现代有轨电车信号系统总体结构及功能实现方式

严建鹏 梁 奕 徐宏伟 陆艮峰

(国电南瑞科技股份有限公司轨道交通技术分公司，210061，南京//第一作者，工程师)

有轨电车具有速度低、轨旁设备少、与道路车辆共用路权等运营特点。为保障其安全、准时、高效、可靠运行，现代有轨电车以车辆段调度中心集中控制为核心，采用司机人工驾驶模式，在道路平交路口以优先通过权通行，集中控制道岔区域设备，并能实现准确定位列车位置，形成了独特的信号控制体系[1-2]。本文从有轨电车信号系统功能设计角度，讨论其总体结构及功能实现方式。

1 有轨电车信号系统基本结构

有轨电车信号系统主要由ATS(列车自动监控子系统)、SCS(正线道岔控制子系统)、CCS(道口控制子系统)、VCS(车载控制子系统)及DSS(车辆段信号子系统)等构成。各子系统之间通过专用有线和无线通信网络进行数据交换。有轨电车信号系统基本结构及数据流如图1所示。

2 ATS

2.1 ATS组成

与地铁和轻轨信号系统相比，有轨电车ATS只在控制中心有设备，在车站没有设备。所有列车的运营调度和指挥工作全部在控制中心调度工作站完成。ATS设备主要包括行车调度工作站、计划调度工作站、视频监控工作站、维护工作站、网络通信设备及大屏幕显示系统等。各ATS设备通过信号安全以太网互联，如图2所示。目前，苏州高新区有轨电车2号线ATS与ISCS(综合监控系统)已实现深度集成，采用“平台+应用”设计模式，将信号、通信、机电、供电及乘客信息等多个专业的设备集成在统一的TIDS(综合自动化平台)之上，融合形成了以行车调度指挥为核心，对车、机、电统一监控和管理的更高级信息整合。

2.2 ATS的基本功能

(1) 行车信息显示。ATS接收并处理SCS、CCS、VCS、DSS的实时数据，在行车调度工作站和大屏幕上显示全线线路、列车、车站及轨旁设备，以及供电等设备的各种状态信息，实时反映在线列车的运行位置、运营状况以及信号设备当前状态。行车调度工作站还可查看各类实时统计信息。其显示内容全面、直观、简洁。

(2) 列车运行监视的追踪。ATS根据SCS、VCS及DSS发来的列车标志、列车位置和线路占用信息，监视每辆在线列车的运行过程，并向每辆列车实时传送其前后列车位置和速度信息，控制在线列车追踪间隔，保证运营安全畅通。这是ATS系统最重要的功能。

图1 现代有轨电车信号系统基本结构及数据流示意图

图2 现代有轨电车ATS基本组成图

(3) 列车进路控制。行车调度员通过行车调度工作站下发进路控制或信号设备控制命令，开放信号，复位设备。进路控制可自动触发，也可人工办理，并采用交路表和进路表的方式，高效管理每条进路和每列列车的运行轨迹。

(4) 列车运行计划编制和查询。将列车运行计划以时刻表的方式进行编辑、存储、查询及修改；将列车实际到发时刻与计划时刻表对比，统计早晚点情况，并实时进行调整和优化；在早晚高峰和节假日采用特定时刻表，以提高运输效率。

(5) 车辆运用计划和车辆管理。ATS根据当日计划时刻表、车辆检修计划及司机派班计划等信息，编制当日车辆运用计划和配车计划，并发送给DSS，由DSS办理车辆出入段进路和调车进路，统一管理全线列车的上线和入库。

(6) 列车运行信息记录和查询。ATS将全线列车运行信息、操作情况、设备状态、报警信息实时分类存储，并形成各类统计分析报表。运营工作人员的可随时查询各类信息，便于清楚地掌握运营实际状况。

(7) 人员培训和系统维护。通过培训工作站，可对新上岗人员独立进行各类培训和教学。在视频和维护工作站，设备维护人员可方便实时查看系统运行状况与报警信息，实时了解设备运转和修复情况。

