有軌電車信號優先等級動態調整控制策略研究

亓叔虎 劉健花 孟臻

有軌電車通常在城市道路上運行，一般采用封閉式、半封閉式路權，但在開放路權的交叉路口會與機動車、非機動車以及行人等社會交通形成平面交叉，如果不能給予有軌電車在通過交叉路口時的優先權，則其旅行速度、準點率等指標難以保證，無法體現有軌電車的優勢。而有軌電車的交通信號優先又會占用其他社會交通相位的時間資源，因此，需要綜合考慮交叉路口的總體通行能力，降低有軌電車優先通行后對社會交通造成的負面影響。

根據實現方法，有軌電車信號優先可以分為被動式信號優先和主動式信號優先。主動式信號優先的常用方法是基于綠燈延長、紅燈縮短和插入相位衍生出來的，根據有軌電車實時到達時刻與當前信號控制所處的階段具體定制，而且應在保證相交道路相位的最小綠燈、保證相位間的安全綠燈間隔的前提下實現［1］。目前國內已開通的有軌電車一般采用固定優先級的主動式優先控制策略，根據社會道路車流量的大小，分配不同交叉路口的優先級。舉例如下。

1）三亞有軌電車信號優先控制模式分為2種：無條件優先和有條件優先。有條件優先又分為高優先和低優先。根據社會交通具體情況，以低優先為主，在已開放的6個路口中，2個路口為高優先，2個路口為低優先，1個路口為不優先，1個路口為無條件優先［2］，即采用固定的優先等級。

2）蘇州高新區有軌電車采用交互式路口信號優先控制方案，即由有軌電車信號控制器負責列車不同位置的檢測，并把位置信息發送給道路交通信號控制機，由道路交通信號控制機根據“紅燈縮短、綠燈延長”的策略進行信號機控制［3］，此種方式的信號優先仍舊是采用事先確定的優先等級控制策略，即相對優先策略。

3）淮安有軌電車提出了一種基于離線被動綠波協調控制的有條件主動優先控制設計方案，當交叉路口服務水平為A—D級時，采用絕對主動信號優先；服務水平在E、F級時，采用被動式信號優先。該優先控制策略是基于服務水平，提前確定優先的控制策略［4］。

本文提出了一種基于運營早晚點信息的優先級動態調整控制策略，可根據有軌電車平交路口控制系統提供的列車位置、早晚點等信息，并結合運營單位的時刻表，實時確定不同早晚點列車在經過交叉路口時的優先等級，在滿足有軌電車運營組織需求的同時，提高交叉路口總體通行能力。

1 方案設計

1.1 系統架構

信號優先控制系統包括有軌電車側的平交路口控制系統和社會交通側的道路交通信號控制系統2部分。平交路口控制系統通過檢測環線進行列車位置檢測、轉發根據早晚點信息生成的優先等級，同時根據道路交通信號控制系統反饋的信息，觸發有軌電車專用信號機的點燈命令；道路交通信號控制系統則負責根據平交路口控制系統提供的列車位置信息、優先等級信息，采用主動式信號優先控制策略，判斷何時開放有軌電車相位，并將準備開放信息發送平交路口控制系統。信號優先控制系統結構見圖1。

優先等級的判定由信號車載控制主機完成，運營時刻表會在始發站發車前下載到車載控制主機本地，車載控制主機可根據列車實際運行情況，判斷列車的早晚點信息以及對應的優先等級信息，并在列車經過檢測環線時，向平交路口控制系統發送優先等級信息。根據運營單位運營組織要求和時刻表調整策略，不同早晚點列車分配的優先等級見表1。

圖1 系統結構

表1 早晚點時刻與優先等級對應表

本文以珠海有軌電車1號線首期工程的平面十字交叉路口為例，介紹相應的設備布置方案。在路口處設置有軌電車專用信號機，用于指示有軌電車是否通行。為避免干擾社會車輛，有軌電車專用信號機使用定制顯示：禁止信號“紅色T”，準備信號“黃色T”，允許信號“白色箭頭”。其中準備信號亮燈，用于提示司機優先信號即將開放；準備信號滅燈后，允許信號立即亮燈。若路口兩側檢測線圈布置范圍內無車站設置，則在有軌電車專用線路交叉路口前布置3個定位檢測線圈，分別為預告檢測線圈、主檢測線圈和接近檢測線圈；在交叉路口后方布置1個定位檢測線圈，為離去檢測線圈。檢測線圈為有源線圈，通過專用電纜接入到有軌電車平交路口控制系統。路口兩側未設置車站時設備布置見圖2。

圖2 路口兩側未設置車站時的設備布置

若路口附近有車站設置時，列車進站后需要停站上下客，可利用此段時間間隔，提前申請路口優先，節約通行時間；同時要避免提前占用路口優先資源，防止信號優先開放后列車還未駛離站臺，造成資源浪費。為應對上述需求，可在站臺停止線位置布置檢測線圈，保證列車進站停車時停在檢測線圈通信范圍內，并在司機臺設置“準備出發按鈕”，在停站時間臨近結束時，按壓“準備出發按鈕”，此時平交路口控制系統將車載控制主機下發的信息作為有效信息進行相應的處理。這樣就可保證列車利用停站時間提前申請優先，同時又避免提前占用信號資源，影響交叉路口通行能力。

