現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)探討

引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人口不斷增長,城市交通擁堵問題變得日益嚴(yán)峻,因此中國大力推動城市軌道交通的發(fā)展,而現(xiàn)代有軌電車以其經(jīng)濟(jì)高效、乘坐舒適、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)逐漸受到了人們的青睞。

信號系統(tǒng)是城市軌道交通非常重要的系統(tǒng),主要用于列車運(yùn)行調(diào)度、保障行車安全和提高運(yùn)營效率等方面?，F(xiàn)代有軌電車相較于地鐵和輕軌,具有其獨(dú)特的運(yùn)營方式和特點(diǎn),因此現(xiàn)代有軌電車的信號系統(tǒng)需根據(jù)其自身的運(yùn)營需求和技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文介紹了現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營特點(diǎn),分析說明了有軌電車的信號系統(tǒng),并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

1現(xiàn)代有軌電車簡介

1.1概念

現(xiàn)代有軌電車(MordenTram)是采用電力驅(qū)動的輕型軌道交通車輛,是城市軌道交通的一種,最早于1881年德國柏林附近的里希特菲爾德開通運(yùn)營,標(biāo)志著有軌電車作為交通運(yùn)輸正式投入使用。

1.2現(xiàn)代有軌電車的特點(diǎn)

(1)投資建設(shè)成本低。每公里有軌電車所需的投資大約是地鐵的1/30~1/20。

(2)綠色環(huán)保。有軌電車采用接觸網(wǎng)或第三軌供電的方式或者直接由蓄電池充放電提供電能,是一種無污染的交通工具。

(3)節(jié)約城市用地?，F(xiàn)代有軌電車可以運(yùn)行于狹窄的路面,同時(shí)采用槽型軌,可與社會車輛共享路權(quán),極大地減少了城市用地,同時(shí)不影響城市美觀。

(4)客運(yùn)量適中。常見的現(xiàn)代有軌電車長度在18~36m,其單向最大運(yùn)能為5000~20000人/h。

1.3現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)

既有的現(xiàn)代有軌電車線路大多為與社會車輛混跑的形式,不設(shè)列控系統(tǒng),也不采用傳統(tǒng)的聯(lián)鎖方式,僅對道岔區(qū)及與平交路口實(shí)施防護(hù),其信號系統(tǒng)主要由中心調(diào)度管理子系統(tǒng)、正線道岔控制子系統(tǒng)、路口信號控制子系統(tǒng)、車載子系統(tǒng)和車輛段子系統(tǒng)構(gòu)成,如圖1所示。

現(xiàn)代有軌電車的信號系統(tǒng)所包含的各個子系統(tǒng)功能如下:

(1)中心調(diào)度管理子系統(tǒng):中心調(diào)度管理子系統(tǒng)主要功能集中在控制中心(OCC),主要是實(shí)現(xiàn)行車調(diào)度人員監(jiān)督全線列車運(yùn)行、進(jìn)路設(shè)置、編制、管理行車計(jì)劃等,可有效提高運(yùn)營管理水平、服務(wù)水平。中心調(diào)度管理子系統(tǒng)在調(diào)度功能上相差不大,區(qū)別主要集中在控制中心與控制箱的通信組網(wǎng)方式和列車與控制中心通信方式上。

(2)正線道岔控制子系統(tǒng):正線道岔控制子系統(tǒng)主要是通過對道岔的自動或人工控制,使道岔轉(zhuǎn)動至所需位置,以提高運(yùn)營效率,降低司機(jī)勞動強(qiáng)度。通過道岔、軌道區(qū)段、防護(hù)信號機(jī)的聯(lián)鎖關(guān)系,保證列車通過道岔區(qū)的安全。

(3)路口信號控制系統(tǒng):路口信號控制子系統(tǒng)與道路交通控制系統(tǒng)接口,在列車接近路口時(shí),向道路交通控制系統(tǒng)提出優(yōu)先通過申請,道路交通控制系統(tǒng)針對有軌電車的特點(diǎn),對路口交通信號控制策略進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整,使得有軌電車在條件允許時(shí)獲得路口優(yōu)先通行權(quán)。路口有軌電車信號優(yōu)先策略分為絕對信號優(yōu)先和相對信號優(yōu)先。

