基于軌旁通信的路口信號優(yōu)先系統(tǒng)在大漢陽有軌電車試驗線的應(yīng)用

鄭天

摘要：車輛定位和追蹤在有軌電車路口信號優(yōu)先系統(tǒng)中占據(jù)著及其重要的地位，本文通過對大漢陽有軌電車試驗線項目路口信號優(yōu)先系統(tǒng)和軌旁VETRA通信設(shè)備的工作原理進(jìn)行介紹以及從設(shè)備選用、工程實施、安裝測試角度進(jìn)行實際分析，得出結(jié)論，并對該設(shè)備未來的發(fā)展趨勢提出要求。

關(guān)鍵詞：有軌電車；路口信號優(yōu)先系統(tǒng)；軌旁通信

1項目基本情況和線路特點分析

大漢陽有軌電車試驗線位于湖北省武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，線路西起黃陵，東至郭徐嶺車輪廣場，首期實施線路全長16.8km。線路沿鳳凰大道、殊山二路、全力三路、后官湖大道、車城西路和沌陽大道走行，除全力三路外，整條線路均于道路路中敷設(shè)。為保證沿線和周邊道路路網(wǎng)的完整性和功能性，滿足線路兩側(cè)行人、非機(jī)動車的過街需求，同時綜合考慮工程進(jìn)度、總投資和實施難度等因素，該線路并未采用下穿上跨等立體交通形式，而大量采用了有軌電車和社會交通的平面交叉。經(jīng)統(tǒng)計，全線共設(shè)置37個交叉口，其中25個道路交叉口，12個行人過街通道?，F(xiàn)代有軌電車作為新興軌道交通形式，力爭以快速、美觀、造價低廉等優(yōu)勢打開國內(nèi)市場，本線路設(shè)置了相對較多的交叉口，如果完全跟隨社會車輛信號燈行駛，不但發(fā)揮不了有軌電車的快速便捷優(yōu)勢，極易造成所經(jīng)交叉路口的車輛擁塞、滯留，而且無形中加大了與社會車輛剮蹭、碰撞的風(fēng)險。因此，大漢陽有軌電車試驗線參照國內(nèi)外有軌電車的成熟的運(yùn)營經(jīng)驗，根據(jù)開發(fā)區(qū)的實際情況，采用了基于軌旁通信的路口信號優(yōu)先系統(tǒng)。

2大漢陽有軌電車路口信號優(yōu)先系統(tǒng)簡介

2.1系統(tǒng)概述

該項目路口信號優(yōu)先系統(tǒng)主要靈活實現(xiàn)有軌電車在交叉路口的信號優(yōu)先控制功能，滿足有軌電車、機(jī)動車輛在各種交通情景、交通狀況以及交通流量的條件下安全、有序、高效運(yùn)行。整套系統(tǒng)分為室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備，室內(nèi)設(shè)備安裝于大漢陽有軌電車試驗線官蓮湖車輛基地控制中心和開發(fā)區(qū)交管調(diào)度管理中心內(nèi)，室外設(shè)備主要安裝于交叉路口和行人過街處，路口控制器充分考慮室外設(shè)備環(huán)境的特征，完全具備了設(shè)備在有效使用年限內(nèi)的防水、防撞、防腐、防氧化等保障措施，這套設(shè)備應(yīng)用于大漢陽有軌電車項目并非其在國內(nèi)的首次使用，而是已在上海張江和蘇州高新等有軌電車的實際項目應(yīng)用中得到了考驗和證明。

2.2系統(tǒng)構(gòu)成

從國際上對公共信號優(yōu)先（Transit Signal Priority）的框架來看，一個完整的優(yōu)先控制包括優(yōu)先請求者（PRG）和優(yōu)先請求服務(wù)者（PRS），PRG的功能放在有軌電車路口控制器（或有軌電車控制中心）中，PRS功能放在路口交通燈控制器中（或城市道路交通控制中心），其架構(gòu)如圖1所示。

在本項目中，圖1左側(cè)區(qū)域為有軌電車信號控制子系統(tǒng)，右側(cè)區(qū)域為智能交通控制子系統(tǒng)，基于建設(shè)時序和國內(nèi)市場產(chǎn)品成熟度的考慮，兩個子系統(tǒng)由項目建設(shè)單位發(fā)包給兩家設(shè)備集成商供貨和施工，施工界面的劃分位于智能交通控制柜接線端子排外側(cè)。

