朱永輝 梁 霄 袁 魁

(1.上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上海；2.上海中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 201203， 上海∥第一作者， 工程師)

有軌電車(chē)是一種主要由駕駛員目視(信號(hào))駕駛、運(yùn)行于地面、路權(quán)開(kāi)放或半獨(dú)立、依靠電力驅(qū)動(dòng)的大容量軌道交通制式[1]。其具有的路權(quán)不獨(dú)立和目視駕駛的特點(diǎn)，決定了它在經(jīng)過(guò)平交路口時(shí)，必須像汽車(chē)一樣，通過(guò)觀察信號(hào)機(jī)(專(zhuān)用或與公共交通共用)的狀態(tài)來(lái)決定是否能夠安全通過(guò)。由于各個(gè)路口信號(hào)控制相位的差異，加上有軌電車(chē)在接近路口時(shí)并不能自動(dòng)獲得路口信號(hào)機(jī)的狀態(tài)，導(dǎo)致其在通過(guò)路口前必須減速觀察，隨時(shí)準(zhǔn)備停車(chē)，以避免誤闖禁止信號(hào)。該運(yùn)營(yíng)特征降低了有軌電車(chē)作為大容量交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率，對(duì)有軌電車(chē)節(jié)能運(yùn)行、乘客舒適度等亦有不良影響。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展的自動(dòng)駕駛有軌電車(chē)試驗(yàn)中，部分采用了通過(guò)圖像識(shí)別信號(hào)機(jī)來(lái)輔助路口通過(guò)的技術(shù)[2-3]，一定程度上緩解了上述矛盾，但其識(shí)別效果高度依賴(lài)圖像傳感器本身和處理技術(shù)，且在夜間和能見(jiàn)度較差的天氣里檢測(cè)效果急劇降低，無(wú)法滿(mǎn)足有軌電車(chē)全天候運(yùn)營(yíng)需要。目前，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中蓬勃發(fā)展的V2X(車(chē)路協(xié)同)技術(shù)，因其無(wú)線通信的遠(yuǎn)距離、高速率和低延遲的特點(diǎn)，為有軌電車(chē)在遠(yuǎn)距離獲取信號(hào)機(jī)狀態(tài)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高效的路口通過(guò)提供了基礎(chǔ)條件。

本文在綜合分析當(dāng)前有軌電車(chē)駕駛員常規(guī)目視駕駛、基于自主信號(hào)感知的自動(dòng)駕駛有軌電車(chē)路口通過(guò)方案的基礎(chǔ)上，引入基于4G/5G(第四代移動(dòng)通信技術(shù)/第五代移動(dòng)通信技術(shù))的V2X技術(shù)，提出基于V2X技術(shù)的有軌電車(chē)路口通過(guò)方案及相關(guān)技術(shù)，并在實(shí)際運(yùn)行線路上進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證所提方案的有效性，供有軌電車(chē)和軌道交通行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 有軌電車(chē)路口通過(guò)方案

1.1 信號(hào)優(yōu)先

信號(hào)優(yōu)先概念源于公共交通車(chē)輛優(yōu)先通行技術(shù)，包括實(shí)現(xiàn)公共交通車(chē)輛在空間和時(shí)間通行權(quán)上的優(yōu)先。空間優(yōu)先可通過(guò)設(shè)置專(zhuān)用道或部分鋸齒型優(yōu)先進(jìn)口道來(lái)實(shí)現(xiàn)；時(shí)間優(yōu)先即信號(hào)優(yōu)先，即利用先進(jìn)的通信信息、控制、計(jì)算機(jī)等技術(shù)，通過(guò)智能化信號(hào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先通過(guò)。有軌電車(chē)的信號(hào)優(yōu)先需在傳統(tǒng)道路交通控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)功能，并結(jié)合有軌電車(chē)所屬運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)的控制信息，方可達(dá)到優(yōu)先控制的目標(biāo)。

有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先原理如圖1所示。其核心可以概括為以下幾點(diǎn)：

1) 選擇性：有軌電車(chē)一般配置調(diào)度控制系統(tǒng)以提供實(shí)時(shí)的車(chē)輛信息，可根據(jù)載客或準(zhǔn)點(diǎn)情況優(yōu)先實(shí)施。

