現代有軌電車信號系統及技術關鍵的研究

孫吉良

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

我國首列100%低地板現代有軌電車（以下簡稱現代有軌電車），是2006年由國家科技部“十一五”科技支撐計劃立項，由長春軌道客車有限公司在掌握70%低地板列車技術的基礎上研制的。該項目2007年啟動設計，2010年8月通過科技部專家組驗收，2011年完成了正線約5 000 km的運行試驗。2012年10月19日，首列現代有軌電車在長春市軌道交通4號線正式載客運營。

現代有軌電車可運行于城區狹小地帶，線路可不完全封閉，可不單獨設置站臺，可與汽車和行人共享路權，極大的節約了城市用地和建筑成本，為現代城市交通建設提供了一項全新的軌道交通選擇。現代有軌電車作為城市新型的綠色軌道交通方式，已完成了從傳統到現代化的轉變，正在國內許多城市得到應用。

國內有軌電車曾是北京、上海等城市的重要公共交通工具。如今在長春、大連等城市，仍然還保留著有軌電車線路。大連是國內保留有軌電車線路最多、經營最完善的城市。新建的天津濱海新區、上海浦東的張江開發區有軌電車項目均采用了法國Lohr公司的膠輪與導軌的現代有軌電車。如今，我國的北京、上海、天津已改建或新增了現代有軌電車交通，已規劃新建有軌電車交通的城市還有深圳、廣州、南京、沈陽、重慶、成都、蘇州、宜春、泉州、三亞、六盤水、遵義、煙臺、平頂山和泰州等。

2 現代有軌電車的路權

現代有軌電車沿軌道運行，其路權直接影響著有軌電車運行的安全和效率，并決定著有軌電車的運行控制模式。所謂路權，是指交通參與者根據交通法規的規定，在一定空間和時間內使用道路的權利。有軌電車的路權，是指經過交通管理部門確認的，符合相關交通管理法律法規的，為有軌電車規定的，在專門時間和范圍內使用專用通道的權利。有軌電車的路權一般可劃分為A、B、C 3個級別。

1）A級別的路權不允許有平面交叉口，在法規上不允許任何其他車輛或行人進入，即全封閉專用道，在形式上可以是隧道、高架橋或在地面上隔離出的通道。輕軌、地鐵系統均采用A級別路權。

2）B級別的路權沿著其通路擁有與其他交通方式的物理隔離措施，如路緣石或柵欄等，但其與其他交通方式（機動車、行人）有平面交叉。較多的不同級別的平交道口防護和不同的有軌電車運營組織方式，易造成各種交通方式的相互影響，甚至造成交通擁堵。該級別路權相對A級別路權對有軌電車的運營安全和運營效率有一定影響。

3）C級別的路權指各種交通模式混行的通道，有軌電車可以擁有非物理隔離的保留車道，也可能是在普通車道上運營。眾多的平交道口和與機動車混行，不僅使有軌電車運行速度受到限制，而且完全依靠司機目視行車，特別是在夜間或惡劣天氣下的目視行車，保障基本的運營安全和運行順暢是司機的主要職責，該級別路權相對B級別路權對有軌電車的運營安全和運營效率有更大的影響。

3 國內有軌電車信號系統運營保障現狀

我國現代有軌電車運行控制技術主要是基于成熟通信技術和通信產品集成并進行適應性應用開發。

1）有軌電車車載設備通過GPS信號、電子標簽、速度等信息進行定位；

2）通過車載定位設備、控制中心設備及車載智能終端實現現代有軌電車調度管理。調度管理的主要作用是編制/管理行車/配車計劃，實現對全線有軌電車的自動監控；

3）司機可利用車載設備對正線道岔進行遙控，實現道岔區段內的道岔、進路的聯鎖；

4）車載設備可向司機提供有軌電車接近平交道口、接近道岔區段、進入限速區段等相應告警提示。

即典型的現代有軌電車信號系統是一個功能定位于正線道岔控制和列車調度的簡易信號系統，由正線信號系統和車輛基地信號系統構成，如圖1所示。其正線信號系統可由運營調度、正線道岔控制、平交道口信號控制、車載4個子系統構成。

3.1 正線道岔控制

正線道岔控制包括集中控制和司機遙控兩種控制方式。

1）集中控制：有軌電車接近道岔區域時，軌道占用檢測設備檢測出有軌電車位置，并通過車地雙向通信設備獲得有軌電車運行信息，發送至控制中心，控制中心根據有軌電車信息遠程控制轉轍機自動辦理相應進路；

