基于轨旁通信的路口信号优先系统在大汉阳有轨电车试验线的应用

2018-01-23 23:05郑天
价值工程 2017年28期
关键词:有轨电车

郑天

摘要:车辆定位和追踪在有轨电车路口信号优先系统中占据着及其重要的地位,本文通过对大汉阳有轨电车试验线项目路口信号优先系统和轨旁VETRA通信设备的工作原理进行介绍以及从设备选用、工程实施、安装测试角度进行实际分析,得出结论,并对该设备未来的发展趋势提出要求。

关键词:有轨电车;路口信号优先系统;轨旁通信

1项目基本情况和线路特点分析

大汉阳有轨电车试验线位于湖北省武汉经济技术开发区,线路西起黄陵,东至郭徐岭车轮广场,首期实施线路全长16.8km。线路沿凤凰大道、殊山二路、全力三路、后官湖大道、车城西路和沌阳大道走行,除全力三路外,整条线路均于道路路中敷设。为保证沿线和周边道路路网的完整性和功能性,满足线路两侧行人、非机动车的过街需求,同时综合考虑工程进度、总投资和实施难度等因素,该线路并未采用下穿上跨等立体交通形式,而大量采用了有轨电车和社会交通的平面交叉。经统计,全线共设置37个交叉口,其中25个道路交叉口,12个行人过街通道。现代有轨电车作为新兴轨道交通形式,力争以快速、美观、造价低廉等优势打开国内市场,本线路设置了相对较多的交叉口,如果完全跟随社会车辆信号灯行驶,不但发挥不了有轨电车的快速便捷优势,极易造成所经交叉路口的车辆拥塞、滞留,而且无形中加大了与社会车辆剐蹭、碰撞的风险。因此,大汉阳有轨电车试验线参照国内外有轨电车的成熟的运营经验,根据开发区的实际情况,采用了基于轨旁通信的路口信号优先系统。

2大汉阳有轨电车路口信号优先系统简介

2.1系统概述

该项目路口信号优先系统主要灵活实现有轨电车在交叉路口的信号优先控制功能,满足有轨电车、机动车辆在各种交通情景、交通状况以及交通流量的条件下安全、有序、高效运行。整套系统分为室内设备和室外设备,室内设备安装于大汉阳有轨电车试验线官莲湖车辆基地控制中心和开发区交管调度管理中心内,室外设备主要安装于交叉路口和行人过街处,路口控制器充分考虑室外设备环境的特征,完全具备了设备在有效使用年限内的防水、防撞、防腐、防氧化等保障措施,这套设备应用于大汉阳有轨电车项目并非其在国内的首次使用,而是已在上海张江和苏州高新等有轨电车的实际项目应用中得到了考验和证明。

2.2系统构成

从国际上对公共信号优先(Transit Signal Priority)的框架来看,一个完整的优先控制包括优先请求者(PRG)和优先请求服务者(PRS),PRG的功能放在有轨电车路口控制器(或有轨电车控制中心)中,PRS功能放在路口交通灯控制器中(或城市道路交通控制中心),其架构如图1所示。

在本项目中,图1左侧区域为有轨电车信号控制子系统,右侧区域为智能交通控制子系统,基于建设时序和国内市场产品成熟度的考虑,两个子系统由项目建设单位发包给两家设备集成商供货和施工,施工界面的划分位于智能交通控制柜接线端子排外侧。

整个系统为离散控制系统(DCS),基本运行模式由充当PRG的信号子系统根据有轨电车运行的实际情况产生与路口信号灯相位控制相关的逻辑数据,向作为PRS的智能交通控制子系统发送优先通过请求,智能交通控制子系统通过架设在电子警察杆件上的交通流量视频检测器,结合目前观测到交通流量数据对未来一个信号周期的交通流量进行合理预测,综合分析交叉路口各个方向的交通状况,作出准予优先请求或不准予优先请求的判断,同时在有轨电车同方向上采用绿灯延长、红灯缩短或插入相位的模式向路口交通灯控制器发出指令,并锁定与有轨电车行驶冲突方向的交通灯显示,以保障有轨电车的通行安全。PRG和PRS在有轨电车通过路口时始终保持数据交换,直到信号子系统感应到有轨电车已完全出清路口,即按照以上模式再次向智能交通控制子系統发送出清请求。智能交通系统响应该请求并解锁各个方向的交通灯控制,整个路口按照正常的相位周期运行。

