现代有轨电车信号系统设计方案研究

张家铭

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 北京 100070）

摘要：本文在分析现代有轨电车运营需求基础上，设计了一种现代有轨电车信号系统方案，并对列车定位技术、道岔控制方案、交叉口优先控制策略进行了研究。方案采用LTE综合承载信号、无线数字集群系统、PIS 系统业务，采用差分 GPS 与航位推算（Dead-Reckoning， DR）结合地图匹配算法的组合导航算法进行列车定位，同时使用电子信标进行精确校位。正线道岔采用分散式控制方式，平交路口信号控制方式采用感应控制方式。

关键词：有轨电车；信号系统；正线道岔；平交路口

Research on design scheme of modern tram signal system

Zhang Jiaming

(Beijing National Railway Research & Design Institute of Signal &Communication Group Co.，Ltd.， Beijing 100070)

Abstract: This paper designs a kind of modern trams signal system solutions on the analysis of the modern tram operation requirements， and studies the train positioning technology， switch control scheme and intersection priority control strategy. The scheme adopts LTE integrated carrier signal， wireless digital cluster system and PIS system business. In this scheme， a combination navigation algorithm based on differential GPS， Dead-Reckoning and map matching algorithm.is used to locate the train， and the electronic beacon is used for precise alignment. The main line switches adopt the decentralized control mode， and the level crossing signal control mode is adopted by the method of induction control.

Keywords:Tram， Signal System， Main Line Switch， Level Crossing

1 引言

近年来，随着城市化进程的加速，交通拥堵、交通事故以及由此引发的环境污染、能源浪费、经济损失等问题已成为制约我国城市全面发展的主要因素之一[1]。为解决全球城市交通问题，大幅度提高交通运输网的通行能力和服务质量，需要在优先发展公共交通的基础上，采用高科技技术升级现有道路交通体系及配套的管理体系。现代有轨电车正是在这种背景下应运而生的。

现代有轨电车是一种采用模块化有轨电车，具有技术成熟、可靠性高、适应性强、灵活度高、安全舒适、节能环保等优点[2]。

2 系统需求

有轨电车的定位介于常规公交（如市内公交车）和大容量轨道交通（如地铁）之间，具有混合路权、与地面公共交通交叉运行、正线车站站间距离较短、制动距离短、运输能力小、运行间隔不固定等特点，采用近似市内公交的人工驾驶模式和灵活的运营组织方式。有轨电车的运营需求取决于其自身的运行特点及相应的运营组织方式，主要包括以下几点：

① 无安全间隔控制需求；

② 无超速防护需求；

③ 无ATO自动驾驶和精确停车需求；

④ 对道岔区段有可靠的联锁需求。

与此同时，为了提高有轨电车信号控制系统的自动化程度，减轻相关工作人员的劳动强度，提高有轨电车运行效率，减少信号系统设备的维护管理，还应包含以下几点：

① 对全线运营列车实时监控、运营调度和信息管理的需求；

② 对正线道岔远程遥控的需求；

③ 有轨电车在道路交叉口高效通行的需求；

④ 有轨电车精确定位的需求；

⑤ 信号系统设备间数据通信的需求；

⑥ 有轨电车在车辆段内安全调车及高效出入段作业的需求。

有轨电车信号控制系统与传统城市轨道交通如地铁信号控制系统相比，具有其自身的特殊性[3]。具体功能和设备构成对比详见表1和表2。

3 系统构成

典型现代有轨电车信号系统主要由中心调度管理子系统、正线道岔控制子系统、平交路口信号优先子系统、车载信号子系统、数据通信子系统和车辆段联锁子系统构成，同时可以配备维护监测子系统、培训子系统等设备[4]。有轨电车信号系统的构成如图1所示。

3.1 中心调度管理子系统构成

中心调度管理子系统设备主要设置在中央控制室、设备机房和车辆段/停车场调度室内。中央控制室主要设置调度工作站、运行图编辑工作站、维护工作站和统计查询工作站。设备机房主要设置应用服务器、数据库服务器、通信服务器、维护服务器和接口服务器。车辆段/停车场调度室内主要设置派班工作站和调度工作站。中心调度管理子系统的构成如图2所示。