整個系統(tǒng)為離散控制系統(tǒng)（DCS），基本運(yùn)行模式由充當(dāng)PRG的信號子系統(tǒng)根據(jù)有軌電車運(yùn)行的實際情況產(chǎn)生與路口信號燈相位控制相關(guān)的邏輯數(shù)據(jù)，向作為PRS的智能交通控制子系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先通過請求，智能交通控制子系統(tǒng)通過架設(shè)在電子警察桿件上的交通流量視頻檢測器，結(jié)合目前觀測到交通流量數(shù)據(jù)對未來一個信號周期的交通流量進(jìn)行合理預(yù)測，綜合分析交叉路口各個方向的交通狀況，作出準(zhǔn)予優(yōu)先請求或不準(zhǔn)予優(yōu)先請求的判斷，同時在有軌電車同方向上采用綠燈延長、紅燈縮短或插入相位的模式向路口交通燈控制器發(fā)出指令，并鎖定與有軌電車行駛沖突方向的交通燈顯示，以保障有軌電車的通行安全。PRG和PRS在有軌電車通過路口時始終保持?jǐn)?shù)據(jù)交換，直到信號子系統(tǒng)感應(yīng)到有軌電車已完全出清路口，即按照以上模式再次向智能交通控制子系統(tǒng)發(fā)送出清請求。智能交通系統(tǒng)響應(yīng)該請求并解鎖各個方向的交通燈控制，整個路口按照正常的相位周期運(yùn)行。

在整個系統(tǒng)中，關(guān)系到信號優(yōu)先效率的重點是信號控制子系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先請求的時機(jī)和智能交通控制子系統(tǒng)的交通流協(xié)調(diào)控制算法。智能交通控制子系統(tǒng)的交通流協(xié)調(diào)控制算法的基礎(chǔ)是每個交叉口的道路等級，以及與交管部門充分溝通、協(xié)商的根據(jù)沿線及交叉、甚至相鄰區(qū)域道路交通流量而確定的有軌電車優(yōu)先級。此項在不同地域，甚至相同地域的不同路口中均需特定設(shè)計，不可一概而論。而信號控制子系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先請求的時機(jī)，則是基于軌旁設(shè)備感應(yīng)有軌電車進(jìn)入路口和出清路口的時間點，及在該時間段內(nèi)對車輛占用路口情況的監(jiān)測。

3軌旁通信設(shè)備及實際效果分析

3.1軌旁通信設(shè)備組成

該項目軌旁通信設(shè)備采用的是歐洲Elektroline公司的VETRA車地通信系統(tǒng)。VETRA車地通信系統(tǒng)是一種小范圍的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠保證有軌電車和多種軌旁設(shè)備之間快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。VETRA通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于道岔控制系統(tǒng)（道岔自動設(shè)置）、道口控制系統(tǒng)（有軌電車路口優(yōu)先權(quán)）、軌旁PIS系統(tǒng)（可選列車檢測）、車載PIS系統(tǒng)（將當(dāng)前車輛位置信息發(fā)送給車輛）、停車場自動管理系統(tǒng)（自動進(jìn)路、列車檢測及其他）、車載限速控制系統(tǒng)（列車超速實時監(jiān)測）等領(lǐng)域。

一套完整的VETRA車地通信系統(tǒng)主要包含車載部分和軌旁部分。車載部分的主要設(shè)備有車載VETRA天線，VTKl5車載控制器（用以有軌電車司機(jī)手動發(fā)送優(yōu)先請求，進(jìn)行車載設(shè)備必要的通信管理和配置管理），邏輯I，0接口等，軌旁部分主要包含軌旁VETRA天線，STC軌旁控制器（連接軌旁輸入輸出接口，進(jìn)行軌旁設(shè)備必要的通信管理和配置管理），邏輯I/O接口等。在該項目中該系統(tǒng)分別在有軌電車駛?cè)虢徊婵谖恢靡约榜傠x交叉口位置布設(shè)三組埋地天線（如圖2），天線埋地位置根據(jù)列車通過路口時允許的安全速度、有軌電車接近速度、有軌電車制動率、交通信號相位切換時間、系統(tǒng)延誤安全余量等進(jìn)行計算，通過與安裝于有軌電車底部的車載VETRA天線進(jìn)行2.4GHz的雙向無線通信，確保有軌電車高速運(yùn)行下的可靠而安全的車地通信，并且其通信數(shù)據(jù)是加密的。endprint

