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现代有轨电车信号系统及技术关键的研究

发布时间:2013-10-25 作者:孙吉良 来源:北京全路通信信号研究设计院有限公司 字号:

我国首列100%低地板现代有轨电车(以下简称:现代有轨电车),是2006年由国家科技部“十一五”科技支撑计划立项,由长春轨道客车有限公司在掌握70%低地板列车技术的基础上研制的。该项目2007年启动设计,2010年8月通过科技部专家组验收,2011年完成了正线约5000km的运行试验。2012年10月19日,首列现代有轨电车在长春市轨道交通4号线正式载客运营。

现代有轨电车可运行于城区狭小地带,线路可不完全封闭,可不单独设置站台,可与汽车和行人共享路权,极大地节约了城市用地和建筑成本,为现代城市交通建设提供了一项全新的轨道交通选择。现代有轨电车作为城市新型的绿色轨道交通方式,已完成了从传统到现代化的转变,正在国内许多城市得到应用。

国内有轨电车曾是北京、上海等城市的重要公共交通工具。如今在长春、大连等城市,仍然还保留着有轨电车线路。大连是国内保留有轨电车线路最多、经营最完善的城市。新建的天津滨海新区、上海浦东的张江开发区有轨电车项目均采用了法国Lohr公司的胶轮与导轨的现代有轨电车。如今,我国的北京、上海、天津已改建或新增了现代有轨电车交通,已规划新建有轨电车交通的城市还有深圳、广州、南京、沈阳、重庆、成都、苏州、宜春、泉州、三亚、六盘水、遵义、烟台、平顶山、泰州等。

1 现代有轨电车的路权

现代有轨电车沿轨道运行,其路权直接影响着有轨电车运行的安全和效率,并决定着有轨电车的运行控制模式。所谓路权,是指交通参与者根据交通法规的规定,在一定的空间和时间内使用道路的权利。有轨电车的路权,是指经过交通管理部门确认的,符合相关交通管理法律法规的,为有轨电车规定的,在专门的时间和范围内使用专用通道的权利。有轨电车的路权一般可划分为A、B、C 3个级别:

1)A级别的路权不允许有平面交叉口,在法规上不允许任何其他车辆或行人进入,即全封闭专用道,在形式上可以是隧道、高架桥或者在地面上隔离出的通道。轻轨、地铁系统均采用A级别路权。

2)B级别的路权沿着其通路拥有与其它交通方式的物理隔离措施,如路缘石或栅栏等,但其与其他交通方式(机动车、行人)有平面交叉。较多的不同级别的平交道口防护和不同的有轨电车运营组织方式,易造成各种交通方式的相互影响,甚至造成交通拥堵。该级别路权相对A级别路权对有轨电车的运营安全和运营效率有一定影响。

3)C级别的路权指各种交通模式混行的通道,有轨电车可以拥有非物理隔离的保留车道,也可能是在普通车道上运营。众多的平交道口和与机动车混行,不仅使有轨电车运行速度受到限制,而且完全依靠司机目视行车,特别是在夜间或者恶劣天气下的目视行车,保障基本的运营安全和运行顺畅是司机的主要职责,该级别路权相对B级别路权对有轨电车的运营安全和运营效率有更大的影响。

2 国内有轨电车信号系统运营保障现状

送38¥彩金下载app我国现代有轨电车运行控制技术主要是基于成熟的通信技术和通信产品集成并进行了适应性应用开发:

1)有轨电车车载设备通过GPS信号、电子标签、速度等信息进行定位;

2)通过车载定位设备、控制中心设备及车载智能终端实现现代有轨电车调度管理。调度管理的主要作用是编制/管理行车/配车计划,实现对全线有轨电车的自动监控;

3)司机可利用车载设备对正线道岔进行遥控,实现道岔区段内的道岔、进路的联锁;

4)车载设备可向司机提供有轨电车接近平交道口、接近道岔区段、进入限速区段等相应告警提示。

即典型的现代有轨电车信号系统是一个功能定位于正线道岔控制和列车调度的简易信号系统,由正线信号系统和车辆基地信号系统构成,如图1所示。其正线信号系统可由运营调度、正线道岔控制、平交道口信号控制、车载4个子系统构成。

图1 典型的现代有轨电车信号系统

2。1 正线道岔控制

正线道岔控制包括集中控制和司机遥控两种控制方式:

1)集中控制:有轨电车接近道岔区域时,轨道占用检测设备检测出有轨电车位置,并通过车地双向通信设备获得有轨电车运行信息,发送至控制中心,控制中心根据有轨电车信息远程控制转辙机自动办理相应进路;

2)司机遥控:司机驾驶有轨电车进入道岔控制区域后自动取得控制权,通过操作车载设备遥控道岔转动至需要的位置,道岔自动锁闭、信号开放,车辆驶出道岔控制区域后自动失去控制权。

2。2 平交道口信号控制

1)主干路与主干路平交道口,即城市道路的交通流量与现代有轨电车正线的交通流量相当的平交道口。该类型平交道口控制设备的设置原则应在确定有轨电车按规定速度通过平交道口的最少绿灯时间的前提下,采用常规信号控制并保证有轨电车在平交道口顺利通过,简称最少绿灯原则;

送38¥彩金下载app2)主干路与次干路平交道口,即城市道路的交通流量小于现代有轨电车正线的交通流量但相差不大的平交道口。该类型平交道口控制设备需要协调主干路与次干路的地面交通关系,允许有轨电车相对优先通行。即与有轨电车行车方向相应的城市道路交通信号已亮红灯或黄灯时,保持原有城市道路信号控制方式不变。若有轨电车到达平交道口时相应的城市道路信号已为绿灯,则延长绿灯时间,直到有轨电车通过道口,实现有轨电车相对优先通行的同时尽量减少对次干路交通的影响,简称相对优先通行原则;

3)主干路与支小路的平交道口,即城市支小路的交通流量明显低于现代有轨电车正线的交通流量。对主干路采用绝对信号优先的控制方式,即道口控制设备持续对主干路的有轨电车保持通行,支小路保持禁止通行,当支小路检测设备检测到一定范围内的机动车到达时,道口控制设备才允许支小路显示允许通行的绿灯信号,简称绝对信号优先原则。

2。3 车载设备

车载设备主要由车地双向无线通信设备、车载天线、主机、GPS终端、显示单元等构成。车载设备通过GPS、列车位置检测设备、传感器等实现有轨电车的组合定位,并以无线通信方式实时将定位信息发送至控制中心。车载设备实时接收控制中心的运行间隔计划,并实时显示当前电车位置、前后车车距和车速、进路表示器和道岔定反位状态等信息,当前后车距和车速不满足设定的行车安全要求时进行报警提示。

2.4 运营调度

现代有轨电车运营调度是运营管理、行车指挥、监督及报警管理和运营统计的总称。

1)运营管理:控制中心根据运营要求制定运营计划,编辑时刻表,并将当日运行计划时刻表下载至车辆基地终端,车辆基地根据该时刻表组织有轨电车运营;

2)行车指挥:系统通过现代有轨电车定位系统接收所有在线有轨电车的位置信息,经处理后将有轨电车所在位置动态显示在综合表示屏及调度员工作站,调度员根据当日运行时刻表对在线有轨电车进行行车指挥;

3)监督及报警管理:系统内的主要设备具有自诊断功能,一旦检测到设备故障,该故障信息即可在控制中心调度员终端给出相应报警信息;

4)运营统计,根据运营计划和通过现代有轨电车定位设备采集的有轨电车位置、时间及车次号等信息进行运营统计并生成相应报表。运营统计功能还可包括有轨电车管理及有轨电车修程统计等。

车辆基地联锁可采用计算机联锁设备,能对车辆基地内的调车作业进行集中控制,实现车辆基地内进路上的道岔、信号机和轨道区段的联锁功能,在保证车辆基地内调车及出/入基地作业安全的同时向控制中心发送各种表示信息。

3 适用于A级路权的有轨电车信号系统

送38¥彩金下载appA级别路权的现代有轨电车信号系统可采用基于数字化无绝缘轨道电路的列车自动控制ATC系统(简称TBTC系统)。系统由ATS设备、轨旁ATP设备(包括:区域控制中心设备(含计算机联锁)、数字化无绝缘轨道电路设备、车地双向通信设备)、车载ATP/ATO设备和通信网络设备构成,且ATP设备的安全完整性等级(SIL)达到了4级。该系统技术成熟并具有一定的先进性,在功能上能够满足大运量城市轨道交通的要求,且建设成本较低,系统调试维护智能化程度较高。

拥有A级路权的长春轨道交通4号线为长春市中心区东半环“U”形线,线路全长15。953km,共设车站15座,其中地下车站3座,高架车站12座,配属低地板列车23列,列车远期最小行车间隔2min。该工程信号系统成功采用了基于数字化无绝缘轨道电路的列车自动控制(ATC)系统,并已于2013年2月成功开通运营。

