有軌電車信號控制系統(tǒng)技術方案

姚文華，侯錫立，賈云光，宋鳳娟

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著社會的快速發(fā)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[1]。高鐵、地鐵、輕軌和有軌電車在公共交通的不同層級發(fā)揮著重要作用[2]。作為中低運量的現(xiàn)代有軌電車具有投資少，建設周期短，節(jié)能環(huán)保等特點[3]，正在被越來越多的城市采用?，F(xiàn)代有軌電車，一般在城市道路地面敷設軌道，以全封閉路權或是與社會車輛部分共享路權的方式在軌道上行駛，多采用在信號控制系統(tǒng)下人工駕駛的方式運行[4]。路權形式多，路況復雜，采用人工駕駛由司機保證同一線路上前后列車的安全間隔的行車模式導致司機工作量較大，且有軌電車的安全行駛對人的依賴度較大，風險系數(shù)較高[5]。信號控制系統(tǒng)為有軌電車提供控制信息，確保列車安全可靠地運行；與此同時提高運營控制智能化，減少司機勞動強度。傳統(tǒng)的有軌電車信號系統(tǒng)采用如圖1 所示[6]，設備集成度不高，建設、運營、維護成本高。對傳統(tǒng)信號控制系統(tǒng)方案進行全面分析后，本文提出了一種優(yōu)化的解決方案。

圖1 典型傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)Fig.1 Typical conventional tram signaling system

2 系統(tǒng)組成

本方案構建的有軌電車信號控制系統(tǒng)由地面、車載兩部分組成，如圖2 所示。其中，地面部分包含軌旁道岔控制子系統(tǒng)（PCS)、行車綜合自動化系統(tǒng)（TIAS）、列車管理子系統(tǒng)（TMC）、軌旁接口箱（TIB）以及路口綜合控制子系統(tǒng)（LCC）。車載部分包含車載子系統(tǒng)，其由車載控制主機、測速測距以及列車接口等組成。

TIAS 通過融合自動列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、列車廣播（PA）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）等，構建以行車指揮為核心的綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了地面設備的高度集成化，降低了設備的維護成本，實現(xiàn)了對行車、電力及環(huán)境設備、乘客信息、廣播等進行監(jiān)控，實現(xiàn)設備、資源、人員統(tǒng)一管理。

TMC 實現(xiàn)列車注冊注銷管理功能，列車位置跟蹤，并將前車位置發(fā)送給后車的功能。

PCS 采集軌旁設備信息，接收TIAS、車載子系統(tǒng)（OBCU）以及TIB 的命令，實現(xiàn)進路控制的功能，支持多列車與單列車進路，支持車隊模式。

OBCU 基于全線電子地圖，實現(xiàn)列車定位功能，MA 的計算，行車速度引導，限速提醒和報警，車輛狀態(tài)監(jiān)視，停站時間，早晚點時間顯示、遠程辦理進路等。

LCC 與公路系統(tǒng)接口，實現(xiàn)對路口的防護。

圖2 有軌電車信號控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Tram signaling control system diagram

3 關鍵技術

有軌電車信號控制系統(tǒng)中涉及的關鍵技術：多傳感器信息融合定位算法、多元進路控制（包括列車自主進路辦理）、路口協(xié)同控制。

3.1 多傳感器信息融合定位

列車安全定位是列車控制系統(tǒng)最重要的基礎。多傳感器信息融合定位利用多種定位系統(tǒng)的組合定位，可以極大地提高定位的可用性和精度。本文采用自GNSS 全球多模多頻衛(wèi)星定位系統(tǒng)的位置信息、速度傳感器、計軸信息以及道岔的位置信息進行多傳感器融合完成定位。如圖3 所示，車載子系統(tǒng)通過GNSS 全球多模多頻衛(wèi)星接收模塊接收來自多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，獲得當前列車的位置及速度。車載子系統(tǒng)通過速度傳感器，獲取速度傳感器的脈沖數(shù)，脈寬信息，從而計算當前列車的速度、位置偏移信息。列車定位的過程可以用圖3 中的狀態(tài)機來描述。

圖3 多傳感器融合定位算法的示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor fusion positioning algorithm

