閆學(xué)祥

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250017)

1 概述

在高鐵已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，地鐵已實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行（可無(wú)人駕駛），汽車(chē)自適應(yīng)巡航控制已成熟且已開(kāi)展自動(dòng)駕駛道路測(cè)試的背景下，作為運(yùn)量介于地鐵和公交車(chē)之間，且大部分、甚至全部區(qū)域享有獨(dú)立路權(quán)在軌道上行駛的有軌電車(chē)，卻仍然以人工目視駕駛。除路口等共享路權(quán)的區(qū)域外，至少應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)與地鐵相同的自動(dòng)駕駛；共享路權(quán)區(qū)域，在環(huán)境和設(shè)備正常時(shí)，也可以與汽車(chē)一樣實(shí)現(xiàn)司機(jī)監(jiān)視下的“自適應(yīng)巡航控制”，從而實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)駕駛。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2018年9月，西門(mén)子交通已開(kāi)始驗(yàn)證低地板有軌電車(chē)在真實(shí)交通及行人環(huán)境下的實(shí)地路測(cè)[1]。APM全自動(dòng)旅客捷運(yùn)系統(tǒng)，為獨(dú)立路權(quán)，早已實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，已有廣州珠江新城、上海浦江及北京、廣州、香港等地機(jī)場(chǎng)線(xiàn)路用于實(shí)現(xiàn)短距離接駁功能[2]，但由于膠輪車(chē)輛專(zhuān)利等原因，造價(jià)較高，國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不廣泛。

佛山市南海新交通試驗(yàn)系統(tǒng)是全獨(dú)立路權(quán)的有軌電車(chē)線(xiàn)路[3]，雖為100%低地板車(chē)輛，但采用了和地鐵基本一致的列車(chē)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)式ATO自動(dòng)駕駛。國(guó)內(nèi)其他線(xiàn)路則以司機(jī)目視行車(chē)為主，部分線(xiàn)路配備了輔助駕駛設(shè)備[4]，但不參與列車(chē)的牽引制動(dòng)。2019年11月，中城協(xié)發(fā)布了行車(chē)指揮綜合自動(dòng)化系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范、司機(jī)輔助功能規(guī)范兩個(gè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的征求意見(jiàn)稿，對(duì)有軌電車(chē)行車(chē)自動(dòng)化和司機(jī)輔助功能提出了具體要求，在司機(jī)輔助功能中提到了可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

3 分析及建議

文獻(xiàn)[5-7]中對(duì)有軌電車(chē)自動(dòng)駕駛的論述較少，路口控制是信號(hào)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，它通過(guò)各種算法優(yōu)化有軌電車(chē)和路面交通之間的關(guān)系，以便在盡可能少影響路面交通的前提下提高有軌電車(chē)的路口通過(guò)效率，提升旅行速度。這也說(shuō)明了有軌電車(chē)路權(quán)的重要性。但對(duì)于人工駕駛共享路權(quán)的有軌電車(chē)來(lái)說(shuō)，通過(guò)某一路口的時(shí)間通常不夠準(zhǔn)確，如果在有軌電車(chē)即將到達(dá)路口時(shí)才去轉(zhuǎn)換路面交通信號(hào)，不可避免地會(huì)影響路面交通，造成交通資源浪費(fèi)。

有軌電車(chē)路權(quán)分為全獨(dú)立、部分獨(dú)立和全共享，但造價(jià)普遍遠(yuǎn)低于地鐵線(xiàn)路[8]。出于投資控制的考慮，各個(gè)系統(tǒng)都盡可能簡(jiǎn)化。地面車(chē)站與公交車(chē)站或BRT車(chē)站類(lèi)似，不需要設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，通常沒(méi)有太多機(jī)房區(qū)域和管理區(qū)域，通信機(jī)房通常與變電所合設(shè)，也不需要設(shè)置車(chē)站控制室；地下車(chē)站也根據(jù)列車(chē)長(zhǎng)度精簡(jiǎn)設(shè)置，建筑規(guī)模明顯比地鐵小。

目視駕駛線(xiàn)路的信號(hào)系統(tǒng)通常不設(shè)置車(chē)站機(jī)房，聯(lián)鎖和路口控制功能多通過(guò)全電子化設(shè)備實(shí)現(xiàn)，整合后分別安裝在線(xiàn)路旁的控制柜內(nèi)；為滿(mǎn)足景觀(guān)要求，轉(zhuǎn)轍機(jī)多采用地埋式?？刂浦行脑O(shè)置調(diào)度管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)計(jì)劃和監(jiān)視；車(chē)載設(shè)備具備對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)、路口的控制功能。

