现代有轨电车正线道岔控制系统方案研究论文

关于现代有轨电车正线道岔控制系统方案研究论文

　　0 引言

　　传统有轨电车在二十世纪前三十年得到了快速的发展，但随着汽车工业的崛起，传统有轨电车因其噪音、灵活性和效率等诸多劣势逐步退出历史舞台。现代有轨电车采用电力驱动、低地板列车和自动控制等新技术，以较大的载运量、绿色环保、城市景观效果好及投资规模小等综合优势得以快速发展，近30 年仅在法国有超过十个城市近30 条现代有轨电车线路投入运营，近年来也逐步进入中国，在上海张江开发区、天津滨海新区和沈阳浑南新区建成投运，也有很多城市在规划建设中。

　　1 现代有轨电车信号系统

　　信号系统是现代有轨电车的运行指挥系统，有轨电车由司机驾驶，遵照信号灯及操作控制道岔设备信号的指示，按照行车运行计划和规则行驶。信号系统为了保证基本行车安全和尽可能高的行车效率，采用各种技术实现列车的定位、车地通信、信号设备的自动控制和调度的信息化。信号系统主要解决的几个问题:

　　( 1) 运营调度，在控制中心进行行车计划的编制和下发，对实际列车运行情况跟踪监督。( 2) 车地之间，车上司机对地面道岔进行遥控从而实现走行方向的选择，道岔响应司机的操作指令并且进行线路占用条件的判断，符合安全逻辑的条件下转动到位并且联动控制地面信号灯指示，反馈车上司机运行许可信号。( 3) 列车与控制中心之间，控制中心需要掌握所有列车运行的位置，控制中心需要将运行计划下发至列车。( 4) 控制中心与地面信号之间，控制中心需要地面设备的实际状态信息和故障报警信息以便快速做出反应，控制中心也可以根据运行计划和列车运行位置远程控制道岔设备的动作从而提高运行效率。现代有轨电车信号系统的运营制式并非完全一致，根据具体线路和路权的设计存在差异性。

　　2 正线道岔控制系统

　　总体分析，现代有轨电车信号控制系统分为正线道岔控制系统和运营调度两大子系统。正线道岔控制系统是信号系统中唯一涉及安全的子系统，并且作为主要的地面控制设备与道岔转辙机、信号机、计轴等信号设备直接连接，还需通过无线和有线通信接口与车载设备、控制中心进行通信数据交互。正线道岔控制系统的核心设备是在每个有轨电车车站安装轨旁的道岔控制柜。

　　道岔控制柜中配置核心逻辑运算单元，运算单元通过通信总线与其他控制接口设备交互，接收控制命令，采集地面信号设备状态，进行联锁逻辑运算，向控制接口板发送指令控制地面信号设备动作，同时向车载和控制中心发送信号设备实时状态信息。基于安全性的考虑，核心运算单元在硬件上应该采用二取二制式。

　　驱动控制设备有道岔控制单元和信号机控制单元。道岔控制单元要能够驱动转辙机动作并采集转辙机的表示状态。在传统的铁路信号控制领域，转辙机驱采控制采用的是重力式继电器组合，触点控制方式，控制设备规模较大并且设备连接需要进行焊线，轨旁控制柜根本无法容纳如此笨重的控制设备，所以道岔控制采用电子化、模块化和无触点的控制板卡设备是必然的选择。电子化道岔控制设备可以采用电力电子开关技术、二取二控制校核方法、闭环检测方法、冗余通信总线技术来保证其安全性和可靠性。一个道岔控制单元控制一台转辙机，电气特性方面目前国内有轨电车转辙机多采用AC380V 和AC220V 驱动两种制式。有轨电车信号机一组有三个灯位显示，分别是红色禁止灯光，绿色直行指示灯光，黄色转向指示灯光，一个信号机控制单元可设计为驱动一组或两组信号机，信号机采用LED 信号灯，控制单元输出AC220V 驱动电源与信号点灯变压器连接。道岔控制单元和信号控制单元设计要遵循基本的“故障—安全”原则，比如信号机控制单元在通信中断的情况自动点亮红灯，道岔控制单元操动道岔启动后无论任何条件变化都要持续驱动到位。接口设备有通信接口单元和轨道状态检测单元。通信接口单元又分为车地通信接口单元，控制中心通信接口单元，接口单元负责将核心运算单元的通信数据转换为其他有线或无线方式的通信数据传输至车载和控制中心。

