悬挂式单轨交通信号系统方案研究

王喜军 武长海

悬挂式单轨交通信号系统方案研究

王喜军 武长海

摘 要：悬挂式单轨交通是城市轨道交通的重要组成形式，得到了各城市轨道交通建设方的高度关注，建设前景看好。针对悬挂式单轨交通的工程建设特点，制定合理可行的信号系统方案非常必要。结合当前控制技术、计算机技术和通信技术，对传统信号系统设计的重要方案组成部分:联锁、闭塞、车-地通信等提出合理的工程化实施方案。

关键词：悬挂式单轨交通;信号;方案

1 悬挂式单轨交通概况

起源于1901年德国乌波塔尔线的空中单轨列车，距今已有110年的历史。这种称之为悬挂式的单轨交通是轨道交通领域单轨系统的一种，另一种为跨座式。目前我国已有跨座式单轨线路 (重庆2号线、3号线)，但尚无悬挂式单轨线路投入使用。悬挂式单轨交通系统构造灵活、建设相对简单，但运量有限，比较适合低运量短途交通。相比于地铁系统，悬挂式单轨交通的优势在于：①利用道路上部空间架设高架桥，占用土地较少;②采用橡胶轮胎，可适应急弯及大坡度，对复杂地形有较好的适应性，从而减少拆迁量;③建设工期较短，投资也小于地铁系统。

尽管类似上海、北京等大城市，由于中心区人口稠密，客流量大，悬挂式单轨交通并不合适;但在风景区、大型游乐场或者范围较大的机场内部，仍可使用悬挂式单轨交通，其效果图如图1所示。

图1 悬挂式单轨交通效果图

2 悬挂式单轨交通的特点

2.1 运输能力

交通系统运能主要受列车定员和列车最小追踪间隔控制。目前在德国运行的单轨列车由2节车厢组成，每节车厢定员45人，允许超员到75人，一列车的最大定员即为150人。列车最小追踪间隔设计能力达到40 s。据此分析，高峰小时输送能力可以达到13500人。

根据国内各设计院和咨询机构初步研究，悬挂式单轨列车目前可做到4节编组。从技术可行性分析，仍有扩编的条件，但需要从车辆的制动能力、控制方式、对最小追踪间隔的影响和其他相应的技术要求等方面做进一步的试验。

按一列车4节编组，列车定员最大为300人，最小追踪间隔按72 s考虑 (平均停站时间25～30 s)，悬挂式单轨交通高峰小时输送能力可达15000人。

2.2 在城市轨道交通方式中的功能定位

悬挂式单轨交通系统是有别于地铁、轻轨和磁悬浮的一种城市轨道交通系统。列车高峰小时输送能力相当于城市轨道交通中、低运量标准。根据其特性，适合中小城市 (50～60万人口)的客流主通道，或大城市 (100万以上人口)非主客流通道的城市交通需求，以及做为城市交通重要的辅助系统。

3 悬挂式单轨交通信号系统需求分析

1．满足合理的运营间隔，保障行车安全，提高行车效率。

2．结合悬挂式轨道交通项目的建设特点，信号系统组成、系统结构应符合集中控制要求，信号设备布置要合理、经济、可行。

3．从系统运营的角度，满足集中控制的要求，实现运营管理方便、快捷，调度灵活。

4．从系统维护保障的角度，需具备可行的、完备的系统维护保障措施。

5．信号系统的结构及设备配置要简单，尽量减少区间和车站设备，同时系统抗干扰性需适应悬挂式交通的整体特点。

6．列车定位技术应满足精确性、连续性、覆盖性、可靠性、安全性、可维护性、故障-安全等要求。

4 信号系统方案制定需考虑的主要因素

轨道交通项目经过多年的发展，根据悬挂式单轨交通的项目特点，从满足运营、方便工程实施，保证安全、可靠运营的角度，结合信号系统当前技术的发展和工程实施情况，必须抓主要控制因素，合理、稳步地推进悬挂式轨道交通的信号方案。

4.1 车-地通信需要考虑的因素

1．车-地通信保持通畅，满足悬挂式轨道交通运营最高速度的要求，符合悬挂式轨道交通的工程特点，快速、便捷。

2．维护方便，区间范围内设备尽量少设或者不设，减少维护过程中的登高作业及检修。

3．车-地通信的方式，需要保持一定的技术先进性，沿线路布设的通信传输媒介需符合工程建设的整体方案，符合节能、环保、降噪等相关要求。

4.2 信号系统运营模式

传统的单轨道交通，信号系统支持司机人工驾驶模式、司机自动驾驶模式、无人驾驶模式等。而对于悬挂式单轨交通，司机人工驾驶模式和自动驾驶模式都是常规模式，若采用无人驾驶，则对每列车的定员需要严格控制，超员太多，对于安全将是一个挑战。鉴于安全保障措施的增强，将抬升工程的总体造价，建议在工程投资宽松的情况下，信号系统支持无人驾驶模式，并作为提升服务水平，树立科技形象，降低运营人员劳动强度的一项有益措施。

