趙曉春 陳光武

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)控制研究所,730070,蘭州; 2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的研究*

趙曉春1,2陳光武1,2

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)控制研究所,730070,蘭州; 2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的研究，包含道岔控制模式的選擇、軌旁聯(lián)鎖控制器的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、軌旁聯(lián)鎖控制器設(shè)置方案及道岔區(qū)域電車定位方式的比較和選取。車載進(jìn)路模式在提高效率的同時(shí)降低了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。軌旁聯(lián)鎖控制器采用全電子化執(zhí)行單元代替了有接點(diǎn)的繼電器。聯(lián)鎖控制器區(qū)域化設(shè)計(jì)將集中和分散控制的優(yōu)勢(shì)集為一體,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且投資小。組合電子標(biāo)簽定位克服了其它單一定位手段的缺陷。該設(shè)計(jì)方案使得現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能安全可靠,且投資小,適合現(xiàn)代有軌電車的發(fā)展。

現(xiàn)代有軌電車;道岔控制; 聯(lián)鎖控制器

與地鐵、輕軌相比,現(xiàn)代有軌電車造價(jià)低廉、運(yùn)能適中,適合市區(qū)小曲線半徑和大坡度運(yùn)行,是我國(guó)未來(lái)城市軌道交通的發(fā)展方向之一。而100%低地板有軌電車憑借其出色的舒適性、人性化及美觀度等特點(diǎn),正如雨后春筍般地發(fā)展[1]。對(duì)于非獨(dú)立路權(quán)的現(xiàn)代有軌電車,沒(méi)有列車自動(dòng)防護(hù)和自動(dòng)駕駛的運(yùn)營(yíng)需求[2]。這種情況下,如何保證運(yùn)營(yíng)安全,提高效率,降低成本,減輕司乘人員勞動(dòng)強(qiáng)度，是有軌電車設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)主要包括運(yùn)營(yíng)調(diào)度子系統(tǒng),車輛段聯(lián)鎖子系統(tǒng),正線道岔控制子系統(tǒng),道口信號(hào)子系統(tǒng),通信子系統(tǒng)以及車載子系統(tǒng)等。其中，有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車正線信號(hào)系統(tǒng)的重要而關(guān)鍵的一大系統(tǒng)[3]。因此,研究現(xiàn)代有軌電車正線信號(hào)系統(tǒng),主要是分析設(shè)計(jì)正線道岔控制系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)

有軌電車的傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)在控制模式、定位方案、聯(lián)鎖控制器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及設(shè)置方案等方面還存在一定的不足。

傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)的道岔控制模式?jīng)]有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),給設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多不便。

聯(lián)鎖控制器沿用了計(jì)算機(jī)+繼電器的設(shè)計(jì)思路,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)無(wú)接點(diǎn)的全電子化,而且故障定位的難度和維修的工作量大。目前傳統(tǒng)正線道岔控制系統(tǒng)采用的聯(lián)鎖控制器設(shè)置方式有集中控制和分散控制。集中控制方式存在運(yùn)算量大,光電纜有效長(zhǎng)度不足的缺陷。分散控制方式的設(shè)備分散,需要的聯(lián)鎖控制器數(shù)量多,增加了維修量和工程投入[4]。

單一的GPS(全球定位系統(tǒng))、BDS(北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng))、軌道電路定位、計(jì)軸定位等常用的定位方案不論在精度還是在安全性方面都不能滿足道岔區(qū)段定位的需要。因此,本文主要針對(duì)以上存在的問(wèn)題對(duì)現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)做了相應(yīng)的改進(jìn)和完善。

2 改進(jìn)正線道岔控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)正線進(jìn)路的控制,包括進(jìn)路的排列和進(jìn)路的解鎖,以及道岔的單獨(dú)鎖閉和單獨(dú)解鎖等[3]。正線道岔控制系統(tǒng)的構(gòu)成見(jiàn)圖1。正線道岔控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括正線道岔控制模式的選擇,軌旁聯(lián)鎖控制器的設(shè)計(jì)及其布置方式的分析選擇,正線道岔區(qū)段電車的定位方案的確定。

