德國(guó)現(xiàn)代有軌電車平交口信號(hào)控制概論

虞笑晨

(德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué))

德國(guó)現(xiàn)代有軌電車平交口信號(hào)控制概論

虞笑晨

(德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué))

近年來,現(xiàn)代有軌電車被引入中國(guó),在上海、沈陽等一些城市中投入運(yùn)營(yíng)。不久,將在中國(guó)掀起有軌電車項(xiàng)目的一股熱潮。然而,有軌電車在中國(guó)的運(yùn)營(yíng)并非一帆風(fēng)順,無論是交叉口交通安全還是交叉口通行能力都在投入有軌電車以后受到較大的影響。 相比之下,有軌電車已經(jīng)在德國(guó)運(yùn)行了很長(zhǎng)時(shí)間,對(duì)于其信控技術(shù)方面的知識(shí)已經(jīng)相當(dāng)成熟。所以,從德國(guó)學(xué)習(xí)其信號(hào)控制的經(jīng)驗(yàn)內(nèi)容是很值得的。誠(chéng)然,由于兩國(guó)國(guó)情背景的差異,簡(jiǎn)單地“移植”德國(guó)方法是行不通的。對(duì)此,應(yīng)探討德國(guó)方法在中國(guó)運(yùn)用的可能性。

有軌電車；平面交叉口；信號(hào)控制；德國(guó)經(jīng)驗(yàn)

1 緒論

1.1 研究背景

隨著中國(guó)城市化和現(xiàn)代化進(jìn)程,一方面城市人口急劇膨脹,另一方面環(huán)境污染也成為中國(guó)現(xiàn)代化發(fā)展中的“致命傷”,因此大力發(fā)展城市公共交通成為解決城市交通擁擠和改善城市生活環(huán)境的最佳措施之一。

自20世紀(jì)80～90年代以來,在中國(guó)的各大城市逐漸興起修建地鐵的風(fēng)潮,然而,隨著城市規(guī)模的不斷增大,以及人口的進(jìn)一步增加,地鐵系統(tǒng)的容量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足城市人口對(duì)公交的需求,同時(shí)對(duì)于中國(guó)很多中型城市來說,地鐵的高額建造和維護(hù)費(fèi)用,以及隧道的施工難度,使得在這類地區(qū)投入地鐵運(yùn)營(yíng)得不償失。

因此,在過去的幾年,快速公交BRT在中國(guó)許多城市投入運(yùn)營(yíng),用于補(bǔ)充、完善城市的公交系統(tǒng)。然而BRT作為普通公共巴士的改良,在運(yùn)輸容量上和環(huán)境能耗上的缺陷仍然難以滿足當(dāng)代城市發(fā)展?jié)M足的需求。

在這種情況下,對(duì)于現(xiàn)代有軌電車的需求在中國(guó)應(yīng)運(yùn)而生(見圖1、圖2),較于傳統(tǒng)公交和BRT,有軌電車在低能耗和大容量等方面有著較大的優(yōu)勢(shì),而與地鐵相比,其低成本和短建造周期都成為其發(fā)展前景中的亮點(diǎn)。不久的將來,有軌電車將成為城市公交網(wǎng)中的“骨干”力量。

圖1 上海張江有軌電車交叉口運(yùn)營(yíng)實(shí)景

圖2 沈陽渾南有軌電車交叉口運(yùn)營(yíng)實(shí)景

然而,有軌電車作為一種軌道交通,要在擁擠的道路中穿梭,并且要與繁忙的城市交通系統(tǒng)相融合,實(shí)屬一件難事。尤其是在平面交叉口,有軌電車會(huì)充分與普通社會(huì)車輛接觸,從而產(chǎn)生很多沖突點(diǎn),所以說有軌電車在平面交叉口的安全問題是關(guān)系到有軌電車在中國(guó)進(jìn)一步發(fā)展的“瓶頸”。

