李強

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)方案研究

李強

(蘭州交通大學 光電技術與智能控制教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

針對現(xiàn)代有軌電車信號控制系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)需要解決的關鍵問題。重點對信號系統(tǒng)中涉及安全的正線道岔控制子系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的功能、組成和結構，對系統(tǒng)中轉(zhuǎn)轍機控制、車地通信和列車定位等關鍵集成技術進行了分析對比，提出了一種兼顧效率與安全考慮的進路控制方法和一套基于完全國產(chǎn)化技術的系統(tǒng)方案。

有軌電車；道岔控制；車地通信；進路控制；列車定位

0 引 言

傳統(tǒng)有軌電車在二十世紀前三十年得到了快速的發(fā)展，但隨著汽車工業(yè)的崛起，傳統(tǒng)有軌電車因其噪音、靈活性和效率等諸多劣勢逐步退出歷史舞臺[1]?，F(xiàn)代有軌電車采用電力驅(qū)動、低地板列車和自動控制等新技術，以較大的載運量、綠色環(huán)保、城市景觀效果好及投資規(guī)模小等綜合優(yōu)勢得以快速發(fā)展[2]，近30年僅在法國有超過十個城市近30條現(xiàn)代有軌電車線路投入運營[3]，近年來也逐步進入中國，在上海張江開發(fā)區(qū)、天津濱海新區(qū)和沈陽渾南新區(qū)建成投運，也有很多城市在規(guī)劃建設中。

1 現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)

信號系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車的運行指揮系統(tǒng)，有軌電車由司機駕駛，遵照信號燈及操作控制道岔設備信號的指示，按照行車運行計劃和規(guī)則行駛。信號系統(tǒng)為了保證基本行車安全和盡可能高的行車效率，采用各種技術實現(xiàn)列車的定位、車地通信、信號設備的自動控制和調(diào)度的信息化。信號系統(tǒng)主要解決的幾個問題：(1)運營調(diào)度，在控制中心進行行車計劃的編制和下發(fā)，對實際列車運行情況跟蹤監(jiān)督。(2)車地之間，車上司機對地面道岔進行遙控從而實現(xiàn)走行方向的選擇[4]59，道岔響應司機的操作指令并且進行線路占用條件的判斷，符合安全邏輯的條件下轉(zhuǎn)動到位并且聯(lián)動控制地面信號燈指示，反饋車上司機運行許可信號。(3)列車與控制中心之間，控制中心需要掌握所有列車運行的位置，控制中心需要將運行計劃下發(fā)至列車。(4)控制中心與地面信號之間，控制中心需要地面設備的實際狀態(tài)信息和故障報警信息以便快速做出反應，控制中心也可以根據(jù)運行計劃和列車運行位置遠程控制道岔設備的動作從而提高運行效率[4]59。

現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)的運營制式并非完全一致，根據(jù)具體線路和路權的設計存在差異性[5]55。

2 正線道岔控制系統(tǒng)

總體分析，現(xiàn)代有軌電車信號控制系統(tǒng)分為正線道岔控制系統(tǒng)和運營調(diào)度兩大子系統(tǒng)[5]56。正線道岔控制系統(tǒng)是信號系統(tǒng)中唯一涉及安全的子系統(tǒng)，并且作為主要的地面控制設備與道岔轉(zhuǎn)轍機、信號機、計軸等信號設備直接連接，還需通過無線和有線通信接口與車載設備、控制中心進行通信數(shù)據(jù)交互。正線道岔控制系統(tǒng)的核心設備是在每個有軌電車車站安裝軌旁的道岔控制柜，如圖1。

圖1 正線道岔控制系統(tǒng)組成與系統(tǒng)連接圖

道岔控制柜中配置核心邏輯運算單元，運算單元通過通信總線與其他控制接口設備交互，接收控制命令，采集地面信號設備狀態(tài)，進行聯(lián)鎖邏輯運算，向控制接口板發(fā)送指令控制地面信號設備動作，同時向車載和控制中心發(fā)送信號設備實時狀態(tài)信息。基于安全性的考慮，核心運算單元在硬件上應該采用二取二制式。

