有轨信号控制系统的研究与实现

温业中 黄仁欢 杨建华 宁 博

(通号万全信号设备有限公司，杭州 310000)

1 概述

随着社会的发展和城市化水平的不断提高，人们对交通出行的需求越来越多，对公共出行的要求也越来越高。作为一种新型轨道交通方式，现代有轨电车正在被越来越多的城市采用[1]，并且该方式低碳环保、运营效率高等特点，已被许多城市作为风景线纳入城市建设的规划。

现代有轨电车具有投资较低、建设周期短、节约能源、绿色环保、运营灵活等特点，近年来大力发展有轨电车成为一种新的趋势，针对这一发展趋势，研究1 套有轨信号控制系统，保障有轨电车的安全运营，成为当前研究的课题。主要从有轨信号控制系统的构成、功能等方面阐述该信号控制系统的控制原理。

2 系统架构

现代有轨电车信号系统的总体结构是层次清晰，功能划分合理，集中和分散控制相结合，并且复杂性和经济成本相对合理。根据功能性的差异，将有轨电车整个系统设备分为前端和后端设备，中间通过骨干传输网进行通信交互。后端设备包括机房、控制中心、信号室；前端设备包括车载子系统、轨旁、道口。如图1、2 所示。

图1 后端部署Fig.1 Back-end deployment

图2 前端部署Fig.2 Front-end deployment

整个网络环境由有线和无线Wi-Fi AP、移动无线终端组成，如图3 所示。通信协议均由RSA算法加密，保障通信安全可靠。后端部署、前端轨旁、道口均为有线光纤网络；前端车载子系统由移动无线接入中心网络；前端设备、机房服务器及控制中心各客户端同处在1 个局域网中，前端设备通过无线网络与机房中的服务器、控制中心的客户端进行交互；控制中心、信号室的指令及数据采集则通过有线网络先送至机房服务器或者交换机，再通过无线网络送至前端。

图3 信号系统架构图Fig.3 Signal system architecture

系统特征如下。

1) 控制中心、信号室与服务器间采用C/S 架构，以达到丰富的界面操作，保证安全性，响应快。

2) 服务器功能角色主要有数据库服务器、文件服务器、即时通信服务器、WEB 服务器。

其中根据系统点位大小，成本投放要求，可以将数据库服务器、文件服务器、通信服务器进行三合一或三合二。WEB 服务器作为可选项，它的作用是方便远程维护、远程监控、远程展示，可以远程了解现场运营实时情况。

3) 前端设备与后端平台主要是通过即时通信服务器进行交互，集控管理。这样逻辑清楚，数据汇总统一。故障维护时，方便问题查找和问题定位。

4) 该架构降低网络环境复杂性，层次分明，便于网络问题定位和解决。

3 系统功能

3.1 控制中心

控制中心主要由显控（HMI）、电子地图、行车计划等软件组成。显控软件能显示所有站场信息，内容包括区段、道岔、信号机等状态，并且能通过显示软件进行选路排路、故解、出清等功能；电子地图能反应所有车辆运营情况、物理位置、前后车距等信息；行车计划主要实现运营车辆调度，提高运营效率。

3.2 车载子系统

车载子系统由车载主机、车载TOD、手操盘组成。车载主机通过采集速度传感器、GPS 信息进行综合运算，报告车辆的公里标、线路、上下行，作为基础信息提供给控制中心，方便计算出前后车距，预警安全范围；车载TOD 主机显示设备状态、站场信息（区段、道岔、信号机等）；手操盘可以实现排路、故解、单操等功能。

3.3 轨旁子系统

轨旁子系统由轨旁控制箱、道岔、转辙机、进路表示器和无源信标等组成。

在道岔区域，无源信标安放在岔前直股、岔后侧股、岔后直股位置，无源信标将道岔区域逻辑上分为接近区段、道岔区段和解锁区段。只有道岔区段空闲，且没有被其他列车占用，当前列车才可以操作道岔。当多台列车都要经过道岔区段时，只有最前方的列车对道岔拥有控制权。

轨旁根据收到电车通过无线发送的“接近、到达、解锁、离去”信标的信息，进行区段占用、区段出清等操作；同时根据进路情况，控制道岔的定反位、进路表示器的开放与关闭等操作、锁闭进路；在联锁条件满足的情况下，排出所需进路，保障列车的安全运营。