其次,為了大力發(fā)展公共交通,公交優(yōu)先是增加公交吸引力的重要舉措,尤其對(duì)于有軌電車來說,由于其獨(dú)立于社會(huì)車輛的獨(dú)立軌道,它的主要延誤來源于平面交叉口的信號(hào)燈,而且相比其他公共巴士有軌電車承載更多的乘客,無疑,對(duì)于有軌電車來說交叉口的信號(hào)優(yōu)先尤為重要。對(duì)此,衍生出兩個(gè)問題：其一,如何減少有軌電車在交叉口因信號(hào)燈引起的延誤；其二,如何協(xié)調(diào)有軌電車信號(hào)優(yōu)先和社會(huì)車輛利益之間的關(guān)系。這兩者缺一不可,否則都將會(huì)使有軌電車在中國(guó)發(fā)展的可接受性大打折扣。

相比較中國(guó),德國(guó)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)代有軌電車有著很長(zhǎng)歷史,無論在理論規(guī)范層面,還是在實(shí)際設(shè)計(jì)操作層面都有著許多成熟的經(jīng)驗(yàn)值得探討借鑒。這些經(jīng)驗(yàn)不僅涉及有軌電車的平面交叉口安全問題,也牽涉到其在平面交叉口的延誤和整體交叉口的服務(wù)水平。并且隨著時(shí)間的推移,德國(guó)有軌電車信控問題在理論和實(shí)踐方面也都隨著科技的進(jìn)步發(fā)生著新的變化,尤其在智能交通不斷深化的背景下,感應(yīng)控制和有軌電車優(yōu)先的經(jīng)驗(yàn)也日臻完善(見圖3、圖4)

圖3 德國(guó)達(dá)姆施塔特有軌電車交叉口運(yùn)營(yíng)實(shí)景

圖4 德國(guó)法蘭克福有軌電車交叉口運(yùn)營(yíng)實(shí)景

筆者通過對(duì)德國(guó)信號(hào)控制規(guī)范和文獻(xiàn)的閱讀,以及實(shí)際工程資料研究和實(shí)地觀察,同時(shí)結(jié)合在中國(guó)實(shí)地考察中觀察的現(xiàn)象和收集的資料,認(rèn)為很有必要將德國(guó)的一些有軌電車信號(hào)控制方法和理念進(jìn)行全方位剖析,以對(duì)中國(guó)今后有軌電車的發(fā)展有所幫助。通過對(duì)其從交通工程學(xué)原理角度的分析,從而找出能夠?qū)χ袊?guó)有軌電車交叉口信控可借鑒的內(nèi)容。

1.2 研究?jī)?nèi)容

對(duì)本文的研究對(duì)象,即“有軌電車”及其特性做出解釋,以便理解有軌電車在交叉口信控方面的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文將對(duì)有軌電車信號(hào)控制的理論依據(jù),即法律和行業(yè)規(guī)范進(jìn)行介紹,使讀者了解德國(guó)是如何處理有軌電車在交叉口信控方面的難點(diǎn),同時(shí)也對(duì)這些控制方法的設(shè)計(jì)理念和理論來源給出解釋,做到“知其然,知其所以然”。

最后,將對(duì)上述有軌電車信控方面的理論和經(jīng)驗(yàn)根據(jù)其適用條件做出評(píng)論,重點(diǎn)是從中國(guó)國(guó)情出發(fā)探討這些方法在中國(guó)借鑒的可能性。

2 有軌電車的基本概念和基本特性

2.1 有軌電車基本概念

首先,這里要申明的是本文涉及的是“現(xiàn)代”有軌電車,“現(xiàn)代”有兩層含義,一指有軌電車擁有現(xiàn)代的動(dòng)力系統(tǒng),因此能較高速運(yùn)行；二指它行駛在當(dāng)代交通環(huán)境中,所以本文立足于中國(guó)近幾年投入的有軌電車,去研究探討德國(guó)當(dāng)下運(yùn)營(yíng)有軌電車的方法和經(jīng)驗(yàn)。

第二,本文研究對(duì)象是狹義的有軌電車,其比較合適的定義是：有軌電車是與道路交通混合行駛或在獨(dú)立軌道上行駛的鐵路形式。原則上它依靠“視覺控制”原則行駛,并遵守按照道路交通安全法規(guī)定的道路交通信號(hào)、標(biāo)示和規(guī)則等。

