關(guān)于現代有軌電車(chē)正線(xiàn)道岔控制系統方案研究論文
0 引言
傳統有軌電車(chē)在二十世紀前三十年得到了快速的發(fā)展，但隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的崛起，傳統有軌電車(chē)因其噪音、靈活性和效率等諸多劣勢逐步退出歷史舞臺�，F代有軌電車(chē)采用電力驅動(dòng)、低地板列車(chē)和自動(dòng)控制等新技術(shù)，以較大的載運量、綠色環(huán)保、城市景觀(guān)效果好及投資規模小等綜合優(yōu)勢得以快速發(fā)展，近30 年僅在法國有超過(guò)十個(gè)城市近30 條現代有軌電車(chē)線(xiàn)路投入運營(yíng)，近年來(lái)也逐步進(jìn)入中國，在上海張江開(kāi)發(fā)區、天津濱海新區和沈陽(yáng)渾南新區建成投運，也有很多城市在規劃建設中。
1 現代有軌電車(chē)信號系統
信號系統是現代有軌電車(chē)的運行指揮系統，有軌電車(chē)由司機駕駛，遵照信號燈及操作控制道岔設備信號的指示，按照行車(chē)運行計劃和規則行駛。信號系統為了保證基本行車(chē)安全和盡可能高的行車(chē)效率，采用各種技術(shù)實(shí)現列車(chē)的定位、車(chē)地通信、信號設備的自動(dòng)控制和調度的信息化。信號系統主要解決的幾個(gè)問(wèn)題:
( 1) 運營(yíng)調度，在控制中心進(jìn)行行車(chē)計劃的編制和下發(fā)，對實(shí)際列車(chē)運行情況跟蹤監督。( 2) 車(chē)地之間，車(chē)上司機對地面道岔進(jìn)行遙控從而實(shí)現走行方向的選擇，道岔響應司機的操作指令并且進(jìn)行線(xiàn)路占用條件的判斷，符合安全邏輯的條件下轉動(dòng)到位并且聯(lián)動(dòng)控制地面信號燈指示，反饋車(chē)上司機運行許可信號。( 3) 列車(chē)與控制中心之間，控制中心需要掌握所有列車(chē)運行的位置，控制中心需要將運行計劃下發(fā)至列車(chē)。( 4) 控制中心與地面信號之間，控制中心需要地面設備的實(shí)際狀態(tài)信息和故障報警信息以便快速做出反應，控制中心也可以根據運行計劃和列車(chē)運行位置遠程控制道岔設備的動(dòng)作從而提高運行效率�，F代有軌電車(chē)信號系統的運營(yíng)制式并非完全一致，根據具體線(xiàn)路和路權的設計存在差異性。
2 正線(xiàn)道岔控制系統
總體分析，現代有軌電車(chē)信號控制系統分為正線(xiàn)道岔控制系統和運營(yíng)調度兩大子系統。正線(xiàn)道岔控制系統是信號系統中唯一涉及安全的子系統，并且作為主要的地面控制設備與道岔轉轍機、信號機、計軸等信號設備直接連接，還需通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信接口與車(chē)載設備、控制中心進(jìn)行通信數據交互。正線(xiàn)道岔控制系統的核心設備是在每個(gè)有軌電車(chē)車(chē)站安裝軌旁的道岔控制柜。
道岔控制柜中配置核心邏輯運算單元，運算單元通過(guò)通信總線(xiàn)與其他控制接口設備交互，接收控制命令，采集地面信號設備狀態(tài)，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運算，向控制接口板發(fā)送指令控制地面信號設備動(dòng)作，同時(shí)向車(chē)載和控制中心發(fā)送信號設備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息�；诎踩缘目紤]，核心運算單元在硬件上應該采用二取二制式。
