有轨电车平交路口信号控制技术

1.有轨电车信号优先设计

有轨电车行车效率主要受制于交叉口，如果列车频繁在交叉口前停车增加启停次数则会降低行车效率。通过有轨电车交叉口优化控制器，可以实现有轨电车信号系统与智能交通系统在现地级的接口，从而提高有轨电车的交叉口通过效率，保证列车行车的准点高效。

2.平交路口信号控制子系统的构成

平交路口信号控制子系统的结构如图2－65所示，另外，在每个路口的配置包括：列车检测信标（原则上每个方向4个）、车载信标天线及其配件、每个方向配置专用交叉口信号机、交叉口优先控制机（含机柜、传输端口、控制单元、电源模块等）、线缆和防雷单元。

图2－65　平交路口信号控制子系统结构图

3.平交路口信号控制子系统的功能

1）交叉口的优先预告

（1）信标自动预告

当列车经过预告信标时，平交路口信号控制子系统根据预告信标的状态，输出有轨电车预告信号。

（2）DMS自动预告

当列车接近交叉口区域时，平交路口信号控制子系统可根据DMS发出的预告信息及方向信息，输出预告命令至道路交通信号控制系统。

2）交叉口的优先请求

（1）信标自动请求

平交路口信号控制子系统可根据请求信标状态发送优先权请求信号。

（2）中心手动请求

若道路交通信号控制系统未收到信标自动请求，或交叉口未设置请求信标，驾驶员可点击DMS人机界面上的交叉口优先请求图标，手动对前方交叉口的道路交通信号控制系统发送优先请求命令。

（3）车载手动请求

若道路交通信号控制系统未收到信标自动请求，或交叉口未设置请求信标，驾驶员可按下车载DMI人机界面上的交叉口优先请求按钮，手动对前方路口的道路交通信号控制系统发送优先请求命令。

车载手动请求的优先级高于中心手动请求。当DMI优先请求不可用时，DMI图标为灰色。可用时，DMI图标为蓝色。

3）交叉口通过检测

当列车经过交叉口通过信标时，平交路口信号控制子系统可根据信标状态，将列车进入交叉口的信息发送至道路交通信号控制系统。

当列车经过交叉口出清信标时，平交路口信号控制子系统可根据信标状态，将列车离开交叉口的信息发送至道路交通信号控制系统。

4）交叉口设备故障检测功能

（1）有轨电车交叉口专用信号机故障检测

平交路口信号控制子系统配置有信号机故障报警仪，可同时对多架信号机或多个有轨电车交叉口专用信号灯位进行实时监测和报警。监测和报警信息可在控制中心的DMS人机界面上显示。

（2）交叉口信号控制器的故障检测

交叉口信号控制器可定时将自身的“健康状态”发送至控制中心DMS。若DMS无法收到交叉口信号控制器的“健康状态”信息，则DMS判断其故障，并显示对应的报警信息。

（3）道路交通信号灯控制器的“健康状态”检测

平交路口信号控制子系统可实时对道路交通信号灯控制器的“健康状态”进行监测，当无法获取到其“健康信息”时，控制中心DMS可显示报警提示。

5）有轨电车路口优先关闭

控制中心调度员可在DMS人机界面上发布关闭单个路口的优先请求命令，平交路口信号控制子系统可在收到该命令后，发送相应的关闭命令至道路交通信号灯控制器。道路交通信号灯控制器可根据收到的命令实现该交叉口的优先请求关闭功能，并进入伴随模式，以实现故障情况下，有轨电车能够顺利通过交叉口。

6）交叉口信号控制机柜的柜门监测

平交路口信号控制子系统可实时对交叉口信号控制机柜的柜门开启状态进行监测，并将检测信息发送至控制中心DMS，DMS对该状态进行显示。

7）平交路口信号子系统数据记录功能

平交路口信号子系统可将与道路交通信号控制系统之间的重要接口信息定时发送至控制中心DMS，DMS将这些信息记录在数据库。

4.平交路口信号控制子系统的原理

1）交叉口感应检测设备

有轨电车交叉口感应检测设备采用信标来识别有轨电车，从而进行相关逻辑处理。列车通过信标向地面发送的报文，地面设备可以确认列车需要优先的相位（转弯或者直行）。

有轨电车信号系统采用信标作为交叉口信号优先列车检测设备；对于交叉口单方向原则上布置4个信标。信标安装位置需要结合列车运行工况进行特定设计，以满足交叉口优先功能需求。

