新型有軌電車信號(hào)系統(tǒng)方案研究

劉新平

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

19世紀(jì)末期，有軌電車技術(shù)日趨成熟，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家的很多城市相繼建成了有軌電車。隨著第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，各參戰(zhàn)國(guó)的有軌電車系統(tǒng)均受到嚴(yán)重的破壞。與此同時(shí)，汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，有軌電車的發(fā)展則日漸衰退，世界各大城市的有軌電車紛紛停運(yùn)或被拆除。如今城市化進(jìn)程的加快和家用汽車的普及，使得城市交通不堪重負(fù)；雖然交通工具更加豐富，但人們的出行卻更加不便，行車緩慢、交通堵塞隨處可見(jiàn)，日趨嚴(yán)重的全球能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題也隨之而來(lái)。雖然很多大型城市建設(shè)了城市軌道交通，希望借此來(lái)緩解交通壓力，并減少城市中汽車尾氣的排放量，但由于地下鐵道和高架輕軌的巨額投資，反而使許多城市陷入深深的債務(wù)危機(jī)。因此，高效、廉價(jià)、無(wú)污染的有軌電車再一次走上了歷史舞臺(tái)，人們開(kāi)始重新評(píng)價(jià)有軌電車在城市交通中的作用［1］。

信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通的安全保障，它關(guān)系著每位乘客的生命安全；同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)也是運(yùn)營(yíng)效率的保障，使得列車在安全運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)線路的最大運(yùn)能［2］。隨著有軌電車的回歸，一套與之相適應(yīng)的信號(hào)系統(tǒng)也呼之欲出。從工程實(shí)用的角度來(lái)看，如何有效地配置信號(hào)系統(tǒng)以滿足新型有軌電車運(yùn)營(yíng)的需求，成為了一個(gè)亟待探討的問(wèn)題。

1 新型有軌電車特點(diǎn)

現(xiàn)代新型有軌電車一般具有以下特性：①有軌電車的車輛定距較小，普遍采用關(guān)節(jié)鉸接裝置，線路的曲線半徑最小可以在20m以下；②有軌電車線路的站間距小，平均站間距小于1km；③有軌電車的機(jī)械、電氣設(shè)備小型化和輕量化；④有軌電車最大運(yùn)行速度可在70～80km／h，車輛自重輕，單位車體長(zhǎng)度的自重在1.5t／m左右，車輛牽引加速度在1.0～1.3m／s2，車輛常用制動(dòng)減速度為1.0～1.5 m／s2，緊急制動(dòng)減速度在2.5～3.5m／s2。

有軌電車的車輛運(yùn)行在鋼軌上，其路權(quán)直接影響有軌電車運(yùn)行的效率和安全，并決定著有軌電車的運(yùn)行模式、控制模式。根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸研究學(xué)會(huì)的建議，可將軌道交通系統(tǒng)的路權(quán)劃分3種形式9種類別［6］（見(jiàn)表1）。

輕軌、地鐵系統(tǒng)廣泛采用A類路權(quán)，高峰時(shí)期運(yùn)營(yíng)間隔小于2min。對(duì)于有軌電車，其路權(quán)形式就比較多樣。為節(jié)省投資和運(yùn)營(yíng)成本，大多數(shù)有軌電車采用B或者C類路權(quán)；部分項(xiàng)目為了更大地發(fā)揮有軌電車的運(yùn)輸效率和提高其運(yùn)營(yíng)安全性，也會(huì)采用A類路權(quán)。

現(xiàn)階段，我國(guó)大連、上海和香港等地運(yùn)營(yíng)的有軌電車都屬于C類路權(quán)，平交道口多，與機(jī)動(dòng)車混行。在平交道口處采用自動(dòng)控制的信號(hào)燈，道岔的扳動(dòng)由司機(jī)無(wú)線遙控［3］。在這種運(yùn)營(yíng)模式下，不僅有軌電車運(yùn)行速度受到限制，而且要完全依靠司機(jī)人工目視和較好的車輛制動(dòng)能力來(lái)保障其基本的運(yùn)營(yíng)安全和順暢。平交道口多，會(huì)影響其他公共交通方式，易造成交通堵塞；依靠司機(jī)人工目視，易增加司機(jī)的疲勞度，特別是在夜間或者惡劣天氣下駕駛時(shí)，存在更大的安全隱患。

