现代有轨电车正线道岔控制方案的选择

2015-02-12李晶

铁道通信信号 2015年1期

李晶

自20世纪90年代后期，现代有轨电车在法国率先发展以来，截止2011年末，海外已有50多个国家的400多个城市运营现代有轨电车系统。近年来，国内也有大量的现代有轨电车项目开始启动，根据《2013年现代有轨电车行业分析报告》显示，全国现有20多个城市相继开展现代有轨电车的线网规划及设计工作，规划线路已超过了50多条。

1 现代有轨电车特点

我国建设部《城市公共交通分类标准》(CJJ/T 114-2007)中明确将有轨电车与轻轨、地铁一同划分到城市轨道交通范畴，并将其定义为低运量的轨道交通系统。然而，现代有轨电车具有“城市轨道交通”和“城市道路公共交通”的双重优势。与传统的地铁、轻轨相比，其造价低，建设周期短;占地灵活，敷设简单;车辆运营组织弹性大;服务便捷，设计新颖;与道路公交相比，其速度快、运能大、节能，污染小。现代有轨电车的特点主要体现在以下几个方面:

1.线路一般以地面线为主，正线站间距较短。

2.车站结构简单，规模小，对设备系统需求简化。

3.路权形式可以分为完全独立路权、半独立路权、混行路权。运行线路或部分运行线路可能不是封闭环境，与其它地面交通形式存在混合运行情况，所以路权相对开放。

4.车辆质量较小、制动距离较短，可以具备灵活的运营组织方式，如2辆以上的车以很近的间距排列行驶。

5.列车在轨道上运行，运行中需经过道岔，转线或折返作业时也需经过道岔，因此道岔需具备安全、灵活的操控功能。同时，列车经过弯道或者道岔侧向时，需强制限制列车运行速度。

6.车辆编组灵活，可多列连挂编组。

除此之外，还应该注意，现代有轨电车虽然被划分到轨道交通的范畴，但是其与地铁、轻轨在驾驶模式上还是有很大不同的。有轨电车一般采用“人工驾驶、司机瞭望、保证安全”的驾驶方式。司机根据电车速度判断并保持与前车的距离，并能将电车在人可反应和控制的时间内制动。这种驾驶模式是由其自身的系统特点决定的，也是保证有轨电车运营灵活性、提高运营效率的必然选择。这种方式在国内外已经被普遍认可，也在许多规范标准中有明确的说明。

2 现代有轨电车正线运行需求分析

从技术上讲，如果有轨电车采用全封闭专用车道 (在道路平交道口处，采用立体交叉方式通过)，配备完整的列车自动控制 (ATC)系统，行车间隔完全可与地铁、轻轨相当。而从路权条件和运营组织上看，国内外的大部分有轨电车项目选用混合车道和半封闭车道的形式，路权相对开放，且通常采用人工驾驶模式。这些运行特点和运营组织方式，决定了有轨电车正线信号系统有着与传统城市轨道交通不同的功能需求，具体表现在:

1.无安全间隔控制需求 (长大隧道路段除外)。在地铁或轻轨中常用的正线信号系统通常具备ATP防护的列车控制功能，以保证高运量、封闭环境中追踪列车运营安全。但是在有轨电车工程中，线路不完全封闭，存在与地面公共交通的平面交叉路口和相对开放的运营环境，它决定了传统的ATP防护功能并不能防止电车和社会车辆、行人之间的冲突，达不到其控制目的。如采用ATP防护，在有轨电车复杂的路权环境中，将导致ATP的功能需求更高更复杂，不仅增加工程投资，而且会增加司机的依赖性、降低司机的警觉性，对与社会车辆和行人发生事故埋下一定的安全隐患。

2.无超速防护需求，但有一定的辅助驾驶告警需求。有轨电车允许其具备灵活的运营组织、2辆以上的车可以以很近的间距排列行驶或站内停靠。因此，系统无超速防护需求，只要求司机保证避免追尾和冲撞。在曲线限速段、转弯处、路口、长大下坡等路段，可对司机进行语音提醒，但无控制功能。

