現代有軌電車信號系統總體結構及功能實現方式

嚴建鵬 梁 奕 徐宏偉 陸艮峰

(國電南瑞科技股份有限公司軌道交通技術分公司，210061，南京//第一作者，工程師)

有軌電車具有速度低、軌旁設備少、與道路車輛共用路權等運營特點。為保障其安全、準時、高效、可靠運行，現代有軌電車以車輛段調度中心集中控制為核心，采用司機人工駕駛模式，在道路平交路口以優先通過權通行，集中控制道岔區域設備，并能實現準確定位列車位置，形成了獨特的信號控制體系[1-2]。本文從有軌電車信號系統功能設計角度，討論其總體結構及功能實現方式。

1 有軌電車信號系統基本結構

有軌電車信號系統主要由ATS(列車自動監控子系統)、SCS(正線道岔控制子系統)、CCS(道口控制子系統)、VCS(車載控制子系統)及DSS(車輛段信號子系統)等構成。各子系統之間通過專用有線和無線通信網絡進行數據交換。有軌電車信號系統基本結構及數據流如圖1所示。

2 ATS

2.1 ATS組成

與地鐵和輕軌信號系統相比，有軌電車ATS只在控制中心有設備，在車站沒有設備。所有列車的運營調度和指揮工作全部在控制中心調度工作站完成。ATS設備主要包括行車調度工作站、計劃調度工作站、視頻監控工作站、維護工作站、網絡通信設備及大屏幕顯示系統等。各ATS設備通過信號安全以太網互聯，如圖2所示。目前，蘇州高新區有軌電車2號線ATS與ISCS(綜合監控系統)已實現深度集成，采用“平臺+應用”設計模式，將信號、通信、機電、供電及乘客信息等多個專業的設備集成在統一的TIDS(綜合自動化平臺)之上，融合形成了以行車調度指揮為核心，對車、機、電統一監控和管理的更高級信息整合。

2.2 ATS的基本功能

(1) 行車信息顯示。ATS接收并處理SCS、CCS、VCS、DSS的實時數據，在行車調度工作站和大屏幕上顯示全線線路、列車、車站及軌旁設備，以及供電等設備的各種狀態信息，實時反映在線列車的運行位置、運營狀況以及信號設備當前狀態。行車調度工作站還可查看各類實時統計信息。其顯示內容全面、直觀、簡潔。

(2) 列車運行監視的追蹤。ATS根據SCS、VCS及DSS發來的列車標志、列車位置和線路占用信息，監視每輛在線列車的運行過程，并向每輛列車實時傳送其前后列車位置和速度信息，控制在線列車追蹤間隔，保證運營安全暢通。這是ATS系統最重要的功能。

圖1 現代有軌電車信號系統基本結構及數據流示意圖

圖2 現代有軌電車ATS基本組成圖

(3) 列車進路控制。行車調度員通過行車調度工作站下發進路控制或信號設備控制命令，開放信號，復位設備。進路控制可自動觸發，也可人工辦理，并采用交路表和進路表的方式，高效管理每條進路和每列列車的運行軌跡。

(4) 列車運行計劃編制和查詢。將列車運行計劃以時刻表的方式進行編輯、存儲、查詢及修改；將列車實際到發時刻與計劃時刻表對比，統計早晚點情況，并實時進行調整和優化；在早晚高峰和節假日采用特定時刻表，以提高運輸效率。

(5) 車輛運用計劃和車輛管理。ATS根據當日計劃時刻表、車輛檢修計劃及司機派班計劃等信息，編制當日車輛運用計劃和配車計劃，并發送給DSS，由DSS辦理車輛出入段進路和調車進路，統一管理全線列車的上線和入庫。

(6) 列車運行信息記錄和查詢。ATS將全線列車運行信息、操作情況、設備狀態、報警信息實時分類存儲，并形成各類統計分析報表。運營工作人員的可隨時查詢各類信息，便于清楚地掌握運營實際狀況。

(7) 人員培訓和系統維護。通過培訓工作站，可對新上崗人員獨立進行各類培訓和教學。在視頻和維護工作站，設備維護人員可方便實時查看系統運行狀況與報警信息，實時了解設備運轉和修復情況。