2）司機遙控：司機駕駛有軌電車進入道岔控制區域后自動取得控制權，通過操作車載設備遙控道岔轉動至需要的位置，道岔自動鎖閉、信號開放，車輛駛出道岔控制區域后自動失去控制權。

3.2 平交道口信號控制

1）主干路與主干路平交道口，即城市道路的交通流量與現代有軌電車正線的交通流量相當的平交道口。該類型平交道口控制設備的設置原則應在確定有軌電車按規定速度通過平交道口的最少綠燈時間的前提下，采用常規信號控制并保證有軌電車在平交道口順利通過，簡稱最少綠燈原則；

2）主干路與次干路平交道口，即城市道路的交通流量小于現代有軌電車正線交通流量但相差不大的平交道口。該類型平交道口控制設備需協調主干路與次干路的地面交通關系，允許有軌電車相對優先通行。即與有軌電車行車方向相應的城市道路交通信號已亮紅燈或黃燈時，保持原有城市道路信號控制方式不變。若有軌電車到達平交道口時相應的城市道路信號已為綠燈，則延長綠燈時間，直到有軌電車通過道口，實現有軌電車相對優先通行的同時盡量減少對次干路交通的影響，簡稱相對優先通行原則；

3）主干路與支小路的平交道口，即城市支小路的交通流量明顯低于現代有軌電車正線的交通流量。對主干路采用絕對信號優先的控制方式，即道口控制設備持續對主干路的有軌電車保持通行，支小路保持禁止通行。當支小路檢測設備檢測到一定范圍內的機動車到達時，道口控制設備才允許支小路顯示允許通行的綠燈信號，簡稱絕對信號優先原則。

3.3 車載設備

車載設備主要由車地雙向無線通信設備、車載天線、主機、GPS終端、顯示單元等構成。車載設備通過GPS、列車位置檢測設備、傳感器等實現有軌電車的組合定位，并以無線通信方式實時將定位信息發送至控制中心。車載設備實時接收控制中心的運行間隔計劃，并實時顯示當前電車位置、前后車車距和車速、進路表示器和道岔定反位狀態等信息，當前后車距和車速不滿足設定的行車安全要求時進行報警提示。

3.4 運營調度

現代有軌電車運營調度是運營管理、行車指揮、監督及報警管理和運營統計的總稱。

1）運營管理：控制中心根據運營要求制定運營計劃，編輯時刻表，并將當日運行計劃時刻表下載至車輛基地終端，車輛基地根據該時刻表組織有軌電車運營；

2）行車指揮：系統通過現代有軌電車定位系統接收所有在線有軌電車的位置信息，經處理后將有軌電車所在位置動態顯示在綜合表示屏及調度員工作站，調度員根據當日運行時刻表對在線有軌電車進行行車指揮；

3）監督及報警管理：系統內的主要設備具有自診斷功能，一旦檢測到設備故障，該故障信息即可在控制中心調度員終端給出相應報警信息；

4）運營統計：根據運營計劃和通過現代有軌電車定位設備采集的有軌電車位置、時間及車次號等信息進行運營統計并生成相應報表。運營統計功能還可包括有軌電車管理及有軌電車修程統計等。

車輛基地聯鎖可采用計算機聯鎖設備，能對車輛基地內的調車作業進行集中控制，實現車輛基地內進路上的道岔、信號機和軌道區段的聯鎖功能，在保證車輛基地內調車及出/入基地作業安全的同時向控制中心發送各種表示信息。

4 適用于A級路權的有軌電車信號系統

A級別路權的現代有軌電車信號系統可采用基于數字化無絕緣軌道電路的列車自動控制ATC系統（簡稱TBTC系統）。系統由ATS設備、軌旁ATP設備（包括：區域控制中心設備（含計算機聯鎖）、數字化無絕緣軌道電路設備、車地雙向通信設備）、車載ATP/ATO設備和通信網絡設備構成，且ATP設備的安全完整性等級（SIL）達到了4級。該系統技術成熟并具有一定的先進性，在功能上能夠滿足大運量城市軌道交通的要求，且建設成本較低，系統調試維護智能化程度較高。

擁有A級路權的長春軌道交通4號線為長春市中心區東半環“U”形線，線路全長15.953 km，共設車站15座，其中地下車站3座，高架車站12座，配屬低地板列車23列，列車遠期最小行車間隔2 min。該工程信號系統成功采用了基于數字化無絕緣軌道電路的列車自動控制(ATC)系統，并已于2013年2月成功開通運營。

