現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王艷林

（德陽城市軌道交通職業(yè)學(xué)院，四川 德陽 618400）

現(xiàn)代有軌電車在城市軌道交通制式中，作為一種中低規(guī)模運(yùn)量的系統(tǒng)，由于具有安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保、舒適、成本低等優(yōu)點(diǎn)，最近幾年在中國發(fā)展十分迅速。

作為一種軌道交通制式，當(dāng)要改變有軌電車運(yùn)行方向時(shí)，需經(jīng)過道岔這種軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的特殊裝置。有軌電車正線上布置的道岔的控制方式與傳統(tǒng)鐵路車站內(nèi)的道岔控制有所不同，如何保障有軌電車安全、準(zhǔn)確、快速的通過道岔，是軌道交通信號(hào)專業(yè)技術(shù)人員研究的一個(gè)重要課題。

1 現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)概述

現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)一般由中心調(diào)度指揮系統(tǒng)、車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)、正線道岔控制系統(tǒng)、平交路口控制系統(tǒng)和車載系統(tǒng)組成。

中心調(diào)度指揮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對全線列車運(yùn)行的管理和監(jiān)視功能；平交路口控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與道路交通信號(hào)控制系統(tǒng)接口，管理有軌電車與其他社會(huì)車輛混行路口區(qū)域；車載系統(tǒng)處理司機(jī)操作指令，完成車輛定位、車地信息傳輸?shù)裙δ埽徽€道岔控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)道岔區(qū)域控制，完成岔區(qū)信號(hào)設(shè)備之間的聯(lián)鎖關(guān)系，保障岔區(qū)列車運(yùn)行安全；車輛段聯(lián)鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛段信號(hào)設(shè)備控制，保障列車在車輛段運(yùn)行的進(jìn)路安全。

2 正線道岔控制系統(tǒng)功能需求

正線道岔控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)道岔區(qū)域進(jìn)路上道岔、進(jìn)路表示器和軌道區(qū)段的正確聯(lián)鎖，確保進(jìn)路正確和列車運(yùn)行安全。正線道岔控制系統(tǒng)的主控制器負(fù)責(zé)聯(lián)鎖關(guān)系運(yùn)算，應(yīng)具有SIL4等級的安全認(rèn)證，采取安全可靠性冗余結(jié)構(gòu)，確保列車在正線岔區(qū)的運(yùn)行安全。此外，根據(jù)有軌電車獨(dú)特復(fù)雜的運(yùn)營環(huán)境，正線道岔需要多種控制模式。

（1）自動(dòng)控制：正線道岔控制系統(tǒng)基于調(diào)度指揮系統(tǒng)發(fā)布到本地的運(yùn)營計(jì)劃，當(dāng)檢測到有軌電車的位置并通過車地?zé)o線通信獲取車次號(hào)信息，能根據(jù)運(yùn)營計(jì)劃自動(dòng)排列進(jìn)路。

（2）車載手動(dòng)控制模式：司機(jī)在駕駛室信號(hào)顯示屏上操作，通過車地?zé)o線通信，把控制指令傳遞至道岔控制柜，控制道岔轉(zhuǎn)換至司機(jī)要求的位置。

（3）現(xiàn)地控制模式：車載子系統(tǒng)與地面無法建立通信時(shí)，系統(tǒng)降級到現(xiàn)地控制模式。現(xiàn)地控制模式時(shí)，司機(jī)下車通過軌旁的操作盤手動(dòng)操作道岔轉(zhuǎn)換到需要的位置。

（4）手扳道岔：軌旁設(shè)備故障或現(xiàn)場停電時(shí)，現(xiàn)地控制模式無法操控道岔時(shí)，司機(jī)可通過專用工具撬動(dòng)道岔轉(zhuǎn)換到所需位置。手板道岔模式司機(jī)需人工確認(rèn)道岔無車占用。

3 正線道岔控制系統(tǒng)方案比選

為保障道岔區(qū)域的行車安全，需設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備以保證信號(hào)、道岔、進(jìn)路之間的聯(lián)鎖關(guān)系。根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)備的布設(shè)方式，可采用聯(lián)鎖集中控制和分散控制方案。