此外，為保證ATS系統控制命令的安全下發，對道岔復位、軌道區段復位、區域限速取消等涉及安全的關鍵操作，規定采用安全命令，且安全完整性等級(SIL)要求達到SIL2級。

3 SCS

3.1 SCS的組成

有軌電車信號系統沒有車站設備。道岔區域設備由SCS集中控制。SCS主要設備安裝在軌旁道岔控制箱里，具備耐高溫極寒、安全可靠、維護簡單且成本低等技術要求，是有軌電車電車信號系統中最關鍵的子系統，其功能SIL最低需要達到SIL3級。

道岔控制設備一般沿線分散設置。1套SCS設備控制1個道岔區域，并將道岔、信號機、軌道電路、現地控制盒及感應環線等信息集中處理和控制。但對于較短的有軌電車線路，也可多個道岔區域共用1套SCS設備，或全線只在控制中心集設置1套SCS設備。這樣可減少設備，方便設備的集中監測。SCS基本結構如圖3所示。

圖3 道岔控制子系統基本結構示意圖

3.2 各組成部分的功能

道岔控制主機是道岔控制子系統的核心部分，一般采用符合“故障-安全”原則的二乘二取二或三取二安全計算機平臺來搭載聯鎖業務，進行邏輯運算、安全采集與驅動。道岔控制主機根據ATS指令，結合相鄰道岔控制主機數據，選排和鎖閉進路，集中控制道岔轉動方向和信號機顯示燈光，是信號系統最關鍵的控制設備。

軌道電路控制器負責對軌道電路檢測信息的處理，并將區段占用/空閑狀態發送給道岔控制主機。感應環線收發器負責將環線檢測信息和車載VCS系統數據發送給道岔控制主機，同時將道岔控制主機數據發送給經過環線的列車，是車-地通信的重要通道。為保證道岔控制主機的外部安全，采用了安全型繼電器和防雷模塊組成的接口電路，將轉轍機及信號機同道岔控制主機進行電氣隔離。

道岔控制功能主要包括進路排列、進路解鎖以及單獨操控等。道岔控制方式有中心ATS自動控制、本地道岔控制子系統自動控制、車載人工遙控及司機通過現地控制盒人工控制4種[3-4]。相鄰道岔控制子系統通過信號專用以太網核心交換機互聯在一起，相互通信、相互照查。

3.3 控制方式

在目前國內已開通的線路中，有軌電車岔區軌道占用檢測和車地通信基本都采用軌道電路和信標配合的方式完成?！坝嬢S+感應環線”方式簡單準確，維護量小。但因有軌電車采用U型槽軌，計軸磁頭安裝點需要切軌?！敖涣鬈壍离娐?感應環線”方式成本低、易于維護，不用切軌。

道岔轉轍設備一般選擇采用地埋式轉轍機，道岔防護信號機一般采用矩形框形狀顯示的LED(發光二極管)三色進路表示器。

3.4 路權等級不同的影響

根據運營需求和線路采用的路權等級，可確定是否選用應答器作為絕對坐標來校正列車定位誤差，以及是否選用ATP設備來保證有軌電車安全間隔。有軌電車線路路權有A級、B級及C級。

A級路權為獨立路權。采用A級路權的有軌電車線路大多全線封閉，可配置ATP(列車自動防護)和ATO(列車自動運行)，甚至可達到無人駕駛。A級路權適合繁忙路段，或高標準投資且具備同地鐵或輕軌線路對接條件的線路。

B級路權為部分獨立路權，又稱混合路權。有軌電車在區間享有獨立路權，在道路平交道口與其他交通方式混行。B級路權的有軌電車可參照點式ATP標準，采用連續式速度控制模式。列車追蹤間隔可縮小至2～3 min。電車優先通過道路平交道口。行車安全由司機和車載ATP來保證。雖然投資成本和維護成本較低，但對車載設備和軌道電路的要求較高，對公共車輛通行影響也較大，適合較繁忙路段，或站間距較大、平交道口較少、列車通行條件較好的線路。