此外，为保证ATS系统控制命令的安全下发，对道岔复位、轨道区段复位、区域限速取消等涉及安全的关键操作，规定采用安全命令，且安全完整性等级(SIL)要求达到SIL2级。

3 SCS

3.1 SCS的组成

有轨电车信号系统没有车站设备。道岔区域设备由SCS集中控制。SCS主要设备安装在轨旁道岔控制箱里，具备耐高温极寒、安全可靠、维护简单且成本低等技术要求，是有轨电车电车信号系统中最关键的子系统，其功能SIL最低需要达到SIL3级。

道岔控制设备一般沿线分散设置。1套SCS设备控制1个道岔区域，并将道岔、信号机、轨道电路、现地控制盒及感应环线等信息集中处理和控制。但对于较短的有轨电车线路，也可多个道岔区域共用1套SCS设备，或全线只在控制中心集设置1套SCS设备。这样可减少设备，方便设备的集中监测。SCS基本结构如图3所示。

图3 道岔控制子系统基本结构示意图

3.2 各组成部分的功能

道岔控制主机是道岔控制子系统的核心部分，一般采用符合“故障-安全”原则的二乘二取二或三取二安全计算机平台来搭载联锁业务，进行逻辑运算、安全采集与驱动。道岔控制主机根据ATS指令，结合相邻道岔控制主机数据，选排和锁闭进路，集中控制道岔转动方向和信号机显示灯光，是信号系统最关键的控制设备。

轨道电路控制器负责对轨道电路检测信息的处理，并将区段占用/空闲状态发送给道岔控制主机。感应环线收发器负责将环线检测信息和车载VCS系统数据发送给道岔控制主机，同时将道岔控制主机数据发送给经过环线的列车，是车-地通信的重要通道。为保证道岔控制主机的外部安全，采用了安全型继电器和防雷模块组成的接口电路，将转辙机及信号机同道岔控制主机进行电气隔离。

道岔控制功能主要包括进路排列、进路解锁以及单独操控等。道岔控制方式有中心ATS自动控制、本地道岔控制子系统自动控制、车载人工遥控及司机通过现地控制盒人工控制4种[3-4]。相邻道岔控制子系统通过信号专用以太网核心交换机互联在一起，相互通信、相互照查。

3.3 控制方式

在目前国内已开通的线路中，有轨电车岔区轨道占用检测和车地通信基本都采用轨道电路和信标配合的方式完成。“计轴+感应环线”方式简单准确，维护量小。但因有轨电车采用U型槽轨，计轴磁头安装点需要切轨。“交流轨道电路+感应环线”方式成本低、易于维护，不用切轨。

道岔转辙设备一般选择采用地埋式转辙机，道岔防护信号机一般采用矩形框形状显示的LED(发光二极管)三色进路表示器。

3.4 路权等级不同的影响

根据运营需求和线路采用的路权等级，可确定是否选用应答器作为绝对坐标来校正列车定位误差，以及是否选用ATP设备来保证有轨电车安全间隔。有轨电车线路路权有A级、B级及C级。

A级路权为独立路权。采用A级路权的有轨电车线路大多全线封闭，可配置ATP(列车自动防护)和ATO(列车自动运行)，甚至可达到无人驾驶。A级路权适合繁忙路段，或高标准投资且具备同地铁或轻轨线路对接条件的线路。

B级路权为部分独立路权，又称混合路权。有轨电车在区间享有独立路权，在道路平交道口与其他交通方式混行。B级路权的有轨电车可参照点式ATP标准，采用连续式速度控制模式。列车追踪间隔可缩小至2～3 min。电车优先通过道路平交道口。行车安全由司机和车载ATP来保证。虽然投资成本和维护成本较低，但对车载设备和轨道电路的要求较高，对公共车辆通行影响也较大，适合较繁忙路段，或站间距较大、平交道口较少、列车通行条件较好的线路。

