現代有軌電車正線道岔控制系統的研究*

趙曉春 陳光武

(1.蘭州交通大學自動控制研究所,730070,蘭州; 2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

現代有軌電車正線道岔控制系統的研究*

趙曉春1,2陳光武1,2

(1.蘭州交通大學自動控制研究所,730070,蘭州; 2.甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

現代有軌電車正線道岔控制系統的研究，包含道岔控制模式的選擇、軌旁聯鎖控制器的開發設計、軌旁聯鎖控制器設置方案及道岔區域電車定位方式的比較和選取。車載進路模式在提高效率的同時降低了司機的勞動強度。軌旁聯鎖控制器采用全電子化執行單元代替了有接點的繼電器。聯鎖控制器區域化設計將集中和分散控制的優勢集為一體,結構簡單且投資小。組合電子標簽定位克服了其它單一定位手段的缺陷。該設計方案使得現代有軌電車正線道岔控制系統的結構簡單,性能安全可靠,且投資小,適合現代有軌電車的發展。

現代有軌電車;道岔控制; 聯鎖控制器

與地鐵、輕軌相比,現代有軌電車造價低廉、運能適中,適合市區小曲線半徑和大坡度運行,是我國未來城市軌道交通的發展方向之一。而100%低地板有軌電車憑借其出色的舒適性、人性化及美觀度等特點,正如雨后春筍般地發展[1]。對于非獨立路權的現代有軌電車,沒有列車自動防護和自動駕駛的運營需求[2]。這種情況下,如何保證運營安全,提高效率,降低成本,減輕司乘人員勞動強度，是有軌電車設計的主要任務。

現代有軌電車信號系統主要包括運營調度子系統,車輛段聯鎖子系統,正線道岔控制子系統,道口信號子系統,通信子系統以及車載子系統等。其中，有軌電車正線道岔控制系統是現代有軌電車正線信號系統的重要而關鍵的一大系統[3]。因此,研究現代有軌電車正線信號系統,主要是分析設計正線道岔控制系統。

1 傳統正線道岔控制系統

有軌電車的傳統正線道岔控制系統在控制模式、定位方案、聯鎖控制器硬件設計結構及設置方案等方面還存在一定的不足。

傳統正線道岔控制系統的道岔控制模式沒有統一的規范和標準,給設計帶來了諸多不便。

聯鎖控制器沿用了計算機+繼電器的設計思路,沒有實現無接點的全電子化,而且故障定位的難度和維修的工作量大。目前傳統正線道岔控制系統采用的聯鎖控制器設置方式有集中控制和分散控制。集中控制方式存在運算量大,光電纜有效長度不足的缺陷。分散控制方式的設備分散,需要的聯鎖控制器數量多,增加了維修量和工程投入[4]。

單一的GPS(全球定位系統)、BDS(北斗衛星定位系統)、軌道電路定位、計軸定位等常用的定位方案不論在精度還是在安全性方面都不能滿足道岔區段定位的需要。因此,本文主要針對以上存在的問題對現代有軌電車正線道岔控制系統做了相應的改進和完善。

2 改進正線道岔控制系統的關鍵技術

現代有軌電車正線道岔控制系統主要實現正線進路的控制,包括進路的排列和進路的解鎖,以及道岔的單獨鎖閉和單獨解鎖等[3]。正線道岔控制系統的構成見圖1。正線道岔控制系統的關鍵技術包括正線道岔控制模式的選擇,軌旁聯鎖控制器的設計及其布置方式的分析選擇,正線道岔區段電車的定位方案的確定。

圖1 正線道岔控制系統構成圖

2.1 正線道岔控制模式

對于全封閉獨立路權的城市軌道交通而言,其正線道岔控制系統可采用中央控制模式,由中心調度員統籌調度。這樣既可提高效率,又能保證安全。此時，調度員只需根據工作站顯示及聯鎖安全保證排列進路即可。