C級路權為開放式路權，即有軌電車與其他道路交通混合行駛。C級路權的有軌電車信號系統由道岔控制器、軌道電路、感應環線及車載輔助駕駛設備組成。列車間隔為3～5 min。有軌電車在平交道口遵守公共交通信號，其行車安全由司機保證，對公共車輛通行影響很小，但運能和收益都優于BRT(快速公交系統)，適合大部分線路或作為B級路權信號系統的后備模式[5]。

在已開通線路中，佛山南海線、上海松江線采用A級路權，長春凈月線采用B級路權，蘇州高新區1號線、南京河西線、沈陽渾南線、廣州海珠線等線路采用C級路權。C路級權線路在設計時都考慮或預留了升級擴容能力，以適應未來客流的增長。

4 CCS

CCS是保證有軌電車與道路交通車輛安全通行的重要設備，其核心功能是檢測道口區域列車的接近、占用和離去，并根據優先通行模式和道路交通信號燈來控制道口通行邏輯、控制道口信號燈的顯示燈光。CCS基本結構如圖4所示。

圖4 CCS基本結構示意圖

道口控制主機接收ATS信息，在設定的道口優先級模式下，根據列車時刻表、列車接近和離去信息，向道路交通控制機實時發送信號請求，并根據道路交通控制機信息，適時開放綠燈，同時將道口設備狀態和道路交通控制機邏輯數據發送給ATS。CCS在每個道口設置3組感應環線，分別用于列車接近、占用和離去檢測，檢測信息由道口控制主機統一處理。距離道岔區域較近的平交道口，道口控制主機還可與道岔控制相互通信，甚至可共用1個設備箱。

有軌電車線路和城市道路有多個平交道口，多條有軌電車線路之間也存在互相交叉的道口；因此，有軌電車的運行也必須遵循一定的交通規則。B級或C級路權時，通常采用有軌電車信號絕對優先、相對優先、常規信號行駛3種通行規則[6]，有軌電車信號系統與道路交通信號系統相互制約，合理控制各自信號燈的開放時機[7]。A級路權時，有軌電車信號系統與道路交通信號系統相互獨立，對道路交通基本沒有影響，但需要道路交通信號系統為有軌電車專設右轉信號燈[8]。例如沈陽渾南線有軌電車道口信號機僅指示進路開放狀態，不指示平交道口通行權，故有軌電車需遵守道路交通信號指示。通常大部分平交道口都采用有軌電車信號優先控制模式，道口控制主機將列車接近、占用、離去等信息發送給道路交通控制系統，由道路交通控制系統根據通行策略，控制各個方向交通信號燈顯示和等候時間，從而降低有軌電車行程時間和等候綠燈時間，提高準點率和服務水平。

道口通行方式需要根據線路具體特點來綜合考慮。有軌電車線路上每個道口采用何種通行策略，需要根據道口具體特點來綜合考慮，不一定全都采用同一種方式。目前，淮安有軌電車等線路為提高有軌電車道口通行能力，已成功應用了“綠波帶”技術分段設計信號優先策略，并取得了良好的效果。

5 VCS

VCS是輔助司機駕駛列車的重要設備，主要由車載控制主機、車地雙向無線通信設備、GPS接收天線、感應環線設備、測速設備以及司機顯示屏等部分構成，并與駕駛臺司機按鈕盤、列車牽引制動系統、列車電源屏等設備相連。VCS的核心功能是實時檢測列車運行速度、向ATS提供列車位置信息，以及與ATS進行雙向通信。對于列車運行速度較高、間隔時間較短、行車密度較大的線路，應考慮在VCS中增加超速防護功能。VCS基本結構如圖5所示。

車載無線電臺負責利用無線網絡接收ATS系統實時報文信息，并送給車載控制主機進行解析和處理。GPS/BD(北斗定位系統)天線負責接收GSP或北斗導航衛星定位信號，并通過車載主機送給ATS系統按照站場圖進行擬合，轉化為信號系統定義的精確坐標，以此來控制列車間隔，實現多車追蹤運行。測速單元負責將雷達信號和其他速度傳感器信號進行濾波和融合，將速度數據送給車載主機。感應環線處理單元及環線接收天線負責從地面環線接收SCS進路信息，并將列車接近信息和司機進路遙控指令發給SCS，實現車載設備與道岔控制設備之間的雙向通信。

