懸掛式單軌交通信號系統(tǒng)方案研究

王喜軍 武長海

懸掛式單軌交通信號系統(tǒng)方案研究

王喜軍 武長海

摘 要：懸掛式單軌交通是城市軌道交通的重要組成形式，得到了各城市軌道交通建設(shè)方的高度關(guān)注，建設(shè)前景看好。針對懸掛式單軌交通的工程建設(shè)特點，制定合理可行的信號系統(tǒng)方案非常必要。結(jié)合當(dāng)前控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，對傳統(tǒng)信號系統(tǒng)設(shè)計的重要方案組成部分:聯(lián)鎖、閉塞、車-地通信等提出合理的工程化實施方案。

關(guān)鍵詞：懸掛式單軌交通;信號;方案

1 懸掛式單軌交通概況

起源于1901年德國烏波塔爾線的空中單軌列車，距今已有110年的歷史。這種稱之為懸掛式的單軌交通是軌道交通領(lǐng)域單軌系統(tǒng)的一種，另一種為跨座式。目前我國已有跨座式單軌線路 (重慶2號線、3號線)，但尚無懸掛式單軌線路投入使用。懸掛式單軌交通系統(tǒng)構(gòu)造靈活、建設(shè)相對簡單，但運量有限，比較適合低運量短途交通。相比于地鐵系統(tǒng)，懸掛式單軌交通的優(yōu)勢在于：①利用道路上部空間架設(shè)高架橋，占用土地較少;②采用橡膠輪胎，可適應(yīng)急彎及大坡度，對復(fù)雜地形有較好的適應(yīng)性，從而減少拆遷量;③建設(shè)工期較短，投資也小于地鐵系統(tǒng)。

盡管類似上海、北京等大城市，由于中心區(qū)人口稠密，客流量大，懸掛式單軌交通并不合適;但在風(fēng)景區(qū)、大型游樂場或者范圍較大的機(jī)場內(nèi)部，仍可使用懸掛式單軌交通，其效果圖如圖1所示。

圖1 懸掛式單軌交通效果圖

2 懸掛式單軌交通的特點

2.1 運輸能力

交通系統(tǒng)運能主要受列車定員和列車最小追蹤間隔控制。目前在德國運行的單軌列車由2節(jié)車廂組成，每節(jié)車廂定員45人，允許超員到75人，一列車的最大定員即為150人。列車最小追蹤間隔設(shè)計能力達(dá)到40 s。據(jù)此分析，高峰小時輸送能力可以達(dá)到13500人。

根據(jù)國內(nèi)各設(shè)計院和咨詢機(jī)構(gòu)初步研究，懸掛式單軌列車目前可做到4節(jié)編組。從技術(shù)可行性分析，仍有擴(kuò)編的條件，但需要從車輛的制動能力、控制方式、對最小追蹤間隔的影響和其他相應(yīng)的技術(shù)要求等方面做進(jìn)一步的試驗。

按一列車4節(jié)編組，列車定員最大為300人，最小追蹤間隔按72 s考慮 (平均停站時間25～30 s)，懸掛式單軌交通高峰小時輸送能力可達(dá)15000人。

2.2 在城市軌道交通方式中的功能定位

懸掛式單軌交通系統(tǒng)是有別于地鐵、輕軌和磁懸浮的一種城市軌道交通系統(tǒng)。列車高峰小時輸送能力相當(dāng)于城市軌道交通中、低運量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其特性，適合中小城市 (50～60萬人口)的客流主通道，或大城市 (100萬以上人口)非主客流通道的城市交通需求，以及做為城市交通重要的輔助系統(tǒng)。

3 懸掛式單軌交通信號系統(tǒng)需求分析

1．滿足合理的運營間隔，保障行車安全，提高行車效率。

2．結(jié)合懸掛式軌道交通項目的建設(shè)特點，信號系統(tǒng)組成、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)符合集中控制要求，信號設(shè)備布置要合理、經(jīng)濟(jì)、可行。