驅(qū)動控制設備有道岔控制單元和信號機控制單元。道岔控制單元要能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)轍機動作并采集轉(zhuǎn)轍機的表示狀態(tài)。在傳統(tǒng)的鐵路信號控制領域，轉(zhuǎn)轍機驅(qū)采控制采用的是重力式繼電器組合，觸點控制方式，控制設備規(guī)模較大并且設備連接需要進行焊線，軌旁控制柜根本無法容納如此笨重的控制設備，所以道岔控制采用電子化、模塊化和無觸點的控制板卡設備是必然的選擇。電子化道岔控制設備可以采用電力電子開關技術、二取二控制校核方法、閉環(huán)檢測方法、冗余通信總線技術來保證其安全性和可靠性[6]。一個道岔控制單元控制一臺轉(zhuǎn)轍機，電氣特性方面目前國內(nèi)有軌電車轉(zhuǎn)轍機多采用AC380V和AC220V驅(qū)動兩種制式。有軌電車信號機一組有三個燈位顯示，分別是紅色禁止燈光，綠色直行指示燈光，黃色轉(zhuǎn)向指示燈光，一個信號機控制單元可設計為驅(qū)動一組或兩組信號機，信號機采用LED信號燈，控制單元輸出AC220V驅(qū)動電源與信號點燈變壓器連接。道岔控制單元和信號控制單元設計要遵循基本的“故障—安全”原則，比如信號機控制單元在通信中斷的情況自動點亮紅燈，道岔控制單元操動道岔啟動后無論任何條件變化都要持續(xù)驅(qū)動到位[7]。

接口設備有通信接口單元和軌道狀態(tài)檢測單元。通信接口單元又分為車地通信接口單元，控制中心通信接口單元，接口單元負責將核心運算單元的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其他有線或無線方式的通信數(shù)據(jù)傳輸至車載和控制中心。

核心運算單元與道岔控制單元、信號機控制單元、通信接口單元、軌道狀態(tài)檢測單元之間采用通信總線方式連接，CAN總線最為常用，也可采用串行或CPCI總線等。

3 道岔控制邏輯

道岔路口的行車規(guī)則、道岔控制邏輯與有軌電車具體線路的路權設計、運營規(guī)劃有關系，這里設計一種兼顧安全與效率的方案。道岔路口設計如圖2所示。

圖2 道岔路口信號布置圖

1#、2#、3#為路口號，對應位置設計為車地通信有效進入范圍。A、B、C點設計為區(qū)段占用檢測點，用作檢測列車占用或通過。進路處理邏輯如下：

(1)初始狀態(tài)下，即在系統(tǒng)上電復位后，進路區(qū)段即道岔區(qū)段處于占用狀態(tài)，信號燈XI、XII、XIII處于紅燈狀態(tài)，道岔區(qū)段占用狀態(tài)通過在車載設備或現(xiàn)地操作盤上進行確認復位后恢復正常即出清狀態(tài)。

(2)列車行至1#路口時，司機根據(jù)信號燈XI顯示行車，信號燈顯示紅燈、進路區(qū)段出清、未排列進路，此種情況下，司機根據(jù)行車需要通過車載設備排列直行或右行進路，道岔轉(zhuǎn)動到位后信號燈開放，直行開放綠燈，右行開放黃燈，道岔鎖閉，以XI為始端的進路排列成功。

(3)信號開放后列車駛?cè)氲啦韰^(qū)段，A點檢測到區(qū)段占用后信號關閉，進路狀態(tài)改變?yōu)檫M路占用，列車駛過道岔區(qū)段后原進路信號自動開放，道岔保持鎖閉狀態(tài)，后續(xù)同向列車不需要再排列進路，根據(jù)信號開放顯示行車。