2) 有條件優(yōu)先：全面考慮優(yōu)先實(shí)施的條件，包括電車(chē)運(yùn)營(yíng)及道路交通情況，減少對(duì)其他交通參與體的影響，一般不采用強(qiáng)制優(yōu)先、絕對(duì)優(yōu)先。

3) 控制策略：針對(duì)有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)的具體環(huán)境和外部條件設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的控制算法和策略。在有軌電車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)側(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)優(yōu)先請(qǐng)求和優(yōu)先結(jié)果的執(zhí)行；在道路交通側(cè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先請(qǐng)求的響應(yīng)，并按照一定優(yōu)先策略給出優(yōu)先結(jié)果，最終達(dá)到有軌電車(chē)優(yōu)先的目的。

1.2 駕駛員目視駕駛通過(guò)方案

基于駕駛員目視駕駛的有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先是指根據(jù)既定的車(chē)輛位置和路口優(yōu)先策略，以駕駛員目視為主要感測(cè)手段，來(lái)判斷前方路口是否可以?xún)?yōu)先通過(guò)。此種方法是當(dāng)前有軌電車(chē)最廣泛使用的路口通過(guò)方式，駕駛員需綜合考慮有軌電車(chē)的運(yùn)行速度、信號(hào)優(yōu)先觸發(fā)位置，根據(jù)前方信號(hào)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)(燈色)等，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷是否通過(guò)，一般無(wú)法預(yù)先得知信號(hào)機(jī)狀態(tài)的輪轉(zhuǎn)周期或相位倒計(jì)時(shí)。該方案提供了一種基于有軌電車(chē)位置的優(yōu)先方案，可提高有軌電車(chē)的路口通行效率。但同時(shí)該方案亦存在明顯不足，如：

1) 當(dāng)有軌電車(chē)觸發(fā)優(yōu)先信號(hào)時(shí)，前方道路側(cè)信號(hào)燈(綠色通行燈)即將轉(zhuǎn)換為禁止信號(hào)，駕駛員無(wú)法得知綠燈的剩余時(shí)間，保守起見(jiàn)實(shí)施制動(dòng)而無(wú)法有效通過(guò)路口。

2) 當(dāng)有軌電車(chē)觸發(fā)優(yōu)先信號(hào)后，因天氣或其他因素導(dǎo)致運(yùn)行速度降低，駕駛員無(wú)法準(zhǔn)確判斷是否仍可以舒適控車(chē)方式通過(guò)路口，故實(shí)施制動(dòng)。這在客觀上浪費(fèi)了一個(gè)允許通行相位，失去了信號(hào)優(yōu)先的作用。

1.3 基于自主信號(hào)感知的通過(guò)方案

當(dāng)有軌電車(chē)裝備自動(dòng)駕駛系統(tǒng)[5]后，有軌電車(chē)駕駛員的主要行車(chē)操作職責(zé)將轉(zhuǎn)移給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，其中包括對(duì)信號(hào)機(jī)的瞭望觀察。故自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)采取技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)行車(chē)前方信號(hào)機(jī)及其狀態(tài)(燈色)的實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)。類(lèi)似汽車(chē)自動(dòng)駕駛中的信號(hào)燈檢測(cè)[6]，一種可行的方式是采用專(zhuān)用圖像傳感器(攝像機(jī))對(duì)包含信號(hào)機(jī)的圖像進(jìn)行處理，從中檢測(cè)出信號(hào)機(jī)及其狀態(tài)，作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行路口通過(guò)判定邏輯的依據(jù)之一，而相應(yīng)的路口通過(guò)方案被稱(chēng)為基于自主信號(hào)感知的通過(guò)方案。圖2是該方案的原理示意。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1) 有軌電車(chē)自主檢測(cè)和判斷：通過(guò)車(chē)載圖像傳感器即可獲取信號(hào)機(jī)信息，無(wú)需車(chē)外設(shè)備協(xié)助，車(chē)輛自主性高。

2) 信息豐富：圖像中包括大量有軌電車(chē)行駛環(huán)境的信息，有利于結(jié)合信號(hào)機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的行車(chē)邏輯。

該方案存在的主要問(wèn)題如下：

1) 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可靠性差：天氣、光照、環(huán)境光源等均會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生明顯干擾，進(jìn)而影響信號(hào)機(jī)的檢測(cè)結(jié)果。