圖1 正線道岔控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 正線道岔控制模式

對(duì)于全封閉獨(dú)立路權(quán)的城市軌道交通而言,其正線道岔控制系統(tǒng)可采用中央控制模式,由中心調(diào)度員統(tǒng)籌調(diào)度。這樣既可提高效率,又能保證安全。此時(shí)，調(diào)度員只需根據(jù)工作站顯示及聯(lián)鎖安全保證排列進(jìn)路即可。

對(duì)于與道路交通混行的現(xiàn)代有軌電車而言，其道路不封閉,調(diào)度員不能掌握道路即時(shí)狀況,尤其是道岔布置在開(kāi)放路口的情況下,中心調(diào)度員即使要辦理進(jìn)路也需經(jīng)過(guò)司機(jī)確認(rèn)。因此,現(xiàn)代有軌電車的正線道岔控制系統(tǒng)應(yīng)采用車載排路模式,以使得有軌電車運(yùn)營(yíng)更加靈活高效。當(dāng)然調(diào)度中心也可通過(guò)無(wú)線方式與司機(jī)溝通，對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度。

當(dāng)車載設(shè)備正常,但調(diào)度中心系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),應(yīng)采用車載排路模式。車載設(shè)備根據(jù)GPS、BDS設(shè)備及電子標(biāo)簽,可確定電車是否接近道岔區(qū)段。車載顯示終端會(huì)顯示以電車所在位置為始端的所有可能進(jìn)路。當(dāng)司機(jī)選擇并確認(rèn)進(jìn)路后,首先，車載控制器將進(jìn)路號(hào)通過(guò)車地?zé)o線通信系統(tǒng)發(fā)送至軌旁聯(lián)鎖控制器,由軌旁聯(lián)鎖控制器進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算；然后,由無(wú)接點(diǎn)的全電子化執(zhí)行單元?jiǎng)幼鞯啦?鎖閉進(jìn)路,開(kāi)放進(jìn)路表示器;最后，司機(jī)按進(jìn)路顯示器的信號(hào)顯示人工駕駛電車通過(guò)道岔區(qū)段。在車輛獲得道岔控制權(quán)至完全離開(kāi)道岔區(qū)段期間,為了保證行車安全,不允許控制系統(tǒng)賦予其它車輛對(duì)該道岔的控制權(quán)[3]。圖2為車載排路模式簡(jiǎn)圖。

圖2 車載排路模式

車載排路模式主要包括正常確認(rèn)模式、人工輔助模式和隔離模式。

2.1.1 正常確認(rèn)模式

正常情況下,車載排路模式的控制開(kāi)關(guān)處于確認(rèn)進(jìn)路模式下。此時(shí)，由調(diào)度中心負(fù)責(zé)排列進(jìn)路,鎖閉道岔。車載顯示終端顯示道岔的實(shí)際位置和進(jìn)路的選用狀態(tài),并顯示將要通過(guò)的進(jìn)路及其進(jìn)路確認(rèn)按鈕,屏蔽其它進(jìn)路及操作按鈕。在司機(jī)確認(rèn)進(jìn)路后,軌旁全電子執(zhí)行單元開(kāi)放進(jìn)路表示器;司機(jī)按信號(hào)顯示人工駕駛電車通過(guò)道岔區(qū)段。

2.1.2 人工輔助模式

在人工輔助模式下,當(dāng)列車接近道岔區(qū)域時(shí),車載顯示終端不僅自動(dòng)顯示前方道岔區(qū)域的站場(chǎng)圖,還會(huì)自動(dòng)顯示以電車所在的位置為起點(diǎn)的所有可能的進(jìn)路終端；然后，司機(jī)根據(jù)運(yùn)營(yíng)需要進(jìn)行判斷,選擇并確認(rèn)需要的進(jìn)路終端；隨后，車載控制器將相應(yīng)的進(jìn)路號(hào)發(fā)至軌旁聯(lián)鎖控制器,并由軌旁聯(lián)鎖控制器排列相應(yīng)進(jìn)路、搬動(dòng)道岔及鎖閉道岔區(qū)域,并自動(dòng)開(kāi)放進(jìn)路表示器;最后，司機(jī)按信號(hào)顯示人工駕駛電車通過(guò)道岔區(qū)段。

