現(xiàn)代有軌電車一體化仿真系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

滕 靖，潘煒維，王園園，徐紀(jì)康

（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. 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 201804；3. 上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201600）

1 現(xiàn)代有軌電車概述

1.1 研究背景

現(xiàn)代有軌電車于20世紀(jì)90年代后期率先在法國發(fā)展起來，經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前世界上已有150多座城市建設(shè)了現(xiàn)代有軌電車。現(xiàn)代有軌電車在我國公共交通系統(tǒng)中的應(yīng)用尚處于起步發(fā)展階段。目前，長春、大連、天津、上海、沈陽等地已陸續(xù)開通有軌電車線路，其中沈陽市渾南新區(qū)有軌電車已成網(wǎng)運(yùn)行。還有許多城市正在規(guī)劃和建設(shè)有軌電車系統(tǒng)，如北京、上海、廣州、深圳、珠海、蘇州、武漢、佛山等城市。據(jù)統(tǒng)計，我國目前已經(jīng)在建或規(guī)劃的現(xiàn)代有軌電車線路達(dá)50多條，規(guī)劃總里程超過2 000 km[1]。

現(xiàn)代有軌電車是由電氣牽引、輪軌導(dǎo)向的低地板式電動車輛，運(yùn)行在專用軌道上，獨(dú)立路權(quán)的區(qū)段比例高，與道路交通多采用平面交叉形式。通常道路交叉口混合路權(quán)是影響現(xiàn)代有軌電車通過能力的主要因素，且由于現(xiàn)代有軌電車車站多結(jié)合交叉口設(shè)置，車組的轉(zhuǎn)向也在交叉口完成，因此對道路交叉口的設(shè)計及控制方案優(yōu)化是有軌電車工程設(shè)計的難點(diǎn)之一。此外，有軌電車的折返形式影響列車交路的設(shè)置及折返能力，也需要進(jìn)行專門評價。當(dāng)多條有軌電車線路共線運(yùn)行時，道岔轉(zhuǎn)換效率往往會影響過岔能力，且轉(zhuǎn)換過程還需要與交叉口信號切換相適應(yīng)。由此可見上述方面均會影響有軌電車線路運(yùn)輸能力，是工程設(shè)計論證的要點(diǎn)。

基于以上背景，筆者提出了有軌電車一體化仿真系統(tǒng)來評價規(guī)劃設(shè)計方案，其特點(diǎn)是將有軌電車自身運(yùn)行和對道路交通（機(jī)動車、非機(jī)動車、行人交通）等的影響一并分析，既可輸出線路整體服務(wù)指標(biāo)，也可輸出線路局部要素運(yùn)行指標(biāo)，從而有利地支持工程設(shè)計方案間的比選、設(shè)備的選型及運(yùn)營組織方案的優(yōu)化等決策工作。

1.2 相關(guān)研究綜述

在仿真評價方法和對象方面，國內(nèi)外科研人員對有軌電車運(yùn)行仿真評價方法進(jìn)行了卓有成效的研究。王艷榮[2]著重對未運(yùn)行有軌電車、運(yùn)行有軌電車和設(shè)置有軌電車信號優(yōu)先的3種交叉口狀態(tài)下社會車輛通行延誤進(jìn)行仿真比較。施冰[3]以有軌電車平面交叉口延誤作為研究對象，探究了各因素對交叉口車輛及有軌電車延誤的影響大小，為交叉口規(guī)劃設(shè)計提供控制策略選取建議和參考。劉立龍[4]對有軌電車交叉口信號優(yōu)先控制策略進(jìn)行了設(shè)計，以固定配時信號控制為基礎(chǔ)，針對絕對優(yōu)先、完全優(yōu)先、部分優(yōu)先3種優(yōu)先策略，建立單點(diǎn)交叉口路網(wǎng)仿真模型，模擬探究各種情景下的最佳控制策略，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考和建議。章瑀[5]對有軌電車交叉口信號無優(yōu)先、絕對優(yōu)先、相對優(yōu)先、單點(diǎn)平衡控制策略進(jìn)行建模仿真，分析策略評價結(jié)果后得出單點(diǎn)平衡策略可以較好地平衡有軌電車的通行優(yōu)先與交叉口車輛的排隊擁堵。吳勝權(quán)等[6]提出了一種分析有軌電車線路對城市道路交叉口影響的評價方法，通過仿真模型計算了交叉口內(nèi)車輛延誤和排隊長度等參數(shù)。總的來說，現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行仿真研究重點(diǎn)集中于交叉口設(shè)計和控制方案的評價，相關(guān)理論成果已較為完備；但現(xiàn)有的研究成果多將有軌電車與常規(guī)地面交通車輛等同考慮，沒有將有軌電車動力學(xué)特征、車體要素特征、道岔轉(zhuǎn)換能力、車載信號安全要求等特征要素納入仿真過程。

