現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制方案的選擇

李 晶

自20世紀90年代后期，現(xiàn)代有軌電車在法國率先發(fā)展以來，截止2011年末，海外已有50多個國家的400多個城市運營現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)也有大量的現(xiàn)代有軌電車項目開始啟動，根據(jù)《2013年現(xiàn)代有軌電車行業(yè)分析報告》顯示，全國現(xiàn)有20多個城市相繼開展現(xiàn)代有軌電車的線網(wǎng)規(guī)劃及設(shè)計工作，規(guī)劃線路已超過了50多條。

1 現(xiàn)代有軌電車特點

我國建設(shè)部《城市公共交通分類標準》(CJJ/T 114-2007)中明確將有軌電車與輕軌、地鐵一同劃分到城市軌道交通范疇，并將其定義為低運量的軌道交通系統(tǒng)。然而，現(xiàn)代有軌電車具有“城市軌道交通”和“城市道路公共交通”的雙重優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的地鐵、輕軌相比，其造價低，建設(shè)周期短;占地靈活，敷設(shè)簡單;車輛運營組織彈性大;服務(wù)便捷，設(shè)計新穎;與道路公交相比，其速度快、運能大、節(jié)能，污染小?，F(xiàn)代有軌電車的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1.線路一般以地面線為主，正線站間距較短。

2.車站結(jié)構(gòu)簡單，規(guī)模小，對設(shè)備系統(tǒng)需求簡化。

3.路權(quán)形式可以分為完全獨立路權(quán)、半獨立路權(quán)、混行路權(quán)。運行線路或部分運行線路可能不是封閉環(huán)境，與其它地面交通形式存在混合運行情況，所以路權(quán)相對開放。

4.車輛質(zhì)量較小、制動距離較短，可以具備靈活的運營組織方式，如2輛以上的車以很近的間距排列行駛。

5.列車在軌道上運行，運行中需經(jīng)過道岔，轉(zhuǎn)線或折返作業(yè)時也需經(jīng)過道岔，因此道岔需具備安全、靈活的操控功能。同時，列車經(jīng)過彎道或者道岔側(cè)向時，需強制限制列車運行速度。

6.車輛編組靈活，可多列連掛編組。

除此之外，還應(yīng)該注意，現(xiàn)代有軌電車雖然被劃分到軌道交通的范疇，但是其與地鐵、輕軌在駕駛模式上還是有很大不同的。有軌電車一般采用“人工駕駛、司機瞭望、保證安全”的駕駛方式。司機根據(jù)電車速度判斷并保持與前車的距離，并能將電車在人可反應(yīng)和控制的時間內(nèi)制動。這種駕駛模式是由其自身的系統(tǒng)特點決定的，也是保證有軌電車運營靈活性、提高運營效率的必然選擇。這種方式在國內(nèi)外已經(jīng)被普遍認可，也在許多規(guī)范標準中有明確的說明。

2 現(xiàn)代有軌電車正線運行需求分析

從技術(shù)上講，如果有軌電車采用全封閉專用車道 (在道路平交道口處，采用立體交叉方式通過)，配備完整的列車自動控制 (ATC)系統(tǒng)，行車間隔完全可與地鐵、輕軌相當。而從路權(quán)條件和運營組織上看，國內(nèi)外的大部分有軌電車項目選用混合車道和半封閉車道的形式，路權(quán)相對開放，且通常采用人工駕駛模式。這些運行特點和運營組織方式，決定了有軌電車正線信號系統(tǒng)有著與傳統(tǒng)城市軌道交通不同的功能需求，具體表現(xiàn)在:

1.無安全間隔控制需求 (長大隧道路段除外)。在地鐵或輕軌中常用的正線信號系統(tǒng)通常具備ATP防護的列車控制功能，以保證高運量、封閉環(huán)境中追蹤列車運營安全。但是在有軌電車工程中，線路不完全封閉，存在與地面公共交通的平面交叉路口和相對開放的運營環(huán)境，它決定了傳統(tǒng)的ATP防護功能并不能防止電車和社會車輛、行人之間的沖突，達不到其控制目的。如采用ATP防護，在有軌電車復(fù)雜的路權(quán)環(huán)境中，將導(dǎo)致ATP的功能需求更高更復(fù)雜，不僅增加工程投資，而且會增加司機的依賴性、降低司機的警覺性，對與社會車輛和行人發(fā)生事故埋下一定的安全隱患。

