德国现代有轨电车平交口信号控制概论

虞笑晨

(德国达姆施塔特工业大学)

德国现代有轨电车平交口信号控制概论

虞笑晨

(德国达姆施塔特工业大学)

近年来,现代有轨电车被引入中国,在上海、沈阳等一些城市中投入运营。不久,将在中国掀起有轨电车项目的一股热潮。然而,有轨电车在中国的运营并非一帆风顺,无论是交叉口交通安全还是交叉口通行能力都在投入有轨电车以后受到较大的影响。 相比之下,有轨电车已经在德国运行了很长时间,对于其信控技术方面的知识已经相当成熟。所以,从德国学习其信号控制的经验内容是很值得的。诚然,由于两国国情背景的差异,简单地“移植”德国方法是行不通的。对此,应探讨德国方法在中国运用的可能性。

有轨电车；平面交叉口；信号控制；德国经验

1 绪论

1.1 研究背景

随着中国城市化和现代化进程,一方面城市人口急剧膨胀,另一方面环境污染也成为中国现代化发展中的“致命伤”,因此大力发展城市公共交通成为解决城市交通拥挤和改善城市生活环境的最佳措施之一。

自20世纪80～90年代以来,在中国的各大城市逐渐兴起修建地铁的风潮,然而,随着城市规模的不断增大,以及人口的进一步增加,地铁系统的容量已远远不能满足城市人口对公交的需求,同时对于中国很多中型城市来说,地铁的高额建造和维护费用,以及隧道的施工难度,使得在这类地区投入地铁运营得不偿失。

因此,在过去的几年,快速公交BRT在中国许多城市投入运营,用于补充、完善城市的公交系统。然而BRT作为普通公共巴士的改良,在运输容量上和环境能耗上的缺陷仍然难以满足当代城市发展满足的需求。

在这种情况下,对于现代有轨电车的需求在中国应运而生(见图1、图2),较于传统公交和BRT,有轨电车在低能耗和大容量等方面有着较大的优势,而与地铁相比,其低成本和短建造周期都成为其发展前景中的亮点。不久的将来,有轨电车将成为城市公交网中的“骨干”力量。

图1 上海张江有轨电车交叉口运营实景

图2 沈阳浑南有轨电车交叉口运营实景

然而,有轨电车作为一种轨道交通,要在拥挤的道路中穿梭,并且要与繁忙的城市交通系统相融合,实属一件难事。尤其是在平面交叉口,有轨电车会充分与普通社会车辆接触,从而产生很多冲突点,所以说有轨电车在平面交叉口的安全问题是关系到有轨电车在中国进一步发展的“瓶颈”。

其次,为了大力发展公共交通,公交优先是增加公交吸引力的重要举措,尤其对于有轨电车来说,由于其独立于社会车辆的独立轨道,它的主要延误来源于平面交叉口的信号灯,而且相比其他公共巴士有轨电车承载更多的乘客,无疑,对于有轨电车来说交叉口的信号优先尤为重要。对此,衍生出两个问题：其一,如何减少有轨电车在交叉口因信号灯引起的延误；其二,如何协调有轨电车信号优先和社会车辆利益之间的关系。这两者缺一不可,否则都将会使有轨电车在中国发展的可接受性大打折扣。

相比较中国,德国运营现代有轨电车有着很长历史,无论在理论规范层面,还是在实际设计操作层面都有着许多成熟的经验值得探讨借鉴。这些经验不仅涉及有轨电车的平面交叉口安全问题,也牵涉到其在平面交叉口的延误和整体交叉口的服务水平。并且随着时间的推移,德国有轨电车信控问题在理论和实践方面也都随着科技的进步发生着新的变化,尤其在智能交通不断深化的背景下,感应控制和有轨电车优先的经验也日臻完善(见图3、图4)

图3 德国达姆施塔特有轨电车交叉口运营实景

图4 德国法兰克福有轨电车交叉口运营实景

笔者通过对德国信号控制规范和文献的阅读,以及实际工程资料研究和实地观察,同时结合在中国实地考察中观察的现象和收集的资料,认为很有必要将德国的一些有轨电车信号控制方法和理念进行全方位剖析,以对中国今后有轨电车的发展有所帮助。通过对其从交通工程学原理角度的分析,从而找出能够对中国有轨电车交叉口信控可借鉴的内容。