對于與道路交通混行的現代有軌電車而言，其道路不封閉,調度員不能掌握道路即時狀況,尤其是道岔布置在開放路口的情況下,中心調度員即使要辦理進路也需經過司機確認。因此,現代有軌電車的正線道岔控制系統應采用車載排路模式,以使得有軌電車運營更加靈活高效。當然調度中心也可通過無線方式與司機溝通，對列車運行進行統籌調度。

當車載設備正常,但調度中心系統發生故障時,應采用車載排路模式。車載設備根據GPS、BDS設備及電子標簽,可確定電車是否接近道岔區段。車載顯示終端會顯示以電車所在位置為始端的所有可能進路。當司機選擇并確認進路后,首先，車載控制器將進路號通過車地無線通信系統發送至軌旁聯鎖控制器,由軌旁聯鎖控制器進行聯鎖運算；然后,由無接點的全電子化執行單元動作道岔,鎖閉進路,開放進路表示器;最后，司機按進路顯示器的信號顯示人工駕駛電車通過道岔區段。在車輛獲得道岔控制權至完全離開道岔區段期間,為了保證行車安全,不允許控制系統賦予其它車輛對該道岔的控制權[3]。圖2為車載排路模式簡圖。

圖2 車載排路模式

車載排路模式主要包括正常確認模式、人工輔助模式和隔離模式。

2.1.1 正常確認模式

正常情況下,車載排路模式的控制開關處于確認進路模式下。此時，由調度中心負責排列進路,鎖閉道岔。車載顯示終端顯示道岔的實際位置和進路的選用狀態,并顯示將要通過的進路及其進路確認按鈕,屏蔽其它進路及操作按鈕。在司機確認進路后,軌旁全電子執行單元開放進路表示器;司機按信號顯示人工駕駛電車通過道岔區段。

2.1.2 人工輔助模式

在人工輔助模式下,當列車接近道岔區域時,車載顯示終端不僅自動顯示前方道岔區域的站場圖,還會自動顯示以電車所在的位置為起點的所有可能的進路終端；然后，司機根據運營需要進行判斷,選擇并確認需要的進路終端；隨后，車載控制器將相應的進路號發至軌旁聯鎖控制器,并由軌旁聯鎖控制器排列相應進路、搬動道岔及鎖閉道岔區域,并自動開放進路表示器;最后，司機按信號顯示人工駕駛電車通過道岔區段。

2.1.3 隔離模式

在車地通信中斷情況下,司機可選擇后備控制模式——隔離模式。當電車接近道岔區段時,車載顯示終端不會提示進路狀態或岔區站場圖,而會顯示隔離狀態。這時,司機須下車至軌旁通過道岔控制盒手動控制道岔動作,或者至轉轍機處人工搬動道岔,之后再駕駛電車,慢速通過。

2.2 軌旁聯鎖控制器

根據“故障安全”原則，一旦發生故障，信號設備或系統也能防止出現災難性后果,自動導向安全一方?？梢姡盘栐O備或系統對有軌電車的運營安全至關重要。其中,軌旁連鎖控制器的設計和設置是較為重要的。在每個區域集中站設置1套軌旁聯鎖控制器,以負責實現本站及管轄范圍內車站的聯鎖邏輯運算，對其控制范圍內正線上的所有道岔和進路指示器等設備進行控制。軌旁聯鎖控制器的核心處理單元硬件平臺采用二乘二取二安全計算機。

2.2.1 二乘二取二安全計算機

二乘二取二安全計算機是軌旁聯鎖控制器的核心,負責整個有軌電車信號系統的聯鎖運算。二乘二取二安全計算機根據從全電子執行層采集的現場信號設備的實時狀態和有軌電車發送的控制命令信息,進行聯鎖運算；同時，將運算結果發送到全電子執行單元、運營調度系統及車載設備[5]。圖3為二乘二取二安全計算機的系統結構框圖。

圖3 二乘二取二安全計算機的系統結構框圖

2.2.2 全電子執行單元

全電子執行單元是軌旁聯鎖控制器的執行表示電路,是由不同功能電子模塊組成的全電子電路。電子模塊按照道岔轉轍機、信號表示器等不同類型的驅動與采集對象劃分,且每個單元模塊相對獨立設計。電子模塊本身具有執行控制命令、采集狀態信息、檢測信號設備動作和故障-安全等功能,可實現控制、監督和監測一體化,而且還具有帶電熱插拔功能。

