智能轨道快运系统通信信号设计与应用

谷 丰，刘光勇，蒋小晴，刘伟康，周天宏

（1.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001；3.四川川南轨道交通运营有限公司，四川 宜宾 644600）

0 引言

随着城市交通拥堵问题日益突出，多种公共交通解决方案被提出，包括地铁、快速公交(bus rapid transit，BRT)、轻轨、智能轨道快运系统（autonomous-rail rapid transit, ART）等。其中以智轨电车为核心运载工具的ART因建设周期短、基础设施投资少、城市适应性高和综合运力强等特点，具有较好的应用前景[1]。

通信信号系统作为ART的重要组成部分，负责运营管理、运营信息发布及语音调度等，可有效保障智轨电车运行安全，提高运营效率，降低运营成本。如何合理设计系统架构、如何进行系统间功能的协同设计、如何选择适宜的定位手段及通信手段、如何提升路口通行效率等，这些问题都关系到ART的运行效果，是通信信号系统设计时需要重点考虑的内容。

本文从ART运营需求的角度出发，首先分析了通信信号系统需要具备的基本功能，然后对系统结构、功能进行介绍，并对需要特别关注的内容进行说明，最后对后续技术发展进行了展望。

1 系统功能需求分析

智轨电车属于中小运量交通制式，具有如下特点：在城市道路上行驶，基于人工驾驶和目视线路状态行车；通常采用非独立路权（半专用路权或混合路权），与其他道路交通工具存在平面交叉；运行速度受道路限速、道路车流量情况、路口通行能力等因素限制，通常不大于40 km/h；车站规模一般较小且简单，站台的主要功能是用于乘客上下车及发布方便乘客出行的向导信息[2]。

为保证智轨电车的顺利运营，其通信信号系统需要实现以下功能：

（1）调度指挥及车辆跟踪功能。系统应具备编制运营计划、派班、计划变更、异常情况下的调度指挥等功能，并能够对车辆实行跟踪定位。

（2）运行监控功能。系统应具备自动监控功能，即其指挥中心通过车辆、车站、路侧设备、车辆段/停车场实时获取设备运行、车辆运行状态等各类信息，并将信息进行分析处理，实现对各类运营信息的实时监控。

（3）防护功能。系统应对运营中存在安全风险的情况提供防护，主要包括智轨电车超速防护、异常离站防护、闯红灯防护、障碍物碰撞防护、虚拟岔区防护及冲突计划的防护等。

（4）路口优先功能。通过通信信号系统应能实现智轨电车在交叉路口处的优先通行，保障智轨电车的运行效率，并尽量减少对其他交通方式的影响。

（5）辅助驾驶功能。系统应为司机提供足够的辅助驾驶信息，至少包括运营计划、前方信号灯状态、车站站台门状态及车辆状态等内容，给予司机意义明确的信号显示及安全通过交叉路口的指示，协助司机安全行车。

（6）信息发布功能。系统应及时地发布运营计划、车辆到站信息等乘客需要了解的乘车信息，方便乘客乘车。

（7）统计分析功能。系统应能够对运营信息进行统计分析，并通过可视化的方式进行显示，方便运营人员进行查询。

（8）应急管理功能。系统应具备对于紧急突发事件的应急处理功能，如运营计划变更时的信息发布、车站发生火灾时的语音播报等。

（9）互联互通功能。系统应实现不同线路之间的互通，同时应支持调度人员对线网的运营管理。

2 系统构成

ART通信信号系统的架构见图1。按照功能，其可以分为通信系统和信号系统两部分。

图1 智轨通信信号系统结构Fig. 1 Structure of communication & signaling system for ART

2.1 通信系统

通信系统是为智轨电车提供即时可靠的数据传输、状态监控、语音播报、乘客信息显示等功能，主要包括传输系统、乘客信息系统、广播系统、视频监控系统、时钟系统及不间断电源系统等子系统。

2.1.1 传输系统

传输系统可分为有线传输系统和无线通信系统，负责车辆、停车场/车辆段、指挥中心、车站、路侧机电设备之间的数据通信，准确、及时、可靠地传递文字、数据、图像等各类信息。

有线传输系统为其他系统提供有线的信息传输通道，一般采用环网方式进行组网，并根据项目需求组建千兆或万兆环网。

无线通信系统为其他系统提供无线的信息传输通道，包括信号系统业务双向传输、乘客信息系统业务下发及视频数据上传等。系统同时具备语音、视频等多媒体的集群调度功能，可为固定用户（如调度员、车站值班员等）和移动用户（如列车司机、维修等流动人员）之间的通信提供支持。