在仿真系統(tǒng)研發(fā)方面，有軌電車的運(yùn)行環(huán)境涉及軌道交通和道路交通兩個系統(tǒng)，在各自領(lǐng)域里相關(guān)的仿真方法和商用軟件均已成熟。其中軌道交通仿真的代表性軟件有Open track、Railsys等，能較好地模擬高鐵、地鐵等軌道交通的列車運(yùn)行過程；道路交通仿真的代表性軟件有Vissim、AIMSUN等，Vissim具備了道路交通全模式仿真能力，其市場占有率和應(yīng)用也最為廣泛。但是面向有軌電車運(yùn)行特征，具備軌道列車和道路交通一體化混合仿真能力的軟件系統(tǒng)少有研發(fā)。

2 現(xiàn)代有軌電車仿真系統(tǒng)架構(gòu)和功能

2.1 仿真系統(tǒng)架構(gòu)

在現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目設(shè)計、建設(shè)和管理決策過程中，一體化評價的需求是突出特點(diǎn)，如：有軌電車的運(yùn)行分析需要體現(xiàn)道路交通控制對軌道列車運(yùn)行過程的影響；有軌電車自身運(yùn)行特點(diǎn)對道路交通控制帶來的影響，例如最小綠燈時間、綠燈間隔、信號優(yōu)先需求等需要結(jié)合軌道列車的動力特點(diǎn)和幾何特點(diǎn)進(jìn)行分析；有軌電車成網(wǎng)后的運(yùn)營特征需要一體化的環(huán)境進(jìn)行整體分析，例如互聯(lián)互通的道岔與道路信號控制的組合，多線路共用折返站的調(diào)度協(xié)同等。

筆者所提出的一體化仿真系統(tǒng)將道路、交通車輛、行人以及道路交通控制設(shè)施和軌道列車、道岔、信號控制等放在一個仿真環(huán)境中進(jìn)行模擬。仿真系統(tǒng)由有軌電車仿真系統(tǒng)和道路交通仿真系統(tǒng)兩部分組成，其中有軌電車仿真系統(tǒng)（EasyTram）的主要功能是提供軌道列車的牽引計算、道岔和信號狀態(tài)的反饋、停站和折返的計算；道路交通仿真系統(tǒng)直接采用了Vissim，主要為有軌電車提供道路交通的運(yùn)行環(huán)境以及交叉口信號控制方案。EasyTram與Vissim之間通過通信模塊進(jìn)行實(shí)時通信，即EasyTram從Vissim中獲取車輛位置坐標(biāo)和信號狀態(tài)等信息，然后通過有軌電車運(yùn)行過程控制模塊控制Vissim中相應(yīng)車輛的駕駛行為。仿真的步長時鐘由 EasyTram控制，具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 有軌電車一體化仿真系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall structure of the tram integrated simulation system

當(dāng)仿真周期為i時刻時，EasyTram的所有邏輯計算完成后，EasyTram驅(qū)動有軌電車仿真進(jìn)入i+1周期中。同時，Vissim收到EasyTram的驅(qū)動信息后，也進(jìn)入i+1周期中，并將i+1周期中的道路交通車輛和信號信息發(fā)送給EasyTram，然后進(jìn)入下一周期的仿真，保證了EasyTram和Vissim的仿真時鐘周期的同步。

EasyTram由通信接口模塊、有軌電車運(yùn)行過程邏輯計算模塊、界面顯示模塊以及與外部其他硬件通信的擴(kuò)展模塊4部分組成。4個模塊之間的相互數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖2所示，這種模塊設(shè)計的耦合性較低，便于以后的平臺擴(kuò)展。

2.1.1 Vissim的通信接口模塊

為了有效展示 EasyTram的控制效果，需要每個仿真步長將 EasyTram控制的有軌電車位置、瞬時速度等信息輸出到Vissim中同步顯示，所以，該模塊對于通信的實(shí)時性和效率有一定的要求。該模塊也是EasyTram系統(tǒng)集成的核心之一。