(4)車載信號子系統(tǒng):車載信號子系統(tǒng)主要是與中心調(diào)度管理子系統(tǒng)、正線道岔控制子系統(tǒng)以及路口信號控制子系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)各項(xiàng)功能,并給司機(jī)提供必要的駕駛輔助信息和告警信息。駕駛輔助信息包括前后車距離、本車速度、接近道岔區(qū)/路口或限速曲線段等信息,告警信息包括超出線路允許速度信息。

(5)車輛段信號子系統(tǒng):車輛段信號子系統(tǒng)主要是對段內(nèi)的調(diào)車作業(yè)進(jìn)行集中控制,實(shí)現(xiàn)車輛段內(nèi)進(jìn)路上的道岔、信號機(jī)和軌道區(qū)段的聯(lián)鎖功能,保證車輛內(nèi)調(diào)車作業(yè)及進(jìn)、出段作業(yè)的安全。車輛段信號系統(tǒng)多數(shù)采用計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。

2關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)

現(xiàn)代有軌電車沿著特定的軌道運(yùn)行,其軌道可以設(shè)置在高架、地面和地下,線路比較靈活,在地面運(yùn)行時(shí)不可避免地會與社會車輛存在共同通過平交路口的問題,此時(shí)現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)直接影響著行車效率和交通壓力。有軌電車的路權(quán)一般分為三種:獨(dú)立路權(quán)、半獨(dú)立路權(quán)和非獨(dú)立路權(quán)。

(1)獨(dú)立路權(quán)不允許和社會車輛混跑,屬于完全封閉的專用軌道,一般為高架橋、地下隧道或地面周圍完全封閉的通道。這種獨(dú)立路權(quán)的運(yùn)營模式與地鐵類似,同時(shí)有軌電車的運(yùn)行速度也能達(dá)到很高以滿足更高要求的運(yùn)行間隔,此時(shí)為保障安全,不能仍依賴于司機(jī)目視行車,建議信號系統(tǒng)可以考慮增加ATP功能,同時(shí)相應(yīng)增加軌旁設(shè)備和車載設(shè)備。對于最小2mmi的行車間隔要求,甚至可以考慮增加ATO系統(tǒng)以滿足相應(yīng)需求。

(2)半獨(dú)立路權(quán)是通過在有軌電車線路周圍設(shè)置柵欄等方式實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行通道的獨(dú)立,但有軌電車與其他交通仍存在共用平交路口,影響交通擁堵狀況。這種路權(quán)模式?jīng)]有獨(dú)立路權(quán)的有軌電車速度快,但考慮到存在較長的封閉路段,建議必要時(shí)加入點(diǎn)式nTo系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對司機(jī)駕駛時(shí)的超速防護(hù)功能,以保障行車安全。

(3)非獨(dú)立路權(quán)是有軌電車線路完全與車輛、行人混行,運(yùn)行速度較低,依靠司機(jī)目視行車,完全由司機(jī)保障行車安全,運(yùn)行效率比較低,因此一般采用傳統(tǒng)的有軌電車信號系統(tǒng),僅對路口和道岔區(qū)實(shí)施防護(hù)。

2.2列車定位

結(jié)合現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)營場景和需求,有軌電車的定位一般可以采取三種方式:GPS/BD(北斗)定位、車載編碼里程計(jì)和應(yīng)答器、基于計(jì)軸設(shè)備的列車檢測。

美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)以及我國自主開發(fā)的北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)(BD)等均可實(shí)現(xiàn)定位功能,定位方式較為成熟,實(shí)現(xiàn)容易,定位精度基本滿足功能需求,工程費(fèi)用相對較低。但在隧道地段或通過立交橋下方時(shí)會臨時(shí)失去定位信號,可根據(jù)列車速度通過軟件擬合估算列車位置,待接收到信號后能立即得到校正。這種方式可以實(shí)時(shí)反映列車位置,投資少,減小了建設(shè)和維護(hù)工作量,利于本工程景觀建設(shè),適用于列車位置信息不用于列控、定位精度要求不高的有軌電車線路。

車載編碼里程計(jì)和應(yīng)答器的定位方式在國鐵和地鐵上均有廣泛應(yīng)用。該方案由應(yīng)答器報(bào)文提供基準(zhǔn)里程,加上列車走行距離構(gòu)成列車的實(shí)時(shí)位置,每經(jīng)過一次應(yīng)答器即可校正一次測量位置,消除因儀表誤差、車輪打滑或空轉(zhuǎn)、輪徑損耗等產(chǎn)生的測距誤差。若采用100%低地板的有軌電車,車載專用里程計(jì)的安裝空間會受到限制,同時(shí)區(qū)間需要增加應(yīng)答器,提高了成本。這種方式適用于列車位置定位同時(shí)參與列車控制的速度較高、行車間隔要求比較高,需要納入列控系統(tǒng)的獨(dú)立路權(quán)有軌電車線路。