2.1.2 乘客信息系统

乘客信息系统是多媒体综合信息系统，可分为车载乘客信息系统和地面乘客信息系统两部分。其依托多媒体网络技术，通过设置在站厅、站台、出入口及列车上的显示终端让乘客及时准确地了解列车运营信息和公共媒体信息。

车载乘客信息系统负责车辆内的视频监控、语音播报及对讲、乘客信息显示等内容，包括通过视频实时监测车内情况，通过语音单元实现司机与乘客、司机与司机、司机与调度之间的对讲及语音播报，通过车内的LCD屏及LED屏显示运营信息。系统可与地面乘客信息系统进行交互。

地面乘客信息系统负责车站、停车场/车辆段的乘客信息和运营信息的显示，包括通过车站设置的信息显示单元显示车辆运营信息、广告等；通过停车场/车辆段设置的显示单元显示车辆运营计划、维修计划、派班计划等信息。该系统可与车载乘客信息系统进行交互。

2.1.3 广播系统

广播系统用于向乘客播报列车运行以及安全、向导服务等信息，向工作人员发布作业命令和通知。系统采用数字语音广播技术，由中心级广播和车站级广播两级广播构成，可实现控制中心对车站、车辆段/停车场的语音播报，支持预录制语音、实时语音播放并提供外部语音输入接口，同时可实现语音的监听和记录功能。

2.1.4 视频监控系统

视频监控系统为控制中心的调度员、车站值班员、司机等提供有关列车运行、防灾救灾以及旅客疏导等方面的视觉信息。系统采用全高清视频信号，支持实时视频监控、字符叠加、录像存储、回放及检索等功能，同时可提供视频调看接口，为各系统、各部门间的联动提供支持。

2.1.5 时钟系统

时钟系统为其他各系统提供精准时钟服务，系统通过接收北斗/GPS卫星标准时间信号或地面提供的标准时间信号，向其他系统输出标准时间信号。

2.1.6 不间断电源系统

不间断电源系统用于在主电源故障（中断或发生超限波动）的情况下，为重要设备提供临时供电电源，保障用电设备在一定时间（通常为2 h）内仍能正常工作，等待主电源恢复正常。系统可连续不断地为用电设备提供稳定、高质量的电源，具有输出过流及短路保护功能，同时提供故障监测功能，并提供对外通信接口。

2.2 信号系统

信号系统是保证智轨电车运行安全、实现行车指挥和列车运行现代化、提高运输效率的关键系统设备，主要包括调度管理系统、车载信号系统及现地控制系统等子系统。

2.2.1 调度管理系统

调度管理系统负责实现智轨电车的运营管理，支持单线路、线网的运营管理，具有列车运行监视、实时运行图显示、设备工作状态监视、运营数据统计及报表展示、故障检测及报警、系统运行及操作日志记录、时钟同步等功能。系统能够与车辆、车站设备、车辆段/停车场设备进行高效互通，不仅可保障调度人员及时地掌握运营相关信息，如车辆状态、站台门开/关情况、路口优先情况等信息，同时还可为调度人员提供紧急情况下的应急处理功能，如人流激增情况下的运营计划调整、火灾情况下的站台疏散信息播报与显示等，大大降低了调度人员的工作强度。

2.2.2 车载信号系统

车载信号系统用于实现与运营管理强相关的车载功能，主要包括车辆工况检测、车辆实时定位、安全防护、车地实时通信、路口/虚拟岔区的通行提示、设备自诊断及辅助驾驶信息提示等。系统可实时监测车辆运行状态，并在异常情况（如车辆闯红灯、冒进冒出车站、超速、不满足行车条件下的异常动车等）下实施安全防护；可通过人机交互单元，显示运营计划、前方到站信息、前方路口/虚拟岔区信息、早晚点信息等内容，为司机驾驶提供丰富的提示信息，从而降低司机的劳动强度，保障行车安全。

2.2.3 现地控制系统

现地控制系统作为信号系统的前端设备，用于实现运营管理功能的边缘控制，简化通信信号系统结构为“中心级+站级”两级结构，便于运营管理及维护。现地控制系统功能主要包括3部分：

（1）路口信号优先。其负责系统与车载信号系统、道路交通信号控制系统的接口，包括车载信号系统优先请求的发送、道路交通信号控制系统优先响应信息的传输、交通信号灯灯色信息的发送等，实现智轨电车在交叉路口的优先通行。

（2）虚拟岔区控制。其负责智轨电车在虚拟岔区的安全通行，支持以中心自动、车辆自动、车辆人工、现地控制等多种方式实现车辆的通过。对于有冲突的区域，系统保证仅允许一辆车通行；同时系统实时监测车辆在虚拟岔区的通行过程，一旦发现安全隐患，立即封锁虚拟岔区，发出禁行信号。