2.1.2 有軌電車運(yùn)行過程邏輯計算模塊

為了體現(xiàn)有軌電車的車輛動力性能特征，本模塊基于牽引計算理論來自動控制有軌電車的整個運(yùn)行過程，但同時也將車輛信息、外部的信號控制、車站信息、道岔信息、有軌電車跟車信息等考慮到牽引力計算過程中，以體現(xiàn)有軌電車運(yùn)行過程受道路交通設(shè)施影響的隨機(jī)性。

圖2 EasyTram系統(tǒng)的模塊設(shè)計Fig. 2 EasyTram system module design

2.1.3 界面顯示模塊

顯示功能可以實(shí)時根據(jù)當(dāng)前仿真步長輸出每個有軌電車的運(yùn)行曲線（速度—距離曲線，速度—時間曲線等）以及有軌電車的狀態(tài)（加減速、制動、跟車、自由行駛、遇到紅綠燈等）。同時，還可以實(shí)時顯示有軌電車線路中部分關(guān)鍵道岔的整個變化過程。輸出功能可以輸出仿真過程中所有有軌電車的全過程信息，包括實(shí)時的速度、位置、狀態(tài)等。

2.1.4 與外部其他硬件通信的擴(kuò)展模塊

本模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)外部信號控制信號優(yōu)先功能，支持外部的設(shè)備控制算法等控制Vissim中的信號顯示以及 EasyTram中的有軌電車信號控制。通過對EasyTram中各個信號控制車道以及有軌電車信號控制的信號燈組與外部信號控制設(shè)備一一對應(yīng)，同時根據(jù)外部信號控制算法的檢測要求，在系統(tǒng)中設(shè)置虛擬的車輛檢測信息以及有軌電車優(yōu)先信號請求發(fā)送信息傳送給外部信號控制器，經(jīng)外部信號控制器計算完成并反饋得到信號控制方案后返回給 EasyTram系統(tǒng)，對仿真的社會車輛和有軌電車形成控制效果。

2.2 仿真系統(tǒng)功能

整合軌道交通系統(tǒng)仿真或道路交通系統(tǒng)仿真的能力，形成有軌電車自成體系的仿真功能。

2.2.1 基于牽引計算的列車運(yùn)行控制

以牽引計算為理論基礎(chǔ)，考慮有軌電車的車輛特性、乘客的舒適度、線路的坡度、限速等條件因素以及其他的約束（信號、道岔、車站、跟車等），有軌電車在道岔區(qū)域按照聯(lián)鎖的規(guī)則來控制，在區(qū)間按照閉塞的安全間隔距離來追蹤，從而實(shí)現(xiàn)有軌電車的全過程運(yùn)行控制。同時，將每個仿真步長的有軌電車控制結(jié)果同步實(shí)時顯示在Vissim中。

2.2.2 基于運(yùn)行圖的運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)

根據(jù)定義的車輛數(shù)、運(yùn)行任務(wù)、時刻表、發(fā)車間隔、交路等要求，基于全日運(yùn)行圖來完成全線路運(yùn)行仿真，可以生成每一列車每一班次運(yùn)營任務(wù)的距離—速度曲線等數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行整體綜合評估，并能直觀展現(xiàn)影響有軌電車通過能力的瓶頸環(huán)節(jié)，輸出定量指標(biāo)。

2.2.3 信號控制策略的評價

當(dāng)列車經(jīng)過路口時，通過仿真有軌電車通過路口的具體情況來設(shè)計信號優(yōu)先功能（采取絕對優(yōu)先還是相對優(yōu)先的方案），或者接入外部信號優(yōu)先控制機(jī)的控制邏輯，可以在設(shè)計階段對有軌電車在信號優(yōu)先路口的反應(yīng)時間、通行效率、檢測器的埋設(shè)位置設(shè)計等進(jìn)行優(yōu)化，評價該信號控制方案的實(shí)際可行性[7-10]。Vissim中有軌電車信號優(yōu)先仿真界面如圖3所示。

2.2.4 線路通過能力計算及影響因素評價

仿真從有軌電車出段進(jìn)入正線運(yùn)行開始，直至整個運(yùn)營過程結(jié)束。定量地評價有軌電車線路的折返能力、通過能力以及各個區(qū)間的運(yùn)行時分等具體指標(biāo)，找出影響線路通過能力的薄弱環(huán)節(jié)。