　　核心运算单元与道岔控制单元、信号机控制单元、通信接口单元、轨道状态检测单元之间采用通信总线方式连接，CAN 总线最为常用，也可采用串行或CPCI 总线等。

　　3 道岔控制逻辑

　　道岔路口的行车规则、道岔控制逻辑与有轨电车具体线路的路权设计、运营规划有关系，这里设计一种兼顾安全与效率的方案。

　　1#、2#、3#为路口号，对应位置设计为车地通信有效进入范围。A、B、C 点设计为区段占用检测点，用作检测列车占用或通过。进路处理逻辑如下:

　　( 1) 初始状态下，即在系统上电复位后，进路区段即道岔区段处于占用状态，信号灯XI、XII、XIII 处于红灯状态，道岔区段占用状态通过在车载设备或现地操作盘上进行确认复位后恢复正常即出清状态。

　　( 2) 列车行至1#路口时，司机根据信号灯XI 显示行车，信号灯显示红灯、进路区段出清、未排列进路，此种情况下，司机根据行车需要通过车载设备排列直行或右行进路，道岔转动到位后信号灯开放，直行开放绿灯，右行开放黄灯，道岔锁闭，以XI 为始端的进路排列成功。

　　( 3) 信号开放后列车驶入道岔区段，A 点检测到区段占用后信号关闭，进路状态改变为进路占用，列车驶过道岔区段后原进路信号自动开放，道岔保持锁闭状态，后续同向列车不需要再排列进路，根据信号开放显示行车。

　　( 4) 进路开行方向与计划行车方向不一致的时候，司机需要取消已排进路后再根据需要排列新的进路。

　　( 5) 已排列了以XI 信号机为始端的进路时，如果列车行至2#路口即XII 信号机前方并计划由2#路口行至1#路口，或者计划实施直行折返作业行至3#路口方向，计划行进方向与已排进路方向相反，此时确认道岔区段无车后通过取消进路操作后再排列需要的进路，已排进路取消后XI 信号机随即关闭转向红灯。

　　( 6) 三个路口的信号灯在同一时间最多只能有一个信号机处于开放状态。

　　该设计方法中，引入进路和信号灯防护的概念，相比完全由司机人工判断行车大幅提高了安全性; 列车驶入，信号关闭，列车驶出，信号自动开放，后续列车无需操作连续行进，保证了较高的效率。

　　4 车地通信技术

　　目前的信号系统方案中，车地通信采用了多种技术实现方式，主要有802. 11 无线网络WLAN 通信加电子标签定位方式、感应式通信环线技术、RFD 射频识别技术。更为先进的发展方向是采用4 G 移动通信LTE 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，不仅可用于车地双向通信，还可为其他如旅客引导系统、视频监控系统提供网络传输平台。

