单轨交通控制系统研究

Research of Control System for Monorail Transportation

何伟挺

通号万全信号设备有限公司，温岭 317500

摘  要：单轨作为城市轨道交通的一种新型交通方式，具有诸多优点，特别适宜于中小城市的应用。由于将路面、轨道、供电系统、通信系统、信号系统、隔音网等全部集成在一轨道梁内，单轨交通对于控制系统各类设备的安装有特殊要求。本文研究了单轨交通控制系统设备的选型，并进行了单轨交通控制系统的结构设计。

关键词：单轨；控制系统；GNSS；CBTC；

Abstract：As a new kind of traffic mode in urban rail transit, monorail has many advantages, especially suitable for the application of small-medium cities. Due to the road, rail, power supply system, communication system, signaling system, sound absorption are integrated in one track beam, the installation of monorail signaling system equipment has specific requirements. In this paper, the selection of monorail control system equipment is studied, the architecture of monorail control system is designed.

Keywords：Monorail；Control System；GNSS；CBTC；

1. 引言

随着我国城市轨道交通日新月异的发展，一种新的轨道交通方式——单轨（Monorail）开始进入人们的视线。“单轨”又名“空轨”，英文名称为“Monorail”，它的特点是将轨道从地面移至空中，通过立体交通解决城市交通拥堵问题，因此是一种非常有发展前景的公共交通制式。特别是在地形条件复杂，利用其他交通工具比较困难的情况下，单轨交通更能体现其优越性。单轨交通与地铁、轻轨最大的不同是只使用一根轨道梁（可为钢结构或混凝土）作为支撑，区别于传统轨道交通的两根钢轨。

单轨按其走行模式和构造的不同，可分为跨座式和悬挂式两种类型^[1]。悬挂式单轨车辆的转向架在轨道梁上行走而车体悬挂在轨道梁下运行，轨道梁多为下部开口的箱型钢梁结构，车辆的走行轮与稳定轮均至于箱梁内部并沿梁内设置的轨道形式。悬挂式单轨的典型代表是德国的H-Bahn空轨和日本千叶单轨线。跨座式单轨车辆骑在轨道梁上运行，轨道梁一般是预应力混凝土型梁，车辆除底部走行轮外，在车体和两侧下垂部分设有导向轮和稳定轮，以保证车辆沿轨道安全平稳行驶。跨座式单轨在美国、日本、澳大利亚、俄罗斯、新加坡、中国、马来西亚等国均有成熟运营线路，中国的重庆轻轨二号线、三号线采用的就是跨座式单轨制式。

2. 单轨交通特点

单轨交通由于将地面交通移至空中，在无需扩展城市现有公路设施的基础上可缓解城市交通难题，相比其他公共交通制式其具有一系列突出优点，包括：

1）建设成本低。地铁或轻轨由于牵涉到大量的拆迁问题，隐性的成本要高得多，施工时间也长得多。与其他轨道交通相比较，单轨交通的建设成本低得多。

2）工程建设快。单轨交通不像地铁或轻轨，需要在现场进行大量的建造工程。单轨大部分部件，包括轨道梁、支柱等全是在工厂中批量完成的，现场施工十分简单快捷。支柱施工仅需在地下打孔，然后植入混凝土基础，不需要专用的机械设备。全线只要几个月，即可将单轨竖杆组装完毕。整个系统建设周期在1-2年之间。

3）占地面积小。单轨交通除了车站需要占用一定地面空间外，轨道基础占地面积非常小，由于轨道曲线半径设计比较灵活，工程几乎不涉及既有建筑物的拆迁。商务区、机场和火车站还可以利用既有建筑或过街天桥作为车站。

4）可拆卸可移动。单轨可从一处很容易拆卸后移至另一处。这对发展中的城市尤为重要。在城市新区，人流太小，没必要建大流量的轨道交通，可先建单轨，等商圈繁华、地价升高、人流增大后，再以大流量轨道交通替代，单轨可拆卸移走，用到它处。