驅動(dòng)控制設備有道岔控制單元和信號機控制單元。道岔控制單元要能夠驅動(dòng)轉轍機動(dòng)作并采集轉轍機的表示狀態(tài)。在傳統的鐵路信號控制領(lǐng)域，轉轍機驅采控制采用的是重力式繼電器組合，觸點(diǎn)控制方式，控制設備規模較大并且設備連接需要進(jìn)行焊線(xiàn)，軌旁控制柜根本無(wú)法容納如此笨重的控制設備，所以道岔控制采用電子化、模塊化和無(wú)觸點(diǎn)的控制板卡設備是必然的選擇。電子化道岔控制設備可以采用電力電子開(kāi)關(guān)技術(shù)、二取二控制校核方法、閉環(huán)檢測方法、冗余通信總線(xiàn)技術(shù)來(lái)保證其安全性和可靠性。一個(gè)道岔控制單元控制一臺轉轍機，電氣特性方面目前國內有軌電車(chē)轉轍機多采用AC380V 和AC220V 驅動(dòng)兩種制式。有軌電車(chē)信號機一組有三個(gè)燈位顯示，分別是紅色禁止燈光，綠色直行指示燈光，黃色轉向指示燈光，一個(gè)信號機控制單元可設計為驅動(dòng)一組或兩組信號機，信號機采用LED 信號燈，控制單元輸出AC220V 驅動(dòng)電源與信號點(diǎn)燈變壓器連接。道岔控制單元和信號控制單元設計要遵循基本的“故障—安全”原則，比如信號機控制單元在通信中斷的情況自動(dòng)點(diǎn)亮紅燈，道岔控制單元操動(dòng)道岔啟動(dòng)后無(wú)論任何條件變化都要持續驅動(dòng)到位。接口設備有通信接口單元和軌道狀態(tài)檢測單元。通信接口單元又分為車(chē)地通信接口單元，控制中心通信接口單元，接口單元負責將核心運算單元的通信數據轉換為其他有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式的通信數據傳輸至車(chē)載和控制中心。
核心運算單元與道岔控制單元、信號機控制單元、通信接口單元、軌道狀態(tài)檢測單元之間采用通信總線(xiàn)方式連接，CAN 總線(xiàn)最為常用，也可采用串行或CPCI 總線(xiàn)等。
3 道岔控制邏輯
道岔路口的行車(chē)規則、道岔控制邏輯與有軌電車(chē)具體線(xiàn)路的路權設計、運營(yíng)規劃有關(guān)系，這里設計一種兼顧安全與效率的方案。
1#、2#、3#為路口號，對應位置設計為車(chē)地通信有效進(jìn)入范圍。A、B、C 點(diǎn)設計為區段占用檢測點(diǎn)，用作檢測列車(chē)占用或通過(guò)。進(jìn)路處理邏輯如下:
( 1) 初始狀態(tài)下，即在系統上電復位后，進(jìn)路區段即道岔區段處于占用狀態(tài)，信號燈XI、XII、XIII 處于紅燈狀態(tài)，道岔區段占用狀態(tài)通過(guò)在車(chē)載設備或現地操作盤(pán)上進(jìn)行確認復位后恢復正常即出清狀態(tài)。
( 2) 列車(chē)行至1#路口時(shí)，司機根據信號燈XI 顯示行車(chē)，信號燈顯示紅燈、進(jìn)路區段出清、未排列進(jìn)路，此種情況下，司機根據行車(chē)需要通過(guò)車(chē)載設備排列直行或右行進(jìn)路，道岔轉動(dòng)到位后信號燈開(kāi)放，直行開(kāi)放綠燈，右行開(kāi)放黃燈，道岔鎖閉，以XI 為始端的進(jìn)路排列成功。
( 3) 信號開(kāi)放后列車(chē)駛入道岔區段，A 點(diǎn)檢測到區段占用后信號關(guān)閉，進(jìn)路狀態(tài)改變?yōu)檫M(jìn)路占用，列車(chē)駛過(guò)道岔區段后原進(jìn)路信號自動(dòng)開(kāi)放，道岔保持鎖閉狀態(tài)，后續同向列車(chē)不需要再排列進(jìn)路，根據信號開(kāi)放顯示行車(chē)。
( 4) 進(jìn)路開(kāi)行方向與計劃行車(chē)方向不一致的時(shí)候，司機需要取消已排進(jìn)路后再根據需要排列新的進(jìn)路。
