有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)技術(shù)方案

姚文華，侯錫立，賈云光，宋鳳娟

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，人們對(duì)交通出行的需求越來(lái)越多，對(duì)公共出行的要求也越來(lái)越高[1]。高鐵、地鐵、輕軌和有軌電車在公共交通的不同層級(jí)發(fā)揮著重要作用[2]。作為中低運(yùn)量的現(xiàn)代有軌電車具有投資少，建設(shè)周期短，節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[3]，正在被越來(lái)越多的城市采用?，F(xiàn)代有軌電車，一般在城市道路地面敷設(shè)軌道，以全封閉路權(quán)或是與社會(huì)車輛部分共享路權(quán)的方式在軌道上行駛，多采用在信號(hào)控制系統(tǒng)下人工駕駛的方式運(yùn)行[4]。路權(quán)形式多，路況復(fù)雜，采用人工駕駛由司機(jī)保證同一線路上前后列車的安全間隔的行車模式導(dǎo)致司機(jī)工作量較大，且有軌電車的安全行駛對(duì)人的依賴度較大，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高[5]。信號(hào)控制系統(tǒng)為有軌電車提供控制信息，確保列車安全可靠地運(yùn)行；與此同時(shí)提高運(yùn)營(yíng)控制智能化，減少司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度。傳統(tǒng)的有軌電車信號(hào)系統(tǒng)采用如圖1 所示[6]，設(shè)備集成度不高，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本高。對(duì)傳統(tǒng)信號(hào)控制系統(tǒng)方案進(jìn)行全面分析后，本文提出了一種優(yōu)化的解決方案。

圖1 典型傳統(tǒng)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)Fig.1 Typical conventional tram signaling system

2 系統(tǒng)組成

本方案構(gòu)建的有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)由地面、車載兩部分組成，如圖2 所示。其中，地面部分包含軌旁道岔控制子系統(tǒng)（PCS)、行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（TIAS）、列車管理子系統(tǒng)（TMC）、軌旁接口箱（TIB）以及路口綜合控制子系統(tǒng)（LCC）。車載部分包含車載子系統(tǒng)，其由車載控制主機(jī)、測(cè)速測(cè)距以及列車接口等組成。

TIAS 通過融合自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、列車廣播（PA）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）等，構(gòu)建以行車指揮為核心的綜合智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地面設(shè)備的高度集成化，降低了設(shè)備的維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行車、電力及環(huán)境設(shè)備、乘客信息、廣播等進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、資源、人員統(tǒng)一管理。

TMC 實(shí)現(xiàn)列車注冊(cè)注銷管理功能，列車位置跟蹤，并將前車位置發(fā)送給后車的功能。

PCS 采集軌旁設(shè)備信息，接收TIAS、車載子系統(tǒng)（OBCU）以及TIB 的命令，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路控制的功能，支持多列車與單列車進(jìn)路，支持車隊(duì)模式。

OBCU 基于全線電子地圖，實(shí)現(xiàn)列車定位功能，MA 的計(jì)算，行車速度引導(dǎo)，限速提醒和報(bào)警，車輛狀態(tài)監(jiān)視，停站時(shí)間，早晚點(diǎn)時(shí)間顯示、遠(yuǎn)程辦理進(jìn)路等。

LCC 與公路系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)路口的防護(hù)。

圖2 有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Tram signaling control system diagram

3 關(guān)鍵技術(shù)

有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)：多傳感器信息融合定位算法、多元進(jìn)路控制（包括列車自主進(jìn)路辦理）、路口協(xié)同控制。

3.1 多傳感器信息融合定位

列車安全定位是列車控制系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)。多傳感器信息融合定位利用多種定位系統(tǒng)的組合定位，可以極大地提高定位的可用性和精度。本文采用自GNSS 全球多模多頻衛(wèi)星定位系統(tǒng)的位置信息、速度傳感器、計(jì)軸信息以及道岔的位置信息進(jìn)行多傳感器融合完成定位。如圖3 所示，車載子系統(tǒng)通過GNSS 全球多模多頻衛(wèi)星接收模塊接收來(lái)自多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)前列車的位置及速度。車載子系統(tǒng)通過速度傳感器，獲取速度傳感器的脈沖數(shù)，脈寬信息，從而計(jì)算當(dāng)前列車的速度、位置偏移信息。列車定位的過程可以用圖3 中的狀態(tài)機(jī)來(lái)描述。

圖3 多傳感器融合定位算法的示意圖Fig.3 Schematic diagram of multi-sensor fusion positioning algorithm

3.1.1 初始定位

在列車上電啟動(dòng)后，列車的定位狀態(tài)為未定位，并開始初始定位。當(dāng)GNSS 全球多模多頻衛(wèi)星接收模塊收到衛(wèi)星信息的經(jīng)緯度信息之后，多傳感器信息融合定位算法將該點(diǎn)投影到電子地圖的區(qū)段上，但由于列車兩個(gè)軌道間距較近且衛(wèi)星定位存在一定范圍的誤差，僅根據(jù)衛(wèi)星定位無(wú)法判斷出列車精確位置，可能會(huì)投射到兩個(gè)區(qū)段上，因此需要上下行信息方能唯一確定一個(gè)區(qū)段。綜上，多傳感器信息融合定位算法根據(jù)先前列車存儲(chǔ)保存的上下行信息，并結(jié)合列車的衛(wèi)星位置信息完成初始定位。

