潘 雷 王秋平

目前，隨著城市規(guī)模的擴大以及人口數(shù)量的增加，城市交通問題逐漸突出，現(xiàn)代有軌電車具有環(huán)保性、成本低、客容量大、建設(shè)速度快、效率高等優(yōu)點，并以一種中小運力軌道交通形式，逐漸成為城市軌道交通的重要補充，其發(fā)展和優(yōu)化也成為國內(nèi)學(xué)者和專家的重點研究目標(biāo)［1］。

有軌電車已在我國部分城市投入運營，如天津、上海、沈陽等?；谧陨斫煌ㄐ枨蠹疤攸c，部分城市還將現(xiàn)代有軌電車納入公共交通建設(shè)統(tǒng)籌范圍。信號系統(tǒng)作為現(xiàn)代有軌電車指揮中樞，承擔(dān)著保障列車在軌道上安全有效運行的任務(wù)，隨著智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的協(xié)同高速發(fā)展，信號系統(tǒng)功能也需進一步優(yōu)化調(diào)整。

由于現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)模式對有軌電車運行安全及效率有著直接影響，并決定其運行控制方式［2］，因此需先明確現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)。

1 現(xiàn)代有軌電車的路權(quán)

1）獨立路權(quán)。指現(xiàn)代有軌電車只能運行在規(guī)定的線路上，該線路的使用權(quán)具有唯一性，社會上其他車輛不會干擾到有軌電車的運行。該模式保證了列車旅行速度更快、通行能力更高［3］。

2） 半獨立路權(quán)。指普通路段與獨立路權(quán)相同，特定路段如與社會上其他車輛交叉路口處，通過隔離設(shè)施進行隔離，采用信號優(yōu)先權(quán)限配置的方式，實現(xiàn)有軌電車優(yōu)先通過交叉路口。該路權(quán)模式可降低造價成本、縮短工期，安全性較高，但對線路的交通運營組織存在一定影響。

3）混合路權(quán)。指社會上其他車輛、行人、現(xiàn)代有軌電車均可以使用特定路段的路權(quán)。該模式線路利用率較高，對現(xiàn)有線路改造較小、造價成本低，但其他社會車輛、行人會干擾和制約現(xiàn)代有軌電車的運行，導(dǎo)致有軌電車的運營效率和旅行速度處在一個較低水平［4］。

本文主要對傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)、CBTC 信號系統(tǒng)、點式ATC 信號系統(tǒng)和新型有軌電車信號系統(tǒng)的設(shè)計方案、功能特點等進行具體介紹和對比。

2 傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)

傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)由運營調(diào)度管理、道岔控制、路口信號控制、車輛段、車載等5 個子系統(tǒng)構(gòu)成，其整體架構(gòu)如圖1 所示［5］。

圖1 傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)原理

由于傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)自動化程度低，需要司機目視駕駛，并根據(jù)列車運行方向手動扳動道岔，由司機負(fù)責(zé)列車運行安全，只能滿足運營的基本要求，不適應(yīng)目前有軌電車對行車安全和運營效率的要求，因此傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)制式正在逐漸被淘汰［6］。

3 CBTC 信號系統(tǒng)

CBTC 信號系統(tǒng)是一種基于無線通信，支持移動閉塞的信號系統(tǒng)方案，目前在城市軌道交通項目工程中得到推廣應(yīng)用。CBTC 信號系統(tǒng)由列車自動監(jiān)控（ATS）子系統(tǒng)、列車自動防護（ATP）子系統(tǒng)、列車自動控制（ATO）子系統(tǒng)、聯(lián)鎖（CI）子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)、維護監(jiān)測子系統(tǒng)、車輛段子系統(tǒng)等組成，其原理如圖2 所示。

1）ATS 子系統(tǒng)。它由控制中心服務(wù)器、骨干網(wǎng)交換機、正線設(shè)備集中站/非設(shè)備集中站交換機、本地服務(wù)器、車輛段ATS 設(shè)備等構(gòu)成，具有自動排列進路、列車運行調(diào)整、列車監(jiān)督和追蹤、時刻表管理、設(shè)備監(jiān)督報警等功能［7］。