( 5) 已排列了以XI 信號機為始端的進(jìn)路時(shí)，如果列車(chē)行至2#路口即XII 信號機前方并計劃由2#路口行至1#路口，或者計劃實(shí)施直行折返作業(yè)行至3#路口方向，計劃行進(jìn)方向與已排進(jìn)路方向相反，此時(shí)確認道岔區段無(wú)車(chē)后通過(guò)取消進(jìn)路操作后再排列需要的進(jìn)路，已排進(jìn)路取消后XI 信號機隨即關(guān)閉轉向紅燈。
( 6) 三個(gè)路口的信號燈在同一時(shí)間最多只能有一個(gè)信號機處于開(kāi)放狀態(tài)。
該設計方法中，引入進(jìn)路和信號燈防護的概念，相比完全由司機人工判斷行車(chē)大幅提高了安全性; 列車(chē)駛入，信號關(guān)閉，列車(chē)駛出，信號自動(dòng)開(kāi)放，后續列車(chē)無(wú)需操作連續行進(jìn)，保證了較高的效率。
4 車(chē)地通信技術(shù)
目前的信號系統方案中，車(chē)地通信采用了多種技術(shù)實(shí)現方式，主要有802. 11 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WLAN 通信加電子標簽定位方式、感應式通信環(huán)線(xiàn)技術(shù)、RFD 射頻識別技術(shù)。更為先進(jìn)的發(fā)展方向是采用4 G 移動(dòng)通信LTE 技術(shù)，通過(guò)采用基于LTE 技術(shù)的超大帶寬的傳輸平臺，建立無(wú)線(xiàn)通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )系統，不僅可用于車(chē)地雙向通信，還可為其他如旅客引導系統、視頻監控系統提供網(wǎng)絡(luò )傳輸平臺。
道岔控制柜與控制中心通信多采用光網(wǎng)有線(xiàn)通信方式，為了提高可靠性，也可采用工業(yè)環(huán)網(wǎng)設計。
4. 1 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )加電子標簽方式
道岔控制柜作為WLAN 通信的局部中心端，車(chē)載設備配置有無(wú)線(xiàn)AP，列車(chē)進(jìn)入WLAN 信號范圍后通過(guò)驗證自動(dòng)接入，接入后就可以收到地面控制單元發(fā)送的呼叫信息從而實(shí)現與地面的通信。但是為了防止非法用戶(hù)接入和前后多趟列車(chē)同時(shí)接入后對道岔的無(wú)序操作，需要確認先到達列車(chē)和對列車(chē)的操作授權，此時(shí)需要使用電子標簽。無(wú)源電子標簽可以存儲道岔標識號、路口號和相關(guān)的位置信息，電子標簽埋置于軌間，并且在岔前、岔后和彎股三個(gè)接近道岔區段的位置設置，列車(chē)接近道岔區段，可以從電子標簽讀入該道岔的識別信息，將該識別信息和該列車(chē)的車(chē)次號組合編碼，通過(guò)WLAN 通信發(fā)送給道岔控制柜進(jìn)行校驗，說(shuō)明該列車(chē)是最先接近道岔區段的，核心運算單元接收到該信息后校驗道岔識別號正確并且道岔區段處于完全空閑狀態(tài)，即可給該車(chē)次號列車(chē)授權進(jìn)行道岔控制，可以響應該列車(chē)的道岔操動(dòng)指令，該授權的有限期一直延續到列車(chē)壓入道岔區段并且全列通過(guò)后道岔區段恢復空閑終止，在此期限內不再向其他進(jìn)入道岔控制范圍的列車(chē)進(jìn)行授權和響應其操作指令。
4. 2 感應式通信環(huán)線(xiàn)方式