3．從系統(tǒng)運營的角度，滿足集中控制的要求，實現(xiàn)運營管理方便、快捷，調(diào)度靈活。

4．從系統(tǒng)維護(hù)保障的角度，需具備可行的、完備的系統(tǒng)維護(hù)保障措施。

5．信號系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置要簡單，盡量減少區(qū)間和車站設(shè)備，同時系統(tǒng)抗干擾性需適應(yīng)懸掛式交通的整體特點。

6．列車定位技術(shù)應(yīng)滿足精確性、連續(xù)性、覆蓋性、可靠性、安全性、可維護(hù)性、故障-安全等要求。

4 信號系統(tǒng)方案制定需考慮的主要因素

軌道交通項目經(jīng)過多年的發(fā)展，根據(jù)懸掛式單軌交通的項目特點，從滿足運營、方便工程實施，保證安全、可靠運營的角度，結(jié)合信號系統(tǒng)當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展和工程實施情況，必須抓主要控制因素，合理、穩(wěn)步地推進(jìn)懸掛式軌道交通的信號方案。

4.1 車-地通信需要考慮的因素

1．車-地通信保持通暢，滿足懸掛式軌道交通運營最高速度的要求，符合懸掛式軌道交通的工程特點，快速、便捷。

2．維護(hù)方便，區(qū)間范圍內(nèi)設(shè)備盡量少設(shè)或者不設(shè)，減少維護(hù)過程中的登高作業(yè)及檢修。

3．車-地通信的方式，需要保持一定的技術(shù)先進(jìn)性，沿線路布設(shè)的通信傳輸媒介需符合工程建設(shè)的整體方案，符合節(jié)能、環(huán)保、降噪等相關(guān)要求。

4.2 信號系統(tǒng)運營模式

傳統(tǒng)的單軌道交通，信號系統(tǒng)支持司機(jī)人工駕駛模式、司機(jī)自動駕駛模式、無人駕駛模式等。而對于懸掛式單軌交通，司機(jī)人工駕駛模式和自動駕駛模式都是常規(guī)模式，若采用無人駕駛，則對每列車的定員需要嚴(yán)格控制，超員太多，對于安全將是一個挑戰(zhàn)。鑒于安全保障措施的增強(qiáng)，將抬升工程的總體造價，建議在工程投資寬松的情況下，信號系統(tǒng)支持無人駕駛模式，并作為提升服務(wù)水平，樹立科技形象，降低運營人員勞動強(qiáng)度的一項有益措施。

4.3 信號區(qū)間設(shè)備與軌道梁工程設(shè)計的結(jié)合

懸掛式單軌交通一個顯著的特點是采用工廠化生產(chǎn)的懸掛梁作為主要的工程實施方法，建設(shè)速度較快。圖2是懸掛式單軌交通車站斷面圖。

在工程實施的初期，即軌道梁成型時，就應(yīng)該確定信號系統(tǒng)的主要方案及主要軌旁設(shè)備，以利于工程的整體實施，需要從工程的整體性角度，系統(tǒng)性地解決安裝及景觀協(xié)調(diào)的難題，以實現(xiàn)軌道交通景觀與設(shè)備功能完善的緊密結(jié)合。

5 信號系統(tǒng)方案

圖2 懸掛式單軌交通車站斷面圖

從懸掛式單軌交通系統(tǒng)的特點出發(fā)，結(jié)合工程實際情況，從列車定位、閉塞方式選擇、車-地通信方式3個方面研究信號系統(tǒng)的構(gòu)成。

5.1 列車定位

1．GPS定位。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，利用GPS實現(xiàn)列車定位已是一項成熟的技術(shù)，只要在列車的兩端安裝GPS接收機(jī)和差分誤差信息接收器，接收由多顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星發(fā)送來的定位信息，就可以實現(xiàn)列車的精確定位。采用DGPS引入已知位置的誤差信息后，精度可以達(dá)到3 m左右。