（3）车站机电设备管理。其负责车站所有机电设备的统一管理，如站台门的监控、车站广播的播报及车站乘客信息的显示等。

3 系统关键技术

3.1 定位技术

智轨电车良好的运营离不开对车辆位置的准确检测，针对智轨电车路面行驶的特点进行合适定位手段的选择将关系到智轨电车的安全运行。受安装环境的限制，智轨电车在城市路面行驶时，无法像有轨电车一样采用在地面设置轨道电路、计轴、信标等设备的定位方式，需要考虑其他定位方式。

速度传感器是一种将速度的变化转变为电量变化的设备，用于车辆时多采用霍尔式结构。霍尔速度传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，具有对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、结构简单、使用方便等特点。通过对速度信号进行积分处理，即可得出车辆行驶的里程信息；再结合智轨线路数据，即可确定车辆在线路上的相对位置。该方式存在起始点校准不便、累计误差较大等问题。

GPS/BDS是一种卫星定位技术，其定位原理是地面接收机不停地接收卫星信号（星历信息、时间信息等），根据多颗卫星（一般需要4颗及以上）的数据通过一定的计算方法得出接收机的坐标信息。采用该方式进行车辆位置检测时，只需在智轨电车上设置车载终端和配套天线即可，部署过程简单。为提高定位精度，GPS/BDS定位可采用差分技术(定位精度达厘米级)，但该方式存在受天气、周边建筑物尺寸等因素影响大的问题。

感应环线是一种通过在路面埋设由特定线缆绕成的环线来实现车辆与地面设备双向无线通信的定位技术。感应环线外观类似于地感线圈。不同的是，地感线圈利用电磁感应原理实现车辆的检测，只能检测到地感线圈上有车或没车；而感应环线此外还可以实现车地双向通信。该方式存在工程施工量大、维护成本高等问题[3]。

射频识别（radio frequency identi fi cation，RFID）定位是利用无线电信号通过非接触模式的识别和读写方式获得位置信息的技术，它可以在短时间（通常为毫秒级）内，对位置信息做出误差较小（通常为厘米级）的定位。该方式存在定位范围小、安全性不够强等问题。

综合考虑精度、工程量、维护等因素，推荐采用“速度传感器+卫星定位”的定位方式，同时也可以在线路特定位置增加环线或RFID标签，用于位置校准。

3.2 通信技术

ART单条线路长度一般为十几公里，在运营的过程中，各机电系统间的信息传输需要高效、及时。特别是车地通信，涉及到传输列车控制信号、车载视频、视频广告及运营信息等业务，需要采用传输宽带稳定、延时低和抗干扰性能强的无线通信技术。

Tetra是一种数字集群通信系统，可在同一技术平台上提供指挥调度、数据传输和电话服务，但单用户数据传输速率仅7.2 kb/s。系统具有兼容性强、开放性好、频谱利用率高和保密功能强等优点，且不依赖于核心网的单站集群技术，可为极端情况下的应急通信提供保障[4]。

WiFi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4 GHz UHF或5 GHz SHF ISM 射频频段，单个接入点的覆盖半径可达200 m，传输速率可达54 Mb/s，设备的接入可设置密码保护。该方式由于工作在公开频段，存在易受外界干扰的问题[5]。

LTE(long term evolution)是无线数据通信技术标准，采用OFDM和MIMO技术、端到端加密技术，同时具有QoS保障机制，可在20 MHz频谱带宽下提供下行100 Mb/s与上行50 Mb/s的峰值速率。LTE-M作为LTE技术在地铁行业领域的针对性应用，越区切换造成的通信延时不超过150 ms的概率不小于98%，并可有效保障数据传输的安全，目前已在全国多条轨道交通线路上使用[6]。

综合考虑无线覆盖范围、通信速率及抗干扰等因素，ART车地无线通信推荐采用LTE技术，搭建覆盖全线的LTE覆盖网络。

3.3 信号优先技术

路口信号优先是指实现智轨电车在交叉路口处的优先通行，需要重点考虑“允许通行信息”的显示方式[7]、车辆优先请求信息的发送时机、路口信号优先策略等。

对于“允许通行信息”的显示，宜在交叉路口处设置专用信号灯。专用信号灯的制式和灯色可参考交通信号灯的标准要求，但显示样式需与常规交通信号灯的进行区分。

对于车辆优先请求信息的发送时机，智轨电车需要在路口附近合适的位置发送优先请求。申请过早，会造成路口绿灯时间的浪费；申请过晚，则会导致智轨电车无法在路口获得及时的优先权。可考虑设置5个检测点：