圖5 車載控制子系統基本結構示意圖

車載控制主機負責處理ATS信息、SCS信息、導航定位信息、測速信息以及司機按鈕盤信號，同時將列車實時速度、目的地距離、前后列車位置與速度、前方道岔區域進路狀態等信息分類顯示在司機界面上。為保證電車安全追蹤間隔，車載控制主機還應能實時計算超速防護曲線，并仍由司機參照該“速度-距離”曲線來駕駛列車。這樣既實用，又便于車載設備功能升級。

車-地無線通信是有軌電車車載設備與控制中心ATS實現雙向、實時、大容量交換信息的重要途徑。國內外標準對車-地通信性能指標有嚴格的規定[9]。目前在軌道交通信號領域，廣泛采用基于IEEE802.11標準的WLAN(無線局域網)技術，其可靠性、安全性和可用性都能滿足要求，但存在同頻干擾問題，且設備成本高、維護工作量大。隨著列車控制信息、PIS(乘客信息系統)信息及視頻信息量的不斷增加，抗干擾性能強、覆蓋范圍廣、移動性和服務質量更好的TD-LTE(時分長期演進)技術成了新的研究熱點[9-10]。目前，廣州海珠線和寧波鄞州線等有軌電車信號系統正在嘗試采用紅藍雙網冗余配置的TD-LTE技術。未來有軌電車通信和信號系統將共用更多設備，逐步融為一體。

有軌電車通常采用人工目視駕駛模式，由司機來保證行車安全。為增強暴雨和霧雪天氣下的行車安全，VCS可采用雷達探測、紅外探測及視頻檢測等技術，以便及時發現線路附近的社會車輛和行人等危險點，并通過告警輔來助司機提高反映能力。

6 DSS

相比于地鐵車輛段，有軌電車車輛段規模雖小，但信息化、集成化程度卻完全相同，且具備地鐵車輛段全部功能。為降低成本，兼顧運營方便，通常1條有軌電車線路僅在中間位置設置1個車輛段，并從車輛段向兩側線路同時發車。列車運行至終點車站后折返換端，以保證前線列車有序運行。以車輛段計算機聯鎖系統為核心的DSS，通過信號安全以太網與控制中心ATS相連，接收ATS指令和信息。車輛段值班人員通過值班員工作站或應急控制臺，進行接發列車和調車作業。維護管理工作站和微機監測系統，用于安排檢修任務、維護信號設備、實時掌握設備運行狀況。通過試車線工作站，可試驗車載設備性能，培養駕駛人員。同時，車輛段計算機聯鎖系統通過信號安全以太網，還可與正線道岔控制器進行通信，獲取正線進路和設備狀態，開放或關閉出入段信號機，向正線發車。正線SCS則通過網絡獲取車輛段聯鎖條件，排列列車返回車輛段的進路。DSS基本組成如圖6所示。

圖6 DSS基本組成示意圖

由于有軌電車信號設備較少且功能較為簡單的特點，車輛段聯鎖和道岔控制系統更適合采用同1套安全計算機平臺，使備品備件可以通用，以節省維護和人力成本。

7 結語

本文研究了現代有軌電車信號系統的總體結構、工作原理及數據交換過程，闡述了各子系統結構組成和主要功能，并總結了有軌電車信號系統的關鍵技術和功能實現方式。

現代有軌電車綜合自動化系統已成為及各個專業為一體的信息化、智能化、模塊化、網絡化控制系統。隨著應用經驗的不斷累積，未來有軌電車信號系統將會采用更多新技術、新設備，進一步提供系統的可靠性和穩定性。此外，受限于道路交通通行規則的約束，有軌電車運行速度仍相對較低，如何在保證安全的前提下，實現有軌電車的快速起停和高效運行，以及有軌電車在交叉路口安全高效通行，最大限度的發揮運能，仍是有軌電車信號產品研發和工程設計追求的目標。