表1 軌道交通系統(tǒng)路權(quán)分類表

新近獲批的佛山市南海區(qū)新型有軌電車項(xiàng)目采用的路權(quán)就是封閉路權(quán)的，這樣既保障了運(yùn)營(yíng)的安全，同時(shí)也大大提高了運(yùn)輸效率。

2 新型有軌電車行車安全控制方案

對(duì)于采用B類或C類路權(quán)的有軌電車，由于依靠司機(jī)人工目視駕駛，只需按照基本的交通規(guī)則運(yùn)營(yíng)即可，無(wú)需增設(shè)特殊的信號(hào)控制設(shè)備。而對(duì)于采用封閉路權(quán)的A類有軌電車，信號(hào)系統(tǒng)控制方案則需進(jìn)行必要的分析和研究。

2.1 目視行車

如果采用封閉路權(quán)，有軌電車司機(jī)可以依靠目視行車，司機(jī)無(wú)需擔(dān)心其他社會(huì)車輛的突然介入。從安全的角度出發(fā)，該模式下的有軌電車要滿足以下要求：①有軌電車司機(jī)應(yīng)具有豐富的駕駛經(jīng)驗(yàn)，對(duì)前方目標(biāo)的距離及速度判斷準(zhǔn)確；②有軌電車的最高速度必須限制在50km／h以下，以確保有軌電車能及時(shí)停車；③有軌電車的制動(dòng)率要大，制動(dòng)距離要求盡可能短（一般不大于25m）。

該模式下的有軌電車，其運(yùn)行效率及安全完全由人工保證，安全性差，運(yùn)行效率低，但在信號(hào)系統(tǒng)方面基本不需要投資。

2.2 閉塞行車

按照閉塞分區(qū)的分割方法，閉塞行車可以分為：站間閉塞、自動(dòng)閉塞、移動(dòng)閉塞等。如果采用閉塞行車，司機(jī)只需依據(jù)信號(hào)機(jī)的顯示或車載信號(hào)信息行車。該模式下的有軌電車要滿足以下要求：①有軌電車應(yīng)有專屬路權(quán)，不能有其它交通方式的干擾；②軌旁必須有閉塞分割設(shè)備（軌道電路或者計(jì)軸設(shè)備等）；③必須有用于指導(dǎo)有軌電車前行或者停止的信號(hào)顯示設(shè)備（信號(hào)燈或者車載信號(hào)顯示設(shè)備）。

在該模式下，有軌電車間的安全間隔由信號(hào)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)顯示或者移動(dòng)授權(quán)來(lái)進(jìn)行控制，以地面信號(hào)顯示或者車載設(shè)備信號(hào)顯示作為行車憑證，可以有效避免人為操作失誤導(dǎo)致的事故。該模式對(duì)有軌電車的制動(dòng)率及制動(dòng)距離等要求不高，有軌電車可以以較高的速度運(yùn)行，運(yùn)行效率高，但需要增加適當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)信號(hào)系統(tǒng)的投資。

2.3 行車安全控制方案比較

在封閉路權(quán)的有軌電車系統(tǒng)中，當(dāng)有軌電車在平坡道上處于最不利的運(yùn)行情況下（司機(jī)反映時(shí)間3s，電車制動(dòng)裝置響應(yīng)時(shí)間2s）時(shí)，假設(shè)此時(shí)有軌電車的運(yùn)行速度為70km／h，緊急減速度為2.5m／s2，那么從有軌電車制動(dòng)裝置開(kāi)始響應(yīng)到停車，所需時(shí)間為7.8s，列車完全停穩(wěn)的緊急制動(dòng)距離為164m。如果采用目視行車方式控制行車安全間隔，為保證司機(jī)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)前面的障礙物，司機(jī)的最低安全視距應(yīng)在200～300m左右，在遇有下坡道、彎道、夜間、隧道內(nèi)或者暴雨、大霧極端天氣等情況時(shí)，司機(jī)的最低安全視距離則需要大于400m。這顯然是做不到的。