2.2 有軌電車基本特性

有軌電車信號(hào)控制的難點(diǎn)在于它同時(shí)擁有鐵路和道路交通的屬性,換而言之,軌道交通行駛到了道路上。普通(真正)鐵路屬于(純)信號(hào)控制,即閉塞區(qū)間原理(即預(yù)留火車間距離),也就是說通過信號(hào)控制,火車駕駛員只要完全按照信號(hào)燈的信息來駕駛,理論上能保證車輛的安全。相比真正意義上的“鐵路”,地鐵的運(yùn)營(yíng)雖然可以有視覺控制,但是地鐵一般都是通過隧道下穿或上設(shè)高架的模式,使其完全脫離普通的城市道路系統(tǒng),形成一個(gè)獨(dú)立的“封閉”系統(tǒng),換句話說,用立體交叉口代替平面交叉口,從而提高其運(yùn)營(yíng)的安全性。

相比這兩者,一方面,有軌電車是一個(gè)視覺控制系統(tǒng),即駕駛員通過遵守相應(yīng)的交通信號(hào)和標(biāo)示,以及自己對(duì)路況的正確判斷,來保證有軌電車運(yùn)行的安全；另一方面,有軌電車屬于一種“開放”系統(tǒng),因?yàn)樵谄矫娼徊婵谟熊夒娷嚂?huì)和普通社會(huì)車輛之間存在很多潛在的沖突點(diǎn)。所以說有軌電車在經(jīng)過平面交叉口時(shí),從交通工程學(xué)來看,一方面要通過正確和合理的交通信號(hào)控制來保證安全(85%的安全)；另一方面,要通過駕駛員正確地操作來實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制所提供的信息(15%的安全),在此之間,信號(hào)控制所提供的信息必須能夠保證足夠的正確性,也就是說,信號(hào)控制必須足夠考慮有軌電車的特殊屬性,使得駕駛員的駕駛具有可操作性。

既然有軌電車作為道路交通的一種,但其軌道交通的屬性具有以下明顯和普通道路交通完全不同的特點(diǎn)。

2.2.1 特殊的車輛尺寸(長(zhǎng)度)

一說到現(xiàn)代有軌電車給人最直觀的感受就是其冗長(zhǎng)的車身。一般來說普通小型車長(zhǎng)度平均在6 m左右,而大型貨車或傳統(tǒng)的“巨龍公交車”(鉸接公交車)長(zhǎng)度也大約18 m左右,相比之下,現(xiàn)代有軌電車確實(shí)有著普通道路交通車輛所無法比擬的車身長(zhǎng)度,就以沈陽為例,有軌電車最長(zhǎng)可達(dá)35 m,而德國(guó)的有軌電車更長(zhǎng),達(dá)姆施塔特市的有軌電車最長(zhǎng)可以達(dá)到45 m。從這個(gè)意義上來說,有軌電車完全通過交叉口需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。

2.2.2 特殊的車輛動(dòng)力性能

有軌電車作為軌道交通,由于其摩擦小,因此它的減速度遠(yuǎn)小于普通道路交通,并且考慮到有軌電車上站立乘客的安全性和舒適性,一般來說,有軌電車的減速度在非極限情況下不允許超過1.5 m/s2,而在實(shí)際駕駛過程中減速度一般控制在1.2 m/s2以下,相比,普通轎車根據(jù)其動(dòng)力性能不同其減速度可以達(dá)到3.5～4 m/s2左右。這樣大的減速度差距,使得有軌電車需要更長(zhǎng)、更多的剎車空間。

2.2.3 公交停站和車輛加速度

和普通社會(huì)車輛相比有軌電車經(jīng)常會(huì)在交叉口前設(shè)置公交站臺(tái),其本身對(duì)交叉口信控(除有軌電車信號(hào)優(yōu)先以外)影響并不大,但是和減速度一樣,停站以后有軌電車將以較小的加速度駛?cè)牒婉傠x交叉口,如果恰巧此時(shí)黃燈或者紅燈亮起,那么有軌電車能否順利地通過交叉口,是影響有軌電車交叉口安全性的重要問題。