（1）优先检测点，用于确定何时发送优先请求，该位置根据道路交通信号控制机的响应时间、车辆动力性能、车速等因素确定。

（2）制动提醒检测点，用于提醒司机进行制动。

（3）强制制动检测点，用于触发车辆的强制制动。

（4）进入检测点，用于检测车辆是否进入路口。

（5）离去检测点，用于检测车辆是否驶离路口。

信号优先策略推荐采用主动优先策略[8]。主动优先需要检测被优先对象，根据检测到的车辆信息调整路口的交通配时，给予被优先对象在路口的优先通行权。主动优先根据优先级别的不同，又可以分为绝对优先和相对优先[9-10]。绝对优先是指保证被优先对象到达路口时获得绿灯而顺利通过路口的优先方式。该方式很可能造成某个交通信号灯刚亮绿灯就变成红灯的情况，对其他方向的交通影响较大，一般多用于特种车辆的优先，如消防车、救护车等。相对优先是指在保证交叉路口整体通行效率的前提下为被优先对象提供优先通行权。该方式会综合分析交叉口交通情况，根据设定的优先条件，决定是否给予被优先对象优先通行权，对于路口交通影响较小。实际使用中，选择主动优先还是被动优先，需根据现场线路走向、交通流、运营速度等因素综合考虑后选择。另外应考虑在给予智轨车辆优先通行后，对其他交通参与者给予补偿；此外，应同时考虑智轨电车发车频率，当发车频率较大时，可适当降低智轨电车的优先等级。

3.4 系统集成技术

通信信号系统不仅仅是各单独系统的简单相加，而应从运营需求出发，以实现运营任务为目标，利用技术手段融合各子系统，形成一体化的通信信号系统。具体来说，需要关注以下内容：

（1）灵活调度。智轨电车的运营计划应根据车辆状态、客流及司乘人员情况进行及时的调整。比如客流激增时，应增加发车计划；出现车辆异常无法继续载客运营时，需要及时安排故障车辆下线并调整运营计划。

（2）信息的及时发布。在运营过程中，一旦出现与车辆运营有关的信息变化时，需要第一时间将相关信息通知受众(乘客/运营人员)，信息发送的形式可以是文字、图片和视频等。

（3）应急预案。对于运营过程中可能出现的紧急情况，应通过技术手段提前设定预案，提高对紧急事件的应对能力。比如，当线路出现拥堵时，自动调整发车计划；当车站出现火灾时，自动播报火灾语音信息，打开站台闸机并禁止车辆驶入车站等。

4 结语

本文从运营需求的角度出发，梳理了通信信号系统所需的基本功能，介绍了通信信号系统的构成及各子系统的功能，并对需要重点关注的技术进行了介绍。本文提出的通信信号系统方案已在宜宾智轨T1线上取得应用。宜宾智轨T1线全长约17 km，优先路口数量达34个。该线路自2019年6月10日载客试运行以来,智轨电车每日运行达13 h，发车间隔15 min，智轨电车的平均旅行速度达27 km/h，通信信号系统运行良好，为ART的高效运营提供了强力支持。为进一步完善通信信号系统，后续需要在以下方面继续深入研究：

（1）提高设备的集成度[11]。从精简系统结构、方便维护的角度出发，需要进一步提高通信信号系统设备的集成度。具体来说，包括借助虚拟化技术，通过搭建云平台，精简指挥中心的硬件设备；通过集成车站各系统的控制设备，打造“站级控制中心”,为智能车站、边缘计算提供支持。

（2）完善故障诊断、预警功能。通信信号系统涵盖运营相关的各个方面，相关设备正常工作与否关系到ART是否可以正常运营，一旦出现故障，需要第一时间定位并及时处理。由于所涉及的系统和设备多，控制逻辑复杂，宜借助利用大数据、机器学习等先进技术手段来实现故障的智能定位。通过实时检测分析各设备的工作状态，提前发现潜在的故障风险，变故障后的处理为故障前的预警，进一步提高智轨运营效率。

（3）提升运营智能化水平[12]。进一步研究如何通过技术手段来降低司机劳动强度，提高系统的智能化水平，如可加入视频智能识别功能来实现对诸如车门、路口/虚拟岔区等危险位置、危险行为、危险物体的识别，提升安全运营能力； 通过引入语音交互技术，为调度人员、司机提供便捷的信息交互手段，提高工作效率。

（4）互联互通[13]。智轨电车作为城市道路交通的一种方式，需要加强与道路交通管理部门、公交或地铁、道路基础设施的对接，加强信息共享，提高联动效率，进而提高城市交通整体运输能力。