有轨电车信号系统制式研究

潘 雷 王秋平

目前，随着城市规模的扩大以及人口数量的增加，城市交通问题逐渐突出，现代有轨电车具有环保性、成本低、客容量大、建设速度快、效率高等优点，并以一种中小运力轨道交通形式，逐渐成为城市轨道交通的重要补充，其发展和优化也成为国内学者和专家的重点研究目标［1］。

有轨电车已在我国部分城市投入运营，如天津、上海、沈阳等。基于自身交通需求及特点，部分城市还将现代有轨电车纳入公共交通建设统筹范围。信号系统作为现代有轨电车指挥中枢，承担着保障列车在轨道上安全有效运行的任务，随着智能技术、网络技术、信息技术的协同高速发展，信号系统功能也需进一步优化调整。

由于现代有轨电车的路权模式对有轨电车运行安全及效率有着直接影响，并决定其运行控制方式［2］，因此需先明确现代有轨电车的路权。

1 现代有轨电车的路权

1）独立路权。指现代有轨电车只能运行在规定的线路上，该线路的使用权具有唯一性，社会上其他车辆不会干扰到有轨电车的运行。该模式保证了列车旅行速度更快、通行能力更高［3］。

2） 半独立路权。指普通路段与独立路权相同，特定路段如与社会上其他车辆交叉路口处，通过隔离设施进行隔离，采用信号优先权限配置的方式，实现有轨电车优先通过交叉路口。该路权模式可降低造价成本、缩短工期，安全性较高，但对线路的交通运营组织存在一定影响。

3）混合路权。指社会上其他车辆、行人、现代有轨电车均可以使用特定路段的路权。该模式线路利用率较高，对现有线路改造较小、造价成本低，但其他社会车辆、行人会干扰和制约现代有轨电车的运行，导致有轨电车的运营效率和旅行速度处在一个较低水平［4］。

本文主要对传统有轨电车信号系统、CBTC 信号系统、点式ATC 信号系统和新型有轨电车信号系统的设计方案、功能特点等进行具体介绍和对比。

2 传统有轨电车信号系统

传统有轨电车信号系统由运营调度管理、道岔控制、路口信号控制、车辆段、车载等5 个子系统构成，其整体架构如图1 所示［5］。

图1 传统有轨电车信号系统原理

由于传统有轨电车信号系统自动化程度低，需要司机目视驾驶，并根据列车运行方向手动扳动道岔，由司机负责列车运行安全，只能满足运营的基本要求，不适应目前有轨电车对行车安全和运营效率的要求，因此传统有轨电车信号系统制式正在逐渐被淘汰［6］。

3 CBTC 信号系统

CBTC 信号系统是一种基于无线通信，支持移动闭塞的信号系统方案，目前在城市轨道交通项目工程中得到推广应用。CBTC 信号系统由列车自动监控（ATS）子系统、列车自动防护（ATP）子系统、列车自动控制（ATO）子系统、联锁（CI）子系统、数据通信DCS 子系统、维护监测子系统、车辆段子系统等组成，其原理如图2 所示。

1）ATS 子系统。它由控制中心服务器、骨干网交换机、正线设备集中站/非设备集中站交换机、本地服务器、车辆段ATS 设备等构成，具有自动排列进路、列车运行调整、列车监督和追踪、时刻表管理、设备监督报警等功能［7］。

2）ATP 子系统。它包含轨旁设备（区域控制器ZC）和车载设备，是为列车安全、高效率运行提供技术保障的主要系统，具有列车定位、列车追踪、列车间隔控制、车门和站台门监控、退行监控、自检和自诊断等功能。

3） ATO 子系统。在ATP 安全防护条件下，依据从ATS 系统接收的命令达到控制列车自动运行的目的，具有列车自动运行、无人自动折返、精确停车、车门控制等功能。

4）联锁子系统。它具有进路控制、信号机控制、道岔控制、操作及维护信息管理等功能［8］。

5） 数据通信DCS 子系统。它是一个封闭通信网络，为信号系统中的ATP/ATO、ATS 等子系统提供稳定、快速、可靠、安全的数据传输通道，主要包括有线网络、车地无线网络两部分。其中，有线网络由ATP 骨干网、ATS 骨干网、LTE-A 骨干网和LTE-B 骨干网4 张物理上独立的环状骨干网络构成，通过光纤环路互联的以太网交换机提供标准的100 M/1 000 M 以太网接口；车地无线网络目前采用WLAN 技术和LTE技术［9］。

6） 维护监测子系统。负责汇集各车站联锁、灯丝报警仪、计轴、道岔缺口的诊断和监测报警数据，并对这些状态数据进行综合分析和诊断，实现全线信号设备状态的集中监督和实时展现。

