有轨电车运行控制技术及效率与安全

1.有轨电车运行效率分析

影响有轨电车运行效率的因素主要有：停站时间、过交叉口时间、路段行驶时间，而这三个关键时间又受到很多因素的影响（图2－51）。通过定量分析这三个关键时间，可以得到有轨电车在各个点的运行效率和整条线路的运行效率，从而可以从主要影响因素入手，提高有轨电车的运行效率。

1）有轨电车停站时间分析

（1）影响因素分析

有轨电车停站时间是指列车到达车站后直至从车站出发在此期间所有作业时间的总和，包括列车减速进站时间、开门时间、乘客上下车时间、列车关门时间和列车加速离站时间。停站时间的长短直接影响到列车的全程运行时间，最终影响线路的设计运能。停站时间受诸多因素影响，主要包括：高峰小时车站上下客人数、高峰小时开行对数、车站售检票系统、车票制式，如图2－52所示。

图2－51　有轨电车运行效率影响因素

图2－52　有轨电车停站时间影响因素

①高峰小时车站上下客人数

高峰小时车站上下客人数直接决定了停站时间的长短，而这一影响因素由早晚高峰上下行方向中最大的上客或下客人数决定，或者是上客和下客的总人数决定，这和列车车门的使用情况有关，也与车站售检票系统有关。

②高峰小时开行对数

有轨电车的停站时间一般不宜大于列车的发车间隔。首末站可通过折返线的设置来实现列车的平行进路，其停站时间可以大于发车间隔。因此，列车发车间隔将是停站时间较大的限制因素，高峰小时发车间隔由高峰小时列车对数决定，而高峰小时列车对数则由高峰断面客流决定。因此，客流的大小对列车停站时间的影响较大。

③车站售检票系统

根据不同的售票和检票位置，有轨电车系统售检票方式主要分为三类：车上售检票、车外售检票和车外售票／车上检票。不同的售检票形式将对有轨电车停站时间造成一定的影响，需要根据车站的上下客流需求，决定采用何种售检票形式。对于客流需求较大的线路或车站，必须采用上下客效率较高的售检票方式，以减少停站时间，提高客运效率。

④车票制式

目前，有轨电车系统票价制度有两种，即单一票价制和计程计时票价制。车票制式对停站时间的影响和车站的售检票系统有关，若是在站外售票则两种制式下对停站时间的影响是一致的，若是采用车上售检票，影响则不同。车上售检票若采用单一票价制，乘客只需上车刷卡即可，而若采用计程计时票价制，那么乘客上下车均要刷卡，由此导致列车的停站时间增加。

