曾小清， 熊啟鵬， 王奕曾， 賀俊翔， 梁 陽(yáng)， 邊 冬

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.上海大學(xué) 悉尼工商學(xué)院，上海 201899)

現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種綠色環(huán)保、運(yùn)量及成本均適中的軌道交通方式，近兩年廣受歡迎，在我國(guó)許多城市進(jìn)行了規(guī)劃和建設(shè).有軌電車(chē)由于運(yùn)行線路并不是完全封閉，較其他形式的軌道交通方式存在更多的安全隱患，有軌電車(chē)系統(tǒng)由駕駛員進(jìn)行操作，安全責(zé)任重大，基于發(fā)現(xiàn)障礙物與常用制動(dòng)(或緊急制動(dòng))的安全駕駛模式，駕駛員視野距離限制了列車(chē)在某些區(qū)段的行駛速度上限.同時(shí)在夜晚或者雨、雪、霧等惡劣天氣條件下，駕駛員的視野范圍受到極大的限制和削弱，難以發(fā)現(xiàn)潛在的障礙物，一旦不能及時(shí)制動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致碰撞甚至脫軌的嚴(yán)重后果.因此為現(xiàn)代有軌電車(chē)研究開(kāi)發(fā)一套具有視覺(jué)增強(qiáng)效果的輔助安全防護(hù)系統(tǒng)，具有很大的意義.

本文提出了一種基于異態(tài)檢測(cè)的現(xiàn)代有軌電車(chē)輔助安全防護(hù)技術(shù)，為有軌電車(chē)選取適用性較高的前向檢測(cè)器，實(shí)時(shí)獲取前方障礙物的信息，并通過(guò)列車(chē)定位技術(shù)求得障礙物與軌道限界之間的相對(duì)位置，對(duì)于入侵軌道限界的障礙物，確定其與列車(chē)的軌內(nèi)相對(duì)距離，并以此為行車(chē)許可終點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算列車(chē)防護(hù)曲線.如果當(dāng)前檢測(cè)周期并無(wú)軌內(nèi)障礙物，輔助安全防護(hù)系統(tǒng)會(huì)選取線路上調(diào)度計(jì)劃制定的停車(chē)點(diǎn)(如車(chē)站等)作為行車(chē)許可終點(diǎn)進(jìn)行防護(hù)曲線的計(jì)算.

1 異態(tài)檢測(cè)技術(shù)研究

異態(tài)檢測(cè)技術(shù)一般指利用傳感器獲取周?chē)h(huán)境中目標(biāo)的信息.用于有軌電車(chē)的異態(tài)檢測(cè)技術(shù)是一種車(chē)載檢測(cè)技術(shù).目前車(chē)載檢測(cè)技術(shù)多應(yīng)用于智能車(chē)領(lǐng)域，主要分為主動(dòng)檢測(cè)和被動(dòng)檢測(cè)兩種技術(shù)[1]，其中主動(dòng)檢測(cè)需要向待測(cè)區(qū)域發(fā)射一定功率、頻段的電磁波，利用回波分析完成障礙物目標(biāo)的檢測(cè)，代表技術(shù)為各類(lèi)雷達(dá)技術(shù)[2]；被動(dòng)檢測(cè)主要指視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)，利用CCD攝像機(jī)一類(lèi)的設(shè)備，直接從環(huán)境中接收信息，并通過(guò)相關(guān)算法處理得出感興趣數(shù)據(jù).被動(dòng)檢測(cè)是非侵犯式檢測(cè)，不增加環(huán)境噪聲，功耗低，獲取信息量大，但其信息來(lái)源完全依靠外界，在惡劣環(huán)境如夜晚或大風(fēng)、雨、雪、霧的條件下基本失效[3].

