有轨电车路口优先问题研究

2013-12-31黄坤林谢勇

铁路技术创新 2013年6期

■ 黄坤林谢勇

有轨电车兴起于19世纪，到19世纪末20世纪初已经成为世界上很多城市的主要交通工具。我国上海、大连、长春等城市早期也都建有有轨电车线路，车辆总数超过千辆。20世纪中叶，随着汽车工业的全面发展，道路拥挤，由于传统有轨电车速度慢、噪声大、对路面影响较大的缺点，各地逐步拆除有轨电车线路，为汽车让行，仅部分城市保留。随着科技的进步，有轨电车及配套系统的技术越来越先进，有轨电车的速度、噪声、对路面交通的影响也得到了很大改善，并由于具备低碳、节能、运量大、景观效果好、建设周期短、成本低等特点，有轨电车正焕发出新的活力。

1 有轨电车交通组织特点

我国经济发展水平相对较低，城市人口多，交通流量大，城市环境面临严峻挑战。为缓解交通难题，各地均大力发展公共交通。有轨电车建设周期短、成本低，可作为地铁、轻轨等轨道交通网络的补充和延伸，有效缓解城市拥堵，还可作为园区内部连接的快速交通。基于此，南京麒麟科技创新园快速公交1号线采用了现代有轨电车形式。

麒麟科技创新园有轨电车车辆由南车南京浦镇车辆有限公司生产，为100％低地板、钢轨钢轮走行模式。车辆采用模块化设计，包含5个基本模块，其中1个转向架模块，2个带司机室的转向架模块，2个悬浮的客室模块，模块间采用铰接装置相连，形成一列车（见图1）。整车包含3个转向架，中间为拖车转向架，两端为动车转向架。车辆门槛处离地面高度仅为330 mm，方便乘客上下车。车辆全长32 m，车宽2.65 m，内部空间宽敞，客室内乘客站立区高度大于1.9 m，每辆车最大载客量382人，最高运行速度70 km/h。

麒麟科技创新园有轨电车线路采用半独立路权形式。在交叉口范围外，有轨电车线路被路缘石或栅栏与机动车道隔离，确保有轨电车道路专有性。有轨电车线路与其他道路相交时使用平交形式，在交叉口内路缘石是断开的，允许机动车穿越。在交叉口，有轨电车与地面机动车存在混行，机动车行驶必然会对有轨电车的运行产生冲突，将降低有轨电车系统的快捷、安全、可靠等优势，也对道路交通产生较大影响。

麒麟科技创新园有轨电车采用“区间蓄电池+车站接触网”的牵引供电模式，每列车配置两组蓄电池，每组蓄电池容量为49 kW·h，全线仅车站设置接触网。车辆在站间运行时，采用自带蓄电池提供动力，在车辆停站上下客时，从接触网取流为车载负载供电，同时为车载蓄电池补充能量。这种供电方式带来了一个新的问题，由于空调等辅助负载能耗巨大，占车辆全部能耗的55％（见图2），且路口停车时间越长辅助负载能耗占比将越高，长时间的路口停车会造成蓄电池电量下降，可能降低有轨电车性能。因此，采取适当办法，如选取合理的交通管理措施和交叉口信号标志或信号设计方案等路口优先措施，减少有轨电车与机动车流的冲突，降低有轨电车路口等待时间，是确保有轨电车运营服务质量的关键。

麒麟科技创新园有轨电车在道路断面上的布置方式有两种：中央布置和路侧布置。从有轨电车线路和与其平交的道路等级来分，可分为主/主交叉、主/次交叉、次/主交叉等。

有轨电车线路采用中央布置时（见图3），与6个运行方向的机动车会产生冲突；有轨电车线路采用一侧布置时（见图4），与6个运行方向的机动车会产生冲突；有轨电车线路由路侧转为路中时（见图5），与3个运行方向的机动车会产生冲突。