2）ATP 子系統(tǒng)。它包含軌旁設(shè)備（區(qū)域控制器ZC）和車載設(shè)備，是為列車安全、高效率運行提供技術(shù)保障的主要系統(tǒng)，具有列車定位、列車追蹤、列車間隔控制、車門和站臺門監(jiān)控、退行監(jiān)控、自檢和自診斷等功能。

3） ATO 子系統(tǒng)。在ATP 安全防護條件下，依據(jù)從ATS 系統(tǒng)接收的命令達(dá)到控制列車自動運行的目的，具有列車自動運行、無人自動折返、精確停車、車門控制等功能。

4）聯(lián)鎖子系統(tǒng)。它具有進路控制、信號機控制、道岔控制、操作及維護信息管理等功能［8］。

5） 數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)。它是一個封閉通信網(wǎng)絡(luò)，為信號系統(tǒng)中的ATP/ATO、ATS 等子系統(tǒng)提供穩(wěn)定、快速、可靠、安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，主要包括有線網(wǎng)絡(luò)、車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，有線網(wǎng)絡(luò)由ATP 骨干網(wǎng)、ATS 骨干網(wǎng)、LTE-A 骨干網(wǎng)和LTE-B 骨干網(wǎng)4 張物理上獨立的環(huán)狀骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過光纖環(huán)路互聯(lián)的以太網(wǎng)交換機提供標(biāo)準(zhǔn)的100 M/1 000 M 以太網(wǎng)接口；車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)目前采用WLAN 技術(shù)和LTE技術(shù)［9］。

6） 維護監(jiān)測子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)匯集各車站聯(lián)鎖、燈絲報警儀、計軸、道岔缺口的診斷和監(jiān)測報警數(shù)據(jù)，并對這些狀態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合分析和診斷，實現(xiàn)全線信號設(shè)備狀態(tài)的集中監(jiān)督和實時展現(xiàn)。

7）車輛段子系統(tǒng)。通過設(shè)置計算機聯(lián)鎖設(shè)備和集中監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備，完成對場段內(nèi)信號設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)督和在線檢測，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)異常時，及時為維護人員提供有效報警信息。

圖2 CBTC 信號系統(tǒng)原理

4 點式ATC 信號系統(tǒng)

點式ATC 信號系統(tǒng)與CBTC 信號系統(tǒng)主要區(qū)別，在于系統(tǒng)實現(xiàn)控制的原理及數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)的功能，其他子系統(tǒng)功能不再贅述。

點式ATC 信號系統(tǒng)為分層控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)點式通信級和聯(lián)鎖級二級列車控制功能。第1 級聯(lián)鎖級控制，為點式通信級列車控制設(shè)備故障時的底層后備，由地面信號系統(tǒng)為列車運行提供全面的聯(lián)鎖防護；第2 級點式通信級列車控制，為主用控制級，由地面信號系統(tǒng)和車載設(shè)備協(xié)作，為列車運行提供點式ATP 防護。

點式ATC 信號系統(tǒng)以閉塞分區(qū)的方式，實現(xiàn)列車運行間隔的控制，通過有源應(yīng)答器定點向列車發(fā)送前方進路信息，并根據(jù)列車自身存儲的線路數(shù)據(jù)信息，按照列車安全制動模型，控制列車運行間隔和安全防護距離，并實現(xiàn)列車超速防護［10］。

數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)在ATS/ATP 系統(tǒng)的設(shè)備間組成環(huán)狀的有線網(wǎng)絡(luò)鏈路，來實現(xiàn)雙向信息傳輸功能。有線網(wǎng)絡(luò)由二層骨干網(wǎng)交換機、三層交換機、接入交換機構(gòu)成，其中骨干網(wǎng)由信號專業(yè)獨立組網(wǎng)。通過配置網(wǎng)管工作站，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能，即對網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備工作狀態(tài)實時監(jiān)控，對故障進行告警和記錄。

5 新型有軌電車信號系統(tǒng)

新型有軌電車信號系統(tǒng)基于車地?zé)o線通信，通過將區(qū)域控制器與計算機聯(lián)鎖功能模塊整合，從而實現(xiàn)一體化控制，可以同時實現(xiàn)聯(lián)鎖功能和ATP功能，支持在ATP 防護下的自動駕駛、目視駕駛模式的運營，其系統(tǒng)原理如圖3 所示。