有軌電車(chē)應(yīng)用環(huán)境一般在城市內(nèi)部，在某些區(qū)段與城市道路交通共享路權(quán)，因此可能入侵有軌電車(chē)軌道限界的障礙物一般包括社會(huì)車(chē)輛、行人以及落入軌道并停留的其他目標(biāo).應(yīng)選取前向檢測(cè)器，對(duì)列車(chē)前方障礙物情況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)EN13452-1標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)速度一般取50 km·h-1，對(duì)于鋼軌鋼輪制式有軌電車(chē)，常規(guī)制動(dòng)減速度取1.2 m·s-2，緊急制動(dòng)減速度要求達(dá)到至少2.8 m·s-2(膠輪導(dǎo)軌制式減速度更高)[4,5-12].若列車(chē)以50 km·h-1速度運(yùn)行，一般常規(guī)制動(dòng)的制動(dòng)距離在100 m以內(nèi)，緊急制動(dòng)距離在50 m左右，因此所選取檢測(cè)器需要探測(cè)前方至少200 m.同時(shí)檢測(cè)器需要一定的水平角及俯仰角，能夠探測(cè)車(chē)身高度內(nèi)的障礙物.

根據(jù)上述檢測(cè)器的需求，表1分析了目前比較成熟的幾種檢測(cè)器技術(shù)在各個(gè)方面的特性對(duì)比.

表1 各類(lèi)異態(tài)檢測(cè)技術(shù)特性對(duì)比Tab.1 Feature comparison of different kinds of obstacles detection technologies

經(jīng)過(guò)研究，雷達(dá)技術(shù)中的毫米波雷達(dá)在全天候使用、檢測(cè)距離、檢測(cè)穩(wěn)定性、低成本等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此本文選取毫米波雷達(dá)作為有軌電車(chē)前向檢測(cè)器.

2 輔助安全防護(hù)功能設(shè)計(jì)

2.1 功能需求分析

有軌電車(chē)輔助安全防護(hù)主要提供避撞預(yù)警的功能，不同于汽車(chē)能夠進(jìn)行換道等避讓行為，有軌電車(chē)只能夠進(jìn)行軌道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，因此需要判斷前述雷達(dá)所檢測(cè)到的前方障礙物與軌道限界的相對(duì)位置關(guān)系，從而評(píng)估其對(duì)于列車(chē)行駛的威脅，本文將通過(guò)列車(chē)定位信息進(jìn)行上述匹配的相關(guān)運(yùn)算.

為了保讓避撞預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)設(shè)備及算法需滿足如下條件：

(1) 所選取雷達(dá)檢測(cè)器需能較為準(zhǔn)確地給出列車(chē)與當(dāng)前目標(biāo)的位置關(guān)系.

(2) 列車(chē)定位技術(shù)能夠提供定位誤差較小的列車(chē)定位及速度信息.

(3) 相關(guān)算法能夠確定線路入侵物距離列車(chē)的軌內(nèi)距離，并提供列車(chē)防護(hù)曲線.

2.2 輔助安全防護(hù)構(gòu)架設(shè)計(jì)

輔助安全防護(hù)構(gòu)架如圖1所示.

圖1 輔助安全防護(hù)構(gòu)架Fig.1 The frame of auxiliary safety protection

2.3 避撞預(yù)警功能設(shè)計(jì)

避撞預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)，依賴于列車(chē)防護(hù)曲線的實(shí)時(shí)計(jì)算.列車(chē)防護(hù)曲線是列車(chē)制動(dòng)模型的直觀表達(dá)，表征列車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中速度下降與距離之間的關(guān)系.輔助駕駛系統(tǒng)需實(shí)時(shí)確定行車(chē)許可終點(diǎn)，并根據(jù)行車(chē)許可終點(diǎn)確定列車(chē)防護(hù)曲線，本文借鑒ETCS系統(tǒng)的列車(chē)防護(hù)方法[13]，建立了一簇防護(hù)曲線.

EBD(emergency brake deceleration)曲線為緊急制動(dòng)曲線，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中每個(gè)行車(chē)許可終點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一條EBD曲線，EBD曲線是一簇防護(hù)曲線中的最外層，一般不會(huì)被觸發(fā)，一旦超過(guò)EBD曲線，列車(chē)的停車(chē)位置將超過(guò)行車(chē)許可終點(diǎn)，也即會(huì)發(fā)生碰撞.