（2）时间计算方法

①进出站时间

式中　t1——有轨电车减速进站时间，s；

　　　t2——有轨电车加速出站时间，s；

　　　a1——有轨电车加速度，m／s2；

　　　a2——有轨电车减速度，m／s2；

　　　v——有轨电车匀速行驶的速度，km／h。

②停站时间

有轨电车停站时间的计算方法是借鉴了中国内地地铁及中国香港地铁，并结合有轨电车自身特征而总结出来的一套适合有轨电车的计算方法。

a.车上售检票单一票价制

在此种售票制度下，乘客只需上车检票，因此乘客上客时间比下客时间长，上客时间为1.4s，下客时间为0.6s。停站时间计算公式如式（2－39）所示。

式中 t3——有轨电车停站时间，s；

　　　P上，P下——分别为高峰小时车站上车人数之和（取早、晚高峰最大值），高峰小时车站下车人数之和（取早、晚高峰最大值）；

　　　N——高峰小时开行的列车对数；

　　　n上，n下——分别为上客门数和下客门数；

　　　t上——平均上一名乘客的时间，一般为1.4s；

　　　t下——平均下一名乘客的时间，一般为0.6s；

　　　K——不均匀系数，1.3～1.7之间；

　　　t4——列车开关门反应及动作时间，包括：开门2s，预告和关门3s，各车门上下客不均匀延误3s，关门后列车启动反应时间2s。

b.车上售检票计程计时票价制

当采用车上售检票计程计时票价制时，乘客上下车均要进行刷卡检票，因此，上下车时间均加长。同样是上下车车门分开，计算公式同上，但其中t下的取值变为1.4s。

由以上分析可知，车上售检票单一票价制和计程计时票价制主要的差异取决于上客车门数和下客车门数，若二者相同则停站时间基本相同，否则会有较大的差异。

c.车外售检票

车外售检票类似于地铁系统，一般采用计程计时票价制，乘客在车站售检票，列车到达后车门全部打开，先下客再上客。此时，列车停站时间计算公式为：

式中，t为平均一名乘客上车／下车时间，一般为0.6s。

　　　d.车外售票／车上检票

车外售票／车上检票方式，即乘客在车站刷卡付费并获得付费凭证，在车上由工作人员检票。在此方式下，列车停站时间和车上售检票方式的一致。

2）有轨电车过交叉口时间分析

交叉口是城市路网中最基本的组成单元，有轨电车在交叉口运行时，与社会车辆会产生冲突，合理的信号控制是实现有轨电车优先通行的保障，同时不能对其他方向机动车的运行造成严重阻碍。如前所述，有轨电车交叉口信号优先控制策略可概括为绝对优先控制策略、相对优先控制策略和部分优先控制策略三种。

（1）绝对优先控制策略

绝对优先控制策略是指当安装在交叉口进口处的检测器检测到有轨电车车辆到达时，交通信号控制器就无条件中断当前的信号相位，直接给予有轨电车通过信号，当交叉口出口道检测器检测到有轨电车已通过交叉口，再恢复原来的信号相位。其特点是有轨电车在到达平交路口的任意时刻都能享有绿灯，一路通行。有轨电车通行时间公式为

式中　T5——有轨电车匀速通过交叉口的时间，s；

　　　L交叉口——交叉口长度，m；

　　　v——安全条件下有轨电车匀速行驶的限速度，km／h。

（2）相对优先控制策略

与绝对优先控制策略类似，相对优先控制策略也需要通过布置在交叉口的车辆检测器来检测有轨电车的位置，从而判断是否给予其相应的信号优先。不同于绝对优先控制策略，相对优先控制策略是通过调整一个信号周期内不同相位的出现时间以及相位时长来达到使有轨电车车辆优先通行的目的。其通常采用绿灯延长和绿灯提前控制的方法给予有轨电车优先。

绿灯延长，即延长相位的绿灯时间。智能交通控制系统收到有轨电车自动控制系统触发的信号优先请求后，计算出其需要优先的相位，若当前绿灯正是该相位，但绿灯的剩余时间不能保证有轨电车按照正常的速度通过交叉口时，则可延长本相位的绿灯时间（但不能超过最大绿灯时间），使有轨电车顺利通过交叉口。

绿灯提前，即缩短车辆等待绿灯信号的红灯时间。当有轨电车到达交叉口时，有轨电车通行方向所在的相位处于红灯状态，这时通过缩短交叉口当前相位的绿灯执行时间，使有轨电车到达交叉路口时，能以绿灯信号顺利通过交叉口。

有轨电车优先控制策略的选择具体参照其到达交叉口的时间点，将道口控制有轨电车运行的相位划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四个区间，其中r为相位的红灯时间，C为信号周期，如图2－53所示。

①情形Ⅰ分析

当有轨电车到达交叉口的时刻t到达∈［0，r到达］时，为了降低有轨电车在交叉口的等待延误，赋予有轨电车相对信号优先权，即采用延长该相位绿灯时间的方法，使有轨电车可以通过交叉口。一旦有轨电车通过交叉口，控制系统将恢复原来的信号配时。有轨电车通过交叉口公式如式（2－41）所示。

②情形Ⅱ分析

当到达时刻t到达∈［r，r到达］时，若采取有轨电车信号优先，将中断冲突相位的绿灯信号，如此便会大大增加冲突相位的延误，甚至出现冲突车流无法安全通过道口的现象。因此，在这种情形下，不给予有轨电车优先，而是等待下一个绿灯，等待时间为剩余红灯时间。有轨电车通过交叉口公式为

图2－53　有轨电车到达交叉口的不同情形

式中　t6——有轨电车停车等待后通过交叉口的时间，s；

　　　t7——有轨电车交叉口等待时间，s；

　　　t8——有轨电车停车启动后通过交叉口时间，s；

　　　r——有轨电车运行方向红灯时间，s；

　　　t到达——有轨电车到达交叉口时间，s；

　　　v——有轨电车匀速行驶的速度，km／h；

　　　L交叉口——交叉口长度，m；

　　　a1——有轨电车加速度，m／s2。

③情形Ⅲ分析

当有轨电车到达交叉口的时刻t到达∈［r2，r］时，有轨电车通行方向所在的相位处于红灯状态，赋予有轨电车相对信号优先权，这时通过压缩与有轨电车相冲突相位的绿灯时间，即绿灯提前，使有轨电车相位被提前激活。有轨电车通过交叉口的公式如式（2－41）所示。