1.2 研究内容

对本文的研究对象,即“有轨电车”及其特性做出解释,以便理解有轨电车在交叉口信控方面的重点和难点。

本文将对有轨电车信号控制的理论依据,即法律和行业规范进行介绍,使读者了解德国是如何处理有轨电车在交叉口信控方面的难点,同时也对这些控制方法的设计理念和理论来源给出解释,做到“知其然,知其所以然”。

最后,将对上述有轨电车信控方面的理论和经验根据其适用条件做出评论,重点是从中国国情出发探讨这些方法在中国借鉴的可能性。

2 有轨电车的基本概念和基本特性

2.1 有轨电车基本概念

首先,这里要申明的是本文涉及的是“现代”有轨电车,“现代”有两层含义,一指有轨电车拥有现代的动力系统,因此能较高速运行；二指它行驶在当代交通环境中,所以本文立足于中国近几年投入的有轨电车,去研究探讨德国当下运营有轨电车的方法和经验。

第二,本文研究对象是狭义的有轨电车,其比较合适的定义是：有轨电车是与道路交通混合行驶或在独立轨道上行驶的铁路形式。原则上它依靠“视觉控制”原则行驶,并遵守按照道路交通安全法规定的道路交通信号、标示和规则等。

2.2 有轨电车基本特性

有轨电车信号控制的难点在于它同时拥有铁路和道路交通的属性,换而言之,轨道交通行驶到了道路上。普通(真正)铁路属于(纯)信号控制,即闭塞区间原理(即预留火车间距离),也就是说通过信号控制,火车驾驶员只要完全按照信号灯的信息来驾驶,理论上能保证车辆的安全。相比真正意义上的“铁路”,地铁的运营虽然可以有视觉控制,但是地铁一般都是通过隧道下穿或上设高架的模式,使其完全脱离普通的城市道路系统,形成一个独立的“封闭”系统,换句话说,用立体交叉口代替平面交叉口,从而提高其运营的安全性。

相比这两者,一方面,有轨电车是一个视觉控制系统,即驾驶员通过遵守相应的交通信号和标示,以及自己对路况的正确判断,来保证有轨电车运行的安全；另一方面,有轨电车属于一种“开放”系统,因为在平面交叉口有轨电车会和普通社会车辆之间存在很多潜在的冲突点。所以说有轨电车在经过平面交叉口时,从交通工程学来看,一方面要通过正确和合理的交通信号控制来保证安全(85%的安全)；另一方面,要通过驾驶员正确地操作来实现信号控制所提供的信息(15%的安全),在此之间,信号控制所提供的信息必须能够保证足够的正确性,也就是说,信号控制必须足够考虑有轨电车的特殊属性,使得驾驶员的驾驶具有可操作性。

既然有轨电车作为道路交通的一种,但其轨道交通的属性具有以下明显和普通道路交通完全不同的特点。

2.2.1 特殊的车辆尺寸(长度)

一说到现代有轨电车给人最直观的感受就是其冗长的车身。一般来说普通小型车长度平均在6 m左右,而大型货车或传统的“巨龙公交车”(铰接公交车)长度也大约18 m左右,相比之下,现代有轨电车确实有着普通道路交通车辆所无法比拟的车身长度,就以沈阳为例,有轨电车最长可达35 m,而德国的有轨电车更长,达姆施塔特市的有轨电车最长可以达到45 m。从这个意义上来说,有轨电车完全通过交叉口需要很长一段时间。

2.2.2 特殊的车辆动力性能

有轨电车作为轨道交通,由于其摩擦小,因此它的减速度远小于普通道路交通,并且考虑到有轨电车上站立乘客的安全性和舒适性,一般来说,有轨电车的减速度在非极限情况下不允许超过1.5 m/s2,而在实际驾驶过程中减速度一般控制在1.2 m/s2以下,相比,普通轿车根据其动力性能不同其减速度可以达到3.5～4 m/s2左右。这样大的减速度差距,使得有轨电车需要更长、更多的刹车空间。

2.2.3 公交停站和车辆加速度

和普通社会车辆相比有轨电车经常会在交叉口前设置公交站台,其本身对交叉口信控(除有轨电车信号优先以外)影响并不大,但是和减速度一样,停站以后有轨电车将以较小的加速度驶入和驶离交叉口,如果恰巧此时黄灯或者红灯亮起,那么有轨电车能否顺利地通过交叉口,是影响有轨电车交叉口安全性的重要问题。