2) 故障容忍度低：目前廣泛使用的基于人工智能的信號(hào)機(jī)識(shí)別方法，僅能識(shí)別經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的信號(hào)機(jī)狀態(tài)。信號(hào)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，因其故障原因不同，表現(xiàn)的狀態(tài)亦不同，故對(duì)其進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的難度較大。因此，為確保實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)、可靠的信號(hào)機(jī)檢測(cè)，需要考慮其他方案。

2 基于V2X技術(shù)的有軌電車(chē)路口場(chǎng)景協(xié)作

“車(chē)路協(xié)同”在道路工程學(xué)和交通工程學(xué)中指道路交通系統(tǒng)中“人-車(chē)-路-環(huán)境”四要素的耦合與協(xié)同。車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)是智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分之一[7]。隨著4G/5G的發(fā)展應(yīng)用，基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)的V2X技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過(guò)專(zhuān)有短程通信(DSRC)和基于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)等主要通信手段[8]，將車(chē)輛同任何與其交互信息的對(duì)象連接起來(lái)，以構(gòu)成更大規(guī)模的交通自動(dòng)化系統(tǒng)，以承載單車(chē)難以完成的功能。

有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)通常采用獨(dú)立路權(quán)或半獨(dú)立路權(quán)。半獨(dú)立路權(quán)是指在相鄰路口之間采用獨(dú)立路權(quán)，而在路口區(qū)域與其他社會(huì)車(chē)輛和行人共享路權(quán)。顯然，在半獨(dú)立路權(quán)情況下，受到共享路權(quán)的其他交通參與者制約，有軌電車(chē)行車(chē)效率將受到較大影響。通過(guò)引入V2X技術(shù)，將“人、車(chē)、路、云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，擴(kuò)大了有軌電車(chē)的感測(cè)范圍，有助于實(shí)現(xiàn)智能交通管控，可進(jìn)一步提高行車(chē)效率?；赩2X技術(shù)的有軌電車(chē)路口場(chǎng)景協(xié)作如圖3所示。

3 基于V2X技術(shù)的自動(dòng)駕駛有軌電車(chē)路口通過(guò)方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于V2X技術(shù)的有軌電車(chē)自動(dòng)駕駛路口通過(guò)方案及其系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本文所述系統(tǒng)”)，如圖4所示。該系統(tǒng)主要由車(chē)載、軌旁、V2X通信鏈路3部分構(gòu)成。車(chē)載部分包括自動(dòng)控車(chē)規(guī)劃模塊IATC/ATS(智能化列車(chē)控制/列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控)、APS(智能感知單元)及OBU(車(chē)載單元)，以實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)規(guī)劃，并根據(jù)APS的目標(biāo)授權(quán)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行控制。有軌電車(chē)在通過(guò)路口的過(guò)程中，OBU實(shí)時(shí)傳輸來(lái)自于RSU前方信號(hào)機(jī)輪轉(zhuǎn)相位及相位剩余時(shí)間。自動(dòng)控車(chē)規(guī)劃模塊根據(jù)有軌電車(chē)的運(yùn)行速度及其與前方信號(hào)機(jī)的距離，結(jié)合信號(hào)燈狀態(tài)及剩余輪轉(zhuǎn)時(shí)間，輸出控車(chē)命令，實(shí)現(xiàn)舒適控車(chē)。軌旁部分則主要是行進(jìn)路口信號(hào)燈和有軌電車(chē)信號(hào)燈的狀態(tài)檢測(cè)，即將SPaT(信號(hào)相位和定時(shí)消息)信息發(fā)送至RSU。根據(jù)實(shí)際使用需要，RSU亦可預(yù)留與維護(hù)中央服務(wù)器和感知設(shè)備的接口。V2X通信鏈路部分主要是RSU與OBU基于PC5(直通通信)的空口通信，同時(shí)亦可預(yù)留RSU、OBU與V2X服務(wù)器或智能化維護(hù)中心的Uu接口。