　　道岔控制柜与控制中心通信多采用光网有线通信方式，为了提高可靠性，也可采用工业环网设计。

　　4. 1 无线网络加电子标签方式

　　道岔控制柜作为WLAN 通信的局部中心端，车载设备配置有无线AP，列车进入WLAN 信号范围后通过验证自动接入，接入后就可以收到地面控制单元发送的呼叫信息从而实现与地面的通信。但是为了防止非法用户接入和前后多趟列车同时接入后对道岔的无序操作，需要确认先到达列车和对列车的操作授权，此时需要使用电子标签。无源电子标签可以存储道岔标识号、路口号和相关的位置信息，电子标签埋置于轨间，并且在岔前、岔后和弯股三个接近道岔区段的位置设置，列车接近道岔区段，可以从电子标签读入该道岔的识别信息，将该识别信息和该列车的车次号组合编码，通过WLAN 通信发送给道岔控制柜进行校验，说明该列车是最先接近道岔区段的，核心运算单元接收到该信息后校验道岔识别号正确并且道岔区段处于完全空闲状态，即可给该车次号列车授权进行道岔控制，可以响应该列车的道岔操动指令，该授权的有限期一直延续到列车压入道岔区段并且全列通过后道岔区段恢复空闲终止，在此期限内不再向其他进入道岔控制范围的列车进行授权和响应其操作指令。

　　4. 2 感应式通信环线方式

　　感应环线数据通信方式是采用环形布置的电缆作为发射天线的一种无线数据传输方式。感应环线通信系统包括轨间环线电缆、车载天线和地面车载的数据收发设备三部分。道岔控制柜中，核心运算单元通过感应环线通信接口板主动发送呼叫信息数据，数据经过接口板调制为FSK 信号，发送到轨间的环线电缆，列车驶入信号机前方接近区段的通信环线铺设范围，依据电磁感应原理，通过车载天线感应到来自地面的呼叫信号，此信号被送入车载设备的环线通信接口板，经过谐振、放大、滤波和解调，最终还原为有效的数据信息，接口板将信息转送给车载控制单元处理，车载控制单元收到呼叫信息意味着进入道岔控制区域范围，并且从呼叫信息中获知路口号、前方进路信息和道岔位置信息，此时车载单元要回传包含路口号的应答信息给地面道岔控制柜，道岔操作指令也包含在应答信息中，应答信息传输过程与呼叫信息传输过程正好相反，地面控制单元收到应答信息后校验路口号回传一致并读取该趟列车车次号，解析道岔控制命令进行运算执行。在该趟列车未完全驶过该路口的情况下不再响应其他应答信息，防止列车连续跟进造成道岔误动作。

　　感应通信环线实现车地之间的双向通信，采用微距通信和专用频率，相对开放式的WLAN 通信方式，具有安全性高、数据无延迟、通信对象唯一、准确和快速的优势。

　　5 列车定位技术

　　传统铁路中多采用的轨道电路列车定位技术，在开放式和嵌入地面的有轨电车线路上是不适用的，现代有轨电车多采用计轴、重力感应环、感应通信环线、GPS 定位等方式进行列车的定位追踪。正线道岔控制子系统中，分为接近区段、道岔区段和离去区段轨道占用情况检测，需要配置符合“故障—安全”原则的定位设备，一般采用组合技术实现，比如车地通信中介绍的感应通信环线也可作为检测列车接近和离去的手段，信标加WLAN 通信的方式也可以作为另一种接近和离去区段占用检测手段，道岔区段一般采用安全性较高的计轴设备，或者也可以采用基于安全设计加至少两点检查安全逻辑判断的重力感应环设备，计轴和重力感应环设备布置点类似。

　　6 结束语

　　正线道岔控制系统作为现代有轨电车信号系统中唯一涉及安全的子系统，目前国内开通线路多采用国外技术集成设备，比如西门子的全套系统。但就一套可靠高效的信号系统的各项集成技术目前在国内都有成熟的国产化的应用实例，比如全电子化道岔及信号控制技术、计轴设备实现列车定位、二取二的安全计算平台都通过了欧标SIL4 级认证并在国铁和地铁应用，感应式通信环线实现车地通信也已应用于高铁线路。基于国内传统铁路复杂联锁关系的研究应用经验，联锁安全方面也是国际领先的。所以在有轨电车信号系统方面，应该坚持走完全国产化的道路，降低成本，推动现代有轨电车系统的推广应用。

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