3.1 聯(lián)鎖集中控制

傳統(tǒng)鐵路信號(hào)控制需在有岔車站獨(dú)立設(shè)置一套聯(lián)鎖設(shè)備以保障該站內(nèi)的進(jìn)路安全，但有軌電車正線車站道岔數(shù)量少，可參照地鐵集中區(qū)劃分方式，把幾個(gè)道岔區(qū)設(shè)置成聯(lián)鎖集中控制區(qū)。在聯(lián)鎖集中控制方式下，一個(gè)聯(lián)鎖集中區(qū)設(shè)置一套聯(lián)鎖主機(jī)來保障道岔區(qū)域進(jìn)路安全，每個(gè)岔區(qū)之間相互獨(dú)立，之間無聯(lián)鎖關(guān)系。在軌旁設(shè)置計(jì)軸或軌道電路檢測列車位置，設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換道岔，設(shè)置信號(hào)機(jī)向司機(jī)傳遞行車指令。

該方案下，進(jìn)路建立可參照地鐵模式，可由中心自動(dòng)控制和車站人工控制。中心自動(dòng)控制是根據(jù)制定好的列車運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)排列各次列車需要的進(jìn)路，當(dāng)中心設(shè)備故障或通信故障以及調(diào)度需要時(shí)，可把控制權(quán)轉(zhuǎn)換至聯(lián)鎖集中站進(jìn)行人工辦理進(jìn)路，一般司機(jī)不能控制進(jìn)路的建立。

該方案的岔區(qū)進(jìn)路安全由集中站設(shè)置的聯(lián)鎖設(shè)備來保障，減少了軌旁聯(lián)鎖設(shè)備數(shù)量。但需要在集中站配置設(shè)備用房安裝聯(lián)鎖設(shè)備，需要設(shè)置車站行車工作人員以便在特定情況下進(jìn)行車站人工建立進(jìn)路。進(jìn)路自動(dòng)控制根據(jù)中心列車運(yùn)行計(jì)劃來執(zhí)行，但由于有軌電車受路面其他交通形式影響大，往往不能嚴(yán)格按照列車運(yùn)行計(jì)劃行車，依賴人工進(jìn)行調(diào)度，到時(shí)車站及中心工作人員工作強(qiáng)度大，線路上列車運(yùn)行組織靈活性差。

3.2 分散控制

分散控制方案在每個(gè)岔區(qū)獨(dú)立設(shè)置聯(lián)鎖控制器，保障該區(qū)域內(nèi)列車進(jìn)路安全。設(shè)置軌道電路或計(jì)軸來檢測岔區(qū)占用情況，設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換道岔，設(shè)置信號(hào)機(jī)向司機(jī)傳遞行車信息，設(shè)置聯(lián)鎖主機(jī)用以保障岔區(qū)進(jìn)路安全。設(shè)置車地通信設(shè)備傳遞列車車次號(hào)、司機(jī)控制指令等信息，本地聯(lián)鎖控制器通過光纜與控制中心調(diào)度設(shè)備連接，把列車運(yùn)行計(jì)劃下載至本地。

分散控制方案進(jìn)路的建立可由車地信息交互實(shí)現(xiàn)，聯(lián)鎖控制器通過車地通信獲得列車車次號(hào)等信息，查詢下載到本地的列車運(yùn)行計(jì)劃獲得該次列車所需的進(jìn)路信息，當(dāng)該進(jìn)路的聯(lián)鎖關(guān)系無沖突時(shí)自動(dòng)建立進(jìn)路，并保證控制權(quán)唯一。當(dāng)與控制中心通信故障，也可由司機(jī)下達(dá)道岔控制指令，通過車地通信設(shè)備把控制指令傳遞給道岔控制器來建立進(jìn)路。根據(jù)車地通信建立方式的不同，車地通信又可分為開放式通信和近距通信。

3.2.1 開放式無線通信

在道岔接近區(qū)段安裝信標(biāo)，列車檢測到信標(biāo)從而確定自身位置，然后用開放無線的方式實(shí)現(xiàn)車地通信，將列車接近信息發(fā)送至軌旁，從而獲得道岔控制權(quán)，同時(shí)可通過無線通信遙控道岔。無線通信技術(shù)可采用WLAN或其他專有無線通信技術(shù)，多采用ISM開放頻段，較容易受到干擾。同時(shí)因?yàn)橛熊夒娷囋陂_放空間，無線通信易受到沿線建筑物和車輛的影響，需設(shè)置信標(biāo)等設(shè)備校核列車位置，相應(yīng)列車應(yīng)具有電子地圖數(shù)據(jù)和信標(biāo)天線。