3.2軌旁設(shè)備工作原理

如圖3所示，VTKl5車載控制器連接車載VETRA天線，并通過RS485接口于車載控制主機(jī)通信，基于MODBUS-RTU協(xié)議實施交互數(shù)據(jù)。安裝于路口信號控制箱內(nèi)的STC軌旁控制器則通過線纜與布設(shè)于軌道中間的VETRA相連，當(dāng)車載天線位于軌旁天線作用區(qū)域時，車載設(shè)備和軌旁設(shè)備之間開始傳輸數(shù)據(jù)。車載設(shè)備向軌旁設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含車輛類型、運(yùn)行方向、車輛端頭信息、連掛狀態(tài)及車輛ID等信息，同時軌旁設(shè)備向車載設(shè)備傳輸VETRA天線ID、VETRA位置信息等數(shù)據(jù)，車載和軌旁數(shù)據(jù)雙向傳輸，既可以將接收到的車載主機(jī)設(shè)置指令及線路編號等數(shù)據(jù)發(fā)送給軌旁系統(tǒng)，也可以將接收到的前方進(jìn)路狀態(tài)等信息發(fā)送給車載主機(jī)。

3.3設(shè)備優(yōu)勢及在該項目中的適應(yīng)性分析

選用該設(shè)備作為該項目軌旁通信設(shè)備主要基于以下四點原因：

①VETRA軌旁天線一般安裝于地埋天線盒中，地埋天線盒尺寸一般為25.7cm*17.9cm*17.7cm，體積小巧，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單且抗外力沖擊能力強(qiáng)，能夠承受施工期間施工機(jī)具和后期社會車輛的行駛動荷載，大漢陽有軌電車試驗線建設(shè)斷面較窄，沿線路口較多距離較近，需要在同一斷面下、較小里程范圍內(nèi)安裝軌道電路，計軸設(shè)備、鋼軌回流線、雜散電流防護(hù)等設(shè)備，較小的安裝體積要求符合本項目的實際情況。與傳統(tǒng)的低頻電感車地通信系統(tǒng)相比，VETRA的地埋天線盒能安裝在鋼筋混凝土的軌道電路諧振區(qū)域，具備很大的優(yōu)勢。車載設(shè)備安裝簡單，僅通過固定支架和塑料底板即能牢固安裝于車頭下方，能夠適用于幾乎所有的有軌電車車輛類型。

②VETRA天線采用的是基于2.4G頻段的車地雙向通信，地埋天線盒中安裝有1c、2c雙天線，保證信號覆蓋的同時，也方便進(jìn)行擴(kuò)展。信號強(qiáng)度高速穩(wěn)定，安全性能高，具備強(qiáng)大的抗干擾機(jī)制，車地時速達(dá)到100公里每小時依然能保持通信的穩(wěn)定。大漢陽試驗線珠山二路路段因?qū)儆诜侨丝诿芗瘏^(qū)，且該段為有軌電車專用道，車輛行駛平均車速可達(dá)70km/h甚至更高，VETRA設(shè)備在高車速環(huán)境下的穩(wěn)定程度為該路段提速創(chuàng)造了有利條件。

③VETRA設(shè)備工作溫度為-40攝氏度到70攝氏度，武漢地區(qū)氣候冬冷夏熱，夏天地表溫度常常超過60攝氏度，冬天又低于0攝氏度，需要設(shè)備具有較寬的工作溫度范圍。且因武漢地處長江中下游洼地，長江汛期和梅雨季節(jié)期間城市排水疏澇能力有限，常常出現(xiàn)道路積水問題。VETRA車載天線防護(hù)等級達(dá)到IP65，軌旁天線安裝在地箱中，天線具備IP68防護(hù)等級，能夠完全防水，即使長時間泡在水中也能進(jìn)行工作，天線連接器防水實用，也較易于更換。

④在大漢陽有軌電車試驗線項目中，道岔自動控制系統(tǒng)和路口信號優(yōu)先系統(tǒng)中均使用了VETRA車地通信設(shè)備。在部分路口和岔區(qū)密集區(qū)域，為節(jié)約工程總投資，盡可能減少路面設(shè)備的布置，實現(xiàn)了同一VETRA設(shè)備的復(fù)用，即在道岔控制系統(tǒng)和路口信號優(yōu)先系統(tǒng)均發(fā)揮了精確定位的功能。兩套系統(tǒng)共使用VETRA天線303套、車載VETRA天線42套。