2．測速定位。主要有輪速法和多普勒雷達(dá)法。輪速法是在列車車輪外側(cè)安裝旋轉(zhuǎn)式光柵，通過光脈沖信號實現(xiàn)測速;多普勒雷達(dá)測速則利用多普勒效應(yīng)，通過頻偏獲得列車的運行方向和即時速度，從而實現(xiàn)列車定位。這2種方法在懸掛式單軌交通中都適用，符合其基礎(chǔ)條件，在車上安裝相應(yīng)的測速設(shè)備即可。

3．應(yīng)答-查詢器定位。它可以點式地給出列車定位信息，具有很高的定位精度，在應(yīng)答-查詢器安裝點的定位精度為1～2 m，同時，應(yīng)答器還具有很高的可靠度，可以在任何氣候、任何地點可靠地工作，并且還具有維修簡便、運行費用低等優(yōu)點。

經(jīng)過分析，懸掛式單軌交通應(yīng)以衛(wèi)星定位為主要定位方式，以列車測速傳感器、應(yīng)答-查詢器為重要補充，方便工程實施，同時，符合新技術(shù)發(fā)展的方向。經(jīng)過一定的探索及實踐，應(yīng)該會收到滿意的工程效果。

5.2 閉塞方式選擇

由于基于軌道電路區(qū)段的閉塞技術(shù)，難以適應(yīng)懸掛式單軌交通懸掛梁和膠輪這2個基本條件，而且，考慮到發(fā)車間隔的效率，不推薦采用固定閉塞，主要選擇虛擬邏輯閉塞或移動閉塞方案。

1．虛擬邏輯閉塞。線路被劃分為固定位置、固定長度的閉塞分區(qū)，一個原始固定閉塞分區(qū)可以被分為幾個虛擬分區(qū)，虛擬分區(qū)的長度按最長列車、滿負(fù)載、最高速、最不利制動率等最不利條件設(shè)計，列車間隔為若干虛擬分區(qū)，且與列車在固定分區(qū)內(nèi)的實際位置無關(guān)。列車位置的分辨率也為一個虛擬分區(qū) (一般為幾十米)，制動的起點可以延伸，但終點總是某一虛擬分區(qū)的邊界。對列車的控制一般采用一次拋物線制動曲線的方式，要求運行間隔越短，分區(qū)數(shù)也越多，但設(shè)備基本不增加。

2．移動閉塞。線路沒有被固定劃分的閉塞分區(qū)，列車間隔是動態(tài)的，并隨前一列車的移動而移動，列車位置的分辨率一般在10 m范圍內(nèi)，該間隔是按后續(xù)列車在當(dāng)前速度下的制動距離加上安全裕量計算和控制的，確保不追尾，制動的起點和終點是動態(tài)的，對列車的控制一般采用一次拋物線制動曲線的方式。

以上2種閉塞方式都能滿足懸掛式單軌交通工程實施的需要，但目前移動閉塞技術(shù)應(yīng)用成熟，價格合理，國產(chǎn)化推進(jìn)速度較快，所以，推薦移動閉塞為首選方案。若運營要求較低，行車間隔較大的話，虛擬邏輯閉塞也是一種有效、可實施的閉塞方式。

5.3 車-地通信方式

1．漏泄電纜。在同軸管外導(dǎo)體上開設(shè)一系列的槽孔或隙縫，使電纜中傳輸電磁波的部分能量從槽孔中漏泄到沿線空間，場強(qiáng)衰減較均勻而無起伏，易為接收設(shè)備所接收。漏泄電纜的結(jié)構(gòu)與普通同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽孔的外導(dǎo)體3部分組成。電磁波在漏纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r，通過槽孔向外界輻射電磁波，外界的電磁場也可通過槽孔感應(yīng)到漏纜內(nèi)部，并傳送到接收端。在懸掛式單軌交通上布防漏纜，需要在懸掛梁上預(yù)留掛放位置，工程實施可以推進(jìn)，但安裝和測試需要高空作業(yè)，日常維護(hù)時人身安全隱患較大。