全電子執行單元與二乘二取二安全計算機之間采用2路CAN(控制器局域網絡)通信接口進行信息交換；而與運營調度中心的監測機間信息交換采用單獨的CAN通信接口[6]。全電子執行單元經過防雷柜、分線盤和軌旁信號設備連接。圖4為全電子執行單元硬件組成圖。

全電子執行單元采用冗余技術來保證其可靠性和安全性。微控制器(MPU)及其驅動電路采用了靜態的二取二冗余結構,可通過表決來隔離發生的故障。全電子執行單元采用兩路單獨的采集電路,將采集到的數據分別送給2個MPU(A和B)。這樣從源頭上對聯鎖數據進行了安全性防護。在MPU A和MPU B兩者之間還設計了信息同步,實現了兩路MPU輸出數據的對齊。

整個全電子單元的涉安環節都采用了一定的容錯和避錯技術,以滿足“故障安全”原則,進而保證了行車安全,提高了運營效率,改善了工作人員的勞動條件。

2.3 軌旁聯鎖控制器設置方案

軌旁聯鎖控制器的設置有集中聯鎖,區域聯鎖和分散聯鎖3種方案。

(1)集中聯鎖方案在全線只設1套聯鎖主機,并在每個或距離較近的相鄰道岔區域均設置1套遠程I/O(輸入/輸出)設備。聯鎖主機可放置在控制中心,也可放置在有條件的正線車站。

(2) 區域聯鎖方案在相鄰幾個道岔區集中設置一套聯鎖主機進行控制；每個道岔區相互獨立,且道岔區之間無聯鎖關系。聯鎖控區的劃分原則與地鐵類似。

(3) 分散聯鎖方案以單獨控制道岔為基礎,將道岔控制器分散在軌旁道岔附近,1個道岔區域設置1套道岔控制器。有軌電車的進路無需經過中心或車站辦理,而完全依靠有軌電車和軌旁道岔控制設備的交互來實現道岔控制,使道岔區段內的道岔和進路表示器之間建立起正確的聯鎖關系,以保證道岔控制的安全性和可靠性[7]。

圖4 全電子執行單元硬件組成圖

集中聯鎖方案需在軌道沿線敷設大量的光電纜。當光電纜的長度超過一定的控制距離后,往往還需要設置遠程控制單元和現場接口設備。這加大了前期建設中的設備投資額。此外,一旦通信出現故障,將會全面影響運營。而且，集中設置的主機如果發生故障,則影響面較大。因此集中聯鎖方案對于有軌電車信號系統而言并非首選。

雖然分散聯鎖方案的道岔控制安全性和可靠性較高,但是其設備分散,不便于安裝和維護。區域聯鎖方案既克服了集中聯鎖方案的控制距離受限這一短板,也避免了分散聯鎖方案的設備分散、安裝維護不便的缺點。因此,綜合考慮了安全性，市政景觀和資源投入等因素，區域聯鎖方案為有軌電車軌旁聯鎖控制器設置首選方案。

2.4 電車定位

目前世界上主要的衛星定位系統有美國的GPS、我國的BDS、俄羅斯的GLONASS(格洛納斯定位系統)及歐洲的Galileo(伽利略定位系統)。目前,在這幾種定位系統中,GPS定位精度最高(普通民用GPS定位精度達到10 m),穩定性最好。但不論是BDS還是GPS,單一的衛星定位方案在現代有軌電車正線道岔控制系統中仍是遠遠不夠的。因此,必須考慮其他輔助的定位工具,以使有軌電車在道岔區段的定位更加精確。