擁有A級路權的佛山市南海區現代有軌電車交通工程，線路全長14.72 km，其中地下4.47 km，高架線6.236 km，地面線3.698 km，敞口段0.316 km。全線共設車站14座，其中地下站5座，地面站4座，高架站5座。配屬低地板列車。其信號系統由地下段信號系統和地面段信號系統兩部分組成。地下段信號系統采用城市軌道交通通用的點式ATC系統，具有列車超速防護和列車自動運行功能，但為節省投資，其地面段采用了有軌電車信號系統，系統不具備列車超速防護功能，行車安全由司機及運營管理人員人為保證。

擁有A級路權的有軌電車交通與CJJ/T114-2007定義的輕軌系統極為相似，具有輕軌列車在城市地面或高架橋上運行的明顯特征，所以采用A級路權的有軌電車信號系統可參照輕軌信號系統的建設標準實施。為保證A級路權的有軌電車運行安全，并提高運行效率，其信號系統（包括：CBTC、TBTC或點式ATC系統）應配置ATP子系統，根據需要可選配ATO子系統或無人駕駛子系統。

5 適用于B級路權的有軌電車信號系統

B級別路權的現代有軌電車信號系統可采用基于數字化無絕緣軌道電路的列車超速防護(ATP)系統或點式ATP系統。

基于數字化無絕緣軌道電路的列車超速防護系統由控制中心設備、車載設備、軌旁設備和車站設備組成。該系統采用連續式速度控制模式，使同一線路上運行的列車能夠以2 min的最小追蹤間隔安全運行。該系統技術成熟，在功能上能夠滿足較大運量城市軌道交通的需求，且建設成本較低、周期較短，系統調試維護智能化程度較高。

點式ATP系統是一種點式信息傳遞，主要由地面應答器、軌旁電子單元（LEU）、車載設備，列車占用檢查（計軸或軌道電路）設備4部分組成。目前在城市軌道交通信號系統中點式ATP系統通常作為CBTC系統的后備系統，具有一定的先進性，在功能上能夠滿足非大運量城市軌道交通的需求，且建設成本較低，施工簡單，系統調試簡單。

擁有B級路權的長春軌道交通凈月線工程，線路全長17.4正線km，其中地下線路1.2 km、高架線路8.8 km，地面線路7.4 km。全線共設17座車站，配屬低地板列車37列。遠期列車最小行車間隔2 min。該工程信號系統成功采用基于數字化無絕緣軌道電路的安全完整性等級（SIL）達到4級的列車超速防護系統，已于2006年12月成功開通運營。

擁有B級路權的現代有軌電車交通與城市道路交通（機動車、行人）有平面交叉，不同級別的平交道口不可避免的會對有軌電車連續運行造成影響，有軌電車信號控制系統必須增加平交道口信號控制設備或與城市平交道口信號控制設備接口，設置最少綠燈時間、相對優先通行和絕對信號優先的平交道口配時原則，在保證有軌電車交通暢通的前提下盡量減少其對城市道路交通的影響。為保證B級路權有軌電車的運行安全，其信號系統應配置連續速度控制模式的ATP系統或點式ATP系統。

6 適用于C級路權的有軌電車信號系統

C級別路權有軌電車信號系統是一個功能僅定位于正線道岔控制和列車調度的簡易信號系統，其正線信號系統中的正線道岔控制設備、平交道口信號控制設備、車載設備的安全完整性等級（SIL）未達到4級。有軌電車信號系統不具備地鐵或輕軌信號系統的進路控制、列車追蹤、超速防護、自動運行等功能。

擁有C級路權的沈陽市渾南新區現代有軌電車一期工程位于沈陽市渾南新區，其現代有軌電車一期工程共設1、2、3、5號4條線，線路全長約59.5 km，共設車站65座（含6座預留站）。配屬低地板列車30列車，列車最小行車間隔初期5 min，遠期3 min。該工程采用了全人工控制模式的有軌電車信號系統，有軌電車運行實行人工調度管理模式，即由運營部門按照客流要求編制不同時期的運營時刻表（如平日時刻表、節假日時刻表等），在各線首發站、末站和車輛段設置人工調度，由調度員按照運行時刻表控制列車的出發時間和出退勤作業。控制中心中心調度員對列車在區間的運行狀態進行監視，保證行車間隔的均勻。