2．裂縫波導(dǎo)管。基于微波傳輸方式的移動閉塞ATC系統(tǒng)，采用波導(dǎo)系統(tǒng)作為車-地雙向傳輸媒介，即采用沿線敷設(shè)的裂縫波導(dǎo)，及與波導(dǎo)連接的基站電臺作為軌旁與列車的雙向傳輸通道，具有通信容量大，可在高架、城市樓群及彎曲通道中傳輸，干擾及衰耗小，無其他車輛引起的傳輸反射，可在密集城區(qū)傳輸?shù)忍攸c。波導(dǎo)的另一個優(yōu)點是傳輸速率高，可以滿足列控系統(tǒng)的需要。另外，從通信容量的角度，其通信能力還可以滿足其他系統(tǒng)，如電視監(jiān)視等。波導(dǎo)的缺點在于安裝困難，需全線沿線路安裝波導(dǎo)管，安裝維護(hù)復(fù)雜，并且造價高。

3．感應(yīng)環(huán)線 (IL)。以鋼軌間敷設(shè)的交叉感應(yīng)環(huán)線作為傳輸媒介，已經(jīng)獲得了很長時間的應(yīng)用。感應(yīng)環(huán)線的優(yōu)點是具有成熟的運營經(jīng)驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定;缺點在于需要與軌道梁結(jié)合，安裝困難且不方便工務(wù)部門對軌道梁的日常檢修，車-地通信的速率受安裝方式影響大。

4．無線電臺。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，基于自由空間傳輸?shù)臒o線傳輸技術(shù)在城市軌道交通中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其以基于通信的列車控制系統(tǒng) (CBTC)為典型代表。無線的頻點一般采用公用的2.4 GHz或5.8 GHz頻段，采用接入點 (AP)天線與列車進(jìn)行通信。AP的設(shè)置保證區(qū)間的無線重疊覆蓋。采用AP天線的優(yōu)點在于安裝靈活，可以結(jié)合線路周邊的地形、地貌，及軌道交通線路途經(jīng)的區(qū)域，因地制宜地采取安裝方案。

5．GSM-R。采用 GSM-R通信系統(tǒng)實現(xiàn)車-地間雙向無線數(shù)據(jù)傳輸，提供車-地之間雙向安全數(shù)據(jù)傳輸通道。GSM-R系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng) (NSS)、基站子系統(tǒng) (BSS)、運行和業(yè)務(wù)支撐子系統(tǒng)(OSS/BSS)及終端設(shè)備等4個部分。與漏泄電纜、波導(dǎo)管、感應(yīng)環(huán)線相比，采用GSM-R覆蓋范圍大，可以克服懸掛式單軌交通區(qū)間設(shè)備安裝和維護(hù)的困難，同時又是專有的頻段，通信的安全性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性、通行質(zhì)量的穩(wěn)定性等都有一定的優(yōu)勢。在和鐵路相關(guān)部門協(xié)調(diào)后，從數(shù)據(jù)通信的管理上來說能夠采取有效可行的措施，對整個資源的利用和共享非常有建設(shè)意義。

6 信號系統(tǒng)的構(gòu)成

6.1 系統(tǒng)構(gòu)成的原則

1．對于懸掛式單軌交通而言，信號系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)盡量減少軌旁設(shè)備的數(shù)量。