圖3 Vissim中有軌電車信號優(yōu)先仿真界面Fig. 3 VISSIM simulation interface for the tram signal priority

圖4 有軌電車全過程運(yùn)行曲線（距離—速度曲線和距離—加速度曲線）Fig. 4 Running curve of the whole tram process (distance-speed curve and distance-acceleration curve)

2.2.5 專題仿真

對線路上影響通過能力的瓶頸段進(jìn)行專題仿真。如仿真有軌電車在折返區(qū)段的運(yùn)行過程，充分體現(xiàn)有軌電車的動力特征以及折返區(qū)段的控制行為，評價某折返站的折返能力。開展針對有軌電車首末站、大小交路轉(zhuǎn)換等場景的專題仿真。在開展列車運(yùn)行過程微觀仿真的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可對有軌電車的能耗指標(biāo)進(jìn)行專題評估。

2.3 仿真系統(tǒng)的特色

從功能和應(yīng)用場景上看，本文所設(shè)計的仿真系統(tǒng)相對于目前主流的道路交通仿真和軌道交通仿真系統(tǒng)來說具有以下5方面特色。

2.3.1 混合交通環(huán)境仿真模式

考慮了軌道交通和道路交通各自的交通特征，有軌電車列車有著確定的實(shí)時速度，特別是在獨(dú)立路權(quán)的區(qū)間行駛時間穩(wěn)定，可預(yù)測列車受到外部信號控制和道岔控制的影響。道路交通的車流特征具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，車輛對信號控制的反映存在差異性。對有軌電車和社會車輛在交叉口沖突點(diǎn)，需要進(jìn)行時空上的分離?；旌系慕煌ōh(huán)境能夠反映不確定性的道路信號和交通條件對有軌電車的影響，同時也能反映有軌電車帶來的道路信號控制系統(tǒng)的參數(shù)變化對各類社會交通的影響。本仿真系統(tǒng)集成了上述場景過程。

2.3.2 運(yùn)行圖與交叉口信號方案協(xié)調(diào)性分析

傳統(tǒng)的軌道列車運(yùn)行圖不能反映道路信號控制帶來的影響，本系統(tǒng)將仿真過程中有軌電車線路上相關(guān)的道路信號控制狀態(tài)與有軌電車的運(yùn)行圖進(jìn)行了整合，將仿真過程中的信號影響完整反映到運(yùn)行圖上，從而為有軌電車運(yùn)行全過程的分析提供了較好的背景條件，如圖5所示。

圖5 混合環(huán)境下有軌電車運(yùn)行圖Fig. 5 Schedule for the tram running in a mixed environment

2.3.3 實(shí)現(xiàn)多交路及成網(wǎng)運(yùn)行仿真

由于線路間交叉聯(lián)系的道岔和折返過程的完整性，通過不同的有軌電車路徑指派，本系統(tǒng)可以同時完整模擬有軌電車線路所有交路車輛的運(yùn)行過程。除了常規(guī)的信號、道岔和車站的影響外，在軌道列車牽引力行為模型中加入了軌道列車跟車模型，可以模擬多列有軌電車并線運(yùn)行以及在交叉口不同方向有軌電車的排隊過程。

2.3.4 多評價指標(biāo)的輸出

系統(tǒng)能夠詳細(xì)記錄有軌電車每個仿真步長的各種狀態(tài)指標(biāo)，同時將道路交通信號、道岔狀態(tài)等全部記錄下來，加上Vissim自身對道路交通系統(tǒng)的評價功能，可以根據(jù)不同需求對軌道專業(yè)、道路交通專業(yè)提供詳細(xì)的評估指標(biāo)（例如平均旅行速度、速度曲線、能耗、延誤等）。

2.3.5 可擴(kuò)展的接口

系統(tǒng)架構(gòu)預(yù)留了硬件通信接口，能夠?qū)⑿枰獪y試的相關(guān)硬件，例如軌旁設(shè)備、道岔、信號控制機(jī)、車輛等硬件參數(shù)化或?qū)嶓w化接入仿真環(huán)境，能輕松實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)或者車路通信等仿真功能。

3 案例應(yīng)用

3.1 案例簡介

下面以實(shí)際工程中某省會城市有軌電車項(xiàng)目一期包含3條交路的有軌電車線網(wǎng)為例，使用本系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析后得到結(jié)論。該案例包含2條有軌電車軌道，運(yùn)行有3條交路，其中3號線與1號線、2號線分別有并線部分，各自共用一個折返站，1號線與2號線有交叉。線網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系如圖6所示。