3.2 車(chē)載設(shè)備

車(chē)載設(shè)備包含OBU、顯示界面、多合一天線、IATC/ATS及APS。OBU及多合一天線實(shí)物如圖5所示，其 Uu接口上行和下行帶寬分別為200 Mbit/s和1 Gbit/s，PC5接口帶寬為 20 Mbit/s，通信時(shí)延小于5 ms，通信范圍不小于300 m。本文所述系統(tǒng)中，將OBU安裝在客室，多合一天線安裝在有軌電車(chē)擋風(fēng)玻璃下方無(wú)遮擋處，顯示界面與OBU的自建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)時(shí)顯示有軌電車(chē)的位置以及獲取前方的信號(hào)燈信息。IATC/ATS包含車(chē)載控制單元、速度和加速度傳感器、感知單元及感知傳感器等(見(jiàn)圖6)。IATC/ATS一體化車(chē)載控制規(guī)劃設(shè)備安裝在客室，感知傳感器組合安裝在有軌電車(chē)的駕駛室前方，可實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)根據(jù)規(guī)劃線路自動(dòng)運(yùn)行，并可由感知模塊實(shí)時(shí)獲取前方障礙物信息，從而實(shí)現(xiàn)有軌電車(chē)的自動(dòng)、安全、舒適運(yùn)行。

3.3 軌旁設(shè)備

RSU為本文所述系統(tǒng)的路側(cè)單元，負(fù)責(zé)接收交通信號(hào)機(jī)/應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的路況信息等實(shí)時(shí)交通信息，并與既有道路信號(hào)控制柜及有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制柜互聯(lián)，見(jiàn)圖7。從道路信號(hào)控制柜獲取SPaT數(shù)據(jù)，即交通燈的相位與時(shí)序消息，同時(shí)進(jìn)行有軌電車(chē)信號(hào)優(yōu)先控制柜信號(hào)燈信息采集以獲取信號(hào)燈實(shí)時(shí)相位信息，對(duì)這兩部分信息進(jìn)行融合校驗(yàn)。RSU可通過(guò)短距離直連通信接口PC5、蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口Uu的傳輸信息。本文所述系統(tǒng)實(shí)際采用的是PC5鏈路，預(yù)留Uu接口鏈路。

3.4 車(chē)地通信鏈路

本文所述系統(tǒng)中的車(chē)地通信采用PC5接口，通信距離不小于300 m。RSU實(shí)時(shí)傳送路側(cè)的信號(hào)沖突相位信息至OBU，包含輪轉(zhuǎn)相位、沖突相位、相位輪轉(zhuǎn)時(shí)間等信息。

3.5 基于V2X技術(shù)的自動(dòng)駕駛有軌電車(chē)通過(guò)策略

在常規(guī)有軌電車(chē)系統(tǒng)建設(shè)中，一般在進(jìn)入路口前一段距離(約200 m)的正線區(qū)段，布置用于路口優(yōu)先的感應(yīng)環(huán)線。當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)開(kāi)啟路口優(yōu)先模式，有軌電車(chē)通過(guò)感應(yīng)環(huán)線時(shí)，其專(zhuān)用信號(hào)燈會(huì)根據(jù)道路交通信號(hào)燈的相位情況切換和保持燈色。若不開(kāi)啟路口優(yōu)先，則有軌電車(chē)專(zhuān)用信號(hào)燈跟隨道路交通信號(hào)燈相位變換來(lái)切換燈色。當(dāng)應(yīng)用V2X技術(shù)優(yōu)化通過(guò)方案時(shí)，有軌電車(chē)能夠更早且穩(wěn)定地獲取路口信號(hào)燈的燈色。當(dāng)有軌電車(chē)運(yùn)行到RSU的通信覆蓋范圍內(nèi)(以RSU為中心，半徑為500 m)時(shí)，車(chē)載設(shè)備即可接收到來(lái)自RSU包含的有軌電車(chē)專(zhuān)用信號(hào)燈燈色等信息的數(shù)據(jù)包?？紤]到有軌電車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)同時(shí)具備自主信號(hào)感知和V2X特性，與之相應(yīng)的開(kāi)啟和關(guān)閉V2X后的有軌電車(chē)路口通過(guò)策略分別如圖8和圖9所示。

4 有軌電車(chē)在軌測(cè)試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出的路口通過(guò)方案的實(shí)際效果，上海富欣智能交通控制有限公司于2020年12月在淮安現(xiàn)代有軌電車(chē)經(jīng)營(yíng)有限公司和中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司等單位的支持下，基于江蘇省交通廳科研課題《現(xiàn)代有軌電車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)研究》和淮安有軌電車(chē)1號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“1號(hào)線”)的車(chē)輛和線路條件，選取1輛試驗(yàn)用有軌電車(chē)部署自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和V2X車(chē)載設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上選取1號(hào)線正線的連續(xù)3個(gè)信號(hào)機(jī)防護(hù)路口，布設(shè)與信號(hào)機(jī)聯(lián)動(dòng)的V2X地面設(shè)備。有軌電車(chē)處于自動(dòng)駕駛模式時(shí)，分別采用本文所述的基于自主信號(hào)感知和V2X技術(shù)的路口通過(guò)方案進(jìn)行路口信號(hào)燈的檢測(cè)測(cè)試。