由于有軌電車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化程度低于地鐵，且有其特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求，規(guī)模效益偏低，部分設(shè)備單價(jià)還高于地鐵，比如，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67的地埋式轉(zhuǎn)轍機(jī)，以及按照定員人均單價(jià)計(jì)算的100%低地板車(chē)輛。要在造價(jià)同步降低的約束條件下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，存在的主要問(wèn)題有：車(chē)地?zé)o線(xiàn)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)房設(shè)備選型及精簡(jiǎn)，車(chē)載設(shè)備安裝及功能選擇，控制中心功能提升，路口控制系統(tǒng)優(yōu)化。

3.1 車(chē)地?zé)o線(xiàn)

文獻(xiàn)[9]已對(duì)不同制式車(chē)地?zé)o線(xiàn)的優(yōu)劣做了詳細(xì)對(duì)比，專(zhuān)有頻點(diǎn)的LTE-M更能夠保證信號(hào)系統(tǒng)的安全。有軌電車(chē)多為地上線(xiàn)路，通常最多申請(qǐng)到10 M頻率資源，理論計(jì)算勉強(qiáng)滿(mǎn)足綜合承載需要；但工程實(shí)踐中，尤其是視頻監(jiān)控清晰度要求較高時(shí)，帶寬明顯不足。

而隨著5G網(wǎng)絡(luò)逐步覆蓋軌道交通線(xiàn)路，運(yùn)營(yíng)商也已發(fā)布網(wǎng)絡(luò)切片分級(jí)白皮書(shū)［10］，對(duì)于與調(diào)度指揮、行車(chē)控制無(wú)關(guān)的車(chē)載廣播、PIS乘客信息上傳，車(chē)載圖像及音頻的下載，使用5G網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行傳輸，無(wú)疑是一個(gè)新的選擇。從降低造價(jià)的角度出發(fā)，使用高等級(jí)5G網(wǎng)絡(luò)切片作為行車(chē)相關(guān)信息的車(chē)地?zé)o線(xiàn)傳輸通道，也是一個(gè)可能的選擇。

即便是考慮車(chē)地?zé)o線(xiàn)的重要性，需建設(shè)LTE-M，用來(lái)傳輸行車(chē)相關(guān)信息，但也不一定要必須按照5 M+5 M雙網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。僅建設(shè)單網(wǎng)作為主通道，故障時(shí)可降級(jí)人工目視行車(chē)；如能夠?qū)?G網(wǎng)絡(luò)切片分級(jí)后的安全性保持信任，將租用的高級(jí)別5G網(wǎng)絡(luò)切片作為行車(chē)相關(guān)信息傳輸?shù)膫溆猛ǖ?，?chē)地?zé)o線(xiàn)的可用性將能夠得到保證。而且，5G網(wǎng)絡(luò)切片分級(jí)，其最高等級(jí)的安全性和穩(wěn)定性，本來(lái)就是要滿(mǎn)足金融及工業(yè)控制等行業(yè)用戶(hù)特殊需要。目前，5G技術(shù)并沒(méi)有專(zhuān)用頻點(diǎn)供行業(yè)用戶(hù)自建核心網(wǎng)，租用高等級(jí)網(wǎng)絡(luò)切片有利于提高共建共享標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上還可以“促進(jìn)”運(yùn)營(yíng)商提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)以符合行業(yè)用戶(hù)要求。

通過(guò)以上分析，考慮5G網(wǎng)絡(luò)切片的可用性、可靠性尚未經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，為降低造價(jià)，建議為有軌電車(chē)自動(dòng)駕駛服務(wù)的車(chē)地?zé)o線(xiàn)系統(tǒng)按照LTE-M標(biāo)準(zhǔn)單核心網(wǎng)建設(shè)，租用高等級(jí)5G網(wǎng)絡(luò)切片作為備用通道，同時(shí)作為非行車(chē)直接相關(guān)信息的通道，以提高可用性。

另外，運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)通常需在線(xiàn)路附近建設(shè)基站，如在前期就能夠確定租用5G網(wǎng)絡(luò)切片，可與其建設(shè)單位溝通適度提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，提高其安全性和可用性的同時(shí)，通過(guò)共建共享方式降低使用成本。