因此需要考慮列車(chē)制動(dòng)建立、駕駛員反應(yīng)時(shí)間、列車(chē)定位測(cè)速誤差等因素，計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線EBI(emergency brake intervention)，當(dāng)列車(chē)行駛狀態(tài)越過(guò)EBI曲線，需自動(dòng)施加緊急制動(dòng).

利用相同的原理，列車(chē)還設(shè)有最大常用制動(dòng)曲線SBD(bervice brake deceleration)以及最大常用制動(dòng)觸發(fā)曲線SBI(service brake intervention)，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)觸發(fā)該曲線之后，施加最大常用制動(dòng).

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于駕駛員的提示和警告，設(shè)立了提示點(diǎn)I與警告點(diǎn)W，通過(guò)SBI曲線反推得出，圖2表征了幾條曲線之間的關(guān)系.

圖2 EBD以及其他幾條曲線關(guān)系圖Fig.2 The relationship between EBD and other curves

當(dāng)駕駛員駕駛列車(chē)接近確定的行車(chē)許可終點(diǎn)時(shí)，輔助駕駛系統(tǒng)會(huì)向駕駛員提示安全引導(dǎo)速度，本策略中設(shè)提示點(diǎn)I與警告點(diǎn)W，其中I點(diǎn)的作用為提示駕駛員即將超過(guò)允許限速，該點(diǎn)提供足夠的時(shí)間讓駕駛員進(jìn)行相關(guān)操作，當(dāng)列車(chē)超過(guò)I點(diǎn)后，會(huì)通過(guò)聲音、燈光等提示駕駛員進(jìn)行減速操作；如果超過(guò)W點(diǎn)意味著即將觸及最大常用制動(dòng)曲線，若越過(guò)W點(diǎn)仍舊沒(méi)有任何操作，列車(chē)將在越過(guò)SBI監(jiān)督點(diǎn)時(shí)自動(dòng)觸發(fā)最大常用制動(dòng)，如果列車(chē)速度仍舊未降低到安全值，超過(guò)了EBI監(jiān)督點(diǎn)，則會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)，確保行車(chē)安全.

制動(dòng)過(guò)程中的人機(jī)交互設(shè)計(jì)為提示—詢問(wèn)—制動(dòng)三層：當(dāng)行車(chē)觸發(fā)I點(diǎn)，進(jìn)行聲光提示，若直到觸發(fā)W點(diǎn)駕駛員仍舊沒(méi)有進(jìn)行制動(dòng)，給出解釋界面，如果直到觸發(fā)SBI監(jiān)視曲線駕駛員沒(méi)有進(jìn)行選擇，則自動(dòng)進(jìn)行列車(chē)最大常用制動(dòng)，根據(jù)人體工程學(xué)結(jié)合駕駛員的反應(yīng)思考時(shí)間，可以設(shè)I點(diǎn)、W點(diǎn)以及SBI曲線之間的觸發(fā)時(shí)間為5 s.

由于有軌電車(chē)線路部分區(qū)段封閉性較差，有可能會(huì)出現(xiàn)突然闖入的障礙物離列車(chē)較近，通過(guò)其作為行車(chē)許可終點(diǎn)的防護(hù)曲線會(huì)使得現(xiàn)有狀態(tài)直接超過(guò)I點(diǎn)的包絡(luò)線，鑒于這種情況多為行人闖入，而行人闖入的持續(xù)時(shí)間一般為2 s左右，因此這種情況下的制動(dòng)策略需要駕駛員幫助完成，具體過(guò)程如圖3所示.

圖3 入侵物過(guò)近的制動(dòng)策略Fig.3 The braking strategy when obstacles are too close

如果闖入障礙物確實(shí)有威脅且位于vc>vEBI，(vc指當(dāng)前車(chē)速)等效于列車(chē)已經(jīng)位于EBI曲線之外，即是緊急制動(dòng)也會(huì)觸碰行車(chē)許可終點(diǎn)，則列車(chē)將無(wú)法避免此次碰撞，這種情況一般較少.

如果是行人闖入的情況，駕駛員可以通過(guò)按鈕解除警報(bào)，繼續(xù)正常行駛，系統(tǒng)也將在行人離開(kāi)軌道限界范圍之后自動(dòng)撤銷(xiāo)該行車(chē)許可終點(diǎn).