1.2 接口設計

有軌電車平交路口控制系統與道路交通信號控制系統傳遞的信息量較少，可采用硬線接口。平交路口控制系統向道路交通信號控制系統發送檢測到的位置信息、優先等級信息等，道路交通信號控制系統經過計算，具備開放優先信號的條件后，向平交路口控制系統發送準備開放信息，平交路口控制系統根據此信號，先點亮有軌電車專用信號燈黃色T燈位，幾秒后黃色T燈位滅燈，接著點亮白色箭頭燈位，當檢測到列車駛離或者最大保持時間到達后，關閉準備開放信息，根據此信息白色箭頭滅燈，紅色T燈位點亮。信號機燈位變換時序見圖3。

圖3 信號機燈位變換時序

有軌電車平交路口控制系統向道路交通信號控制系統發送：上/下行預告檢測信息、上/下行主檢測信息、上/下行接近檢測信息、上/下行離去檢測信息、上/下行優先等級1、上/下行優先等級2、上/下行優先等級3、平交路口控制系統故障信息等。道路交通信號控制系統向平交路口控制系統發送：上/下行優先準備開放信息、道路交通信號控制系統故障信息等。

列車經過不同位置的檢測線圈時，各系統間的信息交互有所不同。正常情況下，當列車經過預告檢測線圈時，各系統間的信息交互流程見圖4。有軌電車將列車ID、優先等級等信息發送平交路口控制系統，由平交路口控制系統將列車位置、優先等級等信息發送道路交通信號控制系統，道路交通信號控制系統根據接收到的信息進行信號優先計算，有軌電車繼續行駛，此時有軌電車專用信號機紅色T燈位為點亮狀態，不允許列車通過路口。

當列車經過主檢測線圈時，各系統間的信息交互流程見圖5。道路交通信號控制系統收到列車位置、優先等級等信息后，開始信號優先計算。如果具備開放優先條件，則向平交路口控制系統發送準備開放信息，平交路口控制系統根據此信息，控制黃色T點燈，經過若干秒后，黃色T滅燈，白色箭頭點燈，允許列車通過路口；若一直不具備開放優先條件，則保持當前無優先狀態，紅色T燈位點燈，不允許列車通過路口。

當列車經過接近檢測線圈時，各系統間的信息交互流程見圖6。列車到達接近檢測線圈時，若信號優先已經開放，則保持當前優先狀態；若信號優先未開放，則不允許列車通過路口，列車需要在有軌電車專用信號機前停車，等待開放信號優先，道路交通信號控制系統根據收到的信息進行信號優先計算，當具備開放條件時，開放信號優先，允許列車通過路口。

當列車經過離去檢測線圈時，各系統間的信息交互流程見圖7。列車到達離去檢測線圈前，若信號優先開放未超過最大限制，列車到達離去檢測線圈時，道路交通信號控制系統向平交路口控制系統發送關閉準備開放信息，平交路口控制系統根據此信息，控制白色箭頭燈位滅燈、紅色T燈位點燈；若信號優先開放超過最大限制時，此時信號優先關閉，紅色T燈位點亮，列車到達離去檢測線圈時，保持當前無優先狀態。

2 安全分析

有軌電車通過交叉路口時一般無專用路權，通常會占用專用相位，可能會與社會交通發生沖突，存在一定的安全隱患。本文提出采用HAZOP方法［5］對信號優先控制系統中的典型危害進行初步識別，見表2。

圖4 列車經過預檢測線圈后信息交互流程

圖5 列車經過主檢測線圈后信息交互流程

目前，有軌電車的基本設計原則是司機目視駕駛［6］，由司機保證行車安全。因此，表2中分析的影響行車安全的危害及對應安全需求，最終可轉換為在交叉路口處對司機的運營操作要求。平交路口控制系統和道路交通信號控制系統不承擔安全功能，無安全性要求（為SIL0系統）。

若要減輕司機的安全責任，提高平交路口控制系統和道路交通信號控制系統的安全等級，則需要引入風險矩陣，對原始風險、剩余風險的嚴重性、發生概率等進行進一步的評估，確定系統功能的安全等級，并對由此帶來的成本進行分析，最終確定是否要提高該系統的安全等級。

圖6 列車經過接近檢測線圈后信息交互流程

圖7 列車經過離去檢測線圈后信息交互流程

3 結束語

根據國內有軌電車優先控制策略的應用現狀，提出了一種基于早晚點信息的主動式優先控制策略。以珠海有軌電車1號線首期工程為例，介紹了系統架構，并以平面十字交叉路口為例，對有站臺、無站臺情況下的設備布置情況進行說明；完成接口設計，對列車經過不同檢測線圈的數據交互流程進行詳細說明；對信號優先控制系統的安全性進行了初步分析。根據現場實際應用情況反饋，可在滿足有軌電車運營組織需求的同時，提高交叉路口總體通行能力。

表2 信號優先控制系統初步危害分析