(4)進路開行方向與計劃行車方向不一致的時候，司機需要取消已排進路后再根據(jù)需要排列新的進路。

(5)已排列了以XI信號機為始端的進路時，如果列車行至2#路口即XII信號機前方并計劃由2#路口行至1#路口，或者計劃實施直行折返作業(yè)行至3#路口方向，計劃行進方向與已排進路方向相反，此時確認道岔區(qū)段無車后通過取消進路操作后再排列需要的進路，已排進路取消后XI信號機隨即關閉轉(zhuǎn)向紅燈。

(6)三個路口的信號燈在同一時間最多只能有一個信號機處于開放狀態(tài)。

該設計方法中，引入進路和信號燈防護的概念，相比完全由司機人工判斷行車大幅提高了安全性；列車駛?cè)?，信號關閉，列車駛出，信號自動開放，后續(xù)列車無需操作連續(xù)行進，保證了較高的效率。

4 車地通信技術

目前的信號系統(tǒng)方案中，車地通信采用了多種技術實現(xiàn)方式，主要有802.11無線網(wǎng)絡WLAN通信加電子標簽定位方式、感應式通信環(huán)線技術、RFD射頻識別技術[8]。更為先進的發(fā)展方向是采用4 G移動通信LTE技術，通過采用基于LTE技術的超大帶寬的傳輸平臺，建立無線通信專用網(wǎng)絡系統(tǒng)，不僅可用于車地雙向通信，還可為其他如旅客引導系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供網(wǎng)絡傳輸平臺[5]58。

道岔控制柜與控制中心通信多采用光網(wǎng)有線通信方式，為了提高可靠性，也可采用工業(yè)環(huán)網(wǎng)設計。

4.1 無線網(wǎng)絡加電子標簽方式

道岔控制柜作為WLAN通信的局部中心端，車載設備配置有無線AP，列車進入WLAN信號范圍后通過驗證自動接入，接入后就可以收到地面控制單元發(fā)送的呼叫信息從而實現(xiàn)與地面的通信。但是為了防止非法用戶接入和前后多趟列車同時接入后對道岔的無序操作，需要確認先到達列車和對列車的操作授權，此時需要使用電子標簽[9]。無源電子標簽可以存儲道岔標識號、路口號和相關的位置信息，電子標簽埋置于軌間，并且在岔前、岔后和彎股三個接近道岔區(qū)段的位置設置，如圖2的1#、2#、3#三點，列車接近道岔區(qū)段，可以從電子標簽讀入該道岔的識別信息，將該識別信息和該列車的車次號組合編碼，通過WLAN通信發(fā)送給道岔控制柜進行校驗，說明該列車是最先接近道岔區(qū)段的，核心運算單元接收到該信息后校驗道岔識別號正確并且道岔區(qū)段處于完全空閑狀態(tài)，即可給該車次號列車授權進行道岔控制，可以響應該列車的道岔操動指令，該授權的有限期一直延續(xù)到列車壓入道岔區(qū)段并且全列通過后道岔區(qū)段恢復空閑終止，在此期限內(nèi)不再向其他進入道岔控制范圍的列車進行授權和響應其操作指令。4.2 感應式通信環(huán)線方式