鑒于上述分析，在保障運(yùn)營(yíng)效率的前提下，新型有軌電車的行車安全間隔控制方案應(yīng)采用閉塞行車，這樣才能保證高密度行車下的運(yùn)營(yíng)安全。

3 新型有軌電車行車間隔控制方案

新型有軌電車的站間距小，在高峰期時(shí)列車密度較大，因此，必須采用適當(dāng)?shù)男熊囬g隔控制方案來(lái)提高行車效率。而行車間隔與閉塞形式密切相關(guān)，閉塞形式?jīng)Q定了有軌電車的運(yùn)行能力。

可以應(yīng)用于新型有軌電車的閉塞方式有自動(dòng)站間閉塞和自動(dòng)閉塞兩種方式。自動(dòng)站間閉塞方式的閉塞分區(qū)以站間為單位進(jìn)行劃分，閉塞區(qū)段較少；自動(dòng)閉塞是在站間閉塞無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)需求的情況下，通過(guò)在區(qū)間上增設(shè)信號(hào)點(diǎn)，增加閉塞區(qū)段。

3.1 保護(hù)區(qū)段的計(jì)算

在不考慮線路坡道及彎道限速等條件下，假設(shè)最大站間距為1 000m，有軌電車的長(zhǎng)度為80m，有軌電車的常用加速度a1為1.0m／s2，減速度a2為1.5m／s2，緊急制動(dòng)減速度a3為2.5m／s2，停站時(shí)間為25s，司機(jī)反應(yīng)速度為3s，信號(hào)設(shè)備反映時(shí)間為2s。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，有軌電車的最高運(yùn)營(yíng)速度一般控制在最高速的90%左右，即63km／h，在進(jìn)入站臺(tái)端時(shí)限速運(yùn)行為50km／h。

在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，列車的追蹤規(guī)則如圖1所示。

圖1 正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中列車追蹤規(guī)則示意圖

有軌電車追蹤運(yùn)行時(shí)，前后兩列列車的安全間隔最少保持1個(gè)保護(hù)區(qū)段的距離。如圖1所示，只有當(dāng)列車M 1出清1站臺(tái)外方信號(hào)機(jī)的保護(hù)區(qū)段后，后面的列車M2才允許進(jìn)入兩站間運(yùn)行，直至在前方站臺(tái)停車。設(shè)置保護(hù)區(qū)段的目的是為了防止后續(xù)列車誤闖紅燈而預(yù)留的保護(hù)距離，以確保列車在最不利情況下仍然不至于發(fā)生追尾事故。

由于有軌電車在站臺(tái)區(qū)域內(nèi)行駛的最高速度v0為50km／h（因?yàn)橛熊夒娷囋谶M(jìn)入站臺(tái)端時(shí)已經(jīng)進(jìn)行了限速），則有軌電車緊急制動(dòng)所需時(shí)間t1＝v0／a3＝5.56s，在t1時(shí)間內(nèi)，有軌電車減速運(yùn)行距離為s1＝a3（t2）2／2＝38.64m；在信號(hào)設(shè)備獲知電車闖紅燈到緊急制動(dòng)生效之前，系統(tǒng)需要的反應(yīng)時(shí)間t2＝2s，在t2時(shí)間內(nèi)，有軌電車以50km／h速度運(yùn)行距離為s2＝27.78m。因此，整個(gè)保護(hù)區(qū)段的總長(zhǎng)度s＝s1＋s2＝66.42m（取70m）。