在整个系统中,关系到信号优先效率的重点是信号控制子系统发送优先请求的时机和智能交通控制子系统的交通流协调控制算法。智能交通控制子系统的交通流协调控制算法的基础是每个交叉口的道路等级,以及与交管部门充分沟通、协商的根据沿线及交叉、甚至相邻区域道路交通流量而确定的有轨电车优先级。此项在不同地域,甚至相同地域的不同路口中均需特定设计,不可一概而论。而信号控制子系统发送优先请求的时机,则是基于轨旁设备感应有轨电车进入路口和出清路口的时间点,及在该时间段内对车辆占用路口情况的监测。

3轨旁通信设备及实际效果分析

3.1轨旁通信设备组成

该项目轨旁通信设备采用的是欧洲Elektroline公司的VETRA车地通信系统。VETRA车地通信系统是一种小范围的无线数据传输系统,能够保证有轨电车和多种轨旁设备之间快速可靠的数据传输。VETRA通信系统广泛应用于道岔控制系统(道岔自动设置)、道口控制系统(有轨电车路口优先权)、轨旁PIS系统(可选列车检测)、车载PIS系统(将当前车辆位置信息发送给车辆)、停车场自动管理系统(自动进路、列车检测及其他)、车载限速控制系统(列车超速实时监测)等领域。

一套完整的VETRA车地通信系统主要包含车载部分和轨旁部分。车载部分的主要设备有车载VETRA天线,VTKl5车载控制器(用以有轨电车司机手动发送优先请求,进行车载设备必要的通信管理和配置管理),逻辑I,0接口等,轨旁部分主要包含轨旁VETRA天线,STC轨旁控制器(连接轨旁输入输出接口,进行轨旁设备必要的通信管理和配置管理),逻辑I/O接口等。在该项目中该系统分别在有轨电车驶入交叉口位置以及驶离交叉口位置布设三组埋地天线(如图2),天线埋地位置根据列车通过路口时允许的安全速度、有轨电车接近速度、有轨电车制动率、交通信号相位切换时间、系统延误安全余量等进行计算,通过与安装于有轨电车底部的车载VETRA天线进行2.4GHz的双向无线通信,确保有轨电车高速运行下的可靠而安全的车地通信,并且其通信数据是加密的。endprint

3.2轨旁设备工作原理

如图3所示,VTKl5车载控制器连接车载VETRA天线,并通过RS485接口于车载控制主机通信,基于MODBUS-RTU协议实施交互数据。安装于路口信号控制箱内的STC轨旁控制器则通过线缆与布设于轨道中间的VETRA相连,当车载天线位于轨旁天线作用区域时,车载设备和轨旁设备之间开始传输数据。车载设备向轨旁设备传输的数据包含车辆类型、运行方向、车辆端头信息、连挂状态及车辆ID等信息,同时轨旁设备向车载设备传输VETRA天线ID、VETRA位置信息等数据,车载和轨旁数据双向传输,既可以将接收到的车载主机设置指令及线路编号等数据发送给轨旁系统,也可以将接收到的前方进路状态等信息发送给车载主机。

3.3设备优势及在该项目中的适应性分析

选用该设备作为该项目轨旁通信设备主要基于以下四点原因:

①VETRA轨旁天线一般安装于地埋天线盒中,地埋天线盒尺寸一般为25.7cm*17.9cm*17.7cm,体积小巧,安装方便,结构简单且抗外力冲击能力强,能够承受施工期间施工机具和后期社会车辆的行驶动荷载,大汉阳有轨电车试验线建设断面较窄,沿线路口较多距离较近,需要在同一断面下、较小里程范围内安装轨道电路,计轴设备、钢轨回流线、杂散电流防护等设备,较小的安装体积要求符合本项目的实际情况。与传统的低频电感车地通信系统相比,VETRA的地埋天线盒能安装在钢筋混凝土的轨道电路谐振区域,具备很大的优势。车载设备安装简单,仅通过固定支架和塑料底板即能牢固安装于车头下方,能够适用于几乎所有的有轨电车车辆类型。

②VETRA天线采用的是基于2.4G频段的车地双向通信,地埋天线盒中安装有1c、2c双天线,保证信号覆盖的同时,也方便进行扩展。信号强度高速稳定,安全性能高,具备强大的抗干扰机制,车地时速达到100公里每小时依然能保持通信的稳定。大汉阳试验线珠山二路路段因属于非人口密集区,且该段为有轨电车专用道,车辆行驶平均车速可达70km/h甚至更高,VETRA设备在高车速环境下的稳定程度为该路段提速创造了有利条件。