2 路口优先中的无线通信技术

现代有轨电车道口信号优先系统是有轨电车调度系统的重要组成部分，可实现平交道口主动信号优先的自动控制。在有信号管理的平交道口，系统工作时，首先需要完成对有轨电车车辆的检测和定位，信号处理系统对其信息进行分析、判断和处理，确定一种能使有轨电车优先通过平交道口的信号灯状态，并将信号灯状态控制命令传送到道口信号机执行，达到有轨电车信号优先控制的目的。

通常有轨电车道口优先信号系统采用无线通信技术实现道口列车识别、定位；采用线缆连接无线地面接收设备、职能信号控制器和控制服务器，实现控制服务器对优先策略的控制、编辑和统计。

目前，可运用在有轨电车道口信号优先系统的无线通信技术主要有GPS/BD＋GPRS、源射频识别RFID、基于ZigBee、基于感应线圈等无线通信技术。

（1）GPS/BD+GPRS。系统通过GPS/BD卫星定位系统对运行中的有轨电车实时定位，并利用通信运营商的GPRS移动通信网络进行实时数据传输，列车的定位信息最终传送到信号优先控制系统控制服务器。当车辆行驶到道口时，信号优先系统控制服务器根据收到的列车位置和运行速度，以及上一次平交道口信号优先服务级别信息情况，相应配置道口优先策略，并给出信号机显示控制，实现道口信号优先。

（2）源射频识别RFID。RFID是一种非接触的射频通信方式，通过读写器与标签的无线通信可以进行信息采集，从而识别标签载体的身份等特征。RFID技术是在平交道口合适位置安装读卡器，当安装有RFID电子标识卡的有轨电车车辆经过读卡器时，系统感知到有轨电车车辆的到来，从而通过控制服务器给予信号优先控制。

（3）Z i g B e e。在有轨电车上安装Zig Bee通信车载移动设备，道口两侧安装ZigBee通信地面设备，信号机机箱内安装道口通信基站，三者之间通过无线通信连接。当安装有车载移动设备的有轨电车行驶到道口一定距离时，路侧地面设备就能在众多车辆中感知到有轨电车的到来，地面设备将此信息通过通信基站用RS232传递给信号机，实现有轨电车车辆的信号优先。

（4）感应线圈。将感应线圈电缆安装于钢轨之间，用来提供有轨电车与地面控制设备的通信连接。感应线圈技术主要适用于具有专用道路的系统，在有轨电车专用道路上离道口一定距离处安装地感线圈，当有轨电车行驶过线圈时，系统通过检测感应线圈内感应电压的变化感知有轨电车的到来和方向，系统控制服务器命令道口信号机对有轨电车给予信号优先。

3 路口优先方案

有轨电车路口优先主要通过信号灯优先实现，解决方式主要有以下几种。

（1）插入有轨电车专用相位（绝对优先）。当有轨电车在非通过相位（非绿灯状态）到达交叉口时，在非通过相位中（非绿灯状态）插入一个有轨电车专用相位（绿灯），实现有轨电车不停车直接通过交叉口，待有轨电车完全通过后，按照原有相位顺序继续运行。

绝对优先对机动车通行影响最大，在机动车流量较大时，考虑到国内机动车交通实际情况，可能造成次生交通拥堵，因此绝对优先适用于主/次、主/支等平交道路等级较低、交通流量小的交叉路口。

（2）绿灯延长或红灯缩短（相对优先）。绿灯延长：当有轨电车在通过相位（绿灯）快结束到达交叉口时，延长该相位（绿灯），实现有轨电车不停车直接通过交叉口。红灯缩短：当有轨电车在非通过相位（非绿灯状态）到达交叉口时，提前开启有轨电车通过相位（绿灯），最大限度减少有轨电车停车等待时间，实现优先通过。