拥有A级路权的佛山市南海区现代有轨电车交通工程,线路全长14.72km,其中地下4.47km,高架线6.236km,地面线3.698km,敞口段0.316km。全线共设车站14座,其中地下站5座,地面站4座,高架站5座。配属低地板列车。其信号系统由地下段信号系统和地面段信号系统两部分组成。地下段信号系统采用城市轨道交通通用的点式ATC系统,具有列车超速防护和列车自动运行功能,但为节省投资,其地面段采用了有轨电车信号系统,系统不具备列车超速防护功能,行车安全由司机及运营管理人员人为保证。

拥有A级路权的有轨电车交通与CJJ/T114-2007定义的轻轨系统极为相似,具有轻轨列车在城市地面或高架桥上运行的明显特征,所以采用A级路权的有轨电车信号系统可参照轻轨信号系统的建设标准实施。为保证A级路权的有轨电车运行安全,并同时提高运行效率,其信号系统(包括:CBTC、TBTC或点式ATC系统)应配置ATP子系统,根据需要可选配ATO子系统或无人驾驶子系统。

4 适用于B级路权的有轨电车信号系统

送38¥彩金下载appB级别路权的现代有轨电车信号系统可采用基于数字化无绝缘轨道电路的列车超速防护(ATP)系统或点式ATP系统。

基于数字化无绝缘轨道电路的列车超速防护系统由控制中心设备、车载设备、轨旁设备和车站设备组成。该系统采用连续式速度控制模式,使同一线路上运行的列车能够以2min的最小追踪间隔安全运行。该系统技术成熟,在功能上能够满足较大运量城市轨道交通的需求,且建设成本较低、周期较短,系统调试维护智能化程度较高。

点式ATP系统是一种点式信息传递,主要由地面应答器、轨旁电子单元(LEU)、车载设备,列车占用检查(计轴或轨道电路)设备4部分组成。目前在城市轨道交通信号系统中点式ATP系统通常作为CBTC系统的后备系统,具有一定的先进性,在功能上能够满足非大运量城市轨道交通的需求,且建设成本较低,施工简单,系统调试简单。

拥有B级路权的长春轨道交通净月线工程,线路全长17.4正线km,其中地下线路1.2km、高架线路8.8km,地面线路7.4km。全线共设17座车站,配属低地板列车37列。远期列车最小行车间隔2min。该工程信号系统成功采用基于数字化无绝缘轨道电路的安全完整性等级(SIL)达到4级的列车超速防护系统,已于2006年12月成功开通运营。

拥有B级路权的现代有轨电车交通与城市道路交通(机动车、行人)有平面交叉,不同级别的平交道口不可避免的会对有轨电车的连续运行造成影响,有轨电车信号控制系统必须增加平交道口信号控制设备或与城市平交道口信号控制设备接口,设置最少绿灯时间、相对优先通行和绝对信号优先的平交道口配时原则,在保证有轨电车交通畅通的前提下尽量减少其对城市道路交通的影响。为保证B级路权有轨电车的运行安全,其信号系统应配置连续速度控制模式的ATP系统或点式ATP系统。

5 适用于C级路权的有轨电车信号系统

送38¥彩金下载appC级别路权有轨电车信号系统是一个功能仅定位于正线道岔控制和列车调度的简易信号系统,其正线信号系统中的正线道岔控制设备、平交道口信号控制设备、车载设备的安全完整性等级(SIL)未达到4级。有轨电车信号系统不具备地铁或轻轨信号系统的进路控制、列车追踪、超速防护、自动运行等功能。

拥有C级路权的沈阳市浑南新区现代有轨电车一期工程位于沈阳市浑南新区,其现代有轨电车一期工程共设 1、2、3、5号4条线,线路全长约59.5km,共设车站65座(含6座预留站)。配属低地板列车30列车,列车最小行车间隔初期5min,远期3min。该工程采用了全人工控制模式的有轨电车信号系统,有轨电车运行实行人工调度管理模式,即由运营部门按照客流要求编制不同时期的运营时刻表(如平日时刻表、节假日时刻表等),在各线首发站、末站和车辆段设置人工调度,由调度员按照运行时刻表控制列车的出发时间和出退勤作业。控制中心中心调度员对列车在区间的运行状态进行监视,保证行车间隔的均匀。

