關(guān)于現(xiàn)代有軌電車正線道岔控制系統(tǒng)方案研究論文
0 引言
傳統(tǒng)有軌電車在二十世紀(jì)前三十年得到了快速的發(fā)展，但隨著汽車工業(yè)的崛起，傳統(tǒng)有軌電車因其噪音、靈活性和效率等諸多劣勢(shì)逐步退出歷史舞臺(tái)�，F(xiàn)代有軌電車采用電力驅(qū)動(dòng)、低地板列車和自動(dòng)控制等新技術(shù)，以較大的載運(yùn)量、綠色環(huán)保、城市景觀效果好及投資規(guī)模小等綜合優(yōu)勢(shì)得以快速發(fā)展，近30 年僅在法國(guó)有超過(guò)十個(gè)城市近30 條現(xiàn)代有軌電車線路投入運(yùn)營(yíng)，近年來(lái)也逐步進(jìn)入中國(guó)，在上海張江開(kāi)發(fā)區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)和沈陽(yáng)渾南新區(qū)建成投運(yùn)，也有很多城市在規(guī)劃建設(shè)中。
1 現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)
信號(hào)系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行指揮系統(tǒng)，有軌電車由司機(jī)駕駛，遵照信號(hào)燈及操作控制道岔設(shè)備信號(hào)的指示，按照行車運(yùn)行計(jì)劃和規(guī)則行駛。信號(hào)系統(tǒng)為了保證基本行車安全和盡可能高的行車效率，采用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車的定位、車地通信、信號(hào)設(shè)備的自動(dòng)控制和調(diào)度的信息化。信號(hào)系統(tǒng)主要解決的幾個(gè)問(wèn)題:
( 1) 運(yùn)營(yíng)調(diào)度，在控制中心進(jìn)行行車計(jì)劃的編制和下發(fā)，對(duì)實(shí)際列車運(yùn)行情況跟蹤監(jiān)督。( 2) 車地之間，車上司機(jī)對(duì)地面道岔進(jìn)行遙控從而實(shí)現(xiàn)走行方向的選擇，道岔響應(yīng)司機(jī)的操作指令并且進(jìn)行線路占用條件的判斷，符合安全邏輯的條件下轉(zhuǎn)動(dòng)到位并且聯(lián)動(dòng)控制地面信號(hào)燈指示，反饋車上司機(jī)運(yùn)行許可信號(hào)。( 3) 列車與控制中心之間，控制中心需要掌握所有列車運(yùn)行的位置，控制中心需要將運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)至列車。( 4) 控制中心與地面信號(hào)之間，控制中心需要地面設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)信息和故障報(bào)警信息以便快速做出反應(yīng)，控制中心也可以根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃和列車運(yùn)行位置遠(yuǎn)程控制道岔設(shè)備的動(dòng)作從而提高運(yùn)行效率。現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)制式并非完全一致，根據(jù)具體線路和路權(quán)的設(shè)計(jì)存在差異性。
2 正線道岔控制系統(tǒng)
總體分析，現(xiàn)代有軌電車信號(hào)控制系統(tǒng)分為正線道岔控制系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度兩大子系統(tǒng)。正線道岔控制系統(tǒng)是信號(hào)系統(tǒng)中唯一涉及安全的子系統(tǒng)，并且作為主要的地面控制設(shè)備與道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸等信號(hào)設(shè)備直接連接，還需通過(guò)無(wú)線和有線通信接口與車載設(shè)備、控制中心進(jìn)行通信數(shù)據(jù)交互。正線道岔控制系統(tǒng)的核心設(shè)備是在每個(gè)有軌電車車站安裝軌旁的道岔控制柜。
道岔控制柜中配置核心邏輯運(yùn)算單元，運(yùn)算單元通過(guò)通信總線與其他控制接口設(shè)備交互，接收控制命令，采集地面信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算，向控制接口板發(fā)送指令控制地面信號(hào)設(shè)備動(dòng)作，同時(shí)向車載和控制中心發(fā)送信號(hào)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息�；诎踩缘目紤]，核心運(yùn)算單元在硬件上應(yīng)該采用二取二制式。
驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備有道岔控制單元和信號(hào)機(jī)控制單元。道岔控制單元要能夠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作并采集轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示狀態(tài)。在傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)控制領(lǐng)域，轉(zhuǎn)轍機(jī)驅(qū)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(shè)備規(guī)模較大并且設(shè)備連接需要進(jìn)行焊線，軌旁控制柜根本無(wú)法容納如此笨重的控制設(shè)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(shè)備是必然的選擇。電子化道岔控制設(shè)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(cè)方法、冗余通信總線技術(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(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)，電氣特性方面目前國(guó)內(nèi)有軌電車轉(zhuǎn)轍機(jī)多采用AC380V 和AC220V 驅(qū)動(dòng)兩種制式。有軌電車信號(hào)機(jī)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(zhuǎn)向指示燈光，一個(gè)信號(hào)機(jī)控制單元可設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)一組或兩組信號(hào)機(jī)，信號(hào)機(jī)采用LED 信號(hào)燈，控制單元輸出AC220V 驅(qū)動(dòng)電源與信號(hào)點(diǎn)燈變壓器連接。道岔控制單元和信號(hào)控制單元設(shè)計(jì)要遵循基本的“故障—安全”原則，比如信號(hào)機(jī)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(xù)驅(qū)動(dòng)到位。接口設(shè)備有通信接口單元和軌道狀態(tài)檢測(cè)單元。通信接口單元又分為車地通信接口單元，控制中心通信接口單元，接口單元負(fù)責(zé)將核心運(yùn)算單元的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其他有線或無(wú)線方式的通信數(shù)據(jù)傳輸至車載和控制中心。
核心運(yùn)算單元與道岔控制單元、信號(hào)機(jī)控制單元、通信接口單元、軌道狀態(tài)檢測(cè)單元之間采用通信總線方式連接，CAN 總線最為常用，也可采用串行或CPCI 總線等。
3 道岔控制邏輯
道岔路口的行車規(guī)則、道岔控制邏輯與有軌電車具體線路的路權(quán)設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)規(guī)劃有關(guān)系，這里設(shè)計(jì)一種兼顧安全與效率的方案。
1#、2#、3#為路口號(hào)，對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)為車地通信有效進(jìn)入范圍。A、B、C 點(diǎn)設(shè)計(jì)為區(qū)段占用檢測(cè)點(diǎn)，用作檢測(cè)列車占用或通過(guò)。進(jìn)路處理邏輯如下:
( 1) 初始狀態(tài)下，即在系統(tǒng)上電復(fù)位后，進(jìn)路區(qū)段即道岔區(qū)段處于占用狀態(tài)，信號(hào)燈XI、XII、XIII 處于紅燈狀態(tài)，道岔區(qū)段占用狀態(tài)通過(guò)在車載設(shè)備或現(xiàn)地操作盤上進(jìn)行確認(rèn)復(fù)位后恢復(fù)正常即出清狀態(tài)。
( 2) 列車行至1#路口時(shí)，司機(jī)根據(jù)信號(hào)燈XI 顯示行車，信號(hào)燈顯示紅燈、進(jìn)路區(qū)段出清、未排列進(jìn)路，此種情況下，司機(jī)根據(jù)行車需要通過(guò)車載設(shè)備排列直行或右行進(jìn)路，道岔轉(zhuǎn)動(dòng)到位后信號(hào)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(hào)開(kāi)放后列車駛?cè)氲啦韰^(qū)段，A 點(diǎn)檢測(cè)到區(qū)段占用后信號(hào)關(guān)閉，進(jìn)路狀態(tài)改變?yōu)檫M(jìn)路占用，列車駛過(guò)道岔區(qū)段后原進(jìn)路信號(hào)自動(dòng)開(kāi)放，道岔保持鎖閉狀態(tài)，后續(xù)同向列車不需要再排列進(jìn)路，根據(jù)信號(hào)開(kāi)放顯示行車。
