现代有轨电车信号系统中的关键技术探讨

引言

随着城市经济快速发展,人口不断增长,城市交通拥堵问题变得日益严峻,因此中国大力推动城市轨道交通的发展,而现代有轨电车以其经济高效、乘坐舒适、节能环保等特点逐渐受到了人们的青睐。

信号系统是城市轨道交通非常重要的系统,主要用于列车运行调度、保障行车安全和提高运营效率等方面。现代有轨电车相较于地铁和轻轨,具有其独特的运营方式和特点,因此现代有轨电车的信号系统需根据其自身的运营需求和技术条件进行设计。本文介绍了现代有轨电车的运营特点,分析说明了有轨电车的信号系统,并对其关键技术进行了探讨。

1现代有轨电车简介

1.1概念

现代有轨电车(MordenTram)是采用电力驱动的轻型轨道交通车辆,是城市轨道交通的一种,最早于1881年德国柏林附近的里希特菲尔德开通运营,标志着有轨电车作为交通运输正式投入使用。

1.2现代有轨电车的特点

(1)投资建设成本低。每公里有轨电车所需的投资大约是地铁的1/30~1/20。

(2)绿色环保。有轨电车采用接触网或第三轨供电的方式或者直接由蓄电池充放电提供电能,是一种无污染的交通工具。

(3)节约城市用地。现代有轨电车可以运行于狭窄的路面,同时采用槽型轨,可与社会车辆共享路权,极大地减少了城市用地,同时不影响城市美观。

(4)客运量适中。常见的现代有轨电车长度在18~36m,其单向最大运能为5000~20000人/h。

1.3现代有轨电车信号系统

既有的现代有轨电车线路大多为与社会车辆混跑的形式,不设列控系统,也不采用传统的联锁方式,仅对道岔区及与平交路口实施防护,其信号系统主要由中心调度管理子系统、正线道岔控制子系统、路口信号控制子系统、车载子系统和车辆段子系统构成,如图1所示。

现代有轨电车的信号系统所包含的各个子系统功能如下:

(1)中心调度管理子系统:中心调度管理子系统主要功能集中在控制中心(OCC),主要是实现行车调度人员监督全线列车运行、进路设置、编制、管理行车计划等,可有效提高运营管理水平、服务水平。中心调度管理子系统在调度功能上相差不大,区别主要集中在控制中心与控制箱的通信组网方式和列车与控制中心通信方式上。

(2)正线道岔控制子系统:正线道岔控制子系统主要是通过对道岔的自动或人工控制,使道岔转动至所需位置,以提高运营效率,降低司机劳动强度。通过道岔、轨道区段、防护信号机的联锁关系,保证列车通过道岔区的安全。

(3)路口信号控制系统:路口信号控制子系统与道路交通控制系统接口,在列车接近路口时,向道路交通控制系统提出优先通过申请,道路交通控制系统针对有轨电车的特点,对路口交通信号控制策略进行优化、调整,使得有轨电车在条件允许时获得路口优先通行权。路口有轨电车信号优先策略分为绝对信号优先和相对信号优先。

(4)车载信号子系统:车载信号子系统主要是与中心调度管理子系统、正线道岔控制子系统以及路口信号控制子系统相结合,实现相关系统各项功能,并给司机提供必要的驾驶辅助信息和告警信息。驾驶辅助信息包括前后车距离、本车速度、接近道岔区/路口或限速曲线段等信息,告警信息包括超出线路允许速度信息。

(5)车辆段信号子系统:车辆段信号子系统主要是对段内的调车作业进行集中控制,实现车辆段内进路上的道岔、信号机和轨道区段的联锁功能,保证车辆内调车作业及进、出段作业的安全。车辆段信号系统多数采用计算机联锁系统和微机监测系统。

2关键技术分析

2.1现代有轨电车的路权

现代有轨电车沿着特定的轨道运行,其轨道可以设置在高架、地面和地下,线路比较灵活,在地面运行时不可避免地会与社会车辆存在共同通过平交路口的问题,此时现代有轨电车的路权直接影响着行车效率和交通压力。有轨电车的路权一般分为三种:独立路权、半独立路权和非独立路权。

(1)独立路权不允许和社会车辆混跑,属于完全封闭的专用轨道,一般为高架桥、地下隧道或地面周围完全封闭的通道。这种独立路权的运营模式与地铁类似,同时有轨电车的运行速度也能达到很高以满足更高要求的运行间隔,此时为保障安全,不能仍依赖于司机目视行车,建议信号系统可以考虑增加ATP功能,同时相应增加轨旁设备和车载设备。对于最小2mmi的行车间隔要求,甚至可以考虑增加ATO系统以满足相应需求。