④情形Ⅳ分析

假设预计到达时刻为t到达处于情形Ⅳ下，即有轨电车在绿灯相位期间到达交叉口，此时不需要为有轨电车提供信号优先，换言之，有轨电车可以不用改变信号灯配时而直接通过交叉口。有轨电车通过交叉口的公式如式（2－41）所示。

3）有轨电车路段行驶时间

有轨电车在路段上行驶，由于其轨道独立性，故能保持匀速运行，且无其他车辆干扰，路段行驶时间如式（2－45）所示。

式中　T3——有轨电车停车等待后通过交叉口时间，s；

　　　v——安全限速条件下有轨电车匀速行驶的速度，km／h；

　　　Li——各路段长度，m。

4）有轨电车行程时间

根据前文所述，有轨电车线路运行时间主要包括车站时间、交叉口时间以及路段时间，设整个线路上共有m个车站，n个交叉口，而无交叉口和车站的匀速行驶路段共k条，则有轨电车行程时间为

(https://www.xing528.com)

式中　T——有轨电车行程时间，s；

　　　T1i——有轨电车通过第i个车站的时间，s；

　　　T2i——有轨电车通过第i个交叉口的时间，s；

　　　T3i——有轨电车通过第i个路段的时间，s；

　　　t1i——有轨电车在第i个车站减速进站的时间，s；

　　　t2i——有轨电车在第i个车站加速出站的时间，s；

　　　t3i——有轨电车在第i个车站的停站时间，s；

　　　t5i——在绝对有效控制策略下，有轨电车通过第i个交叉口的时间，s；

　　　t6i——在相对优先控制策略下，有轨电车通过第i个交叉口的时间，s。

2.有轨电车运行安全及控制方法

1）有轨电车运行安全影响分析

（1）路段有轨电车运行安全影响分析

在B级路权下，有轨电车在路段拥有独立路权，机动车与线路平行运行，路段中通常有物理隔离措施将有轨电车车道与社会车辆车道隔开，因而双方一般不会产生冲突。通过有轨电车运行事故调查和特征分析，发现路段上存在的安全隐患主要是外部障碍物入侵，即当有轨电车驾驶员发现前方出现障碍物时，由于车速较快，制动距离长（图2－54），有轨电车可能无法在障碍物前及时停止。另外，在转弯路段，事故率高。

图2－54　有轨电车与其他交通工具制动距离对比

事实上，路段事故产生的主要原因是有轨电车最大允许速度与视距不匹配。不同线形条件下，路段的视距不同，曲线路段和纵坡路段的视距都比一般路段小。另外，不同天气条件下，驾驶员视距也不同，雾天和阴雨天气的视距明显小于晴天。因此，有轨电车的最大允许速度应该随着路段线形和天气的变化而改变。

（2）交叉口有轨电车安全影响分析

在B级路权下，对于有轨电车经过的交叉口一般都会进行信号控制。理论上，有轨电车与其他交通方式不存在冲突，但是根据有轨电车事故调查统计，造成有轨电车交叉口事故的主要原因是社会车辆或者有轨电车违章，如社会车辆违规左转或掉头，有轨电车和社会车辆闯红灯等，从而造成有轨电车和社会车辆碰撞。由于有轨电车制动距离长，一些交叉口视距不佳，在违章现象发生时有轨电车很难安全停车。

2）有轨电车的安全速度

（1）有轨电车路段安全速度

有轨电车制动距离比一般社会车辆要长，而在B级路权下，有轨电车的运行速度又较快，故制动距离增加，行车视距减少。当驾驶员发现前方有障碍物并采取制动措施后，为了保障有轨电车滑行一段距离后能够安全地停在障碍物前面，就需要对有轨电车的最高车速进行限制。有轨电车安全行车示意图见图2－55。

图2－55　有轨电车安全行车示意图

由图2－55可得安全行车条件为

式中　S1——有轨电车制动反应时间内行驶的距离，m；

　　　S2——有轨电车在制动时间内行驶的距离，m；

　　　S——路段的可视距离，m，与道路线形、道路环境和天气均有关。所谓可视距离是指从车道中心线上1.2m的高度，能看到该车道中心线上高为0.1m的物体点的距离，是沿着车道中心线的长度。