3.2 機(jī)房需求

對(duì)于未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的有軌電車(chē)線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，信號(hào)專(zhuān)業(yè)通常在車(chē)站沒(méi)有機(jī)房，相關(guān)信息傳遞通過(guò)有線(xiàn)方式接入通信系統(tǒng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送至控制中心。即便與目視駕駛的有軌電車(chē)線(xiàn)路一樣，將道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)控制的聯(lián)鎖設(shè)備全電子化后安裝在現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)，自動(dòng)駕駛對(duì)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信傳輸時(shí)延、可靠性要求較高，如車(chē)地?zé)o線(xiàn)為自建LTE-M制式，有線(xiàn)部分也單獨(dú)組網(wǎng)，必然會(huì)有機(jī)房設(shè)備。如考慮100%低地板車(chē)輛車(chē)底安裝應(yīng)答器天線(xiàn)比較困難，軌道占用檢測(cè)采用計(jì)軸設(shè)備，也通常會(huì)有機(jī)房設(shè)備。而且，放置在線(xiàn)路旁的聯(lián)鎖控制箱需滿(mǎn)足室外惡劣環(huán)境，不利于設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，或者其價(jià)格較高。建議根據(jù)線(xiàn)路周邊實(shí)際環(huán)境，綜合考慮信號(hào)設(shè)備對(duì)工作環(huán)境的需求，確定其安裝位置。

城市軌道交通通信和信號(hào)設(shè)備的檢修人員雖然是分開(kāi)的，但通常為一個(gè)部門(mén)負(fù)責(zé)，而且兩專(zhuān)業(yè)的用電負(fù)荷等級(jí)也是相同的，信號(hào)設(shè)備如能夠與通信設(shè)備共用電源設(shè)備和機(jī)房，將兩專(zhuān)業(yè)機(jī)房設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，將能夠進(jìn)一步減少機(jī)房設(shè)備，降低機(jī)房使用面積，降低工程造價(jià)。

3.3 車(chē)載設(shè)備和功能

有軌電車(chē)信號(hào)專(zhuān)業(yè)常規(guī)車(chē)載設(shè)備，主要通過(guò)環(huán)線(xiàn)或近距離無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)道岔、站臺(tái)門(mén)、路口控制功能，還有正在增設(shè)的司機(jī)輔助設(shè)備。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，則需再增加車(chē)載ATP和ATO設(shè)備，并增加測(cè)速等附屬設(shè)備以及與車(chē)輛之間的接口。

地鐵車(chē)載計(jì)算機(jī)ATP設(shè)備通常采用2乘2取2或3取2結(jié)構(gòu)，頭尾冗余，系統(tǒng)可用性高。但實(shí)際應(yīng)用中，車(chē)載計(jì)算機(jī)故障率極低，如能夠簡(jiǎn)化為頭尾設(shè)備同時(shí)工作實(shí)現(xiàn)2乘2取2或3取2架構(gòu)，將能夠降低造價(jià)，同時(shí)減少在列車(chē)內(nèi)的設(shè)備安裝空間需求，力爭(zhēng)不減少車(chē)內(nèi)可乘坐空間。

列車(chē)定位方式，有軌電車(chē)通常以GPS/BD為主，航位推算為輔；而在隧道內(nèi)或者GPS/BD信號(hào)弱的區(qū)域時(shí)，則以航位推算為主，增加地面信標(biāo)做絕對(duì)位置校正。在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，車(chē)底信標(biāo)天線(xiàn)安裝較為困難，建議研發(fā)其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)全程定位校正，比如圖像識(shí)別、RFID射頻識(shí)別、藍(lán)牙等，但需高度關(guān)注其安全性。其他技術(shù)的準(zhǔn)確性可能有所降低，需在定位數(shù)據(jù)中增加模糊距離，增加追蹤間距；而在車(chē)站站臺(tái)門(mén)對(duì)位時(shí)的準(zhǔn)確定位，則可采用激光測(cè)距、UWB超寬帶等高精度定位方式。還可以在前期與運(yùn)營(yíng)商協(xié)商數(shù)據(jù)開(kāi)放，通過(guò)運(yùn)營(yíng)商基站作為定位輔助（隧道內(nèi)偏差較大）。

