现代有轨电车信号系统控制方案的研究.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 4104现代有轨电车信号系统控制方案的研究傅 明 华 上海城建市政工程（集团）有限公司，上海 200232摘要：通过分析既有有轨电车信号系统控制方案的优缺点，以张家口崇礼奥运赛区冰雪小镇有轨电车信号系统工程为研究对象，提出 1 种“集中联锁、分布式控制”的有轨电车信号系统控制方案。该方案既简化整体系统架构，降低系统构成的复杂度，还能有效保障有轨电车各岔区区间的行车安全，控制人因安全风险。关键词：现代有轨电车；信号系统；分布式；联锁中图分类号：U491.5 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0104-04收稿日期：2023-07-24作者简介：傅明华(1977)，女，高级工程师，本科，主要从事通信、信号等运控系统的技术研究工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.023 随着国家城市化进程的推进及政府倡导绿色出行的生活方式，我国对城市轨道交通的需求有了很大增长。现代有轨电车属于中、低运量城市轨道交通方式，具备节能环保、安全快捷、建设投资小、建设周期短等优势，非常适合作为城市轨道交通主干网的延展和补充，对于提升整个城市轨道交通的覆盖范围和运营效率有着重要的意义，具有广阔的市场前景1。由于有轨电车与轨道交通在运营模式、运营环境上存在较大差异，目前已开通的既有有轨电车信号系统普遍采用的是现地控制方案，即在线路中的每个岔区设置 1 套联锁道岔控制子系统，通过中心运营调度管理系统、车载控制系统分别与各现地联锁系统进行命令与数据交互，实现对全线信号系统的管理与控制。本文在对既有有轨电车联锁系统控制方案进行细致研究的基础上，对其中存在的问题进行分析和总结，并以张家口崇礼奥运赛区冰雪小镇有轨电车信号系统工程为方案设计对象，提出 1种“集中联锁、分布式控制”的有轨电车信号系统控制方案，旨在降低系统整体的复杂度，有效控制人因安全风险，提高各岔区区间的行车安全性，保障有轨电车信号系统的高效可靠运行，也为后续有轨电车项目的信号系统方案提供 1 种新的设计思路。1 既有有轨电车信号系统1.1 系统架构信号系统对于现代有轨电车的安全、高效运行有着关键作用。目前已开通运营的有轨电车正线信号系统普遍包括运营调度管理系统、正线道岔控制系统、路口优先控制系统、车载控制系统等。既有有轨电车信号系统架构见图 1。其中运营调度管理系统以 ATS 系统为核心，作为中央调度员和系统的交互界面，主要实现正线及站场信息的显示、时刻表运行图的管理，通过与道岔控制系统的数据交换，完成不同运营场景下对列车按进路运行的控制功能；车载控制系统主要实现与轨旁设备通信、接收线路信息同时发送进路请求，通过车载人机界面 DMI 提供相应信息完成司机人机对话；正线道岔控制系统负责对轨旁设备的信息采集，并与其他系统接口，最终完成联锁逻辑处理并按照运营需求控制轨旁设备，保证进路排列的安全和有轨电车通过的安全，同时将线路进路情况反馈给其他系统。路口优先控制系统与道路社会信号系统接口，实现对有轨电车通过交叉路口的资源优先分配，并与道岔控制系统接口，完成列车通过平交路口所需进路的控制请求和信号控制显示，该系统与交管部门共同完成路口信号系统的功能扩充，实现各种交通有序、高效通过平交路口2。1052024 年第 1 期值班主任台调度员台计划台仿真培训台网管及系统维护台调度终端 1调度终端 10大屏幕前置通信机运营调度管理系统主数据库服务器通信服务器交换机A交换机B打印服务器打印机绘图仪调度中心局域网无线网络管理服务器通信接口服务器无线控制器DCS 数据通信系统无线天线车载控制系统车载网络车载主机环线单元环线通信天线环线通信天线时钟系统SCADA 系统PIS 系统操作终端DMI操作终端DMI路口优先系统道岔控制系统磁盘柜TWCTWCCSWTCTWCAP1APnOPG 图 1 既有有轨电车信号系统架构傅明华：现代有轨电车信号系统控制方案的研究1.2 存在问题的分析随着有轨电车线路不断建设与开通运营，上述信号系统控制方式也在实践中显现出了一些问题。首先，正线各岔区的道岔控制系统之间基本没有接口，即在 2 个岔区的区间行车是缺少信号系统防护的，根据与运营单位及设计单位沟通，在一些特殊运行情况下，可能造成有轨电车迎面相撞的风险。虽然信号系统可以通过综合调度中心的自动列车监控系统（ATS 系统）进行一些区间运行管理的工作，但由于 ATS 系统的安全完整性等级的限制，在进行列车折返等作业时，可能需要调度员人工参与列车行车的安全防护，给运营单位的人员带来了很大的负担，也存在着一定的安全隐患。其次，国内联锁系统的进路区段解锁基本均采用分段解锁方式，根据计算机联锁技术条件的规定，锁闭区段在有条件时均应满足 3 点检查，延时3 s 方能自动解锁，即联锁系统检查待解锁区段相邻的 2 区段状态，判定车辆顺序占用出清进路区段才能使相应区段正常解锁，以此保证进路解锁的安全性。而既有的道岔控制子系统采用分布式控制，各控区之间未设置联系电路，在进路建立后，当道岔区段完成 1 次占用出清过程后，即可正常解锁，也就是一般意义上的“单点解锁”，这种方式存在较大的安全隐患，可能造成有轨电车挤岔甚至脱轨等事故的发生，此类事故在实施项目中就曾经发生过，既危害了乘客和行人的人身安全，也对有轨电车的发展产生了不利的影响。同时，由于每个控区独立设置正线道岔控制系统，使其只能负责本控区的信号设备控制，并不能总览全局，而且运营调度管理系统与车载控制系统均需要与各个正线道岔控制系统分别建立通信连接，这种方式既增加了系统软件设计的复杂性，也对信号系统通信网络提出了更高的要求。为应对上述问题，目前有轨电车信号系统借鉴轨道交通项目的设计方案，更多地朝着多连接、高冗余的方向发展。