式中　v1——有轨电车的行驶速度，km／h；

　　　t——驾驶员和机器的总反应时间，可取1.5s，换算单位后可得到S1=0.42v1。

考虑最不利的情况，有轨电车在下坡并且忽略空气中的阻力，则有轨电车在制动时间内行驶的距离为

式中　a——有轨电车在干燥无坡度轨道上正常制动减速度，可以取1.2m／s2；

　　　μ——制动减速度折减系数，雨雪天气轨道潮湿的情况下，轨道摩擦系数减小，有轨电车的正常制动减速度减小；

　　　i——线路纵坡度；

　　　g——重力加速度，取9.8m／s2，则换算单位后得到

则可以得到

据此可以得到有轨电车在路段的安全速度应满足以下条件（取等号时为最大安全速度）：

图2－56　可视距离S与路段安全速度 v1关系曲线

当取μ=1时，可以得到如图2－56所示的可视距离S与路段安全速度v1之间的关系。

（2）有轨电车交叉口安全速度

当有轨电车到达交叉口时，与其他交通方式共享路权，其最大安全速度应该是交叉口设计车速，即社会车辆交叉口最大允许速度。

（3）有轨电车安全速度曲线

根据上述有轨电车在路段和交叉口的安全速度，可以画出有轨电车在不同站台布置情况下的线路安全速度曲线，如图2－57和图2－58所示。

图2－57　路中式车站线路安全速度曲线

图2－58　远端式车站线路安全速度曲线

3）有轨电车正线折返段道岔联锁控制方案

（1）道岔控制模式

依据控制主体的不同，正线道岔系统的主要控制模式可划分为自动控制模式和人工控制模式。自动控制模式仅针对正线道岔区进路排列而言，正线其他无道岔区域需全人工驾驶，由驾驶员通过瞭望监控列车的运行安全。

①自动控制模式

在列车接近道岔区通过与地面的通信后，响应当前道岔控制箱呼叫，列车向其发送列车线路号及对应进路信息。道岔控制单元依据中央运营调度管理子系统下达到本地的运行计划，根据列车线路号及进路信息自动设置进路。

道岔控制子系统在办理进路前，先检查道岔区的占用状态及进路状态，在没有既有进路且联锁条件满足的情况下选动道岔。道岔动作到位后向转辙机发送锁闭指令，并且向进路表示器发送显示指令。进路表示器根据道岔的方向和锁闭信息显示当前进路状态。同时，道岔控制单元通过感应环线向车载控制子系统提供进路状态。

列车按顺序驶过道岔后，道岔控制子系统根据安全组合逻辑判断列车出清后，解锁进路，解除对道岔的锁闭。

②人工控制模式

对于有轨电车系统，也可以采取简约化的道岔控制方式，即采用人工控制模式。

驾驶员通过操作车载操作盘进行道岔区的进路人工办理，进路信息通过车地通信发送给正线道岔区控制系统。正线道岔区控制系统接收到由车载信号系统发送的进路请求后，在检查联锁条件均满足的前提下，排列进路并且锁闭，同时立即开放信号，列车继续行驶，通过道岔区段后自动解锁。此时，车载系统自动屏蔽道岔的人工控制功能，人机界面上允许驾驶员人工控制道岔的指示灯灭。

③其他控制模式

a.道岔人工现场控制

在自动及遥控道岔控制功能失效的情况下，驾驶员可下车通过设置于进路表示器杆上的开关人工操纵道岔，或使用便携工具搬动道岔。

b.预留中心人工控制功能

由中心调度员在确保安全的前提下，釆用人工确认流程在控制中心下发进路解锁指令，道岔控制子系统接受来自控制中心的进路解锁指令解锁进路。作为运营调度需求和紧急情况处理时采用的备选方案。

（2）折返段控制安全逻辑

折返站的布置方案各异，下面以三种典型的折返站A、B、C为例，介绍折返站的折返作业。分别给出三类折返站A、B、C的平面布置图（图2－59—图2－61）。在平面布置图中包含的基础设备有信号机、转辙机以及检测线圈（表2－25）。基于折返段的平面布置图，在联锁表（表2－26—表2－28）中列出每个折返站的所有基本进路。由于折返站中的折返进路均由两条基本进路组成，根据联锁表中的进路编号列出了每个折返站中的所有折返进路。

在平面布置图中与联锁表中出现的基本设备如表（2－25）所示，当其中的设备数量超过一个时，按上行线为偶数，下行线为奇数的规律编号。

表2－25　基础设备图标含义

图2－59　折返站A平面布置图

表2－26　折返站A进路联锁表

折返站A的折返进路：①进路1→进路3；②进路4→进路2。

图2－60　折返站B平面布置图

表2－27　折返站B进路联锁表

折返站B的折返进路：①进路1→进路4；②进路6→进路3；③进路5→进路1；④进路2→进路6。

图2－61　折返站C平面布置图

表2－28　折返站C进路联锁表

折返站C的折返进路：①进路2→进路3；②进路4→进路1。