上述人機(jī)交互過(guò)程中需要駕駛員進(jìn)行選擇，告知系統(tǒng)當(dāng)前由算法得出的威脅情況是否屬實(shí)，由于給駕駛員的反應(yīng)時(shí)間較短，界面的選擇設(shè)備建議使用更為穩(wěn)定的物理按鈕.

3 輔助安全防護(hù)算法設(shè)計(jì)

3.1 算法輸入

3.1.1雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入

假定選取的雷達(dá)檢測(cè)器所檢測(cè)到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)波形解析、背景噪音過(guò)濾等算法處理手段，能夠至少為輔助安全防護(hù)系統(tǒng)提供合理采樣頻率的如下數(shù)據(jù)輸入,即

[α,θ,ρ]

(1)

其中：α表示目標(biāo)障礙物俯仰角；θ表示目標(biāo)障礙物水平方向航向角；ρ表示目標(biāo)障礙物到雷達(dá)的距離.

根據(jù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，剔除高度范圍在車(chē)輛高度之外的目標(biāo)，可以得到二維平面的坐標(biāo)：

(2)

式中：xOB為目標(biāo)障礙物在二維平面中的x軸坐標(biāo)；yOB為目標(biāo)障礙物在二維平面中的y軸坐標(biāo).

3.1.2列車(chē)定位數(shù)據(jù)輸入

(1)線路坐標(biāo)系的構(gòu)建

使用車(chē)載雷達(dá)作為檢測(cè)器，雷達(dá)坐標(biāo)系會(huì)以列車(chē)當(dāng)前運(yùn)行速度與地面有一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了便于研究障礙物基于地面以及軌道限界的絕對(duì)位置關(guān)系，應(yīng)用地方坐標(biāo)系的參數(shù)構(gòu)建線路坐標(biāo)系，精度能夠達(dá)到使用要求.

其中地方坐標(biāo)系(local coordinate system)是因建設(shè)、城市規(guī)劃和科學(xué)研究需要而在局部地區(qū)建立的相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng).

(2)列車(chē)運(yùn)行線路建模

在地方坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)以下模型假設(shè)進(jìn)行線路建模：①將線路形式經(jīng)過(guò)抽象分析，分為直線線路、曲線線路和交叉口區(qū)域線路三類(lèi)；②忽略緩和曲線的影響，假設(shè)直線線路與固定曲率半徑的曲線線路直接連接.可以將線路每個(gè)區(qū)段用表示如下：

[n,x1,y1,s1,x2,y2,s2,r,xo,yo,d,i,c,s,m]

(3)

其中：n為區(qū)段編號(hào)；(x1,y1)(x2,y2)為區(qū)段中心線起訖點(diǎn)坐標(biāo)；s1、s2為區(qū)段起訖點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的里程數(shù)；r為區(qū)段曲率半徑；(x0,y0)為曲線區(qū)段的圓心坐標(biāo);d為列車(chē)該曲線區(qū)段運(yùn)行方向，若為順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行曲線線路，d取0，若為逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行線路d取1；i為區(qū)段坡度值；s為該區(qū)段里程數(shù)；m為該區(qū)段內(nèi)查詢應(yīng)答器個(gè)數(shù).另外定義軌道限界范圍W=車(chē)輛最大寬度w+2δ，δ為安全余量.

(3)列車(chē)定位數(shù)據(jù)輸入方式

據(jù)此給出列車(chē)實(shí)時(shí)定位信息的輸入值

[n,n1,n2,x,y,sd,s,vcur]

(4)

其中：n為上一個(gè)查詢應(yīng)答器編號(hào)；n1為上一個(gè)查詢應(yīng)答器所處區(qū)段的編號(hào)；n2為當(dāng)前列車(chē)所處區(qū)段編號(hào)；(x,y)為上一個(gè)查詢應(yīng)答器的地面坐標(biāo)；sd為以線路起點(diǎn)作為里程0點(diǎn)的上一個(gè)查詢應(yīng)答器所對(duì)應(yīng)的里程；s為上一個(gè)查詢應(yīng)答器到列車(chē)當(dāng)前位置的累積里程；vcur為列車(chē)當(dāng)前運(yùn)行速度.