③VETRA设备工作温度为-40摄氏度到70摄氏度,武汉地区气候冬冷夏热,夏天地表温度常常超过60摄氏度,冬天又低于0摄氏度,需要设备具有较宽的工作温度范围。且因武汉地处长江中下游洼地,长江汛期和梅雨季节期间城市排水疏涝能力有限,常常出现道路积水问题。VETRA车载天线防护等级达到IP65,轨旁天线安装在地箱中,天线具备IP68防护等级,能够完全防水,即使长时间泡在水中也能进行工作,天线连接器防水实用,也较易于更换。

④在大汉阳有轨电车试验线项目中,道岔自动控制系统和路口信号优先系统中均使用了VETRA车地通信设备。在部分路口和岔区密集区域,为节约工程总投资,尽可能减少路面设备的布置,实现了同一VETRA设备的复用,即在道岔控制系统和路口信号优先系统均发挥了精確定位的功能。两套系统共使用VETRA天线303套、车载VETRA天线42套。

3.4工程实际实施角度分析

①轨旁VETRA天线安装于天线盒内并通过RS485接口与STC轨旁控制器相连,线缆敷设于两股轨道之间,采用了简单的PVC套管的保护形式。因为信号系统在有轨电车轨道板浇筑完成后即布设完成,后期还存在轨道表面填土、绿化施工,容易造成PVC管道破损、线缆挖断、天线盒移位等设备损坏,这就要求项目管理单位加强管理,注意成品保护。

②STC控制器安装于交叉口附近信号控制箱内,在道路新建项目中,往往为了施工工期,在人行道和道口完工之前就需要进场施工,存在交叉施工问题,且设备在安装完成后进行调试过程中,路口和人行道还在进行土方清挖、沥青摊铺等作业,无法完全保证设备和调试人员的安全。

③信号控制箱和智能交通控制箱采用无源干接点或者串行通信接口相连,在安装位置上两台控制箱要尽可能靠近,而路口往往地下管网纵横交错,控制箱实际选址存在一定的不确定性,并且也存在着二次迁改的可能性。

3.5轨旁设备安装测试结果分析

①利用RS485接口连接器、万用表、PC机和ARMUSB连接器,分别检查STC端口线缆的连接、验证STC设备的各项参数是否正常工作:

②利用RS485接口连接器、万用表、PC机及VETRA天线专用测试连接线,分别检查VETRA天线lc、2c的线缆安装和级联,并确保能够利用测试设备读取VETRA天线的ID号、UART通道、天线功率、天线通讯频道等基础数据。

③以上两项测试用例完成后,机柜上电,STC设备与PC机连接,利用车载VETRA模拟器按照预设的不同的测试环境模拟列车行驶,检查轨旁天线的通信范围和信号强度,确保轨旁天线的通信范围在合理区间内,并且具有较强的信号强度。

经过以上的验证测试,基本确定VETRA天线的有效响应时间、有效距离的信号强度,信号发送功率、STC、VTK设备采集VETRA天线的设备信息安装配置符合使用要求。配合有轨电车联调联试期间的动车测试,该套设备的响应时间完全满足列车占用与空闲检测的应变响应时间应不大于1秒,及车载信号设备自接收轨旁信息至完成处理的时间应不大于1秒的设计要求,保障了列车的通行效率和通过安全。

4结语

本文通过对基于轨旁通信的路口信号优先系统和VETRA车地通信系统的介绍,并结合大汉阳有轨电车试验线项目的实际情况进行分析。有轨电车作为一种大运量、逐渐在国内兴起的与地面社会交通混行的轨道交通形式,被给予交叉路口信号优先是未来的发展的趋势,而车地间稳定、可靠的通信和适合有轨电车更高优先级的交通控制算法则是实现该趋势的基础。随着有轨电车运行时速的加快,交叉口交通流复杂程度的上升,对于有轨电车快速精准定位是必不可少的,这就要求未来的车地通信模块具备更快的响应时间,更高的信号强度,更精准的定位数据等特质。随着有轨电车行业的蓬勃发展,将信号控制子系统和路口智能交通控制子系统进行高度集成化设计,形成更成熟稳定的具有有轨电车信号优先处理请求,并且能够处理超大规模路口、更复杂交通形式,占地规模更小、布线更简单的交通控制一体机产品无疑是众多有轨电车投资方和建设方所期待的,因此未来信号优先和轨旁通信设备要实施完全自主化、模块化生产,根据不同项目情况进行有效组合,以符合更复杂项目建设的需求。endprint

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