但由于有轨电车的运营模式与环境与轨道交通存在差别，这种方式其实并未从根本上解决系统的安全性的问题，还大大增加了系统的造价成本，有悖于有轨电车建设投入相对较少的初衷。而且随着系统复杂度的不断提高，接口制式也越来越难以统一，既不利于后续有轨电车路网建设时信号系统的互联互通，也会大大降低当前系统运行的可靠性。2 崇礼有轨电车信号系统控制方案分析为有效解决上述既有有轨电车信号系统存在的问题，张家口崇礼奥运赛区冰雪小镇有轨电车信号系统在控制方案上进行了创新，采用“集中联锁，分布式控制”的系统架构。2.1 系统架构崇礼有轨电车信号系统将原本分布在各现地1062024 年第 1 期傅明华：现代有轨电车信号系统控制方案的研究岔区控制柜的联锁系统和计轴系统集中整合到运营控制中心，对整条线路的道岔、信号和进路进行统一联锁管理，而在岔区控制柜仅保留道岔驱采单元、信号驱采单元以及计轴计数单元等执行采集机构。由于这些分布式的执行采集单元命令相对单一，不存在大量逻辑运算状态信息的交互，因此所占用的通信带宽相对较小，可通过较简单的光纤网络搭建实现实时驱采控制通信通道。见图 2。交换机层综合监控系统平台岔区控制系统平台计轴系统平台室内室外综合监测网（非冗余）计轴控制网（冗余）岔区控制网（冗余）车辆段计轴控制柜车辆段岔区控制柜人工湖-文创商街控区柜太子城大道-太子城遗迹控区柜图 2 崇礼有轨电车信号系统架构崇礼有轨电车信号系统设置在运营管理中心的联锁系统和计轴系统均采用了通过 SIL4 安全认证的安全系统，具有高可靠性与高安全性，平均故障间隔时间（MTBF）1105 h，功能每小时容许危害率（THR）：10-9 THR 10-8。这种方案使得联锁系统可对全线的道岔、信号和区段等被控对象进行统一的联锁管理，提高区间行车及进路解锁的安全性；同时由其通过专网控制各现地控制柜的工作，将这部分网络从原来整体信号系统网络中剥离出来，将其变为联锁系统的内部网络，大大减少车载系统及中心运营监控系统的网络连接通道数量，例如有 M 列列车，N 个信号控制系统，通信通道的数量可从最大值 MN 减少为最大值 M，降低网络通信的软件设计复杂度和系统耦合度，从而提高系统的可靠性。2.2 新方案下的系统提升分析1）增加区间联锁防护功能。崇礼有轨电车信号系统通过采用“集中联锁”的方式，增加正线各岔区之间区间无岔区段的联锁防护功能。以进路S0104 至 S0203 为例，当 VS0203 至 S0101 进路排出后，上述进路作为敌对进路将不能排出，防范列车在 7CG 可能发生迎面相撞的风险，见图 3。同样地，在特殊情况下需要排列 S0104 至 S0203 这条逆向行车进路时，进路终端会一直延伸至信号S0203，这样，当排列进路 S0201 至 VS0203 或排列折返进路 S0202 至 VS0203 时，联锁系统在进行选路过程中会检测到发生进路敌对，会禁止相应进路的排列，防止列车发生迎面相撞的风险。而对于既有有轨电车信号系统，其进路防护范围一般是由S0104 向 S0101，即 2 个岔区之间的 9VG、7CG 等区段是没有防护的，若此时下行线路排出 S0201 至S0203 进路时，就可能在线路区间发生车辆迎面相撞的风险，需要由中心调度对相应情况进行人工防护线路区间的行车安全，这样就会产生人因安全风险，也增加了调度人员的工作负担。18GS0302S0303S0304P0302VS0202VS0102S0204S0104S0002S0003S0103S0203S0102S0202S000116CGS030119G19VGVS0303S0201VS0203S010115PJG9VG7CGP0002P01032AG3AG5G17CG10CG1AGP010214PJGP02028VG图 3 区间敌对进路防护2）安全解锁防护。由于崇礼有轨电车信号系统的控制方案将全线轨道区段纳入统一的联锁控制管理，正线的进路内方区段基本都有相应的接近区段与离去区段，在区段解锁时可进行安全的“3 点检查”，通过检查区段顺序占用出清条件，准确判定列车是否真正通过了该区段，之后再对该区段进行解锁，而不会因为该区段受干扰而错误被解锁，这很大程度上保证进路解锁的安全性，有效防止列车发生挤岔或脱轨等事故的发生。以由 S0302 至 VS0303的进路为例，区段安全解锁防护示意图见图 4。18G19G16CG19VGS0302S0303S0301S0304P0302P0301VS030321G图 4 区段安全解锁防护示意图锁闭区段正常解锁的 3 点检查条件，当列车由S0302 进入进路，判断列车通过轨道区段 P0301DG的逻辑关系如下。（1）P0302DG 空闲、P0301DG 空闲、21G 空闲。（2）P0302DG 占用、P0301DG 空闲、21G 空闲。1072024 年第 1 期（3）P0302DG 占用、P0301DG 占用、21G 空闲。（4）P0302DG 空闲、P0301DG 占用、21G 空闲。（5）P0302DG 空闲、P0301DG 占用、21G 占用。（6）P0302DG 空闲、P0301DG 空闲、21G 占用。（7）P0301DG 解锁。当联锁系统正确检查到上述逻辑关系后，P0301DG 才能解锁。3）统一的路口优先控制系统接口。由于有轨电车多为半独立路权，不与道路交通混行3，但可能与道路平交。在交叉口区域，有轨电车与不同进口不同转向的社会车辆有冲突点，原则上，在保证不影响交叉口整体通行能力的前提下，有轨电车可以优先通过交叉口4。为保证有轨电车能够实现准点运行，往往在线路与社会车辆交互的平交路口设置路口优先系统，该系统需要与社会信号系统进行接口，申请有轨电车优先通过平交路口。而既有的有轨电车正线道岔控制系统的进路开放条件可能与优先系统判断的优先通行情况不一致，从而导致行车效率降低。采用集中联锁的控制方式可以统一优化管理各车辆的优先请求，同时简化了与平交路口社会信号控制系统之间的接口，更好地保障了线路车辆的通行效率。