3.2 最小行車間隔

圖1中所示的列車M1正常加速出站，當(dāng)列車尾部離開(kāi)保護(hù)區(qū)段時(shí)，2站臺(tái)的出站信號(hào)機(jī)變成綠燈，列車M2可以駛向1站臺(tái)了。通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)列車 M1加速到63km／h時(shí)，耗時(shí)t1＝17.5s，行駛153m≈車長(zhǎng)80m＋保護(hù)區(qū)段70m。那么當(dāng)經(jīng)過(guò)t1秒之后，列車M2即可發(fā)車。列車M2的站間運(yùn)行的速度曲線如圖2所示。

圖2 列車站間運(yùn)行速度曲線圖

如圖2所示，列車M2在2站臺(tái)啟動(dòng)，以a1加速度運(yùn)行直至速度達(dá)到63km／h，此時(shí)加速耗時(shí)t2＝17.5s，列車尾部走行的距離為L(zhǎng)2＝153.25m。

列車M2頭部進(jìn)入站臺(tái)1的端部時(shí)，車速應(yīng)從63km／h降低到50km／h，有軌電車的常用減速度為a2，減速持續(xù)時(shí)間為t4＝2.4s，列車尾部走行距離為L(zhǎng)4＝46.32m。

列車M2在站臺(tái)1內(nèi)運(yùn)行，以a2減速度均勻減速，從50km／h降為0，所需時(shí)間t6＝9.26s，列車尾部運(yùn)行距離為L(zhǎng)6＝63.4m＜80m（車長(zhǎng)），那么列車M2在車頭進(jìn)入站臺(tái)后，以勻速方式運(yùn)行了一段時(shí)間t5，勻速運(yùn)行的距離大約為L(zhǎng)5＝20m，可計(jì)算得到t5＝1.44s。

列車M2在出發(fā)加速到63km／h后勻速運(yùn)行，其運(yùn)行的距離應(yīng)為：L3＝1 000m－L2－L4－L5－L6＝735m，勻速運(yùn)行持續(xù)時(shí)間t3＝42s。

M2在到達(dá)1站臺(tái)后停車時(shí)間t7＝25s后再次起動(dòng)。

兩列列車相互追蹤的最短時(shí)間間隔為t1～t7之和，即為115s，小于2min。實(shí)際工程中有軌電車列車的站間距會(huì)更小，追蹤時(shí)間則會(huì)更短。

通過(guò)以上計(jì)算可知，站間閉塞方式已可以滿足有軌電車高密度的區(qū)間追蹤需求。理論上，雖然自動(dòng)閉塞可以進(jìn)一步減少有軌電車站間追蹤時(shí)間。但是追蹤時(shí)間的減少，必然伴隨的是列車數(shù)量的增加和信號(hào)設(shè)備投資的增長(zhǎng)，如此一來(lái)，工程投資便會(huì)俱增。

在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，列車的運(yùn)營(yíng)間隔還要考慮到站間距的長(zhǎng)短、線路的坡道、彎道、限速等等因素，列車在區(qū)間運(yùn)行的速度往往達(dá)不到最高運(yùn)行速度，因此，按照站間閉塞方式運(yùn)營(yíng)時(shí)，列車的最小追蹤時(shí)間可能會(huì)略大于2min。然而對(duì)于城市建設(shè)有軌電車的目的以及有軌電車的工程規(guī)模和運(yùn)能而言，2 min的行車間隔已足以滿足高峰時(shí)段的運(yùn)輸需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市交通擁堵問(wèn)題日漸凸顯，地鐵、輕軌雖然能緩解城市交通壓力，但是建造成本高昂。新型有軌電車憑借其造價(jià)低、換乘方便等優(yōu)勢(shì)再次成為了軌道交通領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通的重要組成部分，鑒于新型有軌電車具有平均站間距小、發(fā)車密度大，但工程投資較少等特點(diǎn)，從投資的性價(jià)比方面考慮，站間閉塞行車控制方案是最為合理的。通過(guò)文中計(jì)算分析可知，信號(hào)系統(tǒng)采用站間閉塞方式即可滿足正常高峰時(shí)期的運(yùn)營(yíng)需求。

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