4.3 信号区间设备与轨道梁工程设计的结合

悬挂式单轨交通一个显著的特点是采用工厂化生产的悬挂梁作为主要的工程实施方法，建设速度较快。图2是悬挂式单轨交通车站断面图。

在工程实施的初期，即轨道梁成型时，就应该确定信号系统的主要方案及主要轨旁设备，以利于工程的整体实施，需要从工程的整体性角度，系统性地解决安装及景观协调的难题，以实现轨道交通景观与设备功能完善的紧密结合。

5 信号系统方案

图2 悬挂式单轨交通车站断面图

从悬挂式单轨交通系统的特点出发，结合工程实际情况，从列车定位、闭塞方式选择、车-地通信方式3个方面研究信号系统的构成。

5.1 列车定位

1．GPS定位。随着卫星定位技术的发展，利用GPS实现列车定位已是一项成熟的技术，只要在列车的两端安装GPS接收机和差分误差信息接收器，接收由多颗导航定位卫星发送来的定位信息，就可以实现列车的精确定位。采用DGPS引入已知位置的误差信息后，精度可以达到3 m左右。

2．测速定位。主要有轮速法和多普勒雷达法。轮速法是在列车车轮外侧安装旋转式光栅，通过光脉冲信号实现测速;多普勒雷达测速则利用多普勒效应，通过频偏获得列车的运行方向和即时速度，从而实现列车定位。这2种方法在悬挂式单轨交通中都适用，符合其基础条件，在车上安装相应的测速设备即可。

3．应答-查询器定位。它可以点式地给出列车定位信息，具有很高的定位精度，在应答-查询器安装点的定位精度为1～2 m，同时，应答器还具有很高的可靠度，可以在任何气候、任何地点可靠地工作，并且还具有维修简便、运行费用低等优点。

经过分析，悬挂式单轨交通应以卫星定位为主要定位方式，以列车测速传感器、应答-查询器为重要补充，方便工程实施，同时，符合新技术发展的方向。经过一定的探索及实践，应该会收到满意的工程效果。

5.2 闭塞方式选择

由于基于轨道电路区段的闭塞技术，难以适应悬挂式单轨交通悬挂梁和胶轮这2个基本条件，而且，考虑到发车间隔的效率，不推荐采用固定闭塞，主要选择虚拟逻辑闭塞或移动闭塞方案。

1．虚拟逻辑闭塞。线路被划分为固定位置、固定长度的闭塞分区，一个原始固定闭塞分区可以被分为几个虚拟分区，虚拟分区的长度按最长列车、满负载、最高速、最不利制动率等最不利条件设计，列车间隔为若干虚拟分区，且与列车在固定分区内的实际位置无关。列车位置的分辨率也为一个虚拟分区 (一般为几十米)，制动的起点可以延伸，但终点总是某一虚拟分区的边界。对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式，要求运行间隔越短，分区数也越多，但设备基本不增加。

2．移动闭塞。线路没有被固定划分的闭塞分区，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动，列车位置的分辨率一般在10 m范围内，该间隔是按后续列车在当前速度下的制动距离加上安全裕量计算和控制的，确保不追尾，制动的起点和终点是动态的，对列车的控制一般采用一次抛物线制动曲线的方式。

以上2种闭塞方式都能满足悬挂式单轨交通工程实施的需要，但目前移动闭塞技术应用成熟，价格合理，国产化推进速度较快，所以，推荐移动闭塞为首选方案。若运营要求较低，行车间隔较大的话，虚拟逻辑闭塞也是一种有效、可实施的闭塞方式。

5.3 车-地通信方式

1．漏泄电缆。在同轴管外导体上开设一系列的槽孔或隙缝，使电缆中传输电磁波的部分能量从槽孔中漏泄到沿线空间，场强衰减较均匀而无起伏，易为接收设备所接收。漏泄电缆的结构与普通同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体3部分组成。电磁波在漏缆中纵向传输的同时，通过槽孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也可通过槽孔感应到漏缆内部，并传送到接收端。在悬挂式单轨交通上布防漏缆，需要在悬挂梁上预留挂放位置，工程实施可以推进，但安装和测试需要高空作业，日常维护时人身安全隐患较大。

2．裂缝波导管。基于微波传输方式的移动闭塞ATC系统，采用波导系统作为车-地双向传输媒介，即采用沿线敷设的裂缝波导，及与波导连接的基站电台作为轨旁与列车的双向传输通道，具有通信容量大，可在高架、城市楼群及弯曲通道中传输，干扰及衰耗小，无其他车辆引起的传输反射，可在密集城区传输等特点。波导的另一个优点是传输速率高，可以满足列控系统的需要。另外，从通信容量的角度，其通信能力还可以满足其他系统，如电视监视等。波导的缺点在于安装困难，需全线沿线路安装波导管，安装维护复杂，并且造价高。

