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(yàn)線的應(yīng)用

1、    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(yàn)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(yàn)線項(xiàng)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(shí)施、安裝測試角度進(jìn)行實(shí)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(xiàng)目基本情況和線路特點(diǎn)分析大漢陽有軌電車試驗(yàn)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(shí)施線路全長16.8km。線路沿鳳凰大道、殊山二路、全力三路、后

2、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(dòng)車的過街需求，同時(shí)綜合考慮工程進(jìn)度、總投資和實(shí)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(huì)交通的平面交叉。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全線共設(shè)置37個(gè)交叉口，其中25個(gè)道路交叉口，12個(gè)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(jià)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(huì)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(huì)車輛剮蹭

3、、碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，大漢陽有軌電車試驗(yàn)線參照國內(nèi)外有軌電車的成熟的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)開發(fā)區(qū)的實(shí)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(xiàng)目路口信號優(yōu)先系統(tǒng)主要靈活實(shí)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(dòng)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(yàn)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

4、障措施，這套設(shè)備應(yīng)用于大漢陽有軌電車項(xiàng)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(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中得到了考驗(yàn)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(gè)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(xiàng)目中，圖1左側(cè)區(qū)域?yàn)橛熊夒娷囆盘柨刂谱酉到y(tǒng)，右側(cè)區(qū)域?yàn)橹悄芙煌刂谱酉到y(tǒng)，基于建設(shè)時(shí)序和國內(nèi)市場產(chǎn)品成熟度的考慮，兩個(gè)子系統(tǒng)由項(xiàng)目建設(shè)單位發(fā)包給兩家設(shè)備集

5、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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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

6、車的通行安全。prg和prs在有軌電車通過路口時(shí)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(gè)方向的交通燈控制，整個(gè)路口按照正常的相位周期運(yùn)行。在整個(gè)系統(tǒng)中，關(guān)系到信號優(yōu)先效率的重點(diǎn)是信號控制子系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先請求的時(shí)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(gè)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(xiàng)在不同地域，甚至相同地域的不同路口中均需特定設(shè)計(jì)，不可一概而論。而信號控制子

7、系統(tǒng)發(fā)送優(yōu)先請求的時(shí)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(shí)間點(diǎn)，及在該時(shí)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(shí)際效果分析3.1軌旁通信設(shè)備組成該項(xiàng)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(dòng)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(dòng)管理系統(tǒng)（自動(dòng)進(jìn)路、列車檢測及其他）、車載限速控制系統(tǒng)（

8、列車超速實(shí)時(shí)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(dòng)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(xiàng)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(shí)允許的安全速度、有軌電車接近速度、有軌電車制動(dòng)率、交通信號相位切換時(shí)間、系統(tǒng)延誤安全余量等進(jìn)行計(jì)算，通過與

9、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。endprint3.2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(shí)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(shí)，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(shí)軌旁設(shè)備向車載設(shè)備傳輸vetra天

10、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(xiàng)目中的適應(yīng)性分析選用該設(shè)備作為該項(xiàng)目軌旁通信設(shè)備主要基于以下四點(diǎn)原因：vetra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(huì)車輛的行駛動(dòng)荷載，大漢陽有軌電車試驗(yàn)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(jì)軸設(shè)備、鋼軌回流線、雜散電流

11、防護(hù)等設(shè)備，較小的安裝體積要求符合本項(xiàng)目的實(shí)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。vetra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(shí)，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(shí)速達(dá)到100公里每小時(shí)依然能保持通信的穩(wěn)定。大漢陽試驗(yàn)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

12、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。vetra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(shí)間泡在水中也能進(jìn)行工作，天線連接器防水實(shí)用，也較易于更換。在大漢陽有軌電車試驗(yàn)線項(xiàng)目中，道岔自動(dòng)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

13、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(shí)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(shí)際實(shí)施角度分析軌旁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?yàn)樾盘栂到y(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(xiàng)目管理單位加強(qiáng)管理，注意成品保護(hù)。stc控制器安裝于交叉口附近信號控制箱內(nèi)，在道

14、路新建項(xiàng)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。信號控制箱和智能交通控制箱采用無源干接點(diǎn)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(cuò)，控制箱實(shí)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(yàn)證stc設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)是否正常工作：利用rs485接口連接器、萬用表、pc機(jī)及vet

15、ra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)。以上兩項(xiàng)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(yàn)證測試，基本確定vetra天線的有效響應(yīng)時(shí)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(dòng)車測試，該套設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間

16、完全滿足列車占用與空閑檢測的應(yīng)變響應(yīng)時(shí)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(shí)間應(yīng)不大于1秒的設(shè)計(jì)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(yàn)線項(xiàng)目的實(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)該趨勢的基礎(chǔ)。隨著有軌電車運(yùn)行時(shí)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(shí)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(jì)，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