3.4工程實際實施角度分析

①軌旁VETRA天線安裝于天線盒內(nèi)并通過RS485接口與STC軌旁控制器相連，線纜敷設(shè)于兩股軌道之間，采用了簡單的PVC套管的保護(hù)形式。因為信號系統(tǒng)在有軌電車軌道板澆筑完成后即布設(shè)完成，后期還存在軌道表面填土、綠化施工，容易造成PVC管道破損、線纜挖斷、天線盒移位等設(shè)備損壞，這就要求項目管理單位加強(qiáng)管理，注意成品保護(hù)。

②STC控制器安裝于交叉口附近信號控制箱內(nèi)，在道路新建項目中，往往為了施工工期，在人行道和道口完工之前就需要進(jìn)場施工，存在交叉施工問題，且設(shè)備在安裝完成后進(jìn)行調(diào)試過程中，路口和人行道還在進(jìn)行土方清挖、瀝青攤鋪等作業(yè)，無法完全保證設(shè)備和調(diào)試人員的安全。

③信號控制箱和智能交通控制箱采用無源干接點或者串行通信接口相連，在安裝位置上兩臺控制箱要盡可能靠近，而路口往往地下管網(wǎng)縱橫交錯，控制箱實際選址存在一定的不確定性，并且也存在著二次遷改的可能性。

3.5軌旁設(shè)備安裝測試結(jié)果分析

①利用RS485接口連接器、萬用表、PC機(jī)和ARMUSB連接器，分別檢查STC端口線纜的連接、驗證STC設(shè)備的各項參數(shù)是否正常工作：

②利用RS485接口連接器、萬用表、PC機(jī)及VETRA天線專用測試連接線，分別檢查VETRA天線lc、2c的線纜安裝和級聯(lián)，并確保能夠利用測試設(shè)備讀取VETRA天線的ID號、UART通道、天線功率、天線通訊頻道等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

③以上兩項測試用例完成后，機(jī)柜上電，STC設(shè)備與PC機(jī)連接，利用車載VETRA模擬器按照預(yù)設(shè)的不同的測試環(huán)境模擬列車行駛，檢查軌旁天線的通信范圍和信號強(qiáng)度，確保軌旁天線的通信范圍在合理區(qū)間內(nèi)，并且具有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度。

經(jīng)過以上的驗證測試，基本確定VETRA天線的有效響應(yīng)時間、有效距離的信號強(qiáng)度，信號發(fā)送功率、STC、VTK設(shè)備采集VETRA天線的設(shè)備信息安裝配置符合使用要求。配合有軌電車聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的動車測試，該套設(shè)備的響應(yīng)時間完全滿足列車占用與空閑檢測的應(yīng)變響應(yīng)時間應(yīng)不大于1秒，及車載信號設(shè)備自接收軌旁信息至完成處理的時間應(yīng)不大于1秒的設(shè)計要求，保障了列車的通行效率和通過安全。

4結(jié)語

本文通過對基于軌旁通信的路口信號優(yōu)先系統(tǒng)和VETRA車地通信系統(tǒng)的介紹，并結(jié)合大漢陽有軌電車試驗線項目的實際情況進(jìn)行分析。有軌電車作為一種大運(yùn)量、逐漸在國內(nèi)興起的與地面社會交通混行的軌道交通形式，被給予交叉路口信號優(yōu)先是未來的發(fā)展的趨勢，而車地間穩(wěn)定、可靠的通信和適合有軌電車更高優(yōu)先級的交通控制算法則是實現(xiàn)該趨勢的基礎(chǔ)。隨著有軌電車運(yùn)行時速的加快，交叉口交通流復(fù)雜程度的上升，對于有軌電車快速精準(zhǔn)定位是必不可少的，這就要求未來的車地通信模塊具備更快的響應(yīng)時間，更高的信號強(qiáng)度，更精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)等特質(zhì)。隨著有軌電車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，將信號控制子系統(tǒng)和路口智能交通控制子系統(tǒng)進(jìn)行高度集成化設(shè)計，形成更成熟穩(wěn)定的具有有軌電車信號優(yōu)先處理請求，并且能夠處理超大規(guī)模路口、更復(fù)雜交通形式，占地規(guī)模更小、布線更簡單的交通控制一體機(jī)產(chǎn)品無疑是眾多有軌電車投資方和建設(shè)方所期待的，因此未來信號優(yōu)先和軌旁通信設(shè)備要實施完全自主化、模塊化生產(chǎn)，根據(jù)不同項目情況進(jìn)行有效組合，以符合更復(fù)雜項目建設(shè)的需求。endprint