C级路权为开放式路权，即有轨电车与其他道路交通混合行驶。C级路权的有轨电车信号系统由道岔控制器、轨道电路、感应环线及车载辅助驾驶设备组成。列车间隔为3～5 min。有轨电车在平交道口遵守公共交通信号，其行车安全由司机保证，对公共车辆通行影响很小，但运能和收益都优于BRT(快速公交系统)，适合大部分线路或作为B级路权信号系统的后备模式[5]。

在已开通线路中，佛山南海线、上海松江线采用A级路权，长春净月线采用B级路权，苏州高新区1号线、南京河西线、沈阳浑南线、广州海珠线等线路采用C级路权。C路级权线路在设计时都考虑或预留了升级扩容能力，以适应未来客流的增长。

4 CCS

CCS是保证有轨电车与道路交通车辆安全通行的重要设备，其核心功能是检测道口区域列车的接近、占用和离去，并根据优先通行模式和道路交通信号灯来控制道口通行逻辑、控制道口信号灯的显示灯光。CCS基本结构如图4所示。

图4 CCS基本结构示意图

道口控制主机接收ATS信息，在设定的道口优先级模式下，根据列车时刻表、列车接近和离去信息，向道路交通控制机实时发送信号请求，并根据道路交通控制机信息，适时开放绿灯，同时将道口设备状态和道路交通控制机逻辑数据发送给ATS。CCS在每个道口设置3组感应环线，分别用于列车接近、占用和离去检测，检测信息由道口控制主机统一处理。距离道岔区域较近的平交道口，道口控制主机还可与道岔控制相互通信，甚至可共用1个设备箱。

有轨电车线路和城市道路有多个平交道口，多条有轨电车线路之间也存在互相交叉的道口；因此，有轨电车的运行也必须遵循一定的交通规则。B级或C级路权时，通常采用有轨电车信号绝对优先、相对优先、常规信号行驶3种通行规则[6]，有轨电车信号系统与道路交通信号系统相互制约，合理控制各自信号灯的开放时机[7]。A级路权时，有轨电车信号系统与道路交通信号系统相互独立，对道路交通基本没有影响，但需要道路交通信号系统为有轨电车专设右转信号灯[8]。例如沈阳浑南线有轨电车道口信号机仅指示进路开放状态，不指示平交道口通行权，故有轨电车需遵守道路交通信号指示。通常大部分平交道口都采用有轨电车信号优先控制模式，道口控制主机将列车接近、占用、离去等信息发送给道路交通控制系统，由道路交通控制系统根据通行策略，控制各个方向交通信号灯显示和等候时间，从而降低有轨电车行程时间和等候绿灯时间，提高准点率和服务水平。

道口通行方式需要根据线路具体特点来综合考虑。有轨电车线路上每个道口采用何种通行策略，需要根据道口具体特点来综合考虑，不一定全都采用同一种方式。目前，淮安有轨电车等线路为提高有轨电车道口通行能力，已成功应用了“绿波带”技术分段设计信号优先策略，并取得了良好的效果。

5 VCS

VCS是辅助司机驾驶列车的重要设备，主要由车载控制主机、车地双向无线通信设备、GPS接收天线、感应环线设备、测速设备以及司机显示屏等部分构成，并与驾驶台司机按钮盘、列车牵引制动系统、列车电源屏等设备相连。VCS的核心功能是实时检测列车运行速度、向ATS提供列车位置信息，以及与ATS进行双向通信。对于列车运行速度较高、间隔时间较短、行车密度较大的线路，应考虑在VCS中增加超速防护功能。VCS基本结构如图5所示。

车载无线电台负责利用无线网络接收ATS系统实时报文信息，并送给车载控制主机进行解析和处理。GPS/BD(北斗定位系统)天线负责接收GSP或北斗导航卫星定位信号，并通过车载主机送给ATS系统按照站场图进行拟合，转化为信号系统定义的精确坐标，以此来控制列车间隔，实现多车追踪运行。测速单元负责将雷达信号和其他速度传感器信号进行滤波和融合，将速度数据送给车载主机。感应环线处理单元及环线接收天线负责从地面环线接收SCS进路信息，并将列车接近信息和司机进路遥控指令发给SCS，实现车载设备与道岔控制设备之间的双向通信。