3.2 正线道岔控制子系统构成

正线道岔控制子系统是保证列车运行安全、提高行车效率，实现正线道岔区段、进路表示器之间正确联锁关系的重要信号设备。有轨电车正线道岔一般设置在线路的交路折返站及与其他线路的联络线处。

有轨电车正线道岔控制子系统主要由正线道岔控制箱（含通信单元、逻辑单元和控制单元）、道岔转辙设备、列车位置检测设备、进路表示器、车—地通信设备等组成。正线道岔控制子系统的构成如图3所示。

3.3 平交路口信号优先子系统构成

平交路口信号优先子系统是提高道路平交路口的利用率，保证列车在交叉口运行安全的重要信号设备。平交路口信号优先子系统主要由平交路口控制箱、列车位置检测设备、进路表示器、车-地通信设备等组成。平交路口的控制需要与交管部门协调、共同完成。平交路口信号优先子系统的构成如图4所示。

3.4 车载信号子系统构成

车载信号子系统主要包括车载控制器、车载人机接口（HMI）、GPS/BDS定位设备、车—地无线通信设备、电子标签天线、应答器天线及车辆接口等。车载信号子系统的构成如图5所示。

3.5 数据通信子系统构成

数据通信子系统由有线网络和无线网络两部分构成，有线网络采用 IEEE802.3 以太网标准，负责中心调度管理子系统设备间的网络连接通信。车地无线网络采用先进的TD-LTE技术，使用1.8GHz频段。轨旁无线通信设备主要包括LTE核心网设备（EPC）、骨干网传输设备、基带单元（BBU）、射频单元（RRU）和传输媒介。车-地无线通信可为信号系统、无线数字集群系统、PIS系统提供统一的无线信息传输通道，并实现了这些系统的信息、语音和图像业务的传输整合。同时，LTE 技术具备向防灾系统、专用电话系统、公安通信系统、安防系统等扩展的能力。通过采用完善的IP传输机制和多种QoS服务保证传输QoS目标，实现差异化服务、保证优先级最高的业务在网络出现拥塞时能够优先传输到达目的地，不会造成中断或数据丢失现象。

3.6 车辆段联锁子系统构成

车辆段联锁子系统设备包括计算机联锁设备、联锁工作站、信号机、转辙机、计轴/轨道电路、电源设备等。

4 系统功能

4.1 中心调度管理子系统功能

有轨电车中心调度管理子系统功能主要包括运营管理、行车指挥、监督及报警管理和运营统计。具体功能如下：

① 运行图/时刻表管理；

② 列车运用计划及车辆管理；

③ 行车信息显示；

④ 列车运行描述；

⑤ 列车进路控制；

⑥ 列车运行调整；

⑦ 列车运行查询；

⑧ 故障监测、报警及故障复原处理；

⑨ 运营记录和统计报表生成；

⑩ 与其他系统交换信息等。

4.2 道岔控制子系统功能

道岔转辙机由道岔控制箱进行控制，其接口方式为电子接口或利用弹簧式继电器接口。按照控制主体的不同，正线道岔控制子系统控制主要划分为中心远程控制、车载司机控制、现地人工控制三种操作模式（图6）。

（1）中心远程控制

列车进入道岔控制区域，车载信号子系统申请获得道岔控制权限后，向道岔控制箱发送列车线路号及对应的进路信息。道岔控制箱依据中心调度管理子系统下发到本地的列车时刻表自动办理列车进路。有特殊情况时，在控制中心调度员确保安全的前提下，由中心人工锁闭、解锁道岔。

（2）车载司机控制

当与调度指挥中心失去通信时，可采用车载司机控制道岔方式。列车进入道岔控制区域，道岔控制箱仍未获得中心下发的道岔操作命令时，车载报警提示司机按压车载人机接口按钮人工办理列车进路。