（1）优先预告

优先预告信标安装位置需要同智能交通系统协同确定，主要考虑有轨电车当前车速、接口响应时间、智能交通系统需要的提前量等。当交叉口优化控制器获得预告信标命令后，通过干接点或者数字接口向道路交通控制器发送优先命令。

（2）优先请求

优先请求信标安装位置主要考虑智能交通系统控制改变信号灯相位的最小周期时间。当交叉口优化控制器获得信标命令后，通过干接点或者数字接口向道路交通控制器发送列车接近确认信息。优先请求信标也是判断对向列车是否拥有在同一个相位周期内同时通过交叉口的条件。

当交叉口前设置车站时，由于停站时间受运营调整影响难以预测，因此只在进站设置优先请求信标，不再配置预告信标。通过调度管理子系统的发车倒计时模块与优化控制器连接实现优先申请。

（3）进入交叉口

根据有轨电车制动特性和天线安装位置，在交叉口入口上游布置信标。

当交叉口优化控制器获得进入交叉口命令后，如果交叉口优先信号没有开放，则列车将再次发送路口优先请求。同时，优化控制器将记录列车到达时间，并将该数据发送给中心用于时刻表比对。

当列车驶过信标时，信标不再检测到列车，该信息将会发送给交叉口优化控制器。交叉口优化控制器将控制交叉口信号机逐步关闭，防止后续列车跟车进入交叉口。

（4）出清交叉口

出清信标布置需要根据列车车长和相关有轨电车交叉口设计标准来确定。当出清信标检测到列车后，路口优化控制器可以确认该列车已经完全离开路口。路口优化控制器将该命令信息发送给道路交通控制器，确认列车已经离开。此时道路交通可以恢复到正常的相位周期。(www.xing528.com)

2）有轨电车专用信号机

交叉口信号灯的形式及显示与道岔区有轨电车专用信号灯保持协调，确保不与社会车辆交通信号灯显示产生干扰。

信号机显示方案采用指示电车运行方向的方式，可采用以下方式：

（1）若有轨电车在交叉口左／直／右转，则信号机显示左／直／右行方向位置，每个方向都单独设置信号灯。

（2）信号灯设置圆形信号，表示信号转换状态。

（3）信号灯设置专用灯位（如惊叹号、菱形）用于显示信号优先接收状态。

（4）若不准有轨电车通过路口，则信号机以横线方式显示。

驾驶员依据有轨电车专用信号灯的指示进行相应操作。在不设站台的交叉口，交叉口前设置一组有轨电车预告信号机。有轨电车专用信号机、预告信号机均由道路交通信号控制机负责控制。

3）交叉口优化控制器功能

OLC为平面交叉口优化控制器，是交叉口优化的核心计算单元，主要负责逻辑运算和接口，具体功能如下：

（1）根据有轨电车的运行位置通过路口检测设备，确认即将到达路口的车辆和方向。

（2）管理各个列车的优先请求，计算其中需要发送的优先。

（3）信号系统与道路交通信号控制设备进行可靠接口，并完成安全的信息交换（如信号灯状态、优先请求命令和回执等）。

（4）驱动有轨电车专用信号机（进路表示器），控制有轨电车专用信号灯显示与交叉口道路交通信号灯显示协调一致防止“绿冲突”，保障有轨电车的运行。

（5）当正线上、下行有轨电车同时到达或接近交叉口时，协调道路交通灯四个方向信号灯的开放策略，实现道路交通的线控制和区域控制。

（6）协调复杂交叉口正线道岔控制器的进路办理时机，实现进路与交叉口的联动。

（7）将设备显示和状态上传到控制中心，监测和检测交叉口信号设备状态。

（8）故障报警，即具备有轨电车专用信号机、路口检测设备等故障检测功能，可以对信号机亮灭进行检测（回路电流、回路电压）。

5.平交路口信号控制子系统的外部接口

运营调度管理系统与道路交通信号控制系统接口分界点在平交路口信号控制子系统的路口控制箱外线侧，接口示意图如图2－66所示。

6.道路交通信号系统优先控制方案综述

1）交通控制算法分类

从1958年Webster提出历史上第一个信号控制算法至今已过去60多年。这期间每年都有大量新的控制算法被提出。并且随着检测技术、智能交通的发展，大批学者投身于信号控制算法的研究，将各种新技术用于传统算法的改进、全新算法的开发之中。如今，各类信号控制算法数目众多、种类繁杂，但大体上可以分为两类：基于周期时长的信号控制算法和基于时间步长的信号控制算法。