5）环保低噪节能。单轨为全封闭电力驱动，无噪音，无任何污染，是最为环保的交通工具。一旦建成，可极大地缓减城市拥挤的交通，大量地降低汽车对空气的污染。

6）适应复杂地形。单轨车辆采用外包橡胶钢轮，爬坡能力强，转弯半径小。道岔可在弯道处，对复杂地形有较好的适应性，因此选线自由度大。从而可以减少拆迁量和施工期间对地面交通的影响。

7）适应特殊地质。一些城市有特殊地质结构，如地下泉水、硬质岩层等，无法开挖地铁。这些城市建造空轨更应成为首选，如国内的重庆、贵阳等地。

8）外型美观整洁。单轨的建设不会给城市美观带来影响，也不会将城市切割为凌乱的单元，相反还会增加城市美感。沿古城的河道，随山城的起伏，沿风景区海湾，空轨与自然景观相得益彰，可以为城市中一道亮丽的风景线。

9）绝对安全保障。单轨的轨道在封闭的钢梁内，所以绝对没有出轨的可能性。另外，在空中运行，不会发生与其它物体相撞行为。德国的H-Bahn单轨系统是世界上最为安全的交通工具之一，运行已有多年，运行率几乎高达100%，无一起交通事故。

3. 单轨交通控制系统现状

单轨列车运行控制系统与地铁项目类似，采用完整ATC系统，由ATS、ATP和ATO等组成。但是由于单轨系统将路面、轨道、供电系统、通信系统、信息系统、隔音网等全部集成在一轨道梁内，单轨列车的走行轮、导向轮、稳定轮均使用橡胶轮胎，因此对于信号系统各类设备的安装有特殊要求，如轨道电路等传统信号设备有些无法直接在单轨中应用。

单轨控制系统的发展大致可分为两个阶段：基于固定闭塞的点式ATP控制模式和基于移动闭塞的CBTC全功能控制模式。典型的如庞巴迪在INNOVIA Monorail 200车型中使用的是阿尔卡特低密度控制系统（Alcatel's Low Density Control System），而在下一代车型INNOVIA Monorail 300中使用了CITYFLO 650系统，该系统为CBTC系统，可实现全程无人驾驶。国内的重庆轨道交通2号线使用的是日信公司的ATP/TD系统，它采用基于轨道环线的感应技术，实现列车运行超速防护和列车在线位置检测^[2]；重庆三号线采用日立公司CBTC系统，列车通过地面应答器和车载速度传感器确定自身精确位置，并通过车载无线电台将列车位置实时传递给地面接收处理单元，地面设备通过计算移动授权将列车运行控制信息发送给车载计算机，控制列车运行^[3]。几种单轨控制系统的详细对比见下表。

表1 单轨交通控制系统对比表

	INNOVIA Monorail 200	INNOVIA Monorail 300	重庆轻轨二号线（较新线）	People Mover P30
供应商	庞巴迪	庞巴迪	日本信号公司	Intamin Transportation
控制系统名称	自动列车控制ATC	CITYFLO 650自动列车控制ATC	ATP/TD	自动列车引导系统(ATGS)
系统特征	全自动，无人驾驶	全自动，无人驾驶	自动列车防护	全自动，无人驾驶
闭塞方式	固定闭塞	自动CBTC移动闭塞系统	固定闭塞（台阶式速度控制）	移动闭塞
追踪间隔	/	75 sec	/	30 sec
最大运行速度	80km/h	80 km/h	75km/h	80 km/h
平均旅行速度	28km/h	/	≥30km/h	43km/h

4. 单轨交通控制系统设计

考虑到单轨轨道和车辆的特殊性，单轨控制系统的设备应适应单轨交通的特点而进行选型。

1）区间占用检测设备。目前，国内外有可能在跨座式单轨信号系统中使用的区段占用检测设备大体有环线、光电管(光幕)、计轴等三种，在文献[4]中蒋先进等人结合重庆单轨交通三号线的应用对这三种方式进行了比较，验证了国产化计轴系统在单轨控制系统中的可行性，因此可采用计轴作为单轨列车的检测设备。