2.無超速防護需求，但有一定的輔助駕駛告警需求。有軌電車允許其具備靈活的運營組織、2輛以上的車可以以很近的間距排列行駛或站內(nèi)?？?。因此，系統(tǒng)無超速防護需求，只要求司機保證避免追尾和沖撞。在曲線限速段、轉(zhuǎn)彎處、路口、長大下坡等路段，可對司機進行語音提醒，但無控制功能。

3.無ATO自動駕駛和精確停車需求。由于有軌電車采用人工駕駛模式，所以無ATO自動駕駛需求。同時，在站臺的停車作業(yè)也是由司機來操作完成的，無精確停車需求。

4.對道岔區(qū)域有可靠的聯(lián)鎖需求。對于軌道交通，道岔轉(zhuǎn)換、鎖閉的安全性、可靠性，是保證列車安全通過以及提高行車效率最重要的條件之一。在有軌電車“人工駕駛、司機瞭望、保證安全”駕駛模式下，正線道岔控制子系統(tǒng)無疑是有軌電車智能控制系統(tǒng)中，保證行車安全和提高行車效率的最關(guān)鍵子系統(tǒng)。

有軌電車道岔控制的功能需求，是建立在傳統(tǒng)軌道交通中信號聯(lián)鎖的基礎(chǔ)上的，即:當有軌電車接近時 (控制始點)需對道岔進行可靠控制 (轉(zhuǎn)換至規(guī)定的位置，并鎖閉)，給出相應(yīng)的信號指示，確保列車在通過道岔 (控制終點)后，道岔才準許解鎖。另外，道岔區(qū)不僅應(yīng)有完整的控制過程，還應(yīng)保證當前車輛對道岔區(qū)具有唯一的控制權(quán);且車輛在完全離開道岔區(qū)段期間，系統(tǒng)不授予其它車輛控制權(quán)，以保證運行安全。

由以上需求分析可知，有軌電車正線“信號系統(tǒng)”無需閉塞防護、超速防護、ATO、精確停車等功能，僅需滿足對道岔的控制、鎖閉、解鎖及進路指示器的開放等功能。因此，有軌電車的正線信號系統(tǒng)實質(zhì)上是一個道岔控制系統(tǒng)。

3 現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制方案

3.1 正線道路控制區(qū)域

有軌電車道岔控制系統(tǒng)僅對道岔進行控制，而對道岔區(qū)之外的其余區(qū)域是不進行控制的，沒有區(qū)間控制的概念。相鄰的道岔可以構(gòu)成一個控制區(qū)域，道岔之間有一定的聯(lián)鎖關(guān)系。如果2個道岔相隔有一定距離，超過了1個常用制動距離或反應(yīng)時間內(nèi)走行距離，就應(yīng)該分開控制。

3.2 道岔 (進路)控制模式

在有軌電車運行中，司機在遵照運營規(guī)定的前提下，按照基本的地面信號顯示駕駛電車，來保證安全通過道岔，完成運營、折返和進入車輛場等作業(yè)。而針對有軌電車系統(tǒng)的控制模式有2種方案，即中心控制優(yōu)先和現(xiàn)地控制優(yōu)先。

1.方案一:中心控制優(yōu)先。傳統(tǒng)軌道交通均采用中心控制優(yōu)先方式，所有進路都由中心發(fā)起。中心采集軌道占用、道岔位置、信號機顯示等各種信息，根據(jù)時刻表自動排列進路。同時調(diào)度員擁有進路控制的最高優(yōu)先權(quán)。

2.方案二:現(xiàn)地控制優(yōu)先。道岔或進路控制均由司機在軌旁完成，中心調(diào)度員僅對軌旁設(shè)備進行監(jiān)視，并無實際控制權(quán)。

傳統(tǒng)軌道交通都是以中控為基礎(chǔ)，進路或道岔操縱必須由中心自動或調(diào)度員人工發(fā)出。這種模式是建立在以下基礎(chǔ)之上:全線進路控制是一個有機整體，所有進路都是銜接在一起;系統(tǒng)對行車安全負責，司機僅按照信號 (或車載信號)顯示行車;線路屬于全封閉，環(huán)境簡單，調(diào)度員只需要根據(jù)工作站顯示以及聯(lián)鎖安全保證，排列進路即可。