感應環(huán)線(xiàn)數據通信方式是采用環(huán)形布置的電纜作為發(fā)射天線(xiàn)的一種無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式。感應環(huán)線(xiàn)通信系統包括軌間環(huán)線(xiàn)電纜、車(chē)載天線(xiàn)和地面車(chē)載的數據收發(fā)設備三部分。道岔控制柜中，核心運算單元通過(guò)感應環(huán)線(xiàn)通信接口板主動(dòng)發(fā)送呼叫信息數據，數據經(jīng)過(guò)接口板調制為FSK 信號，發(fā)送到軌間的環(huán)線(xiàn)電纜，列車(chē)駛入信號機前方接近區段的通信環(huán)線(xiàn)鋪設范圍，依據電磁感應原理，通過(guò)車(chē)載天線(xiàn)感應到來(lái)自地面的呼叫信號，此信號被送入車(chē)載設備的環(huán)線(xiàn)通信接口板，經(jīng)過(guò)諧振、放大、濾波和解調，最終還原為有效的數據信息，接口板將信息轉送給車(chē)載控制單元處理，車(chē)載控制單元收到呼叫信息意味著(zhù)進(jìn)入道岔控制區域范圍，并且從呼叫信息中獲知路口號、前方進(jìn)路信息和道岔位置信息，此時(shí)車(chē)載單元要回傳包含路口號的應答信息給地面道岔控制柜，道岔操作指令也包含在應答信息中，應答信息傳輸過(guò)程與呼叫信息傳輸過(guò)程正好相反，地面控制單元收到應答信息后校驗路口號回傳一致并讀取該趟列車(chē)車(chē)次號，解析道岔控制命令進(jìn)行運算執行。在該趟列車(chē)未完全駛過(guò)該路口的情況下不再響應其他應答信息，防止列車(chē)連續跟進(jìn)造成道岔誤動(dòng)作。
感應通信環(huán)線(xiàn)實(shí)現車(chē)地之間的雙向通信，采用微距通信和專(zhuān)用頻率，相對開(kāi)放式的WLAN 通信方式，具有安全性高、數據無(wú)延遲、通信對象唯一、準確和快速的優(yōu)勢。
5 列車(chē)定位技術(shù)
傳統鐵路中多采用的軌道電路列車(chē)定位技術(shù)，在開(kāi)放式和嵌入地面的有軌電車(chē)線(xiàn)路上是不適用的，現代有軌電車(chē)多采用計軸、重力感應環(huán)、感應通信環(huán)線(xiàn)、GPS 定位等方式進(jìn)行列車(chē)的定位追蹤。正線(xiàn)道岔控制子系統中，分為接近區段、道岔區段和離去區段軌道占用情況檢測，需要配置符合“故障—安全”原則的定位設備，一般采用組合技術(shù)實(shí)現，比如車(chē)地通信中介紹的感應通信環(huán)線(xiàn)也可作為檢測列車(chē)接近和離去的手段，信標加WLAN 通信的方式也可以作為另一種接近和離去區段占用檢測手段，道岔區段一般采用安全性較高的計軸設備，或者也可以采用基于安全設計加至少兩點(diǎn)檢查安全邏輯判斷的重力感應環(huán)設備，計軸和重力感應環(huán)設備布置點(diǎn)類(lèi)似。
6 結束語(yǔ)
正線(xiàn)道岔控制系統作為現代有軌電車(chē)信號系統中唯一涉及安全的子系統，目前國內開(kāi)通線(xiàn)路多采用國外技術(shù)集成設備，比如西門(mén)子的全套系統。但就一套可靠高效的信號系統的各項集成技術(shù)目前在國內都有成熟的國產(chǎn)化的應用實(shí)例，比如全電子化道岔及信號控制技術(shù)、計軸設備實(shí)現列車(chē)定位、二取二的安全計算平臺都通過(guò)了歐標SIL4 級認證并在國鐵和地鐵應用，感應式通信環(huán)線(xiàn)實(shí)現車(chē)地通信也已應用于高鐵線(xiàn)路�；趪鴥葌鹘y鐵路復雜聯(lián)鎖關(guān)系的研究應用經(jīng)驗，聯(lián)鎖安全方面也是國際領(lǐng)先的。所以在有軌電車(chē)信號系統方面，應該堅持走完全國產(chǎn)化的道路，降低成本，推動(dòng)現代有軌電車(chē)系統的推廣應用。
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