圖6 案例的線網(wǎng)拓?fù)銯ig. 6 Topological structure of the tram lines in the case

3.2 速度指標(biāo)分析

基于12 h的仿真過程數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可見，網(wǎng)絡(luò)上的車輛平均旅行速度在16～18 km/h。如圖7所示，可以看出有軌電車在既有信號配時方案下的平均旅行速度分布區(qū)間較大，以1號線上行方向?yàn)槔?，最低旅行速度?6.8 km/h，最高旅行速度為20.1 km/h。

圖7 固定配時條件下有軌電車仿真平均旅行速度Fig. 7 Average travel speed of the tram under fixed time conditions

即便在開通初期發(fā)車密度較低的條件下，由于線路并線運(yùn)行，隨機(jī)延誤的累積也會帶來軌道列車跟車的現(xiàn)象，加上信號交叉口延誤，導(dǎo)致有軌電車運(yùn)行速度不穩(wěn)定，中間站的車輛到達(dá)間隔波動較大，降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)服務(wù)水平和運(yùn)輸能力。

3.3 信號方案評價

選取線路上連續(xù)的兩個相鄰交叉口進(jìn)行信號控制方案改善，如圖8所示。

圖8 有軌電車信號控制案例Fig. 8 A case of tram signal control

這兩個路口的有軌電車運(yùn)行方向的進(jìn)口道均設(shè)置了左轉(zhuǎn)專用車道，信號控制方案采用常規(guī)四相位信號控制，如圖9所示。

圖9 有軌電車信號優(yōu)先控制相位Fig. 9 Phase of the signal priority control for the tram

采取的有軌電車信號優(yōu)先控制邏輯設(shè)置為：當(dāng)系統(tǒng)檢測到有軌電車進(jìn)入或者位于交叉口檢測范圍時，如果當(dāng)前相位階段為第一相位階段，則第一相位階段綠燈時長持續(xù)到有軌電車離開交叉口并且達(dá)到最小綠燈時間，再切換到第二相位階段；如果當(dāng)前相位階段為其他相位階段，有軌電車不能通過，則在當(dāng)前相位階段綠燈時間達(dá)到或大于最小綠燈時間后切換進(jìn)入下一相位階段。當(dāng)系統(tǒng)沒有檢測到或者系統(tǒng)內(nèi)沒有有軌電車時，每個相位階段按各自最大綠燈時間進(jìn)行切換[11]。

選取仿真過程中同一輛由西向東的有軌電車在通過分析的兩個信號交叉口區(qū)段沒有信號優(yōu)先和有信號優(yōu)先條件下車輛的距離—速度曲線，如圖10所示，可以看到信號優(yōu)先減少了有軌電車停車次數(shù)，降低能耗并提高了有軌電車行駛的平穩(wěn)性和旅行速度。

圖10 信號控制方案優(yōu)化前后的速度曲線對比Fig. 10 Comparison among the velocity curves before and after signal control scheme optimization

3.4 折返能力分析

系統(tǒng)折返模型根據(jù)實(shí)際的有軌電車牽引力以及道岔轉(zhuǎn)折時間和停站時間等條件進(jìn)行計算，完整的折返過程如圖11所示，仿真得到的有軌電車站后折返各作業(yè)流程時序如圖12所示。仿真結(jié)果顯示前后車的最小折返間隔時間是92 s，該站的折返能力最大是39對/h。

4 結(jié)語

圖11 有軌電車站后折返示意Fig. 11 Turning back of the tram

圖12 有軌電車站后折返各作業(yè)流程時序Fig. 12 The operation sequence of the tram turning back

綜上所述，EasyTram是一個以軌道車輛動力學(xué)特征為基礎(chǔ)的有軌電車運(yùn)行仿真系統(tǒng)，建立了與道路交通仿真平臺Vissim的互控關(guān)系，共同形成一種現(xiàn)代有軌電車一體化仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)能為有軌電車規(guī)劃設(shè)計方案的全面評估提供量化支持。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在上海、浙江、湖北、四川等多個省市的有軌電車項(xiàng)目中得到應(yīng)用。下一步將結(jié)合決策需求完善輸出指標(biāo)和展示界面，實(shí)現(xiàn)更加友好的決策支持。