2.2.4 固定的行駛軌道

有軌電車和道路交通另一個(gè)顯著的不同點(diǎn)就是固定的運(yùn)行軌道,因而它的靈活性成為其在運(yùn)行過程中的一大缺陷。這種缺陷在發(fā)生交通沖突時(shí)尤為突出,但是要避開交通沖突必須有相互避讓,而這種避讓必須通過參與發(fā)生沖突的兩方交通參與者同時(shí)采取措施,才可以避免。然而有軌電車因?yàn)槠涔潭ǖ倪\(yùn)行軌道,很難通過轉(zhuǎn)向等避讓措施來防止交通事故,因此駕駛員對(duì)于有軌電車安全方面的可操作性要比道路交通小得多,因此對(duì)于正確的信號(hào)控制方案提出了更高的要求。

2.2.5 特殊的行駛位置

有軌電車的軌道經(jīng)常鋪設(shè)在道路當(dāng)中或者兩條軌道一起鋪設(shè)在道路的一側(cè),尤其對(duì)在道路中間直行的有軌電車來說,與其右側(cè)的左轉(zhuǎn)車輛之間存在很大安全隱患。在第四屆中德交通論壇上德國(guó)波鴻大學(xué)的Prof.Brillon教授就明確指出：無論有無信號(hào),直行有軌電車都與左轉(zhuǎn)車輛之間存在很大沖突,但是信號(hào)燈還是提供了一些保護(hù)。當(dāng)然,如何合理處理信號(hào)燈的配時(shí)方案,或者說如何處理直行有軌電車和左轉(zhuǎn)車的相位分布,是很有講究的,因?yàn)橛熊夒娷嚸啃r(shí)出現(xiàn)的次數(shù)是有限的,尤其像中國(guó),很多線路每15 min一輛車,也就是說1 h通過該交叉口的有軌電車一共才8輛(兩個(gè)方向),所以如何協(xié)調(diào)“過度(安全)設(shè)計(jì)”和“安全設(shè)計(jì)不足”是一個(gè)核心問題。

另外,由于有軌電車的這種特殊軌道鋪設(shè)方式,使得其站臺(tái)也經(jīng)常設(shè)在路中央,和傳統(tǒng)分別設(shè)置在道路兩旁的公共大巴的站臺(tái)相比,這種方式使得很多乘客到達(dá)站臺(tái)增添不少困難,而且有軌電車站臺(tái)經(jīng)常直接設(shè)置在交叉口前或后,所以行人隨便過街便大大增加了交叉口安全隱患。這種“亂穿”行為會(huì)在有有軌電車優(yōu)先的情況下更加惡化,即因?yàn)橛熊夒娷囆盘?hào)優(yōu)先的需要,其側(cè)向過街或到車站的行人在交叉口等候時(shí)間會(huì)大大增加。因此如何處理好行人過街/去站臺(tái)的問題是提高交叉口安全和有軌電車可接受度的重要議題(見圖5、圖6)。

圖5 直行有軌電車和左轉(zhuǎn)車流沖突示意圖

圖6 德國(guó)杜塞爾多夫(左圖)和中國(guó)沈陽渾南(右圖)直行有軌電車和左轉(zhuǎn)車流事故實(shí)景

這五個(gè)特殊屬性使得有軌電車在平面交叉口的信號(hào)控制時(shí)必須與普通車流區(qū)別對(duì)待,并在信號(hào)控制方案中充分體現(xiàn)。只有認(rèn)真地處理好這五方面的問題,那么交叉口的信號(hào)控制才能符合有軌電車的運(yùn)行。

3 平交口信號(hào)控制總論及信號(hào)燈形式

3.1 總論

在本文中,主要是簡(jiǎn)單介紹一下德國(guó)有軌電車信號(hào)控制的法律和理論依據(jù),即相關(guān)法律和行業(yè)規(guī)范,作為下文內(nèi)容論述的理論依據(jù)。和有軌電車信號(hào)控制有關(guān)的主要有6本法律和規(guī)范：

(1)Verordnung über den Bau und Betrieb der Straβenbahnen (BOStrab)(德國(guó)有軌電車施工和運(yùn)營(yíng)條例)。

(2)Straβenverkehrordnung (StVO) (德國(guó)道路交通法規(guī))。

(3)Allgemeine Verwaltungsvorschrift zur Straβ enverkehrs-Ordnung (VwV-StVO)(德國(guó)道路交通管理?xiàng)l例)。