3.1.2 追蹤定位

列車完成初始定位后需要根據(jù)列車的運(yùn)行情況周期更新列車位置。列車只能運(yùn)行在軌道上，在道岔位置確定（定位/反位）的情況下，前方是一條唯一的路徑。因此，當(dāng)列車經(jīng)過無(wú)岔區(qū)段時(shí)，列車位置在該直線上移動(dòng)；當(dāng)列車經(jīng)過道岔區(qū)段時(shí)，根據(jù)道岔控制器發(fā)送來(lái)的道岔位置信息亦可唯一確定一條直線，列車位置在該直線上移動(dòng)；當(dāng)列車經(jīng)過折返區(qū)段時(shí)，切換上下行方向，實(shí)現(xiàn)追蹤定位。

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)如信號(hào)機(jī)，道岔，站臺(tái)，路口等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)所在位置進(jìn)行測(cè)繪，將獲取的經(jīng)緯度信息作為靜態(tài)數(shù)據(jù)，并在電子地圖上進(jìn)行標(biāo)注。這樣，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在電子地圖中的位置和相應(yīng)的地理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而對(duì)列車位置進(jìn)行矯正。相比傳統(tǒng)使用應(yīng)答器進(jìn)行位置矯正的方式，該方案可以大大減少地面設(shè)備的布置，從而減少建設(shè)與維護(hù)成本。列車通過衛(wèi)星模塊獲得的經(jīng)緯度信息對(duì)列車在電子地圖上的位置進(jìn)行校準(zhǔn)，并通過累計(jì)列車的位移完成列車位置的周期性更新，當(dāng)速傳誤差累積超過一定閾值后，用衛(wèi)星定位信息校準(zhǔn)。另外，本方案增加在站臺(tái)校準(zhǔn)的方式，即列車在站臺(tái)停穩(wěn)后進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.1.3 位置篩選

在列車上電啟動(dòng)初始定位失敗后或者列車丟失定位后，進(jìn)入列車位置篩選過程。列車需要走行一個(gè)道岔區(qū)段，由GPS 信息結(jié)合道岔位置、計(jì)軸占用信息、PCS 進(jìn)路信息，來(lái)判斷篩選出列車真實(shí)的位置。即：車根據(jù)衛(wèi)星定位篩選出的位置，可能在上行方向或者下行方向。列車向前走，多傳感器信息融合定位算法從道岔控制器獲取道岔位置信息（定位、反位）、計(jì)軸信息（占用、空閑）及進(jìn)路信息。當(dāng)列車離開一個(gè)道岔區(qū)段之后，根據(jù)這些信息推算列車的位置信息。

綜上所述，本方案采用多種方法獲取速度與位移信息進(jìn)行融合并完成定位。

3.2 多元進(jìn)路控制

有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的進(jìn)路辦理支持多種控制模式，分別為列車自動(dòng)控制、中心人工控制、列車人工控制、現(xiàn)地人工控制。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與人工相結(jié)合，中心、軌旁、車載三級(jí)控制。

采用列車自動(dòng)控制模式時(shí)，由TIAS 給車下發(fā)計(jì)劃。車載ATP 根據(jù)列車位置和路口信號(hào)狀態(tài)，自動(dòng)控制進(jìn)路辦理。

采用中心人工控制模式時(shí)，人工在調(diào)度終端操作選排進(jìn)路，單操道岔。調(diào)度員在TIAS 的DMI 上選擇人工辦理進(jìn)路或者單操道岔。

采用車載人工控制模式時(shí)，在列車接近進(jìn)路時(shí)，通過車載DMI，人工選擇進(jìn)路辦理或者單操道岔。

采用現(xiàn)地人工操作模式時(shí)，在故障情況下，人工通過現(xiàn)地操作盤，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路辦理或者單操道岔。

3.2.1 列車自主進(jìn)路辦理

當(dāng)列車進(jìn)入正線區(qū)域時(shí)，TIAS 向列車下達(dá)單次運(yùn)行計(jì)劃，包括運(yùn)行時(shí)刻表、列車車次號(hào)、運(yùn)行路徑等信息。當(dāng)計(jì)劃信息發(fā)生變化時(shí)，TIAS 向列車下達(dá)運(yùn)行調(diào)整命令，如圖4 所示。

圖4 列車自動(dòng)進(jìn)路觸發(fā)序列圖Fig.4 Automatic train route trigger sequence diagram