（3）现地人工控制

在中心远程控制及车载司机控制均失效的情况下，现场人员可通过现地操作盘向道岔控制箱发送道岔控制命令。在无电的情况下，还可以通过机械方式操作转辙机转动。

4.3 平交路口信号优先子系统功能

平交路口有轨电车信号优先控制方式分为三种：本地优先控制方式、交管中心监视下的本地优先、交管中心控制优先。

（1）本地优先控制方式

接收到有轨电车优先通过请求时，平交路口控制箱不与交管中心通信，直接执行有轨电车优先通过命令，控制交通信号控制箱显示。

（2）交管中心监视下的本地优先

接收到有轨电车优先通过请求时，平交路口控制箱与交管中心通信，执行有轨电车优先通过命令，控制交通信号控制箱显示，交管中心具备远程监控功能。

（3）交管中心控制优先

接收到有轨电车优先通过请求时，平交路口控制箱向交管中心通信请求优先通过。获得允许后，执行有轨电车优先通过命令，控制交通信号控制箱显示。

4.4 车载信号子系统功能

车载信号子系统的主要功能具体如下：

① 列车定位及测速；

② 道岔控制权申请；

③ 道岔控制命令下达；

④ 平交路口优先通过请求；

⑤ 司机身份验证、人机显示及相关操作；

⑥ 列车到站预报；

⑦ 报警提示及故障报警；

⑧ 操作记录、运营数据记录及上传。

4.5 数据通信子系统功能

数据通信子系统为各个子系统提供高效、稳定的数据传输通道，对各子系统是透明传输，负责将各子系统的数据传送至目的节点；同时，数据通信子系统能够满足数据传输时延、丢包率及速率的要求。数据通信系统采用专门技术确保高速、安全的通信。数据通信子系统允许任何与之相连的设备之间互相通信。数据通信子系统功能具体如下：

① 提供高可靠性的信号系统专用交换网络；

② 提供稳定的车地无线通信网络；

③ 具备无线抗干扰功能；

④ 网络数据记录功能；

⑤ 网络设备管理功能；

⑥ 采用有效的安全机制保障数据通信子系统网络安全性；

⑦ 服务质量（Quality of Servie，QoS）保障。

4.6 车辆段联锁子系统功能

车辆段主要承担有轨电车的停放、检修、试车、洗车等作业。车辆段的主要功能是保证进出车辆段及段内调车作业的行车安全，提高运行效率。车辆段联锁子系统具体功能如下：

① 正常进路控制；

② 引导进路控制；

③ 信号机监控；

④ 轨道监控；

⑤ 道岔监控；

⑥ 本地监控等。

5 系统关键技术方案

5.1 列车定位技术

针对现代有轨电车技术需求分析与运营场景，现代有轨电车定位技术建议采用差分GPS与航位推算（Dead-Reckoning，DR）结合地图匹配算法的组合导航算法。

GPS 的优点为实时性强、精确度高、成本较低，但卫星信号被遮挡或形成多径反射可影响其可用性，在城市交通中尤为明显。DR 系统作为相对定位技术，累计误差是其最大的缺点。因此，将 GPS 和DR结合可以保证定位信息的连续性和完整性（图7）。同时，采用卡尔曼滤波的数据处理方法，可以减少传感器数据采集的零偏漂移和随机漂移，降低行位推算累计误差。车辆自动定位子系统利用GPS和DR传感器定位信息融合，将原始定位数据与地图信息相匹配，并结合关键位置信标精确定位能极大程度地提高车辆自动定位子系统的定位精度，有效实现现代有轨电车在运行线路上的实时跟踪和精确定位。

5.2 道岔控制方案

在正常情况下，正线上的各类道岔由正线道岔控制子系统根据列车识别号和行车计划表与道岔控制箱互联，自动办理进路，即：当有轨电车接近道岔区（包括渡线、折返线和出入段线）时，轨旁设备结合车载通信设备自动发送道岔操作请求（含列车识别号等信息）或由司机通过车载操作按钮发送道岔控制请求，道岔控制箱根据储存的进路表进行逻辑判断后自动办理进路，锁闭道岔后开放信号机（进路表示器）。司机确认信号与行车计划一致后，根据信号机指示，驾驶列车通过。