轨旁控制柜内的各功能模块相互独立，模块之间采用总线可靠连接，便于扩展和设备更换，采取双机热备的设计模式，通过骨干传输网将轨旁数据传送到各个子系统，还具备实现采集道岔动作电流、动作时间、位置状态、故障、进路表示器、点灯电流、色灯状态、断丝、控制箱温度、湿度、转辙机坑积水、电车正线信号系统车载操作记录等信息。

轨旁子系统功能包括：列车注册/释放、进路办理/取消、进路正常解锁、道岔单独控制。

1) 列车注册/释放

列车注册：轨旁道岔控制器接收到车载或控制中心的注册信息，检测始端信号机未被其他车辆注册后，将该车次号注册到始端信号机。

列车释放：轨旁道岔控制器接收到控制中心的移除注册命令，释放注册信息。

2) 进路办理/取消

轨旁道岔控制器接收到车载或控制中心的排路命令后，根据联锁条件、道岔等状态，判断满足进路开放条件，开放进路并锁闭，然后开放信号。

轨旁道岔控制器接收到车载或控制中心的进路取消命令后，关闭对应已经开放的信号并解锁进路。

3) 进路正常解锁

列车信号开放后，随着列车的正常走行，进路上的区段将自动解锁。轨旁道岔控制器判断列车已经过该进路区段，解锁进路、出清轨道区段并释放始端信号机注册信息。

4) 道岔单独控制

轨旁道岔控制器接收到控制中心道岔动作命令后，检查进路、区段锁闭状态并且道岔未在规定位置，根据命令对道岔进行正/反位操作。

3.4 路口优先

由于有轨电车与社会车辆采用共享路权的行车方式，在有轨电车经过路口时，有3 种方式来对信号进行控制。不同的优先通过方式对比如表1 所示。

表1 路口优先控制方式Tab.1 Crossing priority control mode

路口优先控制系统主要实现有轨电车在平交路口位置检测，负责完成有轨电车在过路口时向道路交通信号控制系统提出优先申请，优先申请信号包括“预告”、“接近”、“到达”、“离去”4 个信号。道路交通信号控制系统根据此申请判断是否具备开放有轨电车优先通过的条件，如果具备条件，则控制道路交通信号灯提前结束红灯，开放绿灯，同时给予平交路口综合控制系统“允许通行”信号，平交路口信号控制器据此点亮有轨电车专用机的通行灯。路口优先控制系统通过无源干接点和RS-485通信接口与道路交通信号控制系统实现信息交换。

4 实现原理

4.1 控制中心实现

控制中心对列车运行具有监视和指挥作用，包含显控软件、电子地图软件、行车计划软件、监测软件等。显控软件具有显示岔区联锁图与远程操控岔区转辙机正反位、进路办理与取消功能，显示方式有单站视图显示、联锁视图显示、区域视图显示。电子地图软件部署于大屏上，方便调度人员实时观察运营列车在正线上的运行轨迹。根据路线号进行控制台分类，每一个控制台部署一个行车计划软件，负责对应路线的次日行车计划编辑、下达功能，确保运营的紧张有序进行。监测软件负责车辆段信号设备、正线信号设备、地埋式转辙机、电子器件、温湿度监控、电压电流采集等数据的显示与报警功能，确保在第一时间内将信息准确无误的收集反馈，用于故障预防与维护使用。

4.2 车载子系统实现

列车前后端各部署1 套车载子系统，整个系统采用主备切换的冗余模式，以列车司机钥匙作为人工操作控制权限的标识，通过钥匙的切换达到主备的切换，如图4 所示。车载主机与车载TOD 直接通过CAN 总线进行通信，与轨旁系统通过无线433 通道或者Wi-Fi 辅助通道进行数据交互。车载TOD 动态显示列车运行信息，如GPS 信息、站点信息、前后车距离、报警等，在需要人工操作进路时，通过机械键盘按下相应按钮，可实现进路办理与取消。