(4)Richtlinien für Lichtsignalanlgen (RiLSA) (德國(guó)交通信號(hào)控制規(guī)范)。

(5)Hinweise zur Bevorrechtigung des offentlichen Personennahverkehrs bei der Lichtsignalsteuerung (公共交通信號(hào)優(yōu)先指南)。

(6)Merkblatt für Maβnahmen zur Beschleunigung des βffentlichen Personennahverkehrs mit Straβ enbahnen und Bussen(有有軌電車和巴士的公共交通加速/優(yōu)先措施說明)。

其中,BOStrab中明確了有軌電車的道路交通屬性,即當(dāng)有軌電車以混合路權(quán)的方式運(yùn)行,以及在獨(dú)立軌道上運(yùn)行但在通過平面交叉口時(shí),有軌電車是一種道路交通形式,其運(yùn)行必須遵守道路交通的標(biāo)志、標(biāo)示和規(guī)則,而StVO和VwV-StVO作為道路交通安全法則規(guī)定了各種道路駕駛行為準(zhǔn)則,以及道路標(biāo)示的意義。由此可見,BOStrab肯定了道路交通信號(hào)燈對(duì)有軌電車控制的可能性,而StVO和VwV-StVO是德國(guó)所有道路交通信號(hào)控制設(shè)置的最基本的法律解釋和理論依據(jù)。

除法律條例的保證以外,還進(jìn)一步具體地頒布了有軌電車信號(hào)控制的3本規(guī)范。其中RiLSA (德國(guó)交通信號(hào)控制規(guī)范)是具有法律效應(yīng)的強(qiáng)制規(guī)范,它對(duì)德國(guó)所有交通參與者的信號(hào)設(shè)置作出了要求與規(guī)定；而后兩本是在RiLSA基礎(chǔ)上針對(duì)公共交通(有軌電車)(信號(hào))優(yōu)先制定的指南和建議。

3.2 信號(hào)燈(英語:signal head;德語:Signalgeber)

有軌電車信號(hào)燈并非與信號(hào)控制直接有關(guān),但是確實(shí)和相位分布、綠燈間隔時(shí)間計(jì)算有著一定的聯(lián)系,因此在總論中對(duì)其進(jìn)行介紹。信號(hào)燈是信號(hào)控制內(nèi)容的信息表達(dá),其直接傳遞了信號(hào)控制的內(nèi)涵,如綠燈表示通行。在德國(guó),甚至在整個(gè)歐洲,當(dāng)今有軌電車的信號(hào)燈原則上和普通社會(huì)車輛的信號(hào)燈是分開的。這種“分開”包括兩層含義,一則是信號(hào)燈的形式完全不同；二則是信號(hào)燈的內(nèi)置參數(shù)(如綠燈時(shí)長(zhǎng))和社會(huì)車輛的有可能不同。前者的最主要目的是減少因看混淆看錯(cuò)信號(hào)燈而造成不必要的交通事故(見圖7、圖8)。

圖7 BOStrab附錄4中有軌電車信號(hào)形式和含義示意圖

圖8 德國(guó)實(shí)際工程中有軌電車信號(hào)燈形式實(shí)景

在德國(guó)對(duì)于有軌電車的信號(hào)控制的信號(hào)燈形式在BOStrab的附錄4有明確的解釋。在圖7中F0、F1/F2/F3和F4信號(hào)燈分別對(duì)應(yīng)普通信號(hào)燈的紅、綠和黃燈形式,并且表示“綠燈”的通行信號(hào)燈根據(jù)有軌電車行駛的方向指向不同的方向,以提示有軌電車駕駛員以正確地方向行駛。

此外,還有一個(gè)所謂的允許信號(hào)(F5),其信號(hào)內(nèi)容是BOStrab規(guī)定的直接體現(xiàn)。既然有軌電車也是道路交通,因此它未必在交叉口總有最高優(yōu)先權(quán),因此當(dāng)其通行時(shí)需要注意優(yōu)先權(quán)讓行其它車輛時(shí),就會(huì)用這種信號(hào)燈來控制,以提示有軌電車駕駛員注意“讓行”規(guī)則,相比之下,F1/F2/F3信號(hào)燈表達(dá)的是有軌電車原則上可以“暢通無阻”地通過交叉口。