感應環(huán)線數(shù)據(jù)通信方式是采用環(huán)形布置的電纜作為發(fā)射天線的一種無線數(shù)據(jù)傳輸方式。感應環(huán)線通信系統(tǒng)包括軌間環(huán)線電纜、車載天線和地面車載的數(shù)據(jù)收發(fā)設備三部分。道岔控制柜中，核心運算單元通過感應環(huán)線通信接口板主動發(fā)送呼叫信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過接口板調(diào)制為FSK信號，發(fā)送到軌間的環(huán)線電纜，列車駛?cè)胄盘枡C前方接近區(qū)段的通信環(huán)線鋪設范圍，依據(jù)電磁感應原理，通過車載天線感應到來自地面的呼叫信號，此信號被送入車載設備的環(huán)線通信接口板，經(jīng)過諧振、放大、濾波和解調(diào)，最終還原為有效的數(shù)據(jù)信息，接口板將信息轉(zhuǎn)送給車載控制單元處理[10]，車載控制單元收到呼叫信息意味著進入道岔控制區(qū)域范圍，并且從呼叫信息中獲知路口號、前方進路信息和道岔位置信息，此時車載單元要回傳包含路口號的應答信息給地面道岔控制柜，道岔操作指令也包含在應答信息中，應答信息傳輸過程與呼叫信息傳輸過程正好相反，地面控制單元收到應答信息后校驗路口號回傳一致并讀取該趟列車車次號，解析道岔控制命令進行運算執(zhí)行。在該趟列車未完全駛過該路口的情況下不再響應其他應答信息，防止列車連續(xù)跟進造成道岔誤動作。

感應通信環(huán)線實現(xiàn)車地之間的雙向通信，采用微距通信和專用頻率，相對開放式的WLAN通信方式，具有安全性高、數(shù)據(jù)無延遲、通信對象唯一、準確和快速的優(yōu)勢。

5 列車定位技術

傳統(tǒng)鐵路中多采用的軌道電路列車定位技術，在開放式和嵌入地面的有軌電車線路上是不適用的，現(xiàn)代有軌電車多采用計軸、重力感應環(huán)、感應通信環(huán)線、GPS定位等方式進行列車的定位追蹤。正線道岔控制子系統(tǒng)中，分為接近區(qū)段、道岔區(qū)段和離去區(qū)段軌道占用情況檢測，需要配置符合“故障—安全”原則的定位設備，一般采用組合技術實現(xiàn)，比如車地通信中介紹的感應通信環(huán)線也可作為檢測列車接近和離去的手段，信標加WLAN通信的方式也可以作為另一種接近和離去區(qū)段占用檢測手段[11]，道岔區(qū)段一般采用安全性較高的計軸設備，或者也可以采用基于安全設計加至少兩點檢查安全邏輯判斷的重力感應環(huán)設備，計軸和重力感應環(huán)設備布置點類似，如圖2在A、B、C三點布置。

6 結束語

正線道岔控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代有軌電車信號系統(tǒng)中唯一涉及安全的子系統(tǒng)，目前國內(nèi)開通線路多采用國外技術集成設備，比如西門子的全套系統(tǒng)。但就一套可靠高效的信號系統(tǒng)的各項集成技術目前在國內(nèi)都有成熟的國產(chǎn)化的應用實例，比如全電子化道岔及信號控制技術、計軸設備實現(xiàn)列車定位、二取二的安全計算平臺都通過了歐標SIL4級認證并在國鐵和地鐵應用，感應式通信環(huán)線實現(xiàn)車地通信也已應用于高鐵線路[12]?；趪鴥?nèi)傳統(tǒng)鐵路復雜聯(lián)鎖關系的研究應用經(jīng)驗，聯(lián)鎖安全方面也是國際領先的。所以在有軌電車信號系統(tǒng)方面，應該堅持走完全國產(chǎn)化的道路，降低成本，推動現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的推廣應用。

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A Study on the Switch Control System of the Main Track of Modern Trams

LI Qiang

(Key Laboratory of Photoelectric Technology and Intelligent Control of the Ministry of Educationin Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou Gansu,730070, China)

The paper analyzes the key problems to be solved in the signaling control system of modern trams. It analyzes the functions, composition and structure of the main track switch control subsystem concerned with the safety of the signaling system, makes an analytic comparison of key integration techniques such as switch machine, tram-ground communication and tram positioning, and presents a route control method achieving balance between efficiency and safety as well as a fully localized system solution.

tram; switch control;tram-ground communication;route control;tram positioning

蘭州交通大學青年科學基金項目(2012033)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.02.034

U284.5

A

1000-3886(2015)02-0100-03

李強，(1980-)， 男，甘肅慶陽人，講師，碩士生。

定稿日期: 2014-08-29