(2)半独立路权是通过在有轨电车线路周围设置栅栏等方式实现其运行通道的独立,但有轨电车与其他交通仍存在共用平交路口,影响交通拥堵状况。这种路权模式没有独立路权的有轨电车速度快,但考虑到存在较长的封闭路段,建议必要时加入点式nTo系统,实现对司机驾驶时的超速防护功能,以保障行车安全。

(3)非独立路权是有轨电车线路完全与车辆、行人混行,运行速度较低,依靠司机目视行车,完全由司机保障行车安全,运行效率比较低,因此一般采用传统的有轨电车信号系统,仅对路口和道岔区实施防护。

2.2列车定位

结合现代有轨电车的运营场景和需求,有轨电车的定位一般可以采取三种方式:GPS/BD(北斗)定位、车载编码里程计和应答器、基于计轴设备的列车检测。

美国的全球卫星定位系统(GPS)以及我国自主开发的北斗卫星定位导航系统(BD)等均可实现定位功能,定位方式较为成熟,实现容易,定位精度基本满足功能需求,工程费用相对较低。但在隧道地段或通过立交桥下方时会临时失去定位信号,可根据列车速度通过软件拟合估算列车位置,待接收到信号后能立即得到校正。这种方式可以实时反映列车位置,投资少,减小了建设和维护工作量,利于本工程景观建设,适用于列车位置信息不用于列控、定位精度要求不高的有轨电车线路。

车载编码里程计和应答器的定位方式在国铁和地铁上均有广泛应用。该方案由应答器报文提供基准里程,加上列车走行距离构成列车的实时位置,每经过一次应答器即可校正一次测量位置,消除因仪表误差、车轮打滑或空转、轮径损耗等产生的测距误差。若采用100%低地板的有轨电车,车载专用里程计的安装空间会受到限制,同时区间需要增加应答器,提高了成本。这种方式适用于列车位置定位同时参与列车控制的速度较高、行车间隔要求比较高,需要纳入列控系统的独立路权有轨电车线路。

基于计轴设备的列车检测是通过检测列车经过线路上某一点(计轴点)的车轴数量,以确定两个计轴点之间轨道区段的占用/出清情况。计轴设备只能检测到列车位置,同时投资相对较高,维护检修困难,不能实时在线反映列车位置。这种方式适用于采用点式ATP以计轴检测列车位置信息的线路。

2.3车地信息传输

现代有轨电车通过道岔时,需要提供列车与轨旁道岔控制箱的无线传输通道以实现列车对道岔的遥控功能。这种车地信息传输通常采用基于感应环线的传输和基于无线扩频的传输方式。

基于感应环线的方式需在道床上设置感应电缆环线,可实现车地双向通信,是一种局部通信方式,安装在轨道中间,不易受到破坏,但当遥控道岔时,司机对列车所处的位置不好把控。

基于无线扩频的传输方式是采用2.43Hz或5.83Hz频段的车地通信,这种方式抗干扰能力强,误码率低,同时轨旁只需安装无线发送接收天线和设备,但这种方式需要列车在接近道岔时先建立与控制箱的连接才能实现对道岔的遥控,因此存在一定的延时。

这两种方式在成本上基本持平,需根据具体线路条件和运营需求进行比选。

2.4列车与控制中心信息传输

列车与控制中心间无需传输列控信息,交互的信息量较少,主要包括行车计划、列车位置、列车运行方向和运行速度等信息。通常比较可行的列车与控制中心的信息传输方案有以下几种:

(1)信号专用无线局域网方案:采用无线电台、裂缝波导管和漏泄电缆等通信媒介,使地面设备与车载设备之间进行实时、双向、可靠数据通信,从而实现列车与地面信息传输。需在沿线设置多个无线接入点,建设成本相对较高,适用于传输数据量较大的列控信息的场合,目前在地铁中运用较多。

(2)利用通信系统无线网络方案:利用通信系统无线网络提供专业的数据通道是比较经济和可靠的方案,提供稳定连接和较少干扰的同时能有效降低投资费用,带宽比较固定,适合交互信息较少、无需传输列控信息的场合。

(3)租用公网方案:通常采用租用GSM、GPRS或CDMA三种公网的方式进行车地通信,这种方式成本最省,但无法持续通信,信息传送传输的实时性和可靠性较差,同时在信号覆盖较弱或人口密集的场合会出现无法连接网络的情况,从而给有轨电车的运行带来安全隐患。

3结语

综上所述,现代有轨电车具有经济美观、节能环保和运量适中等特点,我们必须结合有轨电车线路的运行场景和工程条件等需求,同时针对各关键技术进行对比分析,才能设计出真正适用于不同有轨电车线路的可靠的信号系统方案,以保障运营安全和效率。