3.2 障礙物絕對(duì)位置算法

3.2.1列車(chē)坐標(biāo)確定

模型算法中，列車(chē)需要實(shí)時(shí)獲取自身位置，假定列車(chē)位于區(qū)段n2，則可讀取當(dāng)前區(qū)段信息如下：

(5)

分別針對(duì)直線區(qū)段與曲線區(qū)段的情況，計(jì)算列車(chē)當(dāng)前位置坐標(biāo)(xtr,ytr)以及行駛方向β.

(1) 直線區(qū)段：通過(guò)式(6)式(7)求得當(dāng)前位置情況.

(6)

(7)

(2) 曲線區(qū)段：根據(jù)式(8)式(9)求得當(dāng)前位置情況.其中σ通過(guò)(xtr,ytr)與區(qū)段起點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行計(jì)算.

(8)

(9)

3.2.2障礙物等效行車(chē)許可終點(diǎn)計(jì)算

將障礙物從雷達(dá)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為線路坐標(biāo)系公式如下：

(10)

Sob=

(11)

Sob=αr+s

(12)

3.3 監(jiān)控曲線算法

(1)緊急制動(dòng)曲線EBD

緊急制動(dòng)曲線EBD描述列車(chē)在最不利情況下從當(dāng)前速度到完全停止或進(jìn)入某一個(gè)限速區(qū)間上限速度所需要的制動(dòng)距離，制動(dòng)曲線的目標(biāo)點(diǎn)一般可以分為兩類(lèi)，第一種為行車(chē)許可終點(diǎn)，即列車(chē)需要在行車(chē)許可終點(diǎn)之前達(dá)到完全制動(dòng)狀態(tài)才能夠保證安全.第二種為最上限速度曲線的變化，列車(chē)到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)速度應(yīng)該控制在該點(diǎn)最限速度之下.取軌內(nèi)障礙物作為行車(chē)許可終點(diǎn)來(lái)計(jì)算實(shí)時(shí)防護(hù)曲線，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)制動(dòng)模型從行車(chē)許可點(diǎn)反算緊急制動(dòng)曲線，并與線路最上限速度相交.

(13)

式中：vorg為列車(chē)制動(dòng)初始速度；vebr為列車(chē)制動(dòng)目標(biāo)速度，對(duì)于以行車(chē)許可終點(diǎn)為障礙物目標(biāo)的情況，取0；αebr為列車(chē)最大制動(dòng)減速度(考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)以及坡度影響)；Seb為緊急制動(dòng)狀態(tài)距離.

(2)緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線EBI

緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線EBI通過(guò)緊急制動(dòng)曲線推算，緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線與緊急制動(dòng)曲線之間相差了列車(chē)切斷牽引與生成制動(dòng)的過(guò)程，包括司機(jī)反應(yīng)延遲、牽引切斷延遲與惰行直至建立制動(dòng)三個(gè)階段.圖2描述了從EBD到其他幾條監(jiān)控曲線的變化，EBI計(jì)算如下：

Δv=αtrγttr(1+rV)

(14)

Δs=Δvttr+Slo

(15)

SEBI(v0)=SEBD(v0+Δv)+Δs

(16)

式中：αtrγ為列車(chē)最大牽引加速度(考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)以及坡度影響)；ttr為制動(dòng)建立延時(shí)與駕駛員反應(yīng)時(shí)間之和；rV為測(cè)速誤差系數(shù)；Δs為考慮最不利情況下的距離增量.

(3)最大常用制動(dòng)曲線SBD及其觸發(fā)曲線SBI

與式(1)、式(2)同理，可得SBD曲線求解式(17)以及SBI曲線的求解式(18)，從SBD到SBI的變換為直接平移.