2.1.3 隔離模式

在車地通信中斷情況下,司機(jī)可選擇后備控制模式——隔離模式。當(dāng)電車接近道岔區(qū)段時(shí),車載顯示終端不會(huì)提示進(jìn)路狀態(tài)或岔區(qū)站場(chǎng)圖,而會(huì)顯示隔離狀態(tài)。這時(shí),司機(jī)須下車至軌旁通過(guò)道岔控制盒手動(dòng)控制道岔動(dòng)作,或者至轉(zhuǎn)轍機(jī)處人工搬動(dòng)道岔,之后再駕駛電車,慢速通過(guò)。

2.2 軌旁聯(lián)鎖控制器

根據(jù)“故障安全”原則，一旦發(fā)生故障，信號(hào)設(shè)備或系統(tǒng)也能防止出現(xiàn)災(zāi)難性后果,自動(dòng)導(dǎo)向安全一方?？梢?jiàn)，信號(hào)設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)有軌電車的運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。其中,軌旁連鎖控制器的設(shè)計(jì)和設(shè)置是較為重要的。在每個(gè)區(qū)域集中站設(shè)置1套軌旁聯(lián)鎖控制器,以負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)本站及管轄范圍內(nèi)車站的聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，對(duì)其控制范圍內(nèi)正線上的所有道岔和進(jìn)路指示器等設(shè)備進(jìn)行控制。軌旁聯(lián)鎖控制器的核心處理單元硬件平臺(tái)采用二乘二取二安全計(jì)算機(jī)。

2.2.1 二乘二取二安全計(jì)算機(jī)

二乘二取二安全計(jì)算機(jī)是軌旁聯(lián)鎖控制器的核心,負(fù)責(zé)整個(gè)有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的聯(lián)鎖運(yùn)算。二乘二取二安全計(jì)算機(jī)根據(jù)從全電子執(zhí)行層采集的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和有軌電車發(fā)送的控制命令信息,進(jìn)行聯(lián)鎖運(yùn)算；同時(shí)，將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送到全電子執(zhí)行單元、運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)及車載設(shè)備[5]。圖3為二乘二取二安全計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 二乘二取二安全計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 全電子執(zhí)行單元

全電子執(zhí)行單元是軌旁聯(lián)鎖控制器的執(zhí)行表示電路,是由不同功能電子模塊組成的全電子電路。電子模塊按照道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)表示器等不同類型的驅(qū)動(dòng)與采集對(duì)象劃分,且每個(gè)單元模塊相對(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)。電子模塊本身具有執(zhí)行控制命令、采集狀態(tài)信息、檢測(cè)信號(hào)設(shè)備動(dòng)作和故障-安全等功能,可實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)督和監(jiān)測(cè)一體化,而且還具有帶電熱插拔功能。

全電子執(zhí)行單元與二乘二取二安全計(jì)算機(jī)之間采用2路CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))通信接口進(jìn)行信息交換；而與運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心的監(jiān)測(cè)機(jī)間信息交換采用單獨(dú)的CAN通信接口[6]。全電子執(zhí)行單元經(jīng)過(guò)防雷柜、分線盤和軌旁信號(hào)設(shè)備連接。圖4為全電子執(zhí)行單元硬件組成圖。

全電子執(zhí)行單元采用冗余技術(shù)來(lái)保證其可靠性和安全性。微控制器(MPU)及其驅(qū)動(dòng)電路采用了靜態(tài)的二取二冗余結(jié)構(gòu),可通過(guò)表決來(lái)隔離發(fā)生的故障。全電子執(zhí)行單元采用兩路單獨(dú)的采集電路,將采集到的數(shù)據(jù)分別送給2個(gè)MPU(A和B)。這樣從源頭上對(duì)聯(lián)鎖數(shù)據(jù)進(jìn)行了安全性防護(hù)。在MPU A和MPU B兩者之間還設(shè)計(jì)了信息同步,實(shí)現(xiàn)了兩路MPU輸出數(shù)據(jù)的對(duì)齊。