選取試驗(yàn)段中的2個(gè)路口(路口一(K9+400—K9+500)，路口三(K9+900—K10+010))及其前、后方總長(zhǎng)共計(jì)100 m的區(qū)域(路口二因距離第1個(gè)路口較近，受第1個(gè)路口通過(guò)情況的影響較大，不滿(mǎn)足試驗(yàn)獨(dú)立性要求，故未選取)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間-速度關(guān)系如圖10。由圖10可見(jiàn)：

1) 當(dāng)僅使用自主信號(hào)感知作為路口通過(guò)判斷條件時(shí)，有軌電車(chē)在兩個(gè)路口都必須停車(chē)等待(速度為0)。一方面是由于有軌電車(chē)無(wú)法從信號(hào)燈檢測(cè)相機(jī)獲取允許燈色的倒計(jì)時(shí)，為了避免誤闖信號(hào)，無(wú)論路口是允許燈色還是禁止燈色，都必須先在路口前停車(chē)，等待下一次轉(zhuǎn)為允許燈色時(shí)方可通過(guò)；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)條件并不能保證100%檢測(cè)出路口信號(hào)燈及其燈色(特別是夜晚等困難場(chǎng)景下)，為安全起見(jiàn)亦會(huì)停車(chē)等綠燈開(kāi)放后通過(guò)。上述兩方面因素導(dǎo)致有軌電車(chē)通過(guò)路口的總時(shí)間大大拉長(zhǎng)(最長(zhǎng)可達(dá)到單次信號(hào)相位的兩倍)。

2) 應(yīng)用V2X技術(shù)進(jìn)行信號(hào)機(jī)檢測(cè)后，有軌電車(chē)可以根據(jù)路口允許信號(hào)的倒計(jì)時(shí)情況動(dòng)態(tài)確定是否通過(guò)，以及通過(guò)的時(shí)速(需要同時(shí)滿(mǎn)足路口限速條件)，達(dá)到直接通過(guò)(如路口三)或顯著縮短停車(chē)等待時(shí)間(如路口一)的效果。

3) 與傳統(tǒng)的駕駛員目視行車(chē)通過(guò)路口方式相比，基于自主信號(hào)感知的有軌電車(chē)路口通過(guò)方案可以改善駕駛員在路口的注意力強(qiáng)度。但因駕駛員無(wú)法獲取路口信號(hào)的倒計(jì)時(shí)信息，從效率上而言改善空間不大。而基于V2X技術(shù)的有軌電車(chē)路口通過(guò)方案使列車(chē)能夠直接獲取路口信號(hào)的倒計(jì)時(shí)信息，如能夠與司控臺(tái)人機(jī)界面等設(shè)備聯(lián)動(dòng)，即使不裝備自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，也可以輔助駕駛員判斷路口通過(guò)時(shí)機(jī)和車(chē)速，可提高路口行車(chē)效率，同時(shí)改善乘客的乘坐舒適感。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在綜合分析當(dāng)前有軌電車(chē)駕駛員常規(guī)目視駕駛，以及基于自主信號(hào)感知的自動(dòng)駕駛有軌電車(chē)路口通過(guò)方案的基礎(chǔ)上，引入V2X技術(shù)，提出基于V2X技術(shù)的有軌電車(chē)路口通過(guò)方案，并在實(shí)際運(yùn)行線路上進(jìn)行了測(cè)試，以體現(xiàn)所提方案的有效性。測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的基于V2X技術(shù)的自動(dòng)駕駛有軌電車(chē)路口通過(guò)方案，能夠顯著縮短有軌電車(chē)在路口的等待時(shí)間(最長(zhǎng)可縮短一半時(shí)間)或?qū)崿F(xiàn)不停車(chē)一次性通過(guò)，從而提高了有軌電車(chē)的控制效率，改善了乘客的乘坐體驗(yàn)。