4）多列车进路对行车效率的保障。对于将不同岔区区间部分纳入统一联锁控制是否会影响行车效率以及是否增加系统成本的问题，崇礼有轨电车信号控制也给出了解决方案，即可将线路区间较长的无岔区段设置为允许多列车追踪进入的列车进路区段，在多列车进路开放后，其他岔区与此信号敌对的进路将不能被排出，即由联锁系统保证了运行区间的敌对进路防护，但当列车正常驶入多列车进路的相应区段后，该进路信号可重复开放，司机可驾驶列车在多列车区段向前目视行车。以 VS0102 至 S0204 进路为例，10CG 被设置为多列车进路区段，当列车在进路正常开放时按正常顺序驶入该多列车区段后，可以重新开放该进路，使后续同方向列车可以追踪前面的车辆顺次运行。而若车辆未依进路区段的顺序顺次进入多列车进路区段，当该区段占用时，则将不能再次开放此进路。如此既保障了区间行车的安全性，防止迎面撞车的风险，又允许同方向行驶的车辆在此长大区段追踪行驶，并不影响行车效率。多列车进路示意图见图 5。崇礼有轨电车联锁系统18G19GS0302S0301P0302P0301S0303S030416CG19VGVS0303VS0202S020117CG15PJG14PJG12GP0202S0202S0203P0201S020410CGVS02039VG8VGVS01027CGS0101S0102P0102P0101S0104S0103P0002S0003S0002S00015G3AG2AG1AG图 5 多列车进路示意图5）工程造价的降低与可维护性的提升。道岔控制系统作为安全系统，其主控单元的成本往往很高，在各控区分布式设置正线道岔控制系统，会大大提升有轨电车信号系统的工程造价，同时控制系统布置于现地，不利于系统的后期维护。而“集中联锁，分布式控制”的有轨电车信号系统控制方案则很好解决这种问题，将道岔控制系统的联锁主控部分转移至中心完成正线信号的集中控制，通过专用的光纤通信网络对全线的联锁执行采集单元（道岔、信号、区段）进行统一管理，这样既节约系统造价，又减少系统投入运营后主控设备发生故障时维护人员的工作任务5。3 结语本文针对既有有轨电车信号系统在实际运营中存在的一些问题，结合崇礼有轨电车实际项目情况，提出了 1 种“集中联锁，分布式控制”的信号系统控制方案，将正线道岔控制系统的主控部分设置于中心，而将各执行单元保留在正线各个子控区。通过这种方式尽可能降低既有系统可能存在的一些安全风险，提高系统的可靠性，同时提高有轨电车信号系统整体的运营效率，降低工程成本及后期维护难度。在我国大力推进和发展绿色交通的背景下，希望通过对全新方案的研究与探索，提高有轨电车项目的运行水平，进而推动城市经济的建设和发展。参考文献：1 曹友杰.铁路信号分布式计算机联锁系统-道岔控制模块研究 D.兰州:兰州交通大学,2014.2 邹仕顺.现代有轨电车的信号控制技术 J.铁道通信信号.2014,50(4):8-11.3 薛伟.现代有轨电车平交路口优先协调控制研究 J.铁路通信信号工程技术,2018,15(6):52-56.4 李春波.有轨电车信号系统路口优先控制解决方案研究 J.铁路通信信号工程技术.2017,14(1):71-73,83.5 权海宁.分布式全电子计算机联锁系统研究 D.兰州:兰州交通大学,2012.傅明华：现代有轨电车信号系统控制方案的研究158ABSTRACTSshield tunneling machines.Key words:quasi rectangular shield machine;cutterheadlayout plan;cutter head drive with telescopic function;sandy formationResearch on Carbon Emission Accounting&Estimation Indicators during the Construction Period of Shield Tunnels on Urban RoadsYAO Jian(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:Based on the bill of quantities pricing model,this paper proposes a method for calculating carbon emissions during the construction period of shield tunnels and the principles for dividing sub projects,taking into account the shield tunnel projects on urban roads such as Caobao Road and Expressway in Shanghai.Analyze the main sources and proportions of carbon emissions from shield tunnels,and obtain the proportions of carbon emissions from labor,materials,and machinery in shield tunnel construction.Using the same analysis method,carbon emissions were calculated for multiple engineering cases,and estimated indicators for carbon emissions per linear meter of shield tunnels with different diameters were obtained.The