整個(gè)全電子單元的涉安環(huán)節(jié)都采用了一定的容錯(cuò)和避錯(cuò)技術(shù),以滿足“故障安全”原則,進(jìn)而保證了行車安全,提高了運(yùn)營(yíng)效率,改善了工作人員的勞動(dòng)條件。

2.3 軌旁聯(lián)鎖控制器設(shè)置方案

軌旁聯(lián)鎖控制器的設(shè)置有集中聯(lián)鎖,區(qū)域聯(lián)鎖和分散聯(lián)鎖3種方案。

(1)集中聯(lián)鎖方案在全線只設(shè)1套聯(lián)鎖主機(jī),并在每個(gè)或距離較近的相鄰道岔區(qū)域均設(shè)置1套遠(yuǎn)程I/O(輸入/輸出)設(shè)備。聯(lián)鎖主機(jī)可放置在控制中心,也可放置在有條件的正線車站。

(2) 區(qū)域聯(lián)鎖方案在相鄰幾個(gè)道岔區(qū)集中設(shè)置一套聯(lián)鎖主機(jī)進(jìn)行控制；每個(gè)道岔區(qū)相互獨(dú)立,且道岔區(qū)之間無(wú)聯(lián)鎖關(guān)系。聯(lián)鎖控區(qū)的劃分原則與地鐵類似。

(3) 分散聯(lián)鎖方案以單獨(dú)控制道岔為基礎(chǔ),將道岔控制器分散在軌旁道岔附近,1個(gè)道岔區(qū)域設(shè)置1套道岔控制器。有軌電車的進(jìn)路無(wú)需經(jīng)過(guò)中心或車站辦理,而完全依靠有軌電車和軌旁道岔控制設(shè)備的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)道岔控制,使道岔區(qū)段內(nèi)的道岔和進(jìn)路表示器之間建立起正確的聯(lián)鎖關(guān)系,以保證道岔控制的安全性和可靠性[7]。

圖4 全電子執(zhí)行單元硬件組成圖

集中聯(lián)鎖方案需在軌道沿線敷設(shè)大量的光電纜。當(dāng)光電纜的長(zhǎng)度超過(guò)一定的控制距離后,往往還需要設(shè)置遠(yuǎn)程控制單元和現(xiàn)場(chǎng)接口設(shè)備。這加大了前期建設(shè)中的設(shè)備投資額。此外,一旦通信出現(xiàn)故障,將會(huì)全面影響運(yùn)營(yíng)。而且，集中設(shè)置的主機(jī)如果發(fā)生故障,則影響面較大。因此集中聯(lián)鎖方案對(duì)于有軌電車信號(hào)系統(tǒng)而言并非首選。

雖然分散聯(lián)鎖方案的道岔控制安全性和可靠性較高,但是其設(shè)備分散,不便于安裝和維護(hù)。區(qū)域聯(lián)鎖方案既克服了集中聯(lián)鎖方案的控制距離受限這一短板,也避免了分散聯(lián)鎖方案的設(shè)備分散、安裝維護(hù)不便的缺點(diǎn)。因此,綜合考慮了安全性，市政景觀和資源投入等因素，區(qū)域聯(lián)鎖方案為有軌電車軌旁聯(lián)鎖控制器設(shè)置首選方案。

2.4 電車定位

目前世界上主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、我國(guó)的BDS、俄羅斯的GLONASS(格洛納斯定位系統(tǒng))及歐洲的Galileo(伽利略定位系統(tǒng))。目前,在這幾種定位系統(tǒng)中,GPS定位精度最高(普通民用GPS定位精度達(dá)到10 m),穩(wěn)定性最好。但不論是BDS還是GPS,單一的衛(wèi)星定位方案在現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)中仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,必須考慮其他輔助的定位工具,以使有軌電車在道岔區(qū)段的定位更加精確。