擁有C級路權的有軌電車交通與城市道路交通有眾多的平交道口和與機動車及行人混行，僅依靠司機目視行車，將使有軌電車的運行安全、運行效率和運行速度受到限制。

7 B或C級路權有軌電車信號系統的發展趨勢

目前，我國現代有軌電車信號系統尚無統一的標準，系統的實施經驗也相對缺乏；B或C級別路權的現代有軌電車系統與地鐵和輕軌系統相比，具有站間距離短、行車速度低，線路處于街區與機動車及行人混合運行的特點。因此有軌電車行車秩序規率性較差、行車組織較為困難，客運能力相對較弱。國外有軌電車系統與我國相比，運用環境差異較大，技術水平相差較多。我國缺少可參照的有軌電車信號系統運用水平等級，逐步實現有軌電車信息完全監控是我國有軌電車系統運用和管理的發展趨勢。未來較完整的現代有軌電車信號系統可具備如圖2所示的系統結構。

車地雙向無線通信網絡采用LTE(Long Term Evolution)技術，通過采用基于LTE技術的超大帶寬的傳輸平臺，建立無線通信專用網絡系統，可為車地雙向無線傳輸系統、無線數字集群系統、PIS系統提供統一的無線信息傳輸載體，并實現這些系統的信息、語音和圖像業務的傳輸整合。同時LTE技術具有向其他系統（如：防災系統、專用電話系統、公安通信系統、安防系統、CCTV信息等）進行擴展的能力。通過采用完善的IP傳輸機制和多種QoS服務保證傳輸QoS目標，實現差異化服務、保證優先級最高的業務在網絡出現擁塞時能夠優先傳輸到達目的地，不會造成中斷或數據丟失現象。LTE技術的應用將使通信信號技術趨于一體，使最終實現通信信號一體化成為可能。

有軌電車的定位可通過GPS信號和電子標簽校準方式實現。

1）線路電子地圖可存儲于控制中心數據庫服務器；

2）對于基本無遮擋物的線路，系統可利用衛星信號結合讀取線路上的電子標簽（RFID）實現有軌電車的位置校準；

3）對于遮擋物較多或隧道較長線路，有軌電車車載設備可通過讀取線路上的標簽（RFID）實現定位。

有軌電車正線的道岔控制如下。

1）正常情況下道岔接受控制中心的監控，道岔區段的進路依據時刻表自動排列；當控制權限被下放到本地或特殊情況下，授權司機可在有軌電車上遙控前方要通過的道岔；

2）中心只監不控，道岔的控制完全由司機完成；特殊情況下，控制中心調度員可利用無線通信向司機發出特殊操作指令；

3）系統可不對道岔進行控制，對于線路條件簡單的現代有軌電車交通，由于道岔搬動次數較少，允許采用可擠的彈簧道岔。

車輛基地的道岔控制可有兩種方式。

1）繼電聯鎖方式；

2）計算機聯鎖方式。鑒于車輛基地一般規模較大，宜采用計算機聯鎖方式。

8 有軌電車信號系統發展的技術關鍵

采用A級別路權的現代有軌電車信號系統宜直接采用滿足地鐵或輕軌建設規范的其安全完整性等級（SIL）達到4級的列車超速防護ATP系統。但因為有軌電車交通運量介于地鐵或輕軌與城市公共汽車之間，所以可研制安全完整性等級（SIL）低于4級（如SIL3級）的列車超速防護ATP系統，作為現代有軌電車信號系統的標準配套子系統。

平交道口信號燈控制系統設計涉及城市道路交通管理部門和電車運營單位，涉及城市道路交通的統一規劃及交通效率，應專題研究有軌電車最少綠燈原則、相對優先通行原則和絕對信號優先原則，在保證有軌電車的通行效率的同時盡量減少其對城市道路交通的影響。

北京市基礎設施投資有限公司和北京城建設計研究總院有限責任公司已于2010年發布了地方標準《北京市現代有軌電車技術標準》，但國家級或行業級現代有軌電車信號系統建設規范相對缺乏，使現代有軌電車建設主要參照地鐵或輕軌建設規范成為現實，應盡快制定更有針對性的適用于現代有軌電車交通建設的國家級或行業級技術規范或技術標準。

現代有軌電車交通綜合自動化系統應為通信、信號和信息化綜合的運行控制系統。基于LTE技術的超大帶寬的傳輸平臺，利用國家主管部門可能規劃的城市軌道交通專用的無線頻點，可建立無線通信專用網絡系統，可在加強現代有軌電車車地雙向通信技術研究的同時，使我國現代有軌電車交通綜合自動化系統向通信信號一體化、網絡化、信息化、智能化方向發展。

[1] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司.沈陽市渾南新區現代有軌電車一期工程1、2、3、5 號線初步設計.

[2] 鐵道第三勘察設計院集團有限公司.佛山市南海區新型公共交通系統試驗段.

[3] 北京市基礎設施投資有限公司，北京城建設計研究總院有限責任公司.北京市現代有軌電車技術標準[S].