新型有軌電車信號系統(tǒng)與CBTC 信號系統(tǒng)相比，控制中心、車載和場段信號設(shè)備配置基本一致，主要區(qū)別在于將軌旁設(shè)備區(qū)域控制器和計算機聯(lián)鎖模塊整合成軌旁控制子系統(tǒng)，且對數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)進行了優(yōu)化，其他子系統(tǒng)功能不再贅述。

1）軌旁控制子系統(tǒng)。它由PCS 道岔控制器、WCU 控制器、無源信標(biāo)構(gòu)成，其中PCS 道岔控制器和WCU 控制器是軌旁控制子系統(tǒng)的核心設(shè)備。

圖3 新型有軌電車信號系統(tǒng)原理

PCS 道岔控制器采用分布式控制模式，每個道岔區(qū)域配置獨立控制機柜，按照室外型設(shè)備設(shè)計，不需要配置設(shè)備用房。PCS 道岔控制器主要包括控制主機、IO 單元、繼電接口，以及集成的計軸主機和IBP 盤等。車站和場段PCS 控制器具有道岔和信號機控制、緊急停車按鈕控制等功能，并且支持遠(yuǎn)程維護功能，維護人員可以在控制中心通過維護工作站或便攜式終端，實現(xiàn)道岔控制器的遠(yuǎn)程配置、維護、監(jiān)控與管理。

WCU 控制器包括中心和場段WCU 控制器，主要設(shè)備有WCU 主機、通信單元和切換單元、電源模塊、維護診斷單元等。中心WCU 控制器配置聯(lián)鎖和列控功能，包括列車管理、列車位置追蹤、列車移動授權(quán)計算、進路辦理、道岔和信號機控制、緊急停車按鈕控制等功能。場段WCU 控制器僅配置聯(lián)鎖功能，包括進路辦理、道岔和信號機控制等功能。

無源信標(biāo)安裝在軌道上，主要作用是輔助列車完成精確定位。

2）數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)。新型有軌電車對數(shù)據(jù)通信DCS 子系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化設(shè)計，采用綜合承載網(wǎng)（LTE-M）。由于列車運行控制業(yè)務(wù)信息影響行車安全，對無線通信的可靠性要求較高，因此組建A、B 雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，A 網(wǎng)承載CBTC 業(yè)務(wù)；B 網(wǎng)承載CBTC 業(yè)務(wù)、列車狀態(tài)信息、車載CCTV 業(yè)務(wù)、PIS 業(yè)務(wù)以及緊急文本信息等。綜合承載網(wǎng)（LTE-M）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖4。

6 不同信號系統(tǒng)制式對比

如表1 所示，傳統(tǒng)有軌電車信號系統(tǒng)適用于半獨立路權(quán)、混合路權(quán)的有軌電車項目，建設(shè)成本雖低，但也存在自動化程度低、運行效率低等缺點；CBTC 信號系統(tǒng)具有功能完善、安全等級高、運行效率高等優(yōu)點，但建設(shè)成本高，目前成熟應(yīng)用于地鐵項目，也可應(yīng)用于獨立路權(quán)的有軌電車項目；點式ATC 信號系統(tǒng)只適用于獨立路權(quán)的有軌電車項目，具有軌旁設(shè)備少、運行效率較高等優(yōu)點，但建設(shè)成本較高；新型有軌電車信號系統(tǒng)適用于獨立路權(quán)、混合路權(quán)的有軌電車項目，能滿足用戶定制化需求和系統(tǒng)高可靠性要求，同時相比較而言，其建設(shè)成本和運維成本處于中等水平。

隨著智能化、自動化技術(shù)的發(fā)展，未來有軌電車行業(yè)將面臨不同方面的挑戰(zhàn)，針對不同的有軌電車項目特點，選擇合適的信號系統(tǒng)制式，將對行車安全和經(jīng)濟效益產(chǎn)生積極影響。

7 結(jié)束語

介紹了不同信號系統(tǒng)制式的結(jié)構(gòu)及工作原理，并從系統(tǒng)功能、建設(shè)成本等方面進行了對比。由于目前國內(nèi)有軌電車尚未有統(tǒng)一成熟的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)實現(xiàn)方式多樣，因此對于信號系統(tǒng)的解決方案還需結(jié)合項目特點進一步驗證和完善，以實現(xiàn)工程化應(yīng)用。

圖4 綜合承載網(wǎng)（LTE-M）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 不同信號系統(tǒng)制式對比