相对优先对机动车通行影响较绝对优先小，适用于主/主等平交道路与有轨电车道路等级一致、交通流量较大的交叉路口。

对于次/主等平交道路等级高、交通流量大的交叉口，为不影响机动车通行，可采用不优先的信号控制方案，有轨电车完全按照原有机动车信号灯指示行车。

考虑到交叉口性质，根据“主/次交叉口采用绝对优先、主/主交叉口采用相对优先、次/主交叉口不优先”的原则，设置有轨电车路口优先系统，既充分保证有轨电车优先通过，又尽量减少对机动车通行的影响，确保机动车通行顺畅，不带来新的“堵点”。

麒麟科技创新园现代有轨电车1号线工程沿线有17个十字形路口，可采用表1所示路口优先方案。

表1 交叉路口优先方案序停车交叉口号停车位置原因类型类型形式1 沧麒东路/九号路交叉口路侧主/次相对优先2 沧麒东路/光华东路交叉口路侧主/主不优先3 沧麒东路/柳营南路交叉口路侧主/次相对优先4 沧麒东路/钟学路交叉口路侧主/次相对优先5 沧麒东路/钟学北路交叉口路侧主/主不优先6 沧麒东路/天竞路交叉口路侧主/支绝对优先7 沧麒东路/花岗路交叉口路侧主/支绝对优先8 沧麒东路/南湾营路交叉口路侧主/主不优先9 沧麒东路/天和路交叉口路侧主/次相对优先10 沧麒东路/天泉路交叉口路侧主/支绝对优先11 沧麒东路/天旺路交叉口路侧主/支绝对优先12 沧麒东路/天麒路交叉口路侧主/支绝对优先13 沧麒东路/芝嘉东路交叉口路侧转路中主/次绝对优先14 芝嘉东路/土花路交叉口路中次/支绝对优先15 芝嘉东路/马高路交叉口路中次/主不优先16 芝嘉东路/文康路交叉口路中次/支相对优先17 芝嘉东路/天泉路交叉口路中次/次相对优先

4 预期效果

在表1所示路口优先方案的基础上，考虑到各车站停车时间、各交叉口停车时间期望值，通过分析，形成表2所示运行时刻表。

在上述路口优先方案基础上，麒麟科技创新园有轨电车平均旅行速度不小于20 km/h，符合相关标准要求，牵引蓄电池放电深度不大于4.6％（小于5％的设定值，且蓄电池容量始终处于最优工作区间，确保了牵引蓄电池的使用寿命），放电电流不大于2.0 C，充分保证了有轨电车系统快捷、可靠的运营服务能力。

表2 运行时刻表有轨电车车站里程/km 停靠时间/s 行驶时间/s 总时间/s马群 0.00 0 0 0百水芊城 1.39 40 157 197马高路 2.16 35 88 320天旺路 2.79 45 71 436天和路 3.63 40 95 571南湾营 4.38 30 85 686天泽路 4.94 30 63 779天竞路 5.64 30 79 888中央公园 6.39 30 85 1 003光华东路 7.08 30 78 1 111建南路 7.64 30 63 1 204九号路 8.22 30 66 1 300王五庄 8.84 180 70 1 550九号路 9.46 30 70 1 650建南路 10.04 30 66 1 746交叉路口 10.45 60 46 1 852光华东路 10.60 30+60 17 1 959中央公园 11.29 30 78 2 067交叉路口 11.89 60 68 2 195天竞路 12.04 30+60 17 2 302天泽路 12.74 30 79 2 411交叉路口 13.15 60 46 2 517南湾营 13.30 30+60 17 2 624天和路 14.06 40 85 2 749天旺路 14.89 45 95 2 889马高路 15.52 35 71 2 995百水芊城 16.30 40 88 3 123马群 17.68 180 157 3 460

在机动车交通高峰期过后，还可以通过缩短机动车通过相位，提高更多路口的有轨电车通过优先权，进一步减少有轨电车的停车等待时间，实现有轨电车旅行速度的再次提升。