3.2.2 近距通信

近距通信設(shè)備作用范圍通常只有幾米至十幾米，既可以實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，又可以確認(rèn)列車接近，可作為授予列車道岔控制權(quán)的基礎(chǔ)。基于通信協(xié)議的不同，近距通信有感應(yīng)環(huán)線、ZigBee、DSRC短程通信等方式。

根據(jù)對以上不同的近距車-地通信方式及信息傳輸介質(zhì)原理和特點(diǎn)的分析，ZigBee和DSRC仍然采用開放頻段，不能避免干擾問題。因此如能保證獨(dú)立路權(quán)，感應(yīng)環(huán)線在安裝技術(shù)、工藝水平方面提升，降低對其運(yùn)營及維護(hù)等的顧慮，感應(yīng)環(huán)線響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等因素，推薦采用感應(yīng)環(huán)線。

3.3 方案比選

有軌電車正線道岔控制簡單，與其他專業(yè)接口少，集中聯(lián)鎖設(shè)備對有軌電車正線道岔控制來說過于浪費(fèi)；集中控制需專門設(shè)備用房、敷設(shè)大量光電纜、需設(shè)置專門工作崗位、控制靈活性差、故障影響面積大。在有軌電車的開放運(yùn)行環(huán)境下，以開放式進(jìn)行無線通信的方式容易受到外界無線信號(hào)干擾。因此，項(xiàng)目采用分散控制方案，車地?zé)o線通信采用感應(yīng)環(huán)線作為傳輸媒介，對道岔系統(tǒng)進(jìn)行控制和相關(guān)信息的傳輸。

4 有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，在正線道岔岔前相應(yīng)位置設(shè)置進(jìn)路表示器用以指示列車進(jìn)路方向；根據(jù)列車運(yùn)營速度和道岔動(dòng)作等時(shí)間參數(shù)設(shè)置車地通信環(huán)線，實(shí)現(xiàn)車次號(hào)等行車信息、司機(jī)控制命令的傳遞；設(shè)置軌道電路或計(jì)軸用以檢測道岔區(qū)段占用或空閑，為聯(lián)鎖邏輯提供條件；設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)，根據(jù)控制指令把道岔轉(zhuǎn)換至規(guī)定的位置并鎖閉；在信號(hào)機(jī)機(jī)柱上設(shè)置手操盤，用以道岔現(xiàn)地控制；轉(zhuǎn)轍機(jī)、進(jìn)路表示器、感應(yīng)環(huán)線、軌道電路或計(jì)軸器等地面設(shè)備均由軌旁控制箱內(nèi)相應(yīng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)采集及邏輯處理。軌旁主機(jī)核心控制單元需安全可靠性高，通過SIL4認(rèn)證，并符合故障-安全原則。

圖1 正線岔區(qū)信號(hào)設(shè)備布置

正線道岔控制系統(tǒng)通過在岔前設(shè)置感應(yīng)環(huán)線實(shí)現(xiàn)車地通信，從列車獲得車次號(hào)等信息，與從中心運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)到本地的進(jìn)路表進(jìn)行比較，得到運(yùn)行計(jì)劃中列車進(jìn)路，轉(zhuǎn)動(dòng)道岔并鎖閉，同時(shí)控制信號(hào)表示器進(jìn)行顯示，以供司機(jī)瞭望。

該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了道岔、軌道區(qū)段、信號(hào)機(jī)之間正確的聯(lián)鎖關(guān)系，保障進(jìn)路安全。同時(shí)采用感應(yīng)環(huán)線、區(qū)段空閑/占用檢測設(shè)備（軌道電路或計(jì)軸）相結(jié)合的方式檢查列車占用情況，提高了控制邏輯及安全水準(zhǔn)。

5 結(jié)語

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市公共交通面臨的壓力也越來越大，有軌電車作為一種城市軌道交通制式用于緩解公共交通壓力有著廣闊的應(yīng)用前景。為保障列車運(yùn)行安全，提高運(yùn)行效率，軌道交通信號(hào)專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況深入研究，設(shè)計(jì)出適應(yīng)性和實(shí)用性強(qiáng)的正線道岔控制方案。