7）车辆段子系统。通过设置计算机联锁设备和集中监测系统设备，完成对场段内信号设备运行状态的实时监督和在线检测，当设备状态异常时，及时为维护人员提供有效报警信息。

图2 CBTC 信号系统原理

4 点式ATC 信号系统

点式ATC 信号系统与CBTC 信号系统主要区别，在于系统实现控制的原理及数据通信DCS 子系统的功能，其他子系统功能不再赘述。

点式ATC 信号系统为分层控制系统，能够实现点式通信级和联锁级二级列车控制功能。第1 级联锁级控制，为点式通信级列车控制设备故障时的底层后备，由地面信号系统为列车运行提供全面的联锁防护；第2 级点式通信级列车控制，为主用控制级，由地面信号系统和车载设备协作，为列车运行提供点式ATP 防护。

点式ATC 信号系统以闭塞分区的方式，实现列车运行间隔的控制，通过有源应答器定点向列车发送前方进路信息，并根据列车自身存储的线路数据信息，按照列车安全制动模型，控制列车运行间隔和安全防护距离，并实现列车超速防护［10］。

数据通信DCS 子系统在ATS/ATP 系统的设备间组成环状的有线网络链路，来实现双向信息传输功能。有线网络由二层骨干网交换机、三层交换机、接入交换机构成，其中骨干网由信号专业独立组网。通过配置网管工作站，实现网络管理功能，即对网络接入设备工作状态实时监控，对故障进行告警和记录。

5 新型有轨电车信号系统

新型有轨电车信号系统基于车地无线通信，通过将区域控制器与计算机联锁功能模块整合，从而实现一体化控制，可以同时实现联锁功能和ATP功能，支持在ATP 防护下的自动驾驶、目视驾驶模式的运营，其系统原理如图3 所示。

新型有轨电车信号系统与CBTC 信号系统相比，控制中心、车载和场段信号设备配置基本一致，主要区别在于将轨旁设备区域控制器和计算机联锁模块整合成轨旁控制子系统，且对数据通信DCS 子系统进行了优化，其他子系统功能不再赘述。

1）轨旁控制子系统。它由PCS 道岔控制器、WCU 控制器、无源信标构成，其中PCS 道岔控制器和WCU 控制器是轨旁控制子系统的核心设备。

图3 新型有轨电车信号系统原理

PCS 道岔控制器采用分布式控制模式，每个道岔区域配置独立控制机柜，按照室外型设备设计，不需要配置设备用房。PCS 道岔控制器主要包括控制主机、IO 单元、继电接口，以及集成的计轴主机和IBP 盘等。车站和场段PCS 控制器具有道岔和信号机控制、紧急停车按钮控制等功能，并且支持远程维护功能，维护人员可以在控制中心通过维护工作站或便携式终端，实现道岔控制器的远程配置、维护、监控与管理。

WCU 控制器包括中心和场段WCU 控制器，主要设备有WCU 主机、通信单元和切换单元、电源模块、维护诊断单元等。中心WCU 控制器配置联锁和列控功能，包括列车管理、列车位置追踪、列车移动授权计算、进路办理、道岔和信号机控制、紧急停车按钮控制等功能。场段WCU 控制器仅配置联锁功能，包括进路办理、道岔和信号机控制等功能。

无源信标安装在轨道上，主要作用是辅助列车完成精确定位。

2）数据通信DCS 子系统。新型有轨电车对数据通信DCS 子系统的无线通信网络进行优化设计，采用综合承载网（LTE-M）。由于列车运行控制业务信息影响行车安全，对无线通信的可靠性要求较高，因此组建A、B 双网冗余结构，A 网承载CBTC 业务；B 网承载CBTC 业务、列车状态信息、车载CCTV 业务、PIS 业务以及紧急文本信息等。综合承载网（LTE-M）网络架构见图4。

6 不同信号系统制式对比

如表1 所示，传统有轨电车信号系统适用于半独立路权、混合路权的有轨电车项目，建设成本虽低，但也存在自动化程度低、运行效率低等缺点；CBTC 信号系统具有功能完善、安全等级高、运行效率高等优点，但建设成本高，目前成熟应用于地铁项目，也可应用于独立路权的有轨电车项目；点式ATC 信号系统只适用于独立路权的有轨电车项目，具有轨旁设备少、运行效率较高等优点，但建设成本较高；新型有轨电车信号系统适用于独立路权、混合路权的有轨电车项目，能满足用户定制化需求和系统高可靠性要求，同时相比较而言，其建设成本和运维成本处于中等水平。

随着智能化、自动化技术的发展，未来有轨电车行业将面临不同方面的挑战，针对不同的有轨电车项目特点，选择合适的信号系统制式，将对行车安全和经济效益产生积极影响。

7 结束语

介绍了不同信号系统制式的结构及工作原理，并从系统功能、建设成本等方面进行了对比。由于目前国内有轨电车尚未有统一成熟的建设标准，技术实现方式多样，因此对于信号系统的解决方案还需结合项目特点进一步验证和完善，以实现工程化应用。

图4 综合承载网（LTE-M）网络架构

表1 不同信号系统制式对比