3．感应环线 (IL)。以钢轨间敷设的交叉感应环线作为传输媒介，已经获得了很长时间的应用。感应环线的优点是具有成熟的运营经验，系统工作稳定;缺点在于需要与轨道梁结合，安装困难且不方便工务部门对轨道梁的日常检修，车-地通信的速率受安装方式影响大。

4．无线电台。随着无线通信技术的发展，基于自由空间传输的无线传输技术在城市轨道交通中得到了广泛的应用，尤其以基于通信的列车控制系统 (CBTC)为典型代表。无线的频点一般采用公用的2.4 GHz或5.8 GHz频段，采用接入点 (AP)天线与列车进行通信。AP的设置保证区间的无线重叠覆盖。采用AP天线的优点在于安装灵活，可以结合线路周边的地形、地貌，及轨道交通线路途经的区域，因地制宜地采取安装方案。

5．GSM-R。采用 GSM-R通信系统实现车-地间双向无线数据传输，提供车-地之间双向安全数据传输通道。GSM-R系统包括网络子系统 (NSS)、基站子系统 (BSS)、运行和业务支撑子系统(OSS/BSS)及终端设备等4个部分。与漏泄电缆、波导管、感应环线相比，采用GSM-R覆盖范围大，可以克服悬挂式单轨交通区间设备安装和维护的困难，同时又是专有的频段，通信的安全性、数据传输的抗干扰性、通行质量的稳定性等都有一定的优势。在和铁路相关部门协调后，从数据通信的管理上来说能够采取有效可行的措施，对整个资源的利用和共享非常有建设意义。

6 信号系统的构成

6.1 系统构成的原则

1．对于悬挂式单轨交通而言，信号系统的构成应尽量减少轨旁设备的数量。

2．轨旁不设信号机，列车出站按照发车指示的信息发车。

3．无线通信设备可支持多种安装方式，应该满足安装方便、监测方便、维护方便的要求。

4．转辙设备控制接口箱，安装在悬臂梁支柱上，应满足一定的登高作业需求。

5．轨旁设备主要设置于车站内或者区间的箱式机房内，减少在悬挂梁上安装信号设备。

6．车场或车辆段信号系统支持自动驾驶，实现车-地连续双向通信。

6.2 基本构成描述

按照传统信号系统设备的分布范围，系统分为：①控制中心设备;②车站及轨旁设备;③车载设备。需要强调的是，鉴于悬挂式单轨交通承载力量的限制，信号系统的构成需要和AFC(自动售检票系统)紧密结合，运营管理合理高效的组织，确定车辆是否在可控的超员范围内。若超员数量太大，信号系统将对发车进路暂时关闭，以确保行车安全。按照设备分布的地域，基本构成如下。

1．控制中心设备。设置2套多重冗余的联锁设备、2套多重冗余区域控制设备、1套数据库设备、1套网络设备和1套网络管理设备。

2．车站及轨旁设备。主要设置远端控制单元设备、信号电源设备，轨旁设置无线通信地面设备。

3．车载设备。主要由信标读取设备、无线收发设备及车载天线、车载操控单元组成。

7 小结

作为目前城市轨道交通建设过程中一个重要的组成分支，悬挂式单轨交通需要探索和实践的工程技术环节还很多。信号系统作为行车指挥的重要系统，区间闭塞主要是采用移动闭塞为主，虚拟逻辑闭塞为辅;车-地通信以无线易于安装为主要指导思想，重点推荐采用GSM-R作为悬挂式单轨交通车-地通信的重要方式;促成以GPS定位为主要定位方式的工程解决方案。另外，建议在悬挂式项目实施过程中掌控3点原则：总体把握，重点突破;先期试验，适时推广;全面总结，兴利除弊。

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［5］国家质量技术监督局，建设部.地铁运营安全评价标准(GB/T50438-2007)［S］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

Abstract:Hanging monorail transit is one important part of urban rail transport and has attracted much attention from the construction parties of urban monorail transit with its prosper prospect．According to the characteristics of hanging rail transit construction projects，it is necessary to work out a reasonable and feasible solution to signal systems．Current control technologies and computer and communication technologies should be taken into consideration when we formulate the scheme for a signal system．And reasonable engineering planning should be brought forth for major parts of the traditional signal system，including the interlocking system，block，train-wayside communication．

Key words:Hanging monorail transit;Signal;Scheme

王喜军：铁道第三勘察设计院集团有限公司 工程师 215006天津

武长海：铁道第三勘察设计院集团有限公司 高级工程师215006 天津

2012-07-06

(责任编辑：温志红)