analysis conclusion shows that during the construction of shield tunnels,the carbon emissions from building materials,machinery,and labor account for approximately 82.7%,16.8%,and 0.5%,respectively.The steel bars and concrete used in the segments and internal structures,as well as the cement used for initial reinforcement,are the main sources of carbon emissions in shield tunnels.As the outer diameter of the tunnel increases,the carbon emissions per linear meter of shield tunnel also gradually increase.A shield tunnel with an outer diameter of 11 15 m has a carbon emission index of approximately 61 213 to 89 566 kgCO2e per linear meter.Keywords:shield tunnel;construction period;carbon emission accounting;estimating indicatorsBackward Propagation Neural Network-Based Mechanical Parameter Inversion&Displacement Prediction of Highway High SlopesHUANG Kai(Guiyang Urban Construction Investment Group Co.,Ltd.,Guiyang 550014,China)Abstract:This study takes a highway high slope as the object,and selects the Duncan-Chang model to establish numerical simulation based on the geological conditions of the region.Through the design of orthogonal experiments,combined with the back analysis of slope displacement monitoring data using BP neural network algorithm,four important slope mechanical parameters are obtained.The results of numerical simulation calculation are close to the measured deformation monitoring data.The research results show that the displacement of the slope can be predicted within a small error range through the comprehensive application of several methods.This conclusion has important reference value for the application of slope protection and early warning technology.Key words:deformation monitoring;neural network;numerical simulation;back analysis;slopeResearch on the Control Scheme of Modern Tram Signal SystemFU Ming-hua159ABSTRACTS(Shanghai Urban Construction Municipal Engineering Group Co.,Ltd.,Shanghai 200232,China)Abstract:By analyzing the advantages and disadvantages of existing tram signal system control schemes,a tram signal system control scheme with centralized interlocking and distributed control is proposed,taking the tram signal system project in the Ice and Snow Town of Zhangjiakou Chongli Olympic Zone as the research object.This plan not only simplifies the overall system architecture,reduces the complexity of system composition,but also effectively ensures the safety of train operation in various switch areas of the tram,and controls