2）车地点式通信设备。点式通信作为CBTC模式的后备方案或者点式ATP模式下的主要车地通信方式，其设备的可靠性和稳定性直接关系到单轨列车的运行效率。在重庆单轨交通三号线中，使用了欧标应答器作为车地点式通信设备，并使用了盖梁安装方式，可以避免在轨道梁上预埋设备；由于单轨车辆和轨道的特殊性，对应答器与BTM天线的参数进行了相应调整，使之在更大的作用范围内工作^[5]。目前国产欧标应答器在国铁上已经有大量应用，因此可采用欧标应答器作为单轨车地点式通信设备。

3）列车测速定位装置。测速和定位是车载列车控制系统所有功能的基础，一般需使用两种或以上冗余测速方式，考虑到单轨一般运行在室外露天场所，全球卫星定位系统GNSS是一个不错的选择，结合轨道交通传统的速度传感器或测速电机，可实现单轨列车的连续测速和定位，再辅以欧标应答器的固定位置校正，即可保证单轨列车定位精度满足CBTC系统的要求。因此本系统的测速定位采用“速度传感器(或测速电机)+GNSS”的综合测速定位技术。

4）道岔控制系统。单轨系统中的道岔结构和操作控制方式与常规的轮轨交通系统完全不同，它采用电动液压控制系统及行程开关等设备，带动整体钢箱梁或预应力钢筋混凝土梁PC梁动作。信号系统负责向道岔系统发布道岔动作控制命令，由道岔系统利用液压电机在预铺设导轨上带动PC梁或钢箱梁同步动作，通过行程开关确定走行距离，到位后给出具体表示，由信号系统进行采集^[6]。信号系统与道岔系统接口分界点在现场道岔控制箱。信号系统可使用传统计算机联锁系统对道岔进行控制。

5）无线通信系统。目前，国内城市轨道交通CBTC系统常用的车-通信传输方式主要有交叉感应环线、无线天线、漏缆、裂缝波导管等。考虑到单轨只有一根轨道梁，环线、漏缆、波导管等安装方式均需在轨道梁上做预制，且维修维护复杂，而随着LTE技术在城市轨道交通的逐步推广，基于LTE技术的、间隔距离更远的无线天线是比较理想的安装方式，只需在每个相隔1km距离范围内的站台区布置RRU和无线天线，即可实现全线的无线网络覆盖。

根据上述选型，设计单轨交通控制系统的结构如图1所示，由车载和轨旁两大子系统所组成，其中车载核心控制设备为车载控制器，包含列车自动防护ATP和列车自动驾驶ATO两部分，外围配套设备包括应答器传输模块BTM、车载数据终端TAU、速度传感器、卫星定位模块GNSS、列车操作界面TOD等。轨旁设备主要包括列车自动监控系统ATS、计算机联锁系统CI、区域控制器ZC、无线通信模块、计轴系统ACS、地面电子单元LEU和应答器等。

5. 结论

单轨交通作为城市轨道交通的一种新型交通方式，具有诸多优点，在一些地形条件复杂的城市或中小城市具有广阔的市场前景。本文研究了单轨交通控制系统的发展现状，并根据单轨交通有别于其他轨道交通方式的特征，进行了单轨控制系统的设备选型和结构设计，为单轨交通控制系统的进一步开发提供借鉴意义。

参考文献

[1] 肖俊. 单轨交通应用性分析. 电力机车与城轨车辆,2013年第36卷第4期: 20-23.

[2] 吴明,李新潮. 重庆单轨交通信号系统[J]. 电气化铁道, 2004年第2期: 43-46

[3] 范运超,陈九先. 基于CBTC的重庆单轨三号线非正常情况下行车组织探讨[J].科技博览:307-308

[4] 蒋先进,文成祥,穆红普,胡树宣. 计轴设备在重庆单轨交通三号线的应用方案研究[J]. 铁路通信信号工程技术,2008,5(3): 22-24.

[5] 徐鼎. CBTC在跨座式单轨交通系统制式中的应用[J]. 都市快轨交通, 2013, 26(3): 17-20.

[6] 蒋先进, 肖培龙. 重庆单轨交通关节型道岔的控制电路原理[J]. 都市快轨交通, 2007, 20(6): 87-90.

 浙江省轨道交通建设与管理协会

信息来源：通号万全信号设备有限公司