其它輔助的列車定位手段有軌道電路定位、計軸器定位、感應式通信環線定位及RFID(射頻識別)電子標簽等。使用傳統的軌道電路進行列車定位時,只能確定列車所在的道岔區段,無法進行精確位置的判斷。軌道電路定位的電纜布置及設備會使得整個系統復雜化。采用計軸器定位時,由于現代有軌電車軌面與城市道路布置在同一個水平面上,因此存在鋸軌現象。隨著無線通信技術和電子技術的不斷完善和發展,同時為了提高列車定位的精確度，實現“故障安全”原則,基于GPS/BDS+RFID電子標簽的有軌電車組合定位手段應運而生[8]。

有軌電車首先通過車載的GPS/BDS終端獲取有軌電車的位置信息;然后，通過地面設置的RFID電子標簽對GPS/BDS獲取的位置信息進行校正；隨后，將最終的位置信息通過無線通信方式發送至控制中心(OCC)；最后，通過RFID電子標簽檢測出有軌電車在道岔區段的占用和出清。

RFID讀寫器及通信設備安裝在車載安全計算機上,無源電子標簽按一定間隔安裝在道岔區段，并在道岔區段前方一定距離處專設1個電子標簽用以判斷列車是否已接近道岔區段。每當有軌電車通過1個電子標簽時,安裝在有軌電車底部的讀寫器就會讀取標簽內的精確位置信息數據,從而實現精確的定位。有軌電車在運行時會連續、依次讀取多個標簽內的位置信息,而車載安全計算機就會根據電車的位置信息的變化及電車實際長度,判斷出有軌電車的運行方向及運行距離,進而確定有軌電車在道岔區段的占用和出清情況。

3 結語

以當前現代有軌電車信號控制技術為基礎,結合軌道交通“故障安全”原則要求,從有軌電車進路控制模式,軌旁聯鎖控制器的結構設計,軌旁聯鎖控制器的設置方式和電車在道岔區段定位手段入手,對有軌電車信號控制系統進行了分析設計。改進后的正線道岔控制系統在理論設計中較傳統的道岔控制系統更簡單,安全性更高,工程投入量更少。

[1] 周翊民.現代有軌電車的快速發展是社會發展的必然需要[J].城市軌道交通研究,2013(8):1-4.

[2] 吳耀東,李國龍.現代有軌電車的信號系統[J].交通與運輸,2014,30(4):10-11.

[3] 公吉鵬.新型有軌電車道岔控制方案分析[J].城市軌道交通研究,2014(7):119-121.

[4] 李晶.現代有軌電車正線道岔控制方案的選擇[J].鐵道通信信號,2015,51(1):69-72.

[5] 陳光武,范多旺,魏宗壽,方亞非.基于二乘二取二的全電子計算機聯鎖系統[J].中國鐵道科學,2010,31(4):138-144.

[6] 蘇思琦.全電子計算機聯鎖系統信號模塊安全性分析[D].蘭州:蘭州交通大學,2013.

[7] 薛洪峰.現代有軌電車信號控制關鍵技術研究[D].北京:北京交通大學,2013.

[8] 李強.現代有軌電車正線道岔控制系統方案研究[J].電氣自動化,2015,37(2):100-102.

Research on Main Switch Control System of Modern Tram

ZHAO Xiaochun, CHEN Guangwu

In the study of modern tram switch control system on the main track, there are four key aspects: the selection of switch control mode, exploitation and design of track-side interlocking controller, setting scheme of the track-side interlocking controller, the comparison and selection of trolley positioning in switch-area.Car-driver control mode improves the efficiency, at the same time reduces the labor intensity of the driver. The way-side interlocking controller adopts all-electronic execution units instead of the contact relays, the design of regionalization interlocking controller combines the advantages of centralized control with decentralized control, which is simple and requires only small investment, while the GPS/BDS+RFID electronic tag positioning overcomes the defect of other single positioning methods.The whole design scheme makes the system simple, safe and reliable with small investment, therefore is suitable for the development of modern tram.

modern tram; switch control; interlocking controller

Institute of Automatic Control,Lanzhou Jiaotong University,730070,Lanzhou,China

*甘肅省基礎研究創新群體計劃項目(1606RJIA327); 甘肅省科技支撐計劃項目(1604GKCA009)

U 213.6:U 482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.022

2015-12-15)