当车载设备故障，无法完成控制时，司机可以下车通过安装于轨旁的电动按钮手动设置进路或者手动转动转辙机完成道岔状态转换。

信号机显示及含义如下。

红灯：道岔未绑定/未锁闭/道岔区段占用。

绿灯：道岔锁闭在直向且道岔绑定且道岔区段未占用。

黄灯：道岔锁闭在侧向且道岔绑定且道岔区段未占用。

5.3 平交路口信号优先方案

有轨电车平交路口信号优先的设计思路：

① 确定对于不同类型和不同需求的平交路口的信号优先策略；

② 对有轨电车接近/离去平交路口状态的检查和精确定位；

③ 有轨电车控制与社会交通控制的有机结合，保障整个平交路口通行安全和畅通。

5.3.1 优先控制策略

有轨电车平交路口信号优先控制策略分为三种：绝对优先策略、相对优先策略、部分优先策略[5]。

（1）绝对优先策略

绝对优先策略是当有轨电车接近平交路口时，提前开放允许信号，使有轨电车不受延滞地通过路口。其缺点是当横向交通量比较大时容易引起横向交通拥堵。因此，该策略适合运用于小道路交叉口信号控制。

（2）相对优先策略

相对优先策略是通过调整一个信号周期内不同相位出现的时间和相位时间的长短使有轨电车优先通过平交路口。基本的配时调整方式包括绿灯提前、绿灯延长及相位插入。因此，该策略适合运用在主次干道相交的路口，在保证有轨电车优先通过的同时，减少对次干道的交通延误。

（3）部分优先策略

部分优先策略是有选择地为有轨电车车辆提供优先信号的策略。可以通过权衡有轨电车延误与路面交通车辆的延误，确定是否为有轨电车提供优先信号。也可以平时不提供优先信号，只在高峰期提供优先信号。因此，该策略适合运用在主主相交的路口，既可以保证部分有轨电车优先通过，也可以兼顾横向社会车辆的运行。

有轨电车道岔控制流程如图8所示。

5.3.2 优先控制方案

平交路口信号控制方式分为定时控制和感应控制两种。定时控制也称为定周期控制，是指平交路口信号灯按照预先设定的配时方案运行。感应控制是指在交叉口进口道上设置车辆检测器，平交路口信号灯配时方案随检测器检测到的车流状态而随时调整的控制方式。路口优先方案应采用感应控制方式控制平交路口信号灯的显示。

当有轨电车接近平交路口，读到电子标签时，车载设备将电车到达的信息发送至平交路口信号控制单元，平交路口控制单元接收到信息经过逻辑判断转换为相应等级的优先请求并发送至当前社会交通信号灯控制系统。当前路口社会交通信号灯控制系统依据当前平交路口社会交通服务水平确定是否给予有轨电车信号优先，并在当前社会交通信号灯及有轨电车专用信号灯进行显示；当电车通过路口读到出口处的电子标签时，车载设备将电车离开的信息发送至平交路口控制单元，平交路口控制单元将此信息发送至社会交通信号灯控制系统，进行相应的处理。

综上所述，有轨电车各子系统间信息交互示意如图9所示。

6 结语

有轨电车信号系统作为有轨电车运营控制的重要组成部分，目前对其控制策略和控制方案缺乏系统的分析与研究，对有轨电车的分析和设计不能完全照搬地铁、轻轨，也不能完全照搬公交、BRT。我们应当针对有轨电车自身的特点并结合工程实际，系统分析有轨电车信号系统的特点并探索其控制策略与方法，指导有轨电车信号系统的工程设计、产品研发及运营维护。

参考文献

［1］孙吉良.现代有轨电车信号系统及技术关键的研究［J］.铁路通信信号工程技术，2013，（4）：55-59.

［2］喻智宏，孙吉良，申大川.有轨电车通信信号技术与智能交通系统［J］.城市交通，2013，（4）：44-51.

［3］薛洪峰.现代有轨电车信号控制关键技术研究［D］.北京：北京交通大学，2013.

［4］陈飞.有轨电车控制策略分析与研究［D］.北京：北京交通大学，2014.

［5］高桂桂.现代有轨电车信号系统设计研究［J］.城市交通，2013，（4）：44-51