目前,在德國(guó)多數(shù)情況下有軌電車都按照BOStrab附錄所給定的信號(hào)形式由獨(dú)立的信號(hào)燈組控制,這包括兩層含義：一是用一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)燈組控制有軌電車以保證信號(hào)控制的靈活性,比如相位分配,也使得有軌電車信號(hào)控制參數(shù)的不同成為可能性,最典型的例子是有軌電車需要較長(zhǎng)的清空時(shí)間,所以有軌電車的綠燈可以通常比同方向的車流的綠燈早幾秒結(jié)束。否則的話不是有軌電車,就是社會(huì)車輛的利益受損；二是有軌電車的信號(hào)燈樣式、顏色等完全不同于普通常規(guī)的“紅黃綠”信號(hào)燈,這就保證了普通交通參與者對(duì)這個(gè)信號(hào)燈的敏感度較低,從而避免了因誤看而造成的交通事故。

4 建議和總結(jié)

有軌電車在中國(guó)銷聲匿跡多年以后以一種全新的模式重新出現(xiàn)在中國(guó)繁忙的大街小巷,其本身是具有現(xiàn)實(shí)和進(jìn)步意義的。其既能補(bǔ)充大型城市的地鐵運(yùn)營(yíng),也可以在中小型城市構(gòu)成公共交通網(wǎng)的“骨干”,因?yàn)槠淙萘勘劝褪看_實(shí)要提高很多。同時(shí)它能完成衛(wèi)星城及其子城之間的重要交通運(yùn)輸功能,例如沈陽渾南5號(hào)線連接著沈陽和撫順,這也是歐洲使用有軌電車重要原因之一,它能進(jìn)一步促進(jìn)中國(guó)的城市群建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展。

但有軌電車特殊的鐵路性質(zhì)使其在參與道路交通時(shí)問題頻發(fā),一些以前就可能存在的問題因?yàn)橛熊夒娷嚨某霈F(xiàn)更加凸顯。相比,德國(guó)確實(shí)經(jīng)歷了幾十年的有軌電車運(yùn)營(yíng),在這方面積累了不少經(jīng)驗(yàn),當(dāng)然在規(guī)范和實(shí)際運(yùn)用時(shí)還是因?yàn)楣こ瘫尘安煌嬖诤芏囔`活性和變通性。對(duì)我們來說重要的是,要了解它某種控制方法背后的原因和約束條件,這樣才能使其在中國(guó)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)“本土化”,否則生搬硬套是行不通的。同時(shí)也要做到“知其所以然”,不是從表象上學(xué)習(xí)德國(guó)或者歐洲其他國(guó)家的信號(hào)控制經(jīng)驗(yàn),而是探究其設(shè)置的理論基礎(chǔ)。

然而,信號(hào)控制只是有軌電車運(yùn)營(yíng)中的冰山一角,要真正使有軌電車能讓中國(guó)百姓真正接受的話,需要對(duì)有軌電車有一個(gè)整體的規(guī)劃設(shè)計(jì)。從德國(guó)經(jīng)驗(yàn)看,無論是交通信號(hào)控制、城市道路設(shè)計(jì)、行人道路設(shè)計(jì)等各個(gè)層面的規(guī)范和領(lǐng)域都滲透著關(guān)于有軌電車的內(nèi)容,可見有軌電車不是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體,它和道路交通其他部分都“骨肉相連”,也說明它是一個(gè)完整的體系,包括線路規(guī)劃、交通規(guī)劃、土建和信號(hào)控制等多個(gè)方面。因此我們也需要一個(gè)各部門相互合作的研究團(tuán)隊(duì)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。這種合作必須貫穿于整個(gè)有軌電車設(shè)計(jì)、建造,以及后期運(yùn)營(yíng)過程中,真正做到有軌電車的各個(gè)方面能相輔相成,實(shí)現(xiàn)1+1＞2的效果。

U491.5+4

E

1009-7716(2015)09-0063-05

2015-06-08

虞笑晨(1987-),男,上海人,在讀研究生,研究方向：交通工程與機(jī)場(chǎng)規(guī)劃。