傳統(tǒng)軌道交通采用由中心調(diào)度員統(tǒng)籌安排的方式，既可以提高效率，又能保證安全。而有軌電車道岔控制區(qū)分離，司機對行車安全負責，同時，道路不封閉，調(diào)度員不能掌握道路狀況，尤其是道岔布置在開放路口的情況下，中心調(diào)度員即使要辦理進路也需要經(jīng)司機確認。因此，有軌電車采用現(xiàn)地控制優(yōu)先方式，由司機在軌旁控制道岔，責任劃分清晰，且運營靈活，符合公交化運營的思路。當然中心調(diào)度員可通過無線列調(diào)對列車運行統(tǒng)籌安排調(diào)度。

3.3 進路觸發(fā)方式

進路觸發(fā)分為接近觸發(fā)和通信觸發(fā)。

1.接近觸發(fā):在道岔區(qū)段前設(shè)置接近區(qū)段，當列車占用接近區(qū)段，即觸發(fā)事先設(shè)定好的進路?？山Y(jié)合車次號軟跟蹤實現(xiàn)不同進路的觸發(fā)。

2.通信觸發(fā):列車在接近道岔區(qū)時與軌旁通信，從而觸發(fā)進路。由于通信報文的靈活性，可根據(jù)需要觸發(fā)不同進路。

接近觸發(fā)適合中心控制模式，通信觸發(fā)適合中心控制和現(xiàn)地控制模式，同時通信觸發(fā)更加靈活，效率更高。

3.4 道岔控制主機設(shè)置方案

道岔控制主機的設(shè)置分為集中設(shè)置和分散設(shè)置。

1.集中設(shè)置。可以有以下2種情況:一是集中式聯(lián)鎖，相鄰幾個道岔區(qū)集中設(shè)置1套聯(lián)鎖主機進行控制，但每個道岔區(qū)相互獨立，之間無聯(lián)鎖關(guān)系，其聯(lián)鎖控區(qū)的劃分原則上與地鐵類似;二是分布式聯(lián)鎖，全線可以只設(shè)1套聯(lián)鎖主機 (可放置在中心，也可放置在有條件的正線車站)，在每個或距離較近的相鄰道岔區(qū)域，均設(shè)置1套遠程I/O設(shè)備。

2.分散設(shè)置。以單獨控制道岔為基礎(chǔ)，道岔控制主機分散在軌旁道岔附近，1個道岔區(qū)域設(shè)置1套道岔控制主機。無需經(jīng)過中心或車站辦理，完全依靠列車和軌旁道岔控制設(shè)備的交互實現(xiàn)道岔控制，使道岔區(qū)段內(nèi)的道岔和進路表示器之間建立起正確的聯(lián)鎖關(guān)系，保證道岔控制的安全性和可靠性。

集中和分散設(shè)置的優(yōu)缺點分析如下:①集中和分散目前安全性均能達到SIL4級的要求。②集中式聯(lián)鎖在國鐵和地鐵、輕軌中被廣泛應(yīng)用，方案成熟;分布式聯(lián)鎖雖在國內(nèi)沒有太多的應(yīng)用業(yè)績，但是從技術(shù)上分析方案可行，多家供貨商均能提供成熟的產(chǎn)品;分散方式在有軌電車領(lǐng)域被普遍采用，大連、天津、沈陽、青島、深圳、蘇州等城市均采用此方式。③集中設(shè)置有用房需求，即使是分布式的也在軌旁有機柜安裝的需求;而分散設(shè)置只需在軌旁設(shè)置道岔控制箱，可減少土建投資，對景觀有利。④集中設(shè)置沿線需敷設(shè)大量光電纜，超過一定的控制距離后，還需要設(shè)置遠程控制單元和現(xiàn)場接口設(shè)備。⑤集中設(shè)置受主機至軌旁通信和光纜路徑影響較大，一旦通信出現(xiàn)故障，將全面影響運營，同時集中設(shè)置主機故障后影響面較大。⑥分散設(shè)置現(xiàn)場設(shè)備少，能夠較好地適應(yīng)有軌電車困難的安裝條件和較高的城市景觀要求，也便于維護維修;集中設(shè)置則無此方面優(yōu)勢。