2.2.4 固定的行驶轨道

有轨电车和道路交通另一个显著的不同点就是固定的运行轨道,因而它的灵活性成为其在运行过程中的一大缺陷。这种缺陷在发生交通冲突时尤为突出,但是要避开交通冲突必须有相互避让,而这种避让必须通过参与发生冲突的两方交通参与者同时采取措施,才可以避免。然而有轨电车因为其固定的运行轨道,很难通过转向等避让措施来防止交通事故,因此驾驶员对于有轨电车安全方面的可操作性要比道路交通小得多,因此对于正确的信号控制方案提出了更高的要求。

2.2.5 特殊的行驶位置

有轨电车的轨道经常铺设在道路当中或者两条轨道一起铺设在道路的一侧,尤其对在道路中间直行的有轨电车来说,与其右侧的左转车辆之间存在很大安全隐患。在第四届中德交通论坛上德国波鸿大学的Prof.Brillon教授就明确指出：无论有无信号,直行有轨电车都与左转车辆之间存在很大冲突,但是信号灯还是提供了一些保护。当然,如何合理处理信号灯的配时方案,或者说如何处理直行有轨电车和左转车的相位分布,是很有讲究的,因为有轨电车每小时出现的次数是有限的,尤其像中国,很多线路每15 min一辆车,也就是说1 h通过该交叉口的有轨电车一共才8辆(两个方向),所以如何协调“过度(安全)设计”和“安全设计不足”是一个核心问题。

另外,由于有轨电车的这种特殊轨道铺设方式,使得其站台也经常设在路中央,和传统分别设置在道路两旁的公共大巴的站台相比,这种方式使得很多乘客到达站台增添不少困难,而且有轨电车站台经常直接设置在交叉口前或后,所以行人随便过街便大大增加了交叉口安全隐患。这种“乱穿”行为会在有有轨电车优先的情况下更加恶化,即因为有轨电车信号优先的需要,其侧向过街或到车站的行人在交叉口等候时间会大大增加。因此如何处理好行人过街/去站台的问题是提高交叉口安全和有轨电车可接受度的重要议题(见图5、图6)。

图5 直行有轨电车和左转车流冲突示意图

图6 德国杜塞尔多夫(左图)和中国沈阳浑南(右图)直行有轨电车和左转车流事故实景

这五个特殊属性使得有轨电车在平面交叉口的信号控制时必须与普通车流区别对待,并在信号控制方案中充分体现。只有认真地处理好这五方面的问题,那么交叉口的信号控制才能符合有轨电车的运行。

3 平交口信号控制总论及信号灯形式

3.1 总论

在本文中,主要是简单介绍一下德国有轨电车信号控制的法律和理论依据,即相关法律和行业规范,作为下文内容论述的理论依据。和有轨电车信号控制有关的主要有6本法律和规范：

(1)Verordnung über den Bau und Betrieb der Straβenbahnen (BOStrab)(德国有轨电车施工和运营条例)。

(2)Straβenverkehrordnung (StVO) (德国道路交通法规)。

(3)Allgemeine Verwaltungsvorschrift zur Straβ enverkehrs-Ordnung (VwV-StVO)(德国道路交通管理条例)。

(4)Richtlinien für Lichtsignalanlgen (RiLSA) (德国交通信号控制规范)。

(5)Hinweise zur Bevorrechtigung des offentlichen Personennahverkehrs bei der Lichtsignalsteuerung (公共交通信号优先指南)。

(6)Merkblatt für Maβnahmen zur Beschleunigung des βffentlichen Personennahverkehrs mit Straβ enbahnen und Bussen(有有轨电车和巴士的公共交通加速/优先措施说明)。

其中,BOStrab中明确了有轨电车的道路交通属性,即当有轨电车以混合路权的方式运行,以及在独立轨道上运行但在通过平面交叉口时,有轨电车是一种道路交通形式,其运行必须遵守道路交通的标志、标示和规则,而StVO和VwV-StVO作为道路交通安全法则规定了各种道路驾驶行为准则,以及道路标示的意义。由此可见,BOStrab肯定了道路交通信号灯对有轨电车控制的可能性,而StVO和VwV-StVO是德国所有道路交通信号控制设置的最基本的法律解释和理论依据。

除法律条例的保证以外,还进一步具体地颁布了有轨电车信号控制的3本规范。其中RiLSA (德国交通信号控制规范)是具有法律效应的强制规范,它对德国所有交通参与者的信号设置作出了要求与规定；而后两本是在RiLSA基础上针对公共交通(有轨电车)(信号)优先制定的指南和建议。

