现代有轨电车控制系统的研究

摘要：我国越来越多的城市开始建设现代有轨电车系统，传统的轨道交通信号控制系统大多造价过高且不适用于有轨电车系统。本文针对现代有轨电车系统的特点提出了一种全新的有轨电车控制系统方案，该方案可解决部分现代有轨电车存在的问题以提高系统的运营效率及电车的运行安全。

中图分类号：电车文献标识码： A

背景

随着我国城市化水平的不断提高，城市交通面临的压力越来越大，轨道交通在城市交通体系中扮演着越来越重要的角色。但是轻轨地铁的巨额造价和漫长的建设周期，限制了其在中小城市的发展。面对目前迫切的交通需求，造价低、建设周期短的现代有轨电车作为一种单位能耗少、无污染、运输能力大的交通方式受到了城市的认可。现代有轨电车在欧洲的复兴也应正了有轨电车在缓解城市交通压力方面的卓越能力。现代有轨电车在我国也呈现出了整体发展的趋势。很多城市已经开通了有轨电车线路，也有很多城市将现代有轨电车积极纳入城市综合交通规划当中。

现代有轨电车运行环境灵活，可在混合路权或者独立路权环境下运行。当在混合路权环境下运行时，可将其视为基于轨道的城市公交，列车完全由司机驾驶；当在独立路权环境下运行时，可以按照混合路权的公交模式运行，也可以按照轻轨概念，实现自动控制。无论运行在何种模式下，安全高效的运营是对现代有轨电车系统的基本要求。

目前国内现代有轨电车的控制系统的研究还处于起步阶段，其系统功能还较为简单，大多仅提供了道岔控制的功能，在提高运营效率、保障电车运行安全等方面的功能较弱甚至没有。

有轨电车控制系统解决方案设计

面对有轨电车的发展趋势和灵活的运营模式，为了适应不同用户的要求，这里提出了一个现代有轨电车控制系统的解决方案，本系统方案主要由五个子系统组成：

运营调度指挥系统

正线车站信号控制系统（故障-安全）

综合车载信息系统

交叉口优先控制系统

车辆段计算机联锁系统（故障-安全）

本系统方案基于列车自身的定位，在模拟触发区段由列车排列进路，位于列车运行前方的车站和交叉口可以提前获得列车接近的通知，或者探测到列车接近后自动排列进路、发出交叉口优先通过信号、更新旅客向导信息。即使控制中心完全瘫痪，也能够通过有效地车地通信和完备的后备操作模式，保证列车继续运行。

本解决方案的全部五大子系统划分到了四个层级：

中央控制层：运营调度指挥系统位于控制中心，实现集中的运行控制、运营监督和维护培训。

轨旁控制层：正线信号控制系统、交叉口优先控制系统、车辆段计算机联锁系统沿线路分布，实现正线道岔控制、交叉口优先级控制和车辆段内信号控制。

通信层：该层为调度中心和轨旁设备、车载设备之间提供连续式通信。

车载层：该层包括请求进路排列、列车定位等功能。

图1系统功能分布图

系统组成

本有轨电车正线信号系统方案共包括：运营调度指挥系统、正线车站信号控制系统、综合车载信息系统、交叉口优先控制系统等四个子系统。为了保证系统连续可靠的运行，计算机联锁系统、调度中心系统、无线通信系统、机车定位系统等都需要采用冗余配置。

运营调度指挥系统

所有线路的运营控制由位于调度中心的运营调度指挥系统来执行。该子系统配置非常灵活，由可变数量的标准计算机设备构成，该组成可以按照项目对要求进行配置。为了保持系统运行对高可靠性和高可用性，对关键设备提供了全面的冗余。系统组成如下图2所示：

图2 运营调度指挥系统配置

在运营调度指挥系统的主要功能包括列车进路的自动排列（AHS），列车运行计划，列车运行图（时刻表），车辆运行计划，列车运行轨迹的回放，调度命令，列车超速、设备故障等报警功能，向乘客提供列车到点等信息，正线设备的监督（车载部分的信息显示）。

正线车站信号控制系统

在折返站（终点站）和正线分岔车站需要设置正线信号控制系统，对正线上的道岔和信号设备实施联锁控制。主要由控制单元、道岔模块、信号模块、感应环主机、应答器主机和无线通信主机构成。其中感应环主机用于实现车-地双向通信和对列车的接近检查，应答器是对感应环的补充和后备。基本配置如下图3：

图3 正线信号控制系统配置

正线车站信号控制系统采用分散式区域联锁控制器，对正线上的道岔和信号设备实施联锁控制。车辆配置车载遥控设备，司机可人工遥控道岔，目视行车。正线信号控制系统分为集中自动控制模式、车地自动控制模式、手动遥控控制模式和人工确认控制模式四种工作模式。

