰好趕上綠燈。

4.2 與路口有軌電車信號相位協同的運行計劃自動調整

基于路口有軌電車信號相位綠波帶調整算法，生成滿足綠波的有軌電車相位、各路口信號周期、相匹配的有軌電車運行計劃趨勢圖，在運行過程中，需要通過計劃自動調整算法保證運行計劃與實際運行狀態的一致性。

5 路口信號協同控制技術方案

有軌電車路口信號控制子系統是通過對交叉路口交通信號控制策略的優化設計，對有軌電車車輛進行傾斜性的信號分配，提高車輛在交叉口的通行效率。

有軌電車路口信號控制系統與交通燈信號控制系統進行接口完成信息交互，路口信號控制系統獲取列車的位置及請求過路口信息，具備給道路交通控制系統發送優先請求的功能。

正常情況下，列車通過無線通信方式向路口控制子系統發送位置報告及過路口請求命令。當無線通信系統失效時，可以通過無線通信定位單元完成車地間信息交互。

路口控制箱具有在線實時自檢功能，包括軌旁有軌電車專用信號機，對故障進行報警，將檢測結果通過網絡發送到有軌電車中心調度管理子系統。

有軌電車正線線路與公路的平交路口處設路口控制箱，路口控制箱內設路口控制單元，設置列車定位單元實現列車在路口的定位功能和列車與路口的距離確定功能。

在平交路口設置有軌電車專用路口信號機，路口信號機用于平交路口防護。列車通過該信號機后無下一架信號機指示進路終端，由司機根據列車位置目視控制。

路口信號機設置于列車運行方向的右側，特殊情況可設于列運行方向的左側或其他位置。路口信號機采用綠、紅、黃三燈位，信號機以紅色禁止信號為定位。

有軌電車中心調度管理子系統向路口信號控制系統發送操作命令。路口信號控制系統向中心調度管理子系統提供信號狀態以及各種報警等信息。

有軌電車中心調度管理系統根據實時接收的各路口信號狀態，統計計算各路口信號相位和周期規律。根據各路口信號周期和有軌電車相位、線路屬性和列車動力學屬性、運營需求等信息生成運行計劃。

有軌電車中心調度管理系統將計劃下發至各運營車輛的列車控制系統，通過車載顯示器提示司機按照計劃精確控車。包括準點發車、按推薦速度區間運行、按時按規定速度到達路口。

車載控制系統按照列車運行狀態和計劃要求，觸發各路口到達和離去狀態。路口信號觸發的時機須滿足交警允許的各路口優先申請原則。

有軌電車中心計劃調度管理系統根據列車運行實際狀態、位置、速度等信息實時調整運行計劃，保證列車運行以及路口信號始終保持協同狀態。

6 結語

通過系統層面及子系統層面的深度分析、外部系統的探索、與業主和交警部門的深度溝通、現場測試，系統功能及性能指標得到較為充分測試和驗證。在項目實施過程中應用落地，取得良好效果。