車(chē)載系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，從駕駛模式上，建議分為4個(gè)等級(jí)：車(chē)地?zé)o線(xiàn)正常的自動(dòng)駕駛、自動(dòng)防護(hù)下的人工駕駛、車(chē)地?zé)o線(xiàn)不可用時(shí)的司機(jī)輔助人工駕駛和純目視駕駛。與地鐵有區(qū)別的是，前兩種模式下，司機(jī)輔助設(shè)備應(yīng)保持有效，但不控車(chē)；第三種模式下，不建議限速；在單車(chē)車(chē)地?zé)o線(xiàn)中斷時(shí)，也不建議直接緊急制動(dòng)，而是提醒本車(chē)需在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)為司機(jī)駕駛，通過(guò)行車(chē)自動(dòng)化系統(tǒng)提醒后車(chē)司機(jī)注意觀(guān)察；只有當(dāng)列車(chē)定位丟失時(shí)，本車(chē)司機(jī)輔助功能失效，后車(chē)需轉(zhuǎn)為有司機(jī)輔助的目視駕駛，即便后車(chē)車(chē)地?zé)o線(xiàn)通信正常。這主要是考慮與地鐵相比，車(chē)地?zé)o線(xiàn)可用性相對(duì)要低，為提高運(yùn)營(yíng)效率的不得已選擇。

建議根據(jù)中城協(xié)正在征求意見(jiàn)的規(guī)范，強(qiáng)化司機(jī)輔助設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)從上電自檢、司機(jī)人臉識(shí)別及工作狀態(tài)分析、溜車(chē)防護(hù)、能源切換、智能涂油撒沙、路口分析/障礙物探測(cè)到通過(guò)車(chē)地?zé)o線(xiàn)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行圖、動(dòng)態(tài)化的超速及闖紅燈防護(hù)、前后車(chē)狀態(tài)顯示、數(shù)字化調(diào)度命令和臨時(shí)授權(quán)等，還可通過(guò)電子地圖提醒前方限速及異常設(shè)備狀態(tài)提示。在車(chē)地?zé)o線(xiàn)中斷后，司機(jī)輔助設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息將不能更新，只有基于之前信息的基本輔助駕駛功能。車(chē)載路口分析設(shè)備兼具障礙物檢測(cè)功能，即便獨(dú)立路權(quán)時(shí)也建議設(shè)置，如功能穩(wěn)定，建議聯(lián)動(dòng)輸出制動(dòng)指令。功能模塊如圖1所示。

圖1 有軌電車(chē)行車(chē)指揮及車(chē)載功能模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of tram operation command and onboard function module

3.4 路口控制

文獻(xiàn)[6-7]中對(duì)路口控制的各種算法，多是基于人工駕駛的優(yōu)化。而在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下，系統(tǒng)正常時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)每列車(chē)準(zhǔn)時(shí)通過(guò)每個(gè)路口，即便有列車(chē)運(yùn)行圖臨時(shí)調(diào)整時(shí)，也可以通過(guò)行車(chē)自動(dòng)化系統(tǒng)讓道路交通及時(shí)獲知列車(chē)通過(guò)路口的準(zhǔn)確時(shí)間而提前調(diào)整路口通行信號(hào)燈，降低路口資源的浪費(fèi)。

對(duì)于共享路權(quán)的有軌電車(chē)，應(yīng)在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)路口的基礎(chǔ)上，建議中低速通過(guò)，并由司機(jī)輔助設(shè)備提醒司機(jī)監(jiān)護(hù)，隨時(shí)干預(yù)；并建議通過(guò)立法，明確路口綠燈時(shí)路權(quán)的獨(dú)立性，讓市民了解、熟悉并形成路權(quán)的概念，逐步提高路口通過(guò)速度。

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)列車(chē)即將到達(dá)路口時(shí)，車(chē)載輔助駕駛設(shè)備除提醒司機(jī)注意觀(guān)察外，還可通過(guò)增設(shè)的激光雷達(dá)、雷達(dá)、攝像機(jī)，對(duì)路口行駛范圍內(nèi)道路情況進(jìn)行探測(cè)，對(duì)車(chē)和行人的行為進(jìn)行分析，并據(jù)分析結(jié)果輔助司機(jī)通過(guò)路口，存在危險(xiǎn)時(shí)可輸出制動(dòng)指令。

列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)緊急制動(dòng)距離通常為汽車(chē)的2倍以上，常用制動(dòng)距離則4～5倍以上，建議在每個(gè)路口地面安裝2套激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像機(jī)，在具備通行條件時(shí)對(duì)路口通行狀況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，在地面發(fā)出聲光警告的同時(shí)，通過(guò)低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)告知即將通過(guò)的列車(chē)。在列車(chē)上路口分析設(shè)備僅作為備用，進(jìn)一步提高安全性。