( 4) 進(jìn)路開(kāi)行方向與計(jì)劃行車方向不一致的時(shí)候，司機(jī)需要取消已排進(jìn)路后再根據(jù)需要排列新的進(jìn)路。
( 5) 已排列了以XI 信號(hào)機(jī)為始端的進(jìn)路時(shí)，如果列車行至2#路口即XII 信號(hào)機(jī)前方并計(jì)劃由2#路口行至1#路口，或者計(jì)劃實(shí)施直行折返作業(yè)行至3#路口方向，計(jì)劃行進(jìn)方向與已排進(jìn)路方向相反，此時(shí)確認(rèn)道岔區(qū)段無(wú)車后通過(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(hào)機(jī)隨即關(guān)閉轉(zhuǎn)向紅燈。
( 6) 三個(gè)路口的信號(hào)燈在同一時(shí)間最多只能有一個(gè)信號(hào)機(jī)處于開(kāi)放狀態(tài)。
該設(shè)計(jì)方法中，引入進(jìn)路和信號(hào)燈防護(hù)的概念，相比完全由司機(jī)人工判斷行車大幅提高了安全性; 列車駛?cè)耄盘?hào)關(guān)閉，列車駛出，信號(hào)自動(dòng)開(kāi)放，后續(xù)列車無(wú)需操作連續(xù)行進(jìn)，保證了較高的效率。
4 車地通信技術(shù)
目前的信號(hào)系統(tǒng)方案中，車地通信采用了多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，主要有802. 11 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WLAN 通信加電子標(biāo)簽定位方式、感應(yīng)式通信環(huán)線技術(shù)、RFD 射頻識(shí)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(tái)，建立無(wú)線通信專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅可用于車地雙向通信，還可為其他如旅客引導(dǎo)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)。
道岔控制柜與控制中心通信多采用光網(wǎng)有線通信方式，為了提高可靠性，也可采用工業(yè)環(huán)網(wǎng)設(shè)計(jì)。
4. 1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加電子標(biāo)簽方式
道岔控制柜作為WLAN 通信的局部中心端，車載設(shè)備配置有無(wú)線AP，列車進(jìn)入WLAN 信號(hào)范圍后通過(guò)驗(yàn)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(xiàn)與地面的通信。但是為了防止非法用戶接入和前后多趟列車同時(shí)接入后對(duì)道岔的無(wú)序操作，需要確認(rèn)先到達(dá)列車和對(duì)列車的操作授權(quán)，此時(shí)需要使用電子標(biāo)簽。無(wú)源電子標(biāo)簽可以存儲(chǔ)道岔標(biāo)識(shí)號(hào)、路口號(hào)和相關(guān)的位置信息，電子標(biāo)簽埋置于軌間，并且在岔前、岔后和彎股三個(gè)接近道岔區(qū)段的位置設(shè)置，列車接近道岔區(qū)段，可以從電子標(biāo)簽讀入該道岔的識(shí)別信息，將該識(shí)別信息和該列車的車次號(hào)組合編碼，通過(guò)WLAN 通信發(fā)送給道岔控制柜進(jìn)行校驗(yàn)，說(shuō)明該列車是最先接近道岔區(qū)段的，核心運(yùn)算單元接收到該信息后校驗(yàn)道岔識(shí)別號(hào)正確并且道岔區(qū)段處于完全空閑狀態(tài)，即可給該車次號(hào)列車授權(quán)進(jìn)行道岔控制，可以響應(yīng)該列車的道岔操動(dòng)指令，該授權(quán)的有限期一直延續(xù)到列車壓入道岔區(qū)段并且全列通過(guò)后道岔區(qū)段恢復(fù)空閑終止，在此期限內(nèi)不再向其他進(jìn)入道岔控制范圍的列車進(jìn)行授權(quán)和響應(yīng)其操作指令。
4. 2 感應(yīng)式通信環(huán)線方式