綜上所述，有軌電車對道岔控制的需求相對簡單，分散、集中設(shè)置均可滿足，但從設(shè)備用房、電纜敷設(shè)、設(shè)備安裝條件、系統(tǒng)構(gòu)成、景觀影響、工程投資等方面綜合考慮，建議有軌電車采用分散設(shè)置道岔控制主機的方式。

3.5 現(xiàn)地控制道岔的控制模式

分散式的道岔控制一般可分為自動控制模式和人工控制模式。兩種模式的切換選擇由司機通過設(shè)置在車載控制臺上的硬件開關(guān)完成。正常情況下，自動控制模式作為系統(tǒng)運營控制模式。

1.自動控制模式。在列車接近道岔區(qū)、通過車-地雙向通信設(shè)備建立與地面的通信后，響應(yīng)當前道岔控制箱呼叫，列車向其發(fā)送列車線路號及對應(yīng)進路信息。道岔控制單元依據(jù)中央運營調(diào)度管理子系統(tǒng)下達到本地的運行計劃，根據(jù)列車線路號及進路信息自動設(shè)置進路。

道岔控制子系統(tǒng)在辦理進路之前檢查岔區(qū)的占用狀態(tài)及進路狀態(tài)，在沒有既有進路且聯(lián)鎖條件滿足的情況下選動道岔。道岔動作到位后向轉(zhuǎn)轍機發(fā)送鎖閉指令，并且向進路表示器發(fā)送顯示指令。進路表示器根據(jù)道岔的方向和鎖閉信息，顯示當前進路狀態(tài)，同時道岔控制單元通過雙向通信設(shè)備向車載控制子系統(tǒng)提供進路狀態(tài)。

列車按順序駛過通信設(shè)備及岔后列車位置檢測設(shè)備，道岔控制子系統(tǒng)根據(jù)安全組合邏輯判斷列車出清后，解鎖進路，解除對道岔的鎖閉。

2.車載遙控模式。在上述自動道岔控制功能失效的情況下，采用司機遙控控制道岔。在列車駛過自動控制區(qū)段，地面仍未獲得道岔操作命令時，車載報警提示司機按壓車載操作盤相應(yīng)按鈕，進行道岔區(qū)的進路人工辦理，進路信息通過車-地通信發(fā)送給正線道岔區(qū)控制系統(tǒng)。正線道岔區(qū)控制系統(tǒng)在接受到由車載信號系統(tǒng)發(fā)送的進路請求后，檢查聯(lián)鎖條件均滿足的前提下，排列進路并且鎖閉，同時立即開放信號，列車繼續(xù)行駛，通過道岔區(qū)段后自動解鎖。此時，車載系統(tǒng)自動屏蔽道岔的人工控制功能，人機界面上允許司機人工控制道岔的指示熄滅。

除以上自動控制失效的情景，人工控制模式還可用于非運營計劃內(nèi)的列車和車載信號系統(tǒng)局部故障情況下的列車運行。

3.道岔人工現(xiàn)場控制。在上述自動及遙控道岔控制功能均失效的情況下，司機可下車通過設(shè)置于進路表示器桿上的開關(guān)，人工操縱道岔，或使用便攜工具搬動道岔。

4.中心人工控制。在有運營需求時，由中心調(diào)度員在確保安全的前提下，采用人工確認流程，在調(diào)度中心下發(fā)進路解鎖指令，道岔控制子系統(tǒng)接受來自調(diào)度中心的進路解鎖指令解鎖進路。

4 結(jié)論

現(xiàn)代有軌電車工程由于其本身的特點及運行環(huán)境的復(fù)雜性，與傳統(tǒng)的地鐵和輕軌相比存在著明顯的特殊性。這就要求要在詳細分析其功能需求的基礎(chǔ)上，借鑒類似工程的經(jīng)驗，合理做出選擇。建議:

1.有軌電車采用現(xiàn)地控制優(yōu)先方式，由司機在軌旁控制道岔。特殊情況下，中心調(diào)度員通過無線列調(diào)對列車運行統(tǒng)籌安排調(diào)度。

2.有軌電車采用通信觸發(fā)方式。

3.有軌電車采用集中、分散設(shè)置道岔控制主機的方式均可，如無特殊要求，一般采用分散式。

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