拥有C级路权的有轨电车交通与城市道路交通有众多的平交道口和与机动车及行人混行,仅依靠司机目视行车,将使有轨电车的运行安全、运行效率和运行速度受到限制。

6 B或C级路权有轨电车信号系统的发展趋势

目前,我国现代有轨电车信号系统尚无统一的标准,系统的实施经验也相对缺乏;B或C级别路权的现代有轨电车系统与地铁和轻轨系统相比,具有站间距离短、行车速度低,线路处于街区与机动车及行人混合运行的特点。因此有轨电车行车秩序规率性较差、行车组织较为困难,客运能力相对较弱。国外有轨电车系统与我国相比,运用环境差异较大,技术水平相差较多。我国缺少可参照的有轨电车信号系统运用水平等级,逐步实现有轨电车的信息完全监控是我国有轨电车系统运用和管理的发展趋势。未来较完整的现代有轨电车信号系统可具备图2所示的系统结构:

图2 未来较完整的现代有轨电车信号

车地双向无线通信网络采用LTE(Long Term Evolution)技术,通过采用基于LTE技术的超大带宽的传输平台,建立无线通信专用网络系统,可为车地双向无线传输系统、无线数字集群系统、PIS系统提供统一的无线信息传输载体,并实现这些系统的信息、语音和图像业务的传输整合。同时LTE技术具有向其他系统(如:防灾系统、专用电话系统、公安通信系统、安防系统、CCTV信息等)进行扩展的能力。通过采用完善的IP传输机制和多种QoS服务保证传输QoS目标,实现差异化服务、保证优先级最高的业务在网络出现拥塞时能够优先传输到达目的地,不会造成中断或数据丢失现象。LTE技术的应用将使通信信号技术趋于一体,使最终实现通信信号一体化成为可能。

有轨电车的定位可通过GPS信号和电子标签校准方式实现:

1)线路电子地图可存储于控制中心数据库服务器;

2)对于基本无遮挡物的线路,系统可利用卫星信号结合读取线路上的电子标签(RFID)实现有轨电车的位置校准;

3)对于遮挡物较多或隧道较长的线路,有轨电车车载设备可通过读取线路上的标签(RFID)实现定位。

有轨电车正线的道岔控制如下。

1)正常情况下道岔接受控制中心的监控,道岔区段的进路依据时刻表自动排列;当控制权限被下放到本地或特殊情况下,授权司机可在有轨电车上遥控前方要通过的道岔;

2)中心只监不控,道岔的控制完全由司机完成;特殊情况下,控制中心调度员可利用无线通信向司机发出特殊操作指令;

3)系统可不对道岔进行控制,对于线路条件简单的现代有轨电车交通,由于道岔搬动次数较少,允许采用可挤的弹簧道岔。

车辆基地的道岔控制可有两种方式。

1)继电联锁方式;

2)计算机联锁方式。鉴于车辆基地一般规模较大,宜采用计算机联锁方式。

7有轨电车信号系统发展的技术关键

采用A级别路权的现代有轨电车信号系统宜直接采用满足地铁或轻轨建设规范的其安全完整性等级(SIL)达到4级的列车超速防护ATP系统。但因为有轨电车交通运量介于地铁或轻轨与城市公共汽车之间,所以可研制安全完整性等级(SIL)低于4级(如SIL3级)的列车超速防护ATP系统,作为现代有轨电车信号系统的标准配套子系统。

平交道口信号灯控制系统设计涉及城市道路交通管理部门和电车运营单位,涉及城市道路交通的统一规划及交通效率,应专题研究有轨电车最少绿灯原则、相对优先通行原则和绝对信号优先原则,在保证有轨电车的通行效率的同时尽量减少其对城市道路交通的影响。

北京市基础设施投资有限公司和北京城建设计研究总院有限责任公司已于2010年发布了地方标准《北京市现代有轨电车技术标准》,但国家级或行业级现代有轨电车信号系统建设规范相对缺乏,使现代有轨电车建设主要参照地铁或轻轨建设规范成为现实,应尽快制定更有针对性的适用于现代有轨电车交通建设的国家级或行业级技术规范或技术标准。

现代有轨电车交通综合自动化系统应为通信、信号和信息化综合的运行控制系统。基于LTE技术的超大带宽的传输平台,利用国家主管部门可能规划的城市轨道交通专用的无线频点,可建立无线通信专用网络系统,可在加强现代有轨电车车地双向通信技术研究的同时,使我国现代有轨电车交通综合自动化系统向通信信号一体化、网络化、信息化、智能化方向发展。

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