图4 车载系统车内设备部署图Fig.4 Onboard system equipment deployment diagram

根据射频信号采集器读取到的信标来判断列车的4 种状态——“接近”、“锁闭”、“解锁”、“离去”。当列车读到接近信标时，往轨旁设备发送“接近”请求，轨旁设备注册该车，允许该车办理进路或者根据自动进路通过，表明列车接近；列车继续行驶，当列车读到到达/锁闭信标时，将信标信息反映给轨旁设备，轨旁设备登记该车到达岔区，并对其进行联锁防护；同理，当列车读到解锁信标时，将信标数据传至轨旁，轨旁再次登记该车已经解锁；最后，到列车读到离去信标时，发送离去信息到轨旁，轨旁注销该车或者该条计划。整个过程中，轨旁设备实时发送站场信息到控制主机，并在车载TOD 上显示。

4.3 轨旁子系统实现

每一个轨旁系统根据物理站点的位置进行部署，轨旁系统作为现场数据信息的采集者，在整个信号系统中起着关键性的作用，如图5 所示。

1）信标类型分类

为了判断出信标类型，同时为了支持逆向行车方式，需要成对安装信标。接近信标、离去信标、锁闭信标和解锁信标，根据行车方向和信标安装位置决定类型，类型判断由车载逻辑判断得出。为了准确判断信标类型，第一个信标判为未知类型；如果逻辑判断出锁闭信标的，当读到第二个信标时就能得出类型；如果逻辑判断出是解锁信标的，必须保证车尾读卡器读到信标，才能给出解锁类型。

2）进路方式

图5 轨旁系统原理图Fig.5 Schematic diagram of trackside systems

列车进路方式可分为：自动进路、固定进路、人工进路、通过进路4 种方式。

自动进路需要控制中心编制合理的行车计划并下达到每个控制箱，当收到车载命令后，自动取消自动进路，转为人工进路，当天未执行完的行车计划，系统在零点自动清空；固定进路，一般在单渡线使用，不需要控制中心事先下达行车计划；人工进路，由车载或控制中心手动排列进路；通过进路，需要虚拟车辆的支持，平时信号机开放，车辆离开后又自动开放，进路不解锁。

4.4 路口系统实现

采用相对优先方式，可保证列车的行车效率得到一定提升，同时对市政的交通情况影响不大，其原理如图6 所示。

图6 路口优先原理图Fig.6 Schematic diagram of crossing priority

路口优先系统由定位、路口专用信号机、路口优先控制器组成。车载或控制中心判断列车进入路口范围时，通过车地无线或车地环线向该平交路口综合控制器发送列车位置和速度等信息，平交路口信号控制器向道路交通信号系统发送不同的优先申请信号；道路交通信号系统判断满足优先通过条件后， 反馈“允许通过”信号，平交路口信号控制器控制路口专用信号机点亮通行灯。

当列车驶离路口后，平交路口信号控制器向道路交通信号系统发送列车离去信息，在接收到道路交通控制系统发送的“禁止通行”信号后，关闭有轨电车专用信号机的通行灯，点亮禁行灯。

在车载信号故障或非装备车通过平交路口时，可以用控制中心触发列车接近信号，平交路口信号控制器可以根据该信号向道路交通信号系统发送优先申请。同时车载配置一个人工二次触发优先的按钮，在司机驾驶至路口前，发现没有通行信号时，可以通过该按钮二次触发优先信号。

控制中心可以设置每个路口优先功能的开放和关闭，在优先功能关闭时，平交路口综合控制系统处于伴随模式，由道路交通信号系统控制点亮有轨电车通行灯和禁行灯。

5 结语

该套有轨电车信号的研究方案已经投入沈阳浑南有轨电车运行长达5 年时间，它有效保证列车行车安全，提升运营管理的规范性和效率，起到了保驾护航的作用。

随着社会的进步，城市的发展，低碳环保的理念深入人心，有轨电车的需求量将越来越大。可以在既有的研究方案上进行改造升级，往更加安全、更加效率、更加便捷、更加智能化的方向发展。同时，随着信号控制系统技术的发展，将很大程度上缓解了日益增长的城市交通压力，让市民有一个便利、快捷的出行体验。本文介绍了有轨电车信号系统的组成以及各个子系统的功能和实现原理，为有轨电车的工程实施和行车提供参考。