human safety risks.Key words:modern tram;signal system;distributed;interlockA Comparative Selection Study on the Use of Air Purification Equipment System Solutions for A Domestic River-Crossing TunnelGUAN Yi-chao,YAO Jian(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:The traditional urban road long and large tunnel adopts a centralized high-altitude exhaust system,and its high wind tower setting faces many problems,such as:large impact on the urban landscape,difficulty in site selection during the planning stage,opposition from surrounding residents to the new tunnel high wind tower,high pressure on stability maintenance,and difficulty in coordination during the construction stage.Currently,the technology of air purification equipment applied to tunnels has matured and the cost has been reduced.Based on a new river-crossing tunnel project in a domestic city,this study compares and selects two ventilation system construction and operation schemes,and finally adopts the air purification equipment system scheme.Key words:tunnel;air purification;high wind tower;economic benefits;social benefitsThe Influence of Different Temporary Pier Spacing in Top Push on a Certain Unbraced Arch BridgeYE Lang(Zhejiang Municipal Design Institute Co.,Ltd.,Shanghai Municipal Engineering Design Institute Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China)Abstract:In order to explore the influence of different temporary pier spacing on the non-transverse bracing arch bridge during the top pushing process,a finite element model was established based on the overall top pushing construction project of a steel truss arch bridge.The maximum stress and deflection distribution of the steel truss arch bridge during the top pushing process were analyzed under different temporary pier spacing arrangements,as well as the stability of sensitive positions of the arch bridge and components.The reaction force changes of the main pier and temporary pier during the top pushing process were also analyzed under the second type of temporary pier arrangement.Research has shown that the main beam(mid span member)and arch rib end at the temporary pier PL01 of the lower chord of the arch bridge are subjected to the most unfavorable stress,and the larger the spacing between temporary piers,the greater the stress generated.The most unfavorable deflection occurs at the end of the guide beam,and the larger the spacing between temporary piers,the greater the deformation.The larger the spacing