2．軌旁不設(shè)信號機(jī)，列車出站按照發(fā)車指示的信息發(fā)車。

3．無線通信設(shè)備可支持多種安裝方式，應(yīng)該滿足安裝方便、監(jiān)測方便、維護(hù)方便的要求。

4．轉(zhuǎn)轍設(shè)備控制接口箱，安裝在懸臂梁支柱上，應(yīng)滿足一定的登高作業(yè)需求。

5．軌旁設(shè)備主要設(shè)置于車站內(nèi)或者區(qū)間的箱式機(jī)房內(nèi)，減少在懸掛梁上安裝信號設(shè)備。

6．車場或車輛段信號系統(tǒng)支持自動駕駛，實現(xiàn)車-地連續(xù)雙向通信。

6.2 基本構(gòu)成描述

按照傳統(tǒng)信號系統(tǒng)設(shè)備的分布范圍，系統(tǒng)分為：①控制中心設(shè)備;②車站及軌旁設(shè)備;③車載設(shè)備。需要強(qiáng)調(diào)的是，鑒于懸掛式單軌交通承載力量的限制，信號系統(tǒng)的構(gòu)成需要和AFC(自動售檢票系統(tǒng))緊密結(jié)合，運營管理合理高效的組織，確定車輛是否在可控的超員范圍內(nèi)。若超員數(shù)量太大，信號系統(tǒng)將對發(fā)車進(jìn)路暫時關(guān)閉，以確保行車安全。按照設(shè)備分布的地域，基本構(gòu)成如下。

1．控制中心設(shè)備。設(shè)置2套多重冗余的聯(lián)鎖設(shè)備、2套多重冗余區(qū)域控制設(shè)備、1套數(shù)據(jù)庫設(shè)備、1套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和1套網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備。

2．車站及軌旁設(shè)備。主要設(shè)置遠(yuǎn)端控制單元設(shè)備、信號電源設(shè)備，軌旁設(shè)置無線通信地面設(shè)備。

3．車載設(shè)備。主要由信標(biāo)讀取設(shè)備、無線收發(fā)設(shè)備及車載天線、車載操控單元組成。

7 小結(jié)

作為目前城市軌道交通建設(shè)過程中一個重要的組成分支，懸掛式單軌交通需要探索和實踐的工程技術(shù)環(huán)節(jié)還很多。信號系統(tǒng)作為行車指揮的重要系統(tǒng)，區(qū)間閉塞主要是采用移動閉塞為主，虛擬邏輯閉塞為輔;車-地通信以無線易于安裝為主要指導(dǎo)思想，重點推薦采用GSM-R作為懸掛式單軌交通車-地通信的重要方式;促成以GPS定位為主要定位方式的工程解決方案。另外，建議在懸掛式項目實施過程中掌控3點原則：總體把握，重點突破;先期試驗，適時推廣;全面總結(jié)，興利除弊。

［1］馬念文.基于無線傳輸?shù)奶摂M自動閉塞及超速防護(hù)系統(tǒng)是青藏線信號裝備的合理選擇［J］.鐵道通信信號，2005(2)：1－3.

［2］劉麗華.關(guān)于膠濟(jì)線GSM-R無線通信系統(tǒng)建設(shè)的思考［J］.鐵道通信信號，2004(11)：29－30.

［3］曾小清，王長林，張樹京.基于通信的軌道交通運行控制系統(tǒng)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007.

［4］國家發(fā)改委，建設(shè)部.城市軌道交通工程項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(建標(biāo) 104-2008)［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［5］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，建設(shè)部.地鐵運營安全評價標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50438-2007)［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

Abstract:Hanging monorail transit is one important part of urban rail transport and has attracted much attention from the construction parties of urban monorail transit with its prosper prospect．According to the characteristics of hanging rail transit construction projects，it is necessary to work out a reasonable and feasible solution to signal systems．Current control technologies and computer and communication technologies should be taken into consideration when we formulate the scheme for a signal system．And reasonable engineering planning should be brought forth for major parts of the traditional signal system，including the interlocking system，block，train-wayside communication．

Key words:Hanging monorail transit;Signal;Scheme

王喜軍：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 工程師 215006天津

武長海：鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 高級工程師215006 天津

2012-07-06

(責(zé)任編輯：溫志紅)