基于計(jì)軸設(shè)備的列車檢測是通過檢測列車經(jīng)過線路上某一點(diǎn)(計(jì)軸點(diǎn))的車軸數(shù)量,以確定兩個計(jì)軸點(diǎn)之間軌道區(qū)段的占用/出清情況。計(jì)軸設(shè)備只能檢測到列車位置,同時(shí)投資相對較高,維護(hù)檢修困難,不能實(shí)時(shí)在線反映列車位置。這種方式適用于采用點(diǎn)式ATP以計(jì)軸檢測列車位置信息的線路。

2.3車地信息傳輸

現(xiàn)代有軌電車通過道岔時(shí),需要提供列車與軌旁道岔控制箱的無線傳輸通道以實(shí)現(xiàn)列車對道岔的遙控功能。這種車地信息傳輸通常采用基于感應(yīng)環(huán)線的傳輸和基于無線擴(kuò)頻的傳輸方式。

基于感應(yīng)環(huán)線的方式需在道床上設(shè)置感應(yīng)電纜環(huán)線,可實(shí)現(xiàn)車地雙向通信,是一種局部通信方式,安裝在軌道中間,不易受到破壞,但當(dāng)遙控道岔時(shí),司機(jī)對列車所處的位置不好把控。

基于無線擴(kuò)頻的傳輸方式是采用2.43Hz或5.83Hz頻段的車地通信,這種方式抗干擾能力強(qiáng),誤碼率低,同時(shí)軌旁只需安裝無線發(fā)送接收天線和設(shè)備,但這種方式需要列車在接近道岔時(shí)先建立與控制箱的連接才能實(shí)現(xiàn)對道岔的遙控,因此存在一定的延時(shí)。

這兩種方式在成本上基本持平,需根據(jù)具體線路條件和運(yùn)營需求進(jìn)行比選。

2.4列車與控制中心信息傳輸

列車與控制中心間無需傳輸列控信息,交互的信息量較少,主要包括行車計(jì)劃、列車位置、列車運(yùn)行方向和運(yùn)行速度等信息。通常比較可行的列車與控制中心的信息傳輸方案有以下幾種:

(1)信號專用無線局域網(wǎng)方案:采用無線電臺、裂縫波導(dǎo)管和漏泄電纜等通信媒介,使地面設(shè)備與車載設(shè)備之間進(jìn)行實(shí)時(shí)、雙向、可靠數(shù)據(jù)通信,從而實(shí)現(xiàn)列車與地面信息傳輸。需在沿線設(shè)置多個無線接入點(diǎn),建設(shè)成本相對較高,適用于傳輸數(shù)據(jù)量較大的列控信息的場合,目前在地鐵中運(yùn)用較多。

(2)利用通信系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)方案:利用通信系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)提供專業(yè)的數(shù)據(jù)通道是比較經(jīng)濟(jì)和可靠的方案,提供穩(wěn)定連接和較少干擾的同時(shí)能有效降低投資費(fèi)用,帶寬比較固定,適合交互信息較少、無需傳輸列控信息的場合。

(3)租用公網(wǎng)方案:通常采用租用GSM、GPRS或CDMA三種公網(wǎng)的方式進(jìn)行車地通信,這種方式成本最省,但無法持續(xù)通信,信息傳送傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性較差,同時(shí)在信號覆蓋較弱或人口密集的場合會出現(xiàn)無法連接網(wǎng)絡(luò)的情況,從而給有軌電車的運(yùn)行帶來安全隱患。

3結(jié)語

綜上所述,現(xiàn)代有軌電車具有經(jīng)濟(jì)美觀、節(jié)能環(huán)保和運(yùn)量適中等特點(diǎn),我們必須結(jié)合有軌電車線路的運(yùn)行場景和工程條件等需求,同時(shí)針對各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行對比分析,才能設(shè)計(jì)出真正適用于不同有軌電車線路的可靠的信號系統(tǒng)方案,以保障運(yùn)營安全和效率。