图5 车载控制子系统基本结构示意图

车载控制主机负责处理ATS信息、SCS信息、导航定位信息、测速信息以及司机按钮盘信号，同时将列车实时速度、目的地距离、前后列车位置与速度、前方道岔区域进路状态等信息分类显示在司机界面上。为保证电车安全追踪间隔，车载控制主机还应能实时计算超速防护曲线，并仍由司机参照该“速度-距离”曲线来驾驶列车。这样既实用，又便于车载设备功能升级。

车-地无线通信是有轨电车车载设备与控制中心ATS实现双向、实时、大容量交换信息的重要途径。国内外标准对车-地通信性能指标有严格的规定[9]。目前在轨道交通信号领域，广泛采用基于IEEE802.11标准的WLAN(无线局域网)技术，其可靠性、安全性和可用性都能满足要求，但存在同频干扰问题，且设备成本高、维护工作量大。随着列车控制信息、PIS(乘客信息系统)信息及视频信息量的不断增加，抗干扰性能强、覆盖范围广、移动性和服务质量更好的TD-LTE(时分长期演进)技术成了新的研究热点[9-10]。目前，广州海珠线和宁波鄞州线等有轨电车信号系统正在尝试采用红蓝双网冗余配置的TD-LTE技术。未来有轨电车通信和信号系统将共用更多设备，逐步融为一体。

有轨电车通常采用人工目视驾驶模式，由司机来保证行车安全。为增强暴雨和雾雪天气下的行车安全，VCS可采用雷达探测、红外探测及视频检测等技术，以便及时发现线路附近的社会车辆和行人等危险点，并通过告警辅来助司机提高反映能力。

6 DSS

相比于地铁车辆段，有轨电车车辆段规模虽小，但信息化、集成化程度却完全相同，且具备地铁车辆段全部功能。为降低成本，兼顾运营方便，通常1条有轨电车线路仅在中间位置设置1个车辆段，并从车辆段向两侧线路同时发车。列车运行至终点车站后折返换端，以保证前线列车有序运行。以车辆段计算机联锁系统为核心的DSS，通过信号安全以太网与控制中心ATS相连，接收ATS指令和信息。车辆段值班人员通过值班员工作站或应急控制台，进行接发列车和调车作业。维护管理工作站和微机监测系统，用于安排检修任务、维护信号设备、实时掌握设备运行状况。通过试车线工作站，可试验车载设备性能，培养驾驶人员。同时，车辆段计算机联锁系统通过信号安全以太网，还可与正线道岔控制器进行通信，获取正线进路和设备状态，开放或关闭出入段信号机，向正线发车。正线SCS则通过网络获取车辆段联锁条件，排列列车返回车辆段的进路。DSS基本组成如图6所示。

图6 DSS基本组成示意图

由于有轨电车信号设备较少且功能较为简单的特点，车辆段联锁和道岔控制系统更适合采用同1套安全计算机平台，使备品备件可以通用，以节省维护和人力成本。

7 结语

本文研究了现代有轨电车信号系统的总体结构、工作原理及数据交换过程，阐述了各子系统结构组成和主要功能，并总结了有轨电车信号系统的关键技术和功能实现方式。

现代有轨电车综合自动化系统已成为及各个专业为一体的信息化、智能化、模块化、网络化控制系统。随着应用经验的不断累积，未来有轨电车信号系统将会采用更多新技术、新设备，进一步提供系统的可靠性和稳定性。此外，受限于道路交通通行规则的约束，有轨电车运行速度仍相对较低，如何在保证安全的前提下，实现有轨电车的快速起停和高效运行，以及有轨电车在交叉路口安全高效通行，最大限度的发挥运能，仍是有轨电车信号产品研发和工程设计追求的目标。