3.1.1 初始定位

在列車上電啟動后，列車的定位狀態(tài)為未定位，并開始初始定位。當GNSS 全球多模多頻衛(wèi)星接收模塊收到衛(wèi)星信息的經(jīng)緯度信息之后，多傳感器信息融合定位算法將該點投影到電子地圖的區(qū)段上，但由于列車兩個軌道間距較近且衛(wèi)星定位存在一定范圍的誤差，僅根據(jù)衛(wèi)星定位無法判斷出列車精確位置，可能會投射到兩個區(qū)段上，因此需要上下行信息方能唯一確定一個區(qū)段。綜上，多傳感器信息融合定位算法根據(jù)先前列車存儲保存的上下行信息，并結(jié)合列車的衛(wèi)星位置信息完成初始定位。

3.1.2 追蹤定位

列車完成初始定位后需要根據(jù)列車的運行情況周期更新列車位置。列車只能運行在軌道上，在道岔位置確定（定位/反位）的情況下，前方是一條唯一的路徑。因此，當列車經(jīng)過無岔區(qū)段時，列車位置在該直線上移動；當列車經(jīng)過道岔區(qū)段時，根據(jù)道岔控制器發(fā)送來的道岔位置信息亦可唯一確定一條直線，列車位置在該直線上移動；當列車經(jīng)過折返區(qū)段時，切換上下行方向，實現(xiàn)追蹤定位。

在現(xiàn)場對如信號機，道岔，站臺，路口等關鍵節(jié)點所在位置進行測繪，將獲取的經(jīng)緯度信息作為靜態(tài)數(shù)據(jù)，并在電子地圖上進行標注。這樣，各關鍵節(jié)點在電子地圖中的位置和相應的地理坐標對應起來，從而對列車位置進行矯正。相比傳統(tǒng)使用應答器進行位置矯正的方式，該方案可以大大減少地面設備的布置，從而減少建設與維護成本。列車通過衛(wèi)星模塊獲得的經(jīng)緯度信息對列車在電子地圖上的位置進行校準，并通過累計列車的位移完成列車位置的周期性更新，當速傳誤差累積超過一定閾值后，用衛(wèi)星定位信息校準。另外，本方案增加在站臺校準的方式，即列車在站臺停穩(wěn)后進行校準。

3.1.3 位置篩選

在列車上電啟動初始定位失敗后或者列車丟失定位后，進入列車位置篩選過程。列車需要走行一個道岔區(qū)段，由GPS 信息結(jié)合道岔位置、計軸占用信息、PCS 進路信息，來判斷篩選出列車真實的位置。即：車根據(jù)衛(wèi)星定位篩選出的位置，可能在上行方向或者下行方向。列車向前走，多傳感器信息融合定位算法從道岔控制器獲取道岔位置信息（定位、反位）、計軸信息（占用、空閑）及進路信息。當列車離開一個道岔區(qū)段之后，根據(jù)這些信息推算列車的位置信息。

綜上所述，本方案采用多種方法獲取速度與位移信息進行融合并完成定位。

3.2 多元進路控制

有軌電車信號系統(tǒng)的進路辦理支持多種控制模式，分別為列車自動控制、中心人工控制、列車人工控制、現(xiàn)地人工控制。實現(xiàn)自動與人工相結(jié)合，中心、軌旁、車載三級控制。

采用列車自動控制模式時，由TIAS 給車下發(fā)計劃。車載ATP 根據(jù)列車位置和路口信號狀態(tài)，自動控制進路辦理。

采用中心人工控制模式時，人工在調(diào)度終端操作選排進路，單操道岔。調(diào)度員在TIAS 的DMI 上選擇人工辦理進路或者單操道岔。

采用車載人工控制模式時，在列車接近進路時，通過車載DMI，人工選擇進路辦理或者單操道岔。

采用現(xiàn)地人工操作模式時，在故障情況下，人工通過現(xiàn)地操作盤，實現(xiàn)進路辦理或者單操道岔。

3.2.1 列車自主進路辦理

當列車進入正線區(qū)域時，TIAS 向列車下達單次運行計劃，包括運行時刻表、列車車次號、運行路徑等信息。當計劃信息發(fā)生變化時，TIAS 向列車下達運行調(diào)整命令，如圖4 所示。