列車收到TIAS 發(fā)送的運(yùn)行計(jì)劃后，并根據(jù)計(jì)劃路徑行車。列車根據(jù)運(yùn)行路徑實(shí)時(shí)計(jì)算前方需要經(jīng)過的進(jìn)路，在運(yùn)行至進(jìn)路前方特定距離時(shí)申請(qǐng)辦理進(jìn)路。道岔控制器收到進(jìn)路辦理命令后，經(jīng)過進(jìn)路沖突檢查之后辦理進(jìn)路并開放信號(hào)。

3.2.2 進(jìn)路沖突控制策略

道岔控制器對(duì)進(jìn)路沖突的控制策略，若道岔控制器同時(shí)收到多個(gè)有沖突的進(jìn)路，不做處理；若道岔控制器在不同時(shí)間相同始端信號(hào)的，按照先到先處理原則，且在處理過程中，其他命令無(wú)效。若道岔控制器同一時(shí)間收到相同始端信號(hào)的進(jìn)路辦理和取消，不辦理。

3.3 路口協(xié)同控制

有軌電車多為半獨(dú)立路權(quán)，不與道路交通混行[7]，但可能與道路平交。在交叉口區(qū)域，有軌電車與不同進(jìn)口不同轉(zhuǎn)向的社會(huì)車輛有沖突點(diǎn)[8]。原則上，在保證不影響交叉口整體通行能力的前提下，有軌電車可以優(yōu)先通過交叉口。有軌電車的路口協(xié)同控制方法一般采用有軌電車主動(dòng)優(yōu)先策略（包括綠燈延長(zhǎng)和紅燈早斷等方法）和有軌電車被動(dòng)優(yōu)先策略。綠波是一種被動(dòng)優(yōu)先的效果，如果車輛能夠在綠波帶內(nèi)行駛，就能保證其不停車通過所有交叉口，特別是對(duì)有專用道的公共交通車輛，由于不受其他車輛的干擾，更容易實(shí)現(xiàn)綠波通行，大大提高運(yùn)行效率。

本方案采用融合主動(dòng)優(yōu)先與綠波的方法，對(duì)于有軌電車沿線的所有交叉口，根據(jù)交叉口特征分別采用適宜的有軌電車通過策略。交叉口一般分為兩種類型：行人路口，其特點(diǎn)是只有行人橫穿有軌電車鋼軌區(qū)域，沒有機(jī)動(dòng)車穿過鋼軌區(qū)域；機(jī)動(dòng)車十字路口，其特點(diǎn)是同時(shí)有行人和機(jī)動(dòng)車橫穿有軌電車鋼軌區(qū)域。本方案對(duì)行人路口采用主動(dòng)優(yōu)先原則，而對(duì)機(jī)動(dòng)車十字路口采用綠波的原則。

通過VISIM 對(duì)某城市有軌電車一號(hào)線進(jìn)行建模仿真驗(yàn)證，該線路共計(jì)11 個(gè)交叉口，其中4 個(gè)機(jī)動(dòng)車十字路口，7 個(gè)行人路口。融合主動(dòng)優(yōu)先與綠波的方法使得有軌電車平均旅行速度由21.7 km/h 提升至25.3 km/h，平均旅行時(shí)間縮短，因此進(jìn)一步提升了運(yùn)量。在滿足同樣的運(yùn)量的條件下，融合主動(dòng)優(yōu)先與綠波的方法可以使有軌電車底數(shù)減少，因此可以大幅降低運(yùn)營(yíng)商的固定成本。此外，融合主動(dòng)優(yōu)先與綠波的方法使有軌電車停車次數(shù)減少，從而減少了閘瓦磨損的次數(shù)，進(jìn)而延長(zhǎng)閘瓦使用壽命，因此可以大幅降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。采用綠波帶策略對(duì)交叉口道路側(cè)通行能力沒有影響，而采用有軌電車絕對(duì)優(yōu)先策略的交叉口對(duì)道路側(cè)通行能力的影響與有軌電車發(fā)車間隔有關(guān)。按照有軌電車發(fā)車間隔3 min 計(jì)算，道路側(cè)通行能力變?yōu)樵瓉?lái)的95%，對(duì)道路側(cè)通行能力影響不大。

由此可見，融合主動(dòng)優(yōu)先與綠波的方法可以綜合二者的優(yōu)勢(shì)，一方面可以提高有軌電車的服務(wù)水平，體現(xiàn)公交優(yōu)先的交通發(fā)展理念，另一方面，在公交優(yōu)先的前提下，也兼顧道路交通的通行效率。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)基于多傳感器融合定位、列車自主進(jìn)路辦理、路口協(xié)同控制等核心技術(shù)的研究，成功構(gòu)建了一種新的有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)。該方案有效地提高了系統(tǒng)的安全性與可用性，降低了建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本，提升了運(yùn)量。該方案現(xiàn)在已經(jīng)在某城市有軌電車一號(hào)線實(shí)施并取得了良好的效果。未來(lái)，隨著人們對(duì)出行要求的更加定制化和細(xì)致化，信號(hào)系統(tǒng)也將更加智能化和多樣化，技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)方案也會(huì)繼續(xù)隨之逐步更新和完善。