综合车载信息系统

综合车载信息系统连接调度和正线信号系统，整体系统基于车载系统的实时定位和进路请求实现集中控制和后备遥控模式。图4是综合车载信息系统硬件配置，

图4 综合车载信息系统硬件配置

综合车载信息系统连接调度中心和正线信号系统，是遥控地面道岔的命令发出设备。其主要功能体现在以下方面：

作为调度指挥系统执行终端的部分功能，例如，显示调度信息，反馈确认命令、机车定位，等等。

作为正线信号控制系统参与者的部分功能，例如，触发区段位置判断、发送进路请求，正线信号和道岔的状态复示，等等。

作为有轨电车运营系统的部分功能，例如，和PIS之间的信息更新

交叉口优先控制系统

对于交叉口的优先控制可以通过两种模式实现，第一种是通过列车探测装置（应答器）实时检测列车接近，并向交叉口通信设备发送优先控制信息。第二种是在集中控制模式下，调度中心实时了解机车的位置，当有列车接近交叉口时，由调度中心发送交叉口优先信息到控制设备，并由控制设备通过交叉口通信接口转发。

交叉口优先的控制策略应根据项目工程的具体特点及所在地点的交通状况确定。

系统原理

系统运行模式

为了实现系统的不间断高效安全运营，考虑到系统将来的集中自动化方向升级，本系统方案可提供集中自动控制模式、车地自动控制模式、后备遥控控制模式和人工确认控制模式。其中集中自动控制模式、车地自动控制模式是系统的主体自动控制模式，后备遥控控制模式和人工确认控制模式是系统级后备人工控制模式。主体模式中的转换对司机透明，无需死机介入，减少运营风险和复杂度。

集中自动控制模式

该模式实现调度中心对列车的集中监控和调度，能够对正线信号系统实现集中自动控制，无需司机介入。其过程为：在线路中设置模拟触发区段，该区段位于道岔接近区段前方，当列车进入该区段时，列车自动向调度中心发送进路请求命令，由调度中心自动排列进路，并将列车前方车站的进路信息反馈到列车。整体过程无需司机介入。

车地自动控制模式

该模式通过车地双向通信，实现正线信号系统进路自动排列，无需司机接入。其过程为：当列车进入道岔接近区段时，通过感应环双向通信设备，建立了车地之间的双向连续通信，此时列车向正线信号控制系统发送请求进路命令，正线信号系统根据时刻表和车次号自动排列进路，并将进路状态反馈到列车，整体过程无需司机介入。

后备遥控控制模式、人工确认控制模式，该模式下需要司机遥控地面道岔转岔，或下车手扳道岔，由司机保证行车安全。车载终端给司机清晰的人工操作和确认提示信息。

列车间隔

有轨电车为人工目视驾驶模式，列车之间的间隔由司机根据驾驶经验判断。系统向向前和后向列车追踪距离，方便司机控制合理追踪时间间隔，同时系统计算前后车之间极限距离，向司机提供警示信息。

列车定位

列车定位功能的作用是确定列车在线路中的地理位置。列车位置的判断基于以下信息：

GPS、里程计、轮轴小车测量列车位移，陀螺仪对GPS信号校正

列车行进过程中，探测线路中按照固定距离埋设的应答器，每个应答器包含一个识别号，对应线路数据库中的一个绝对精确位置，列车以此信息知道自己在线路中的具置，同时以此信息校正里程数据。

正线道岔附近的感应环线也可起到列车在道岔接近区段时的定位。

由于GPS和陀螺仪的结合，当出现GPS信号较长时间丢失和不稳定的情况时，也能够实现对列车的不间断的实时准确定位。同时，里程计和轮轴小车的结合，空转、打滑和刹车制动时不会对定位造成影响。

双向通信

集中自动控制模式需要车地的双向连续通信，车地自动控制模式需要在正线道岔接近区段实现车地的双向连续通信。

自建的LTE通信网络在本系统的各种设备之间交换数据。各系统通过LTE无线通信终端接入网络，通信过程对于用户透明。

正线道岔接近区段的双向连续通信通过感应环线通信设备实现，感应环线通信设备是标准通信设备。需要在地面安装感应环线和感应环地面通信主机，在机车安装车载感应环通信主机。

列车追踪

有轨电车系统中的列车追踪概念和ATC系统的列车追踪概念有所区别。ATC中的列车追中是轨旁的安全功能，是移动授权的计算输入数据。而有轨电车中的列车追踪是系统提供的对列车运行位置的集中监控，和对前后列车之间极限制动距离计算，向司机提供驾驶判断信息。

方案总结

本系统方案可极大的提高有轨电车系统的自动化水平，减少调度人员工作量，同时可在一定程度上降低驾驶员的劳动强度。当前方列车晚点时，通过运营调度指挥子系统还可提示后续列车提前减速，在一定程度上实现列车间隔控制，在提高列车追踪运行安全的同时，也可避免短时间内多趟有轨电车连续通过交叉口而造成相关公路交通的拥堵。

但本方案在一些方面还存在问题，如：在路口发生交通拥堵时，列车晚点时间较长，如仍要保持列车间隔时，可能造成全线电车运营停滞；在通过路口时易与一些不遵守交通规则的车辆、行人发生碰撞，如何尽量减少此种情况的发生；在独享路权地段，尤其是站间距较大的区间，当电车运行时速较高时如何保证列车追踪安全等。这些问题对有轨电车系统的运营效率、运行安全都有重要影响，可能需要开发新的信号系统、设备，并与相关的专业配合共同解决，这也将是现代有轨电车系统需要解决的重点与难点问题。