3.无ATO自动驾驶和精确停车需求。由于有轨电车采用人工驾驶模式，所以无ATO自动驾驶需求。同时，在站台的停车作业也是由司机来操作完成的，无精确停车需求。

4.对道岔区域有可靠的联锁需求。对于轨道交通，道岔转换、锁闭的安全性、可靠性，是保证列车安全通过以及提高行车效率最重要的条件之一。在有轨电车“人工驾驶、司机瞭望、保证安全”驾驶模式下，正线道岔控制子系统无疑是有轨电车智能控制系统中，保证行车安全和提高行车效率的最关键子系统。

有轨电车道岔控制的功能需求，是建立在传统轨道交通中信号联锁的基础上的，即:当有轨电车接近时 (控制始点)需对道岔进行可靠控制 (转换至规定的位置，并锁闭)，给出相应的信号指示，确保列车在通过道岔 (控制终点)后，道岔才准许解锁。另外，道岔区不仅应有完整的控制过程，还应保证当前车辆对道岔区具有唯一的控制权;且车辆在完全离开道岔区段期间，系统不授予其它车辆控制权，以保证运行安全。

由以上需求分析可知，有轨电车正线“信号系统”无需闭塞防护、超速防护、ATO、精确停车等功能，仅需满足对道岔的控制、锁闭、解锁及进路指示器的开放等功能。因此，有轨电车的正线信号系统实质上是一个道岔控制系统。

3 现代有轨电车正线道岔控制方案

3.1 正线道路控制区域

有轨电车道岔控制系统仅对道岔进行控制，而对道岔区之外的其余区域是不进行控制的，没有区间控制的概念。相邻的道岔可以构成一个控制区域，道岔之间有一定的联锁关系。如果2个道岔相隔有一定距离，超过了1个常用制动距离或反应时间内走行距离，就应该分开控制。

3.2 道岔 (进路)控制模式

在有轨电车运行中，司机在遵照运营规定的前提下，按照基本的地面信号显示驾驶电车，来保证安全通过道岔，完成运营、折返和进入车辆场等作业。而针对有轨电车系统的控制模式有2种方案，即中心控制优先和现地控制优先。

1.方案一:中心控制优先。传统轨道交通均采用中心控制优先方式，所有进路都由中心发起。中心采集轨道占用、道岔位置、信号机显示等各种信息，根据时刻表自动排列进路。同时调度员拥有进路控制的最高优先权。

2.方案二:现地控制优先。道岔或进路控制均由司机在轨旁完成，中心调度员仅对轨旁设备进行监视，并无实际控制权。

传统轨道交通都是以中控为基础，进路或道岔操纵必须由中心自动或调度员人工发出。这种模式是建立在以下基础之上:全线进路控制是一个有机整体，所有进路都是衔接在一起;系统对行车安全负责，司机仅按照信号 (或车载信号)显示行车;线路属于全封闭，环境简单，调度员只需要根据工作站显示以及联锁安全保证，排列进路即可。

传统轨道交通采用由中心调度员统筹安排的方式，既可以提高效率，又能保证安全。而有轨电车道岔控制区分离，司机对行车安全负责，同时，道路不封闭，调度员不能掌握道路状况，尤其是道岔布置在开放路口的情况下，中心调度员即使要办理进路也需要经司机确认。因此，有轨电车采用现地控制优先方式，由司机在轨旁控制道岔，责任划分清晰，且运营灵活，符合公交化运营的思路。当然中心调度员可通过无线列调对列车运行统筹安排调度。

3.3 进路触发方式

进路触发分为接近触发和通信触发。

1.接近触发:在道岔区段前设置接近区段，当列车占用接近区段，即触发事先设定好的进路。可结合车次号软跟踪实现不同进路的触发。

2.通信触发:列车在接近道岔区时与轨旁通信，从而触发进路。由于通信报文的灵活性，可根据需要触发不同进路。

接近触发适合中心控制模式，通信触发适合中心控制和现地控制模式，同时通信触发更加灵活，效率更高。

3.4 道岔控制主机设置方案

道岔控制主机的设置分为集中设置和分散设置。

1.集中设置。可以有以下2种情况:一是集中式联锁，相邻几个道岔区集中设置1套联锁主机进行控制，但每个道岔区相互独立，之间无联锁关系，其联锁控区的划分原则上与地铁类似;二是分布式联锁，全线可以只设1套联锁主机 (可放置在中心，也可放置在有条件的正线车站)，在每个或距离较近的相邻道岔区域，均设置1套远程I/O设备。