圖4 列車自動進路觸發(fā)序列圖Fig.4 Automatic train route trigger sequence diagram

列車收到TIAS 發(fā)送的運行計劃后，并根據(jù)計劃路徑行車。列車根據(jù)運行路徑實時計算前方需要經(jīng)過的進路，在運行至進路前方特定距離時申請辦理進路。道岔控制器收到進路辦理命令后，經(jīng)過進路沖突檢查之后辦理進路并開放信號。

3.2.2 進路沖突控制策略

道岔控制器對進路沖突的控制策略，若道岔控制器同時收到多個有沖突的進路，不做處理；若道岔控制器在不同時間相同始端信號的，按照先到先處理原則，且在處理過程中，其他命令無效。若道岔控制器同一時間收到相同始端信號的進路辦理和取消，不辦理。

3.3 路口協(xié)同控制

有軌電車多為半獨立路權，不與道路交通混行[7]，但可能與道路平交。在交叉口區(qū)域，有軌電車與不同進口不同轉(zhuǎn)向的社會車輛有沖突點[8]。原則上，在保證不影響交叉口整體通行能力的前提下，有軌電車可以優(yōu)先通過交叉口。有軌電車的路口協(xié)同控制方法一般采用有軌電車主動優(yōu)先策略（包括綠燈延長和紅燈早斷等方法）和有軌電車被動優(yōu)先策略。綠波是一種被動優(yōu)先的效果，如果車輛能夠在綠波帶內(nèi)行駛，就能保證其不停車通過所有交叉口，特別是對有專用道的公共交通車輛，由于不受其他車輛的干擾，更容易實現(xiàn)綠波通行，大大提高運行效率。

本方案采用融合主動優(yōu)先與綠波的方法，對于有軌電車沿線的所有交叉口，根據(jù)交叉口特征分別采用適宜的有軌電車通過策略。交叉口一般分為兩種類型：行人路口，其特點是只有行人橫穿有軌電車鋼軌區(qū)域，沒有機動車穿過鋼軌區(qū)域；機動車十字路口，其特點是同時有行人和機動車橫穿有軌電車鋼軌區(qū)域。本方案對行人路口采用主動優(yōu)先原則，而對機動車十字路口采用綠波的原則。

通過VISIM 對某城市有軌電車一號線進行建模仿真驗證，該線路共計11 個交叉口，其中4 個機動車十字路口，7 個行人路口。融合主動優(yōu)先與綠波的方法使得有軌電車平均旅行速度由21.7 km/h 提升至25.3 km/h，平均旅行時間縮短，因此進一步提升了運量。在滿足同樣的運量的條件下，融合主動優(yōu)先與綠波的方法可以使有軌電車底數(shù)減少，因此可以大幅降低運營商的固定成本。此外，融合主動優(yōu)先與綠波的方法使有軌電車停車次數(shù)減少，從而減少了閘瓦磨損的次數(shù)，進而延長閘瓦使用壽命，因此可以大幅降低運營商的運營成本。采用綠波帶策略對交叉口道路側(cè)通行能力沒有影響，而采用有軌電車絕對優(yōu)先策略的交叉口對道路側(cè)通行能力的影響與有軌電車發(fā)車間隔有關。按照有軌電車發(fā)車間隔3 min 計算，道路側(cè)通行能力變?yōu)樵瓉淼?5%，對道路側(cè)通行能力影響不大。

由此可見，融合主動優(yōu)先與綠波的方法可以綜合二者的優(yōu)勢，一方面可以提高有軌電車的服務水平，體現(xiàn)公交優(yōu)先的交通發(fā)展理念，另一方面，在公交優(yōu)先的前提下，也兼顧道路交通的通行效率。

4 總結(jié)

本文通過對基于多傳感器融合定位、列車自主進路辦理、路口協(xié)同控制等核心技術的研究，成功構建了一種新的有軌電車信號控制系統(tǒng)。該方案有效地提高了系統(tǒng)的安全性與可用性，降低了建設、運營、維護成本，提升了運量。該方案現(xiàn)在已經(jīng)在某城市有軌電車一號線實施并取得了良好的效果。未來，隨著人們對出行要求的更加定制化和細致化，信號系統(tǒng)也將更加智能化和多樣化，技術手段和實現(xiàn)方案也會繼續(xù)隨之逐步更新和完善。