感應(yīng)環(huán)線數(shù)據(jù)通信方式是采用環(huán)形布置的電纜作為發(fā)射天線的一種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式。感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)包括軌間環(huán)線電纜、車載天線和地面車載的數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備三部分。道岔控制柜中，核心運(yùn)算單元通過(guò)感應(yīng)環(huán)線通信接口板主動(dòng)發(fā)送呼叫信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)接口板調(diào)制為FSK 信號(hào)，發(fā)送到軌間的環(huán)線電纜，列車駛?cè)胄盘?hào)機(jī)前方接近區(qū)段的通信環(huán)線鋪設(shè)范圍，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過(guò)車載天線感應(yīng)到來(lái)自地面的呼叫信號(hào)，此信號(hào)被送入車載設(shè)備的環(huán)線通信接口板，經(jīng)過(guò)諧振、放大、濾波和解調(diào)，最終還原為有效的數(shù)據(jù)信息，接口板將信息轉(zhuǎn)送給車載控制單元處理，車載控制單元收到呼叫信息意味著進(jìn)入道岔控制區(qū)域范圍，并且從呼叫信息中獲知路口號(hào)、前方進(jìn)路信息和道岔位置信息，此時(shí)車載單元要回傳包含路口號(hào)的應(yīng)答信息給地面道岔控制柜，道岔操作指令也包含在應(yīng)答信息中，應(yīng)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(yīng)答信息后校驗(yàn)路口號(hào)回傳一致并讀取該趟列車車次號(hào)，解析道岔控制命令進(jìn)行運(yùn)算執(zhí)行。在該趟列車未完全駛過(guò)該路口的情況下不再響應(yīng)其他應(yīng)答信息，防止列車連續(xù)跟進(jìn)造成道岔誤動(dòng)作。
感應(yīng)通信環(huán)線實(shí)現(xiàn)車地之間的雙向通信，采用微距通信和專用頻率，相對(duì)開(kāi)放式的WLAN 通信方式，具有安全性高、數(shù)據(jù)無(wú)延遲、通信對(duì)象唯一、準(zhǔn)確和快速的優(yōu)勢(shì)。
5 列車定位技術(shù)
傳統(tǒng)鐵路中多采用的軌道電路列車定位技術(shù)，在開(kāi)放式和嵌入地面的有軌電車線路上是不適用的，現(xiàn)代有軌電車多采用計(jì)軸、重力感應(yīng)環(huán)、感應(yīng)通信環(huán)線、GPS 定位等方式進(jìn)行列車的定位追蹤。正線道岔控制子系統(tǒng)中，分為接近區(qū)段、道岔區(qū)段和離去區(qū)段軌道占用情況檢測(cè)，需要配置符合“故障—安全”原則的定位設(shè)備，一般采用組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)，比如車地通信中介紹的感應(yīng)通信環(huán)線也可作為檢測(cè)列車接近和離去的手段，信標(biāo)加WLAN 通信的方式也可以作為另一種接近和離去區(qū)段占用檢測(cè)手段，道岔區(qū)段一般采用安全性較高的計(jì)軸設(shè)備，或者也可以采用基于安全設(shè)計(jì)加至少兩點(diǎn)檢查安全邏輯判斷的重力感應(yīng)環(huán)設(shè)備，計(jì)軸和重力感應(yīng)環(huán)設(shè)備布置點(diǎn)類似。
6 結(jié)束語(yǔ)
正線道岔控制系統(tǒng)作為現(xiàn)代有軌電車信號(hào)系統(tǒng)中唯一涉及安全的子系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)開(kāi)通線路多采用國(guó)外技術(shù)集成設(shè)備，比如西門子的全套系統(tǒng)。但就一套可靠高效的信號(hào)系統(tǒng)的各項(xiàng)集成技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)都有成熟的國(guó)產(chǎn)化的應(yīng)用實(shí)例，比如全電子化道岔及信號(hào)控制技術(shù)、計(jì)軸設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車定位、二取二的安全計(jì)算平臺(tái)都通過(guò)了歐標(biāo)SIL4 級(jí)認(rèn)證并在國(guó)鐵和地鐵應(yīng)用，感應(yīng)式通信環(huán)線實(shí)現(xiàn)車地通信也已應(yīng)用于高鐵線路�；趪�(guó)內(nèi)傳統(tǒng)鐵路復(fù)雜聯(lián)鎖關(guān)系的研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)鎖安全方面也是國(guó)際領(lǐng)先的。所以在有軌電車信號(hào)系統(tǒng)方面，應(yīng)該堅(jiān)持走完全國(guó)產(chǎn)化的道路，降低成本，推動(dòng)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
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