(17)

(18)

(4)報(bào)警提示曲線

該模型設(shè)兩個(gè)提示功能點(diǎn)：提示點(diǎn)I與警告點(diǎn)W，其與SBI曲線之間具有一定的時(shí)間間隔，通過(guò)式(22)、式(23)求解，即

SW(v0)=SSBI(v0)+v0tW

(19)

SI(v0)=SSBI(v0)+v0tI

(1)為“兵”或“卒”時(shí)：新建solider類(lèi)，將落點(diǎn)和棋子的原橫縱坐標(biāo)及棋子執(zhí)方存入。判斷走棋規(guī)則是否合法。如果非法，輸出結(jié)果；

(20)

4 算法驗(yàn)證

現(xiàn)代有軌電車(chē)項(xiàng)目應(yīng)用前景廣泛，如松江現(xiàn)代有軌電車(chē)項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)6條線路，總長(zhǎng)約90km，設(shè)站約118座.目前T1、T2線完成建設(shè)，如圖4所示.T4、T5線2017—2018年開(kāi)始實(shí)施建設(shè)，T3、T6線計(jì)劃2018年起辦理前期立項(xiàng)、規(guī)劃等手續(xù)，實(shí)施建設(shè).為了配合有軌電車(chē)系統(tǒng)的建設(shè)，松江區(qū)配套建設(shè)了智能交通管理系統(tǒng)，涵蓋松江城區(qū)共382個(gè)路口，建設(shè)信號(hào)控制、流量采集、交通誘導(dǎo)、停車(chē)誘導(dǎo)等設(shè)備.

圖4 有軌電車(chē)T1、T2線建設(shè)分布Fig.4 The map of tramcar Line T1 and Line T2

利用Python程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，對(duì)提出的策略算法進(jìn)行了驗(yàn)證，初步構(gòu)建了現(xiàn)代有軌電車(chē)的運(yùn)行場(chǎng)景，并著重針對(duì)策略算法中的障礙物影響分析、列車(chē)防護(hù)曲線生成進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)，基本驗(yàn)證了策略算法的有效性.

4.1 仿真環(huán)境構(gòu)建

(1)線路建模

相比于傳統(tǒng)軌道交通驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)只考慮列車(chē)運(yùn)行一維的情況，由于本文中有軌電車(chē)需要檢測(cè)線路沿線的障礙物情況，因此需要建立二維的線路，如圖5是根據(jù)某實(shí)際線路進(jìn)行抽象提取的一條有軌電車(chē)線路.

圖5 仿真線路示意圖Fig.5 The sketch map of emulational path

(2)程序設(shè)計(jì)

程序主流程為控車(chē)程序，其他子函數(shù)包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、障礙物生成模塊、坐標(biāo)反轉(zhuǎn)換模塊、防護(hù)曲線生成模塊.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)列車(chē)防護(hù)曲線生成模塊的驗(yàn)證

如圖6所示，為行車(chē)許可終點(diǎn)位于軌道里程2 200 m處的4條防護(hù)曲線，算法根據(jù)障礙物的位置與列車(chē)定位的輸入，能夠輸出防護(hù)曲線情況.

圖6 仿真防護(hù)曲線Fig.6 The emulational protection curves

(2)防護(hù)曲線生成實(shí)時(shí)性驗(yàn)證

如圖7所示，仿真實(shí)驗(yàn)假定列車(chē)檢測(cè)器停在軌道某處，隨機(jī)生成一個(gè)具有固定方向勻速運(yùn)行的目標(biāo)，當(dāng)其進(jìn)入軌道限界時(shí)可以被檢測(cè)到，因而影響當(dāng)前測(cè)量周期的列車(chē)防護(hù)曲線，并持續(xù)一段時(shí)間.本次試驗(yàn)的障礙物在軌道內(nèi)部逗留了14 s，影響軌道的里程范圍為3 143 m～3 156 m，在一段時(shí)間內(nèi)生成具有突變性的一簇列車(chē)防護(hù)曲線，可以在圖中看到有一段防護(hù)曲線明顯向列車(chē)靠近，表明這段時(shí)間障礙物進(jìn)入軌道，使得行車(chē)許可終點(diǎn)有所變化，另外這一簇曲線所構(gòu)成的曲面并不完全平行于t軸，說(shuō)明障礙物是斜穿經(jīng)過(guò)軌道限界.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明輔助安全防護(hù)算法對(duì)于雷達(dá)檢測(cè)到的障礙物是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的(探測(cè)周期取100 ms)，并且能夠?qū)崟r(shí)生成列車(chē)防護(hù)曲線.