3.2 信号灯(英语:signal head;德语:Signalgeber)

有轨电车信号灯并非与信号控制直接有关,但是确实和相位分布、绿灯间隔时间计算有着一定的联系,因此在总论中对其进行介绍。信号灯是信号控制内容的信息表达,其直接传递了信号控制的内涵,如绿灯表示通行。在德国,甚至在整个欧洲,当今有轨电车的信号灯原则上和普通社会车辆的信号灯是分开的。这种“分开”包括两层含义,一则是信号灯的形式完全不同；二则是信号灯的内置参数(如绿灯时长)和社会车辆的有可能不同。前者的最主要目的是减少因看混淆看错信号灯而造成不必要的交通事故(见图7、图8)。

图7 BOStrab附录4中有轨电车信号形式和含义示意图

图8 德国实际工程中有轨电车信号灯形式实景

在德国对于有轨电车的信号控制的信号灯形式在BOStrab的附录4有明确的解释。在图7中F0、F1/F2/F3和F4信号灯分别对应普通信号灯的红、绿和黄灯形式,并且表示“绿灯”的通行信号灯根据有轨电车行驶的方向指向不同的方向,以提示有轨电车驾驶员以正确地方向行驶。

此外,还有一个所谓的允许信号(F5),其信号内容是BOStrab规定的直接体现。既然有轨电车也是道路交通,因此它未必在交叉口总有最高优先权,因此当其通行时需要注意优先权让行其它车辆时,就会用这种信号灯来控制,以提示有轨电车驾驶员注意“让行”规则,相比之下,F1/F2/F3信号灯表达的是有轨电车原则上可以“畅通无阻”地通过交叉口。

目前,在德国多数情况下有轨电车都按照BOStrab附录所给定的信号形式由独立的信号灯组控制,这包括两层含义：一是用一个独立的信号灯组控制有轨电车以保证信号控制的灵活性,比如相位分配,也使得有轨电车信号控制参数的不同成为可能性,最典型的例子是有轨电车需要较长的清空时间,所以有轨电车的绿灯可以通常比同方向的车流的绿灯早几秒结束。否则的话不是有轨电车,就是社会车辆的利益受损；二是有轨电车的信号灯样式、颜色等完全不同于普通常规的“红黄绿”信号灯,这就保证了普通交通参与者对这个信号灯的敏感度较低,从而避免了因误看而造成的交通事故。

4 建议和总结

有轨电车在中国销声匿迹多年以后以一种全新的模式重新出现在中国繁忙的大街小巷,其本身是具有现实和进步意义的。其既能补充大型城市的地铁运营,也可以在中小型城市构成公共交通网的“骨干”,因为其容量比巴士确实要提高很多。同时它能完成卫星城及其子城之间的重要交通运输功能,例如沈阳浑南5号线连接着沈阳和抚顺,这也是欧洲使用有轨电车重要原因之一,它能进一步促进中国的城市群建设和城镇化发展。

但有轨电车特殊的铁路性质使其在参与道路交通时问题频发,一些以前就可能存在的问题因为有轨电车的出现更加凸显。相比,德国确实经历了几十年的有轨电车运营,在这方面积累了不少经验,当然在规范和实际运用时还是因为工程背景不同存在很多灵活性和变通性。对我们来说重要的是,要了解它某种控制方法背后的原因和约束条件,这样才能使其在中国的运用实现“本土化”,否则生搬硬套是行不通的。同时也要做到“知其所以然”,不是从表象上学习德国或者欧洲其他国家的信号控制经验,而是探究其设置的理论基础。

然而,信号控制只是有轨电车运营中的冰山一角,要真正使有轨电车能让中国百姓真正接受的话,需要对有轨电车有一个整体的规划设计。从德国经验看,无论是交通信号控制、城市道路设计、行人道路设计等各个层面的规范和领域都渗透着关于有轨电车的内容,可见有轨电车不是一个独立的个体,它和道路交通其他部分都“骨肉相连”,也说明它是一个完整的体系,包括线路规划、交通规划、土建和信号控制等多个方面。因此我们也需要一个各部门相互合作的研究团队和设计团队。这种合作必须贯穿于整个有轨电车设计、建造,以及后期运营过程中,真正做到有轨电车的各个方面能相辅相成,实现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,在读研究生,研究方向：交通工程与机场规划。