图2－66　接口示意图

基于周期时长的信号控制算法应用较为广泛，国内大部分交叉口现在采用的都是这种策略。基于周期时长并不代表一定是定周期时长，而是控制算法的参数主要以周期长度、绿信比、绿灯间隔时间等为主，所以一些经典的自适应系统如TRANSY，SCOOT和SCATS，虽然它们的周期等参数会根据实际交通流情况进行调整，但它们也属于基于周期时长的信号控制算法。这类算法大部分无法改变相序，并且在干线协调控制时一般需要统一周期长度。一方面，这些限制使得基于周期时长的控制算法在面对变化较大的交通流时，响应速度慢、调整不灵活。另一方面，这些限制条件也使系统的稳定性较高。

基于时间步长的信号控制算法是指每隔一小段时间（步长）基于检测或预测数据重新确定控制决策的算法。这类算法把交通预测、优化调整和效果反馈等工作都融合在了一起，并且在步长时间内做出反应。显然这类控制算法的一个很大的优点是控制更为灵活、响应速度更快。它不用像基于周期时长的控制算法等到当前周期过了之后再进行控制调整，而是可以根据实时交通流的变化快速做出反应。所以，这类算法对于交通检测和预测的准确性、效果反馈的时效性都有较高的要求。并且中央控制器的计算速度和局部设备的信息传输速度也会很大程度上影响算法的控制效果。近几年新推出的一些信号控制系统大多采用了这种策略，比如RHOEDS，OPAC，UTOPIA等。目前，这些算法大多仅面向区域局部控制，而对于多个交叉口组成的交叉口群或者区域层面的统筹控制的应用较少。

2）优先策略选择

交叉口信号控制机除了可实现绿灯延长、绿灯提前两种优先控制逻辑外，还可实现插入相位、相位跳跃等控制逻辑。多种优先控制逻辑，尤其是插入相位、相位跳跃这两种控制逻辑，可在电车运营间隔、速度和交通情况等条件发生变化后，无须任何调整，依然可实现有轨电车优先控制，从而减少电车运营间隔、速度和交通情况等条件对平交路口信号优先子系统基础设施布设位置选择的影响。图2－67是交叉口信号控制机优先控制逻辑选择算法简化示意图。

图2－67　交叉口信号控制机优先控制逻辑选择算法简化示意图

系统根据有轨电车实时采集到的运营调度信息（正常、晚点），结合交叉口、交叉口下游公交车站的交通状态以及当前的交通信号相位运营状态，生成实时信号优先感应策略。

该方式可为实时检测到的有轨电车提供有条件的信号优先方案，当有轨电车正常运行时则按照预先设定的方案通行；当发生有轨电车晚点或者应急请求的情况时，系统能根据车辆请求的优先级别（如晚点的程度）提供不同的优先控制策略。该方式能够提高有轨电车的准点率，若与离线式的优先控制方案相结合则能获得更好的实施效果。

3）优先控制逻辑分类

（1）逻辑一：绿灯延长

检测到有轨电车优先请求后，分析发现该列车将在有轨电车相位绿灯期间到达停车线，但剩余绿灯时间不足以使其通过路口，于是信号机给予该绿灯一定的延长，以确保有轨电车通过路口，但延长时间不超过信号周期的10%，一般为10～20s。绿灯延长示意图如图2－68所示。

图2－68　绿灯延长示意图

（2）逻辑二：绿灯提前

检测到有轨电车优先请求后，分析该列车在有轨电车相位红灯期间到达停车线，信号机将提前截止通行相位，有轨电车相位提前亮绿灯，以确保有轨电车通过路口，绿灯提前量不能超过周期的10%，且原相位绿灯时间不能低于最小绿灯时间绿。灯提前示意图如图2－69所示。

图2－69　绿灯提前示意图

（3）逻辑三：插入相位

检测到有轨电车优先请求后，分析发现该列车在有轨电车相位未开启前到达停车线，信号机将提前截止通行相位，插入有轨电车短相位，以确保有轨电车通过路口，有轨电车短相位绿灯时间不能低于有轨电车通过路口的安全时间。插入相位示意图如图2－70所示。

图2－70　插入相位示意图

（4）逻辑四：相位跳跃

检测到有轨电车优先请求后，分析发现该列车在有轨电车主相位未开启且通行相位未放行完毕前到达停车线，信号机将提前截止通行相位，跳入有轨电车主相位，以确保有轨电车通过路口，并将本周期剩余相位运行完毕后再转回下一周期，被跳过相位在下一周期必须执行。相位跳跃示意图如图2－71所示。

图2－71　相位跳跃示意图