雖然有軌電車(chē)并不存在與汽車(chē)相似的復(fù)雜道路困境（前方危險(xiǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)向選擇），但緊急制動(dòng)可能造成車(chē)內(nèi)乘客受傷，尤其高速行駛時(shí)。建議在線(xiàn)路規(guī)劃和車(chē)站設(shè)置時(shí)，以及電子地圖中適度控制通過(guò)路口的速度。比如，在路口附近設(shè)置車(chē)站，在電子地圖中設(shè)置限速。如確需高速通過(guò)路口時(shí)，建議考慮設(shè)置升降式欄桿等類(lèi)似物理隔離措施（至少隔離人行道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道），降低行人和車(chē)輛誤入的可能性。

自動(dòng)駕駛能夠準(zhǔn)時(shí)通過(guò)路口，再加上地面和車(chē)載的路口分析設(shè)備，將能夠?qū)崿F(xiàn)道路交通與有軌電車(chē)的安全、效率同步提升。

3.5 控制中心功能

自動(dòng)駕駛線(xiàn)路的行車(chē)指揮綜合自動(dòng)化設(shè)備，需通過(guò)集成或互聯(lián)整合各子系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)；增設(shè)區(qū)域控制器，通過(guò)車(chē)地?zé)o線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)與地鐵自動(dòng)駕駛線(xiàn)路相同的功能。

而司機(jī)輔助系統(tǒng)的中心級(jí)設(shè)備，不僅記錄每列車(chē)輔助駕駛狀況，還收集所有路口狀況分析結(jié)果，即時(shí)告知即將到達(dá)路口的每列車(chē)，并將發(fā)生的每個(gè)異常情況發(fā)出告警，提醒調(diào)度員關(guān)注。并建議將線(xiàn)路上及站臺(tái)上的攝像機(jī)等安防及防災(zāi)設(shè)備報(bào)警信息接入司機(jī)輔助系統(tǒng)，對(duì)于易誤報(bào)的設(shè)備，可適度降低其報(bào)警級(jí)別，僅作為提示信息；可靠性高的設(shè)備，可直接通過(guò)車(chē)載司機(jī)輔助設(shè)備輸出制定指令。圖1是參考中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)正在征求意見(jiàn)的兩個(gè)規(guī)范，結(jié)合本文分析和建議形成，虛線(xiàn)框內(nèi)設(shè)備為據(jù)需配置。

4 小結(jié)

自動(dòng)駕駛不僅能夠讓有軌電車(chē)更安全、快捷、節(jié)能、舒適，像地鐵一樣降低司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度，準(zhǔn)時(shí)通過(guò)路口，還能有效降低路口資源浪費(fèi)。

整體來(lái)說(shuō)，在降低造價(jià)的背景下，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的可用性不可避免地存在一定程度的降低。但相對(duì)以目視駕駛為主的線(xiàn)路相比，建設(shè)單網(wǎng)LTE-M車(chē)地?zé)o線(xiàn)并整合高等級(jí)5G網(wǎng)絡(luò)切片，信號(hào)和通信機(jī)房設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)路口控制與列車(chē)運(yùn)行的智能控制，實(shí)現(xiàn)有平交路口的有軌電車(chē)全線(xiàn)路自動(dòng)駕駛，是對(duì)有軌電車(chē)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的一次提升。

由于采用自動(dòng)駕駛方式通過(guò)路口，需結(jié)合道路交通法規(guī)要求，做好司機(jī)培訓(xùn)和對(duì)市民的宣傳工作，并制定應(yīng)急處理預(yù)案，獲取道路交通管理部門(mén)的認(rèn)可。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，將能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)有軌電車(chē)進(jìn)一步提升為無(wú)人駕駛奠定基礎(chǔ)。本文只是提供了一個(gè)系統(tǒng)建設(shè)思路，在實(shí)際過(guò)程中，還有不少技術(shù)問(wèn)題需進(jìn)一步研究解決。建議對(duì)5G的D2D技術(shù)在車(chē)車(chē)通信，以及車(chē)與聯(lián)鎖、路口控制、站臺(tái)門(mén)設(shè)備之間直接通信并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)地?zé)o線(xiàn)中斷時(shí)更新車(chē)載數(shù)據(jù)的應(yīng)用可行性；同時(shí)還應(yīng)為互聯(lián)互通制定接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。