其它輔助的列車定位手段有軌道電路定位、計(jì)軸器定位、感應(yīng)式通信環(huán)線定位及RFID(射頻識(shí)別)電子標(biāo)簽等。使用傳統(tǒng)的軌道電路進(jìn)行列車定位時(shí),只能確定列車所在的道岔區(qū)段,無(wú)法進(jìn)行精確位置的判斷。軌道電路定位的電纜布置及設(shè)備會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜化。采用計(jì)軸器定位時(shí),由于現(xiàn)代有軌電車軌面與城市道路布置在同一個(gè)水平面上,因此存在鋸軌現(xiàn)象。隨著無(wú)線通信技術(shù)和電子技術(shù)的不斷完善和發(fā)展,同時(shí)為了提高列車定位的精確度，實(shí)現(xiàn)“故障安全”原則,基于GPS/BDS+RFID電子標(biāo)簽的有軌電車組合定位手段應(yīng)運(yùn)而生[8]。

有軌電車首先通過(guò)車載的GPS/BDS終端獲取有軌電車的位置信息;然后，通過(guò)地面設(shè)置的RFID電子標(biāo)簽對(duì)GPS/BDS獲取的位置信息進(jìn)行校正；隨后，將最終的位置信息通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送至控制中心(OCC)；最后，通過(guò)RFID電子標(biāo)簽檢測(cè)出有軌電車在道岔區(qū)段的占用和出清。

RFID讀寫(xiě)器及通信設(shè)備安裝在車載安全計(jì)算機(jī)上,無(wú)源電子標(biāo)簽按一定間隔安裝在道岔區(qū)段，并在道岔區(qū)段前方一定距離處專設(shè)1個(gè)電子標(biāo)簽用以判斷列車是否已接近道岔區(qū)段。每當(dāng)有軌電車通過(guò)1個(gè)電子標(biāo)簽時(shí),安裝在有軌電車底部的讀寫(xiě)器就會(huì)讀取標(biāo)簽內(nèi)的精確位置信息數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)精確的定位。有軌電車在運(yùn)行時(shí)會(huì)連續(xù)、依次讀取多個(gè)標(biāo)簽內(nèi)的位置信息,而車載安全計(jì)算機(jī)就會(huì)根據(jù)電車的位置信息的變化及電車實(shí)際長(zhǎng)度,判斷出有軌電車的運(yùn)行方向及運(yùn)行距離,進(jìn)而確定有軌電車在道岔區(qū)段的占用和出清情況。

3 結(jié)語(yǔ)

以當(dāng)前現(xiàn)代有軌電車信號(hào)控制技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合軌道交通“故障安全”原則要求,從有軌電車進(jìn)路控制模式,軌旁聯(lián)鎖控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),軌旁聯(lián)鎖控制器的設(shè)置方式和電車在道岔區(qū)段定位手段入手,對(duì)有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的正線道岔控制系統(tǒng)在理論設(shè)計(jì)中較傳統(tǒng)的道岔控制系統(tǒng)更簡(jiǎn)單,安全性更高,工程投入量更少。

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Research on Main Switch Control System of Modern Tram

ZHAO Xiaochun, CHEN Guangwu

In the study of modern tram switch control system on the main track, there are four key aspects: the selection of switch control mode, exploitation and design of track-side interlocking controller, setting scheme of the track-side interlocking controller, the comparison and selection of trolley positioning in switch-area.Car-driver control mode improves the efficiency, at the same time reduces the labor intensity of the driver. The way-side interlocking controller adopts all-electronic execution units instead of the contact relays, the design of regionalization interlocking controller combines the advantages of centralized control with decentralized control, which is simple and requires only small investment, while the GPS/BDS+RFID electronic tag positioning overcomes the defect of other single positioning methods.The whole design scheme makes the system simple, safe and reliable with small investment, therefore is suitable for the development of modern tram.

modern tram; switch control; interlocking controller

Institute of Automatic Control,Lanzhou Jiaotong University,730070,Lanzhou,China

*甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體計(jì)劃項(xiàng)目(1606RJIA327); 甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(1604GKCA009)

U 213.6:U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.022

2015-12-15)