2.分散设置。以单独控制道岔为基础，道岔控制主机分散在轨旁道岔附近，1个道岔区域设置1套道岔控制主机。无需经过中心或车站办理，完全依靠列车和轨旁道岔控制设备的交互实现道岔控制，使道岔区段内的道岔和进路表示器之间建立起正确的联锁关系，保证道岔控制的安全性和可靠性。

集中和分散设置的优缺点分析如下:①集中和分散目前安全性均能达到SIL4级的要求。②集中式联锁在国铁和地铁、轻轨中被广泛应用，方案成熟;分布式联锁虽在国内没有太多的应用业绩，但是从技术上分析方案可行，多家供货商均能提供成熟的产品;分散方式在有轨电车领域被普遍采用，大连、天津、沈阳、青岛、深圳、苏州等城市均采用此方式。③集中设置有用房需求，即使是分布式的也在轨旁有机柜安装的需求;而分散设置只需在轨旁设置道岔控制箱，可减少土建投资，对景观有利。④集中设置沿线需敷设大量光电缆，超过一定的控制距离后，还需要设置远程控制单元和现场接口设备。⑤集中设置受主机至轨旁通信和光缆路径影响较大，一旦通信出现故障，将全面影响运营，同时集中设置主机故障后影响面较大。⑥分散设置现场设备少，能够较好地适应有轨电车困难的安装条件和较高的城市景观要求，也便于维护维修;集中设置则无此方面优势。

综上所述，有轨电车对道岔控制的需求相对简单，分散、集中设置均可满足，但从设备用房、电缆敷设、设备安装条件、系统构成、景观影响、工程投资等方面综合考虑，建议有轨电车采用分散设置道岔控制主机的方式。

3.5 现地控制道岔的控制模式

分散式的道岔控制一般可分为自动控制模式和人工控制模式。两种模式的切换选择由司机通过设置在车载控制台上的硬件开关完成。正常情况下，自动控制模式作为系统运营控制模式。

1.自动控制模式。在列车接近道岔区、通过车-地双向通信设备建立与地面的通信后，响应当前道岔控制箱呼叫，列车向其发送列车线路号及对应进路信息。道岔控制单元依据中央运营调度管理子系统下达到本地的运行计划，根据列车线路号及进路信息自动设置进路。

道岔控制子系统在办理进路之前检查岔区的占用状态及进路状态，在没有既有进路且联锁条件满足的情况下选动道岔。道岔动作到位后向转辙机发送锁闭指令，并且向进路表示器发送显示指令。进路表示器根据道岔的方向和锁闭信息，显示当前进路状态，同时道岔控制单元通过双向通信设备向车载控制子系统提供进路状态。

列车按顺序驶过通信设备及岔后列车位置检测设备，道岔控制子系统根据安全组合逻辑判断列车出清后，解锁进路，解除对道岔的锁闭。

2.车载遥控模式。在上述自动道岔控制功能失效的情况下，采用司机遥控控制道岔。在列车驶过自动控制区段，地面仍未获得道岔操作命令时，车载报警提示司机按压车载操作盘相应按钮，进行道岔区的进路人工办理，进路信息通过车-地通信发送给正线道岔区控制系统。正线道岔区控制系统在接受到由车载信号系统发送的进路请求后，检查联锁条件均满足的前提下，排列进路并且锁闭，同时立即开放信号，列车继续行驶，通过道岔区段后自动解锁。此时，车载系统自动屏蔽道岔的人工控制功能，人机界面上允许司机人工控制道岔的指示熄灭。

除以上自动控制失效的情景，人工控制模式还可用于非运营计划内的列车和车载信号系统局部故障情况下的列车运行。

3.道岔人工现场控制。在上述自动及遥控道岔控制功能均失效的情况下，司机可下车通过设置于进路表示器杆上的开关，人工操纵道岔，或使用便携工具搬动道岔。

4.中心人工控制。在有运营需求时，由中心调度员在确保安全的前提下，采用人工确认流程，在调度中心下发进路解锁指令，道岔控制子系统接受来自调度中心的进路解锁指令解锁进路。