圖7 防護(hù)曲線變化趨勢(shì)Fig.7 The variation trend of protection curves

(3)列車(chē)運(yùn)行驗(yàn)證

圖8為實(shí)驗(yàn)行人穿越軌道限界的情景，所生成的速度記錄曲線，實(shí)驗(yàn)中駕駛員根據(jù)輔助安全防護(hù)系統(tǒng)提供的障礙物及制動(dòng)信息進(jìn)行駕駛，選取線路某一區(qū)段，當(dāng)列車(chē)出站加速引導(dǎo)到某一速度之后，前方發(fā)現(xiàn)障礙物，而后觸發(fā)最大常用制動(dòng)，4 s后障礙物消失，列車(chē)重新?tīng)恳铀?，直至停?chē)進(jìn)入車(chē)站.

圖8 速度記錄曲線Fig.8 The curve of velocity change

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于生成的障礙物，被檢測(cè)器較為準(zhǔn)確地檢測(cè)到之后，輔助安全防護(hù)算法能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算列車(chē)防護(hù)曲線，并提出減速制動(dòng)的策略.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均認(rèn)為駕駛員遵從相關(guān)控制策略.

基于較為準(zhǔn)確的雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)及列車(chē)定位數(shù)據(jù)，當(dāng)前的輔助駕駛策略算法設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)確定障礙物目標(biāo)與軌道限界的位置關(guān)系，并將有威脅的障礙物轉(zhuǎn)化為列車(chē)防護(hù)曲線的行車(chē)許可終點(diǎn)，從而根據(jù)防護(hù)曲線給出各個(gè)制動(dòng)監(jiān)督點(diǎn)，進(jìn)行防撞預(yù)警.

5 結(jié)論

現(xiàn)代有軌電車(chē)系統(tǒng)由駕駛員進(jìn)行操作，駕駛員視野距離限制了列車(chē)在某些區(qū)段的行駛速度上限.同時(shí)在夜晚或者雨、雪、霧等惡劣天氣條件下，駕駛員的視野范圍受到極大的限制和削弱，難以發(fā)現(xiàn)潛在的障礙物，一旦不能夠及時(shí)制動(dòng)，會(huì)造成不可挽回的損失.

針對(duì)上述問(wèn)題，為了保障現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)行安全，提出了一種基于異態(tài)檢測(cè)的有軌電車(chē)輔助安全防護(hù)技術(shù).主要成果如下：

(1)雷達(dá)技術(shù)中的毫米波雷達(dá)在全天候使用、檢測(cè)距離、檢測(cè)穩(wěn)定性、低成本等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此提出采用毫米波雷達(dá)作為有軌電車(chē)異態(tài)檢測(cè)器.

(2)考慮列車(chē)制動(dòng)建立、駕駛員反應(yīng)時(shí)間、列車(chē)定位測(cè)速誤差等因素，計(jì)算緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線EBI，當(dāng)列車(chē)行駛狀態(tài)越過(guò)EBI曲線，需自動(dòng)施加緊急制動(dòng).從功能需求分析、輔助安全防護(hù)架構(gòu)設(shè)計(jì)、避撞預(yù)警功能設(shè)計(jì)三方面入手，設(shè)計(jì)輔助安全防護(hù)功能.

(3)在基于雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入、列車(chē)定位數(shù)據(jù)輸入、列車(chē)坐標(biāo)確定和障礙物等效行車(chē)許可終點(diǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，從緊急制動(dòng)曲線EBD、緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線EBI、最大常用制動(dòng)曲線SBD、觸發(fā)曲線SBI 四個(gè)方面構(gòu)建輔助安全監(jiān)控曲線算法.

最后，利用Python程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，對(duì)提出的策略算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，初步構(gòu)建了現(xiàn)代有軌電車(chē)的運(yùn)行場(chǎng)景，并著重針對(duì)策略算法中的障礙物影響分析、列車(chē)防護(hù)曲線生成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)編程仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的實(shí)時(shí)性以及有效性.