自動駕駛技術在現(xiàn)代有軌電車中的應用

馮冬梅

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100083）

1 有軌電車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

隨著國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展建設的需要，有軌電車已在不少大中城市規(guī)劃建設。除了常規(guī)的中運量地面現(xiàn)代非獨立路權的有軌電車，還出現(xiàn)了大量特殊場景及區(qū)域內(nèi)的有軌電車。比如，獨立高架模式，利用原有鐵路軌道、大的片區(qū)內(nèi)、景區(qū)內(nèi)、機場內(nèi)捷運系統(tǒng)等具有獨立路權的各種不同應用場合的有軌電車，而這種高級別具有獨立路權的有軌電車的運能設計可達到2.5萬人次/h，相當于一條輕軌線的能力。

因有軌電車主要特征為地面非獨立路權敷設方式，自動駕駛的實施條件較差，不能實現(xiàn)自動駕駛或自動折返，目前國內(nèi)外有軌電車不論任何場景、條件均采用全人工駕駛模式，嚴重影響系統(tǒng)的運能和實際運營效率，同時造成運營成本及司機勞動強度的增加。

一般來說，具有獨立路權敷設的有軌電車、線路及運營條件與地鐵及動車組類似。為此，應順應軌道交通車輛自動化運營發(fā)展趨勢，積極推進獨立路權有軌電車的自動化駕駛，從而可以有效提升線路運輸能力、提高安全性能、降低能源消耗、減少人員成本等。

2 有軌電車自動駕駛關鍵技術分析

（1）有軌電車的功能定位、線路、站位特點、軌道形式、車站型式及運營管理模式等與常規(guī)地鐵存在較大差異，車輛的自動駕駛模式需求及等級配置也有不同。（2）由于有軌電車車輛特征與地鐵車輛存在較大差異，常規(guī)地鐵信號控制系統(tǒng)不能直接應用于有軌電車車輛以實現(xiàn)自動駕駛。（3）有軌電車綜合統(tǒng)一的運營調(diào)度模式與常規(guī)地鐵存在較大差異，列車的自動控制系統(tǒng)互聯(lián)互通兼容性要求更靈活。

綜上分析，具有完全獨立路權有軌電車實現(xiàn)自動駕駛的關鍵技術如下：（1）針對有軌電車車輛特征的列車自動控制關鍵技術；（2）針對獨立路權有軌電車應用場景的信號系統(tǒng)列車自動監(jiān)控、列車安全防護、列車自動駕駛等適用性關鍵技術；（3）有軌電車的自動駕駛，車載、軌旁、中心設備安裝配置的適用性關鍵技術。

3 車輛實現(xiàn)自動控制的關鍵技術

車輛的自動控制主要是對制動系統(tǒng)的控制，因為制動系統(tǒng)性能直接影響車輛控制效果和制動模式。有軌電車車輛與地鐵的制動特性最大區(qū)別有三點：（1）有軌電車制動方式為液壓制動，非空氣制動，無法提供車輛載荷信號，制動性能誤差較大；（2）有軌電車制動模式主要針對地面混行場景，有5級制動，地鐵為3級制動；（3）有軌電車制動性能減速度比地鐵大很多。如何實現(xiàn)自動駕駛技術在有軌電車上的應用，關鍵在于車輛ATO自動控制、ATP自動防護需要的電氣接口技術和車輛緊急制動適應性技術。

3.1 電氣接口技術

電氣接口的實現(xiàn)可采用繼電器接口和MVB通信總線接口兩種形式。常規(guī)地鐵列車電氣接口均采用繼電器接口形式，但有軌電車受空間限制，若均采用繼電器形式，會導致安裝空間過大，車輛大量改造，產(chǎn)生過多費用。為保證車輛自動駕駛的安全控制，同時達到經(jīng)濟效益的最大化，車輛與車載信號控制系統(tǒng)安全輸入和輸出類電氣接口可采用繼電器接口，非安全輸入和非安全輸出接口可采用MVB接口。

3.2 緊急制動適應性開發(fā)

常規(guī)有軌電車車輛緊急制動減速度太大，安全制動不帶防滑，如何實現(xiàn)各種駕駛模式下的常規(guī)制動及緊急制動需要進行適應性開發(fā)設計。

具有開放路權的有軌電車需考慮意外情況出現(xiàn)，車輛緊急制動的減速度參數(shù)不小于2.0m/s2，安全制動的減速度參數(shù)不小于1.0m/s2。

具有完全獨立路權的有軌電車，不存在采用較大的緊急制動預防與行人或社會車輛相撞情況。安全制動的減速度參數(shù)可參考地鐵要求，將有軌電車車輛五種制動模式依據(jù)場景需求優(yōu)化為與地鐵類同的三種制動模式，ATP緊急制動采用純機械制動的安全制動輸出，車輛安全制動減速度參數(shù)降至1.2m/s2。

針對有軌電車自動駕駛的制動控制，提出適用于有軌電車的ATP制動輸出原則：（1）ATP所有功能性的防護均采用常用制動進行防護；（2）ATP在常用制動失效或ATP故障宕機情況下采用緊急制動進行防護。

4 信號系統(tǒng)實現(xiàn)自動駕駛的要點

有軌電車實現(xiàn)常規(guī)地鐵信號系統(tǒng)CBTC的控制，需重點解決以下核心問題：（1）有軌電車的制動減速度誤差比較大，如何保證精準停車，將停車誤差控制在±300mm；（2）有軌電車的制動性能誤差比較大，如何既保證列車運行安全，又保證運營效率；（3）有軌電車安裝空間狹小，如何解決自動駕駛信號車載設備的安裝問題，如VOBC機柜、車地無線感應設備、天線、速度傳感器等；（4）解決基于U型槽軌的有軌電車地面軌旁設備安全、可靠安裝問題。

4.1 精準停車

有軌電車沒有車輛載荷補償，即便在列車載荷不變的情況下，也無法達到普通地鐵列車的控制精度，更無法實現(xiàn)固定的制動減速度進行精確停車的控制。同時，有軌電車的制動減速度誤差至少為±15%，若采用傳統(tǒng)地鐵方式進行列車制動停車距離計算，會導致精確停車失敗。

經(jīng)過多次模擬仿真后，調(diào)整ATO制動停車計算方法及相關參數(shù)可基本實現(xiàn)精準停車。ATO控制列車持續(xù)輸出制動命令，從大到小，控制列車在距離停車點特定位置（0.5m）達到特定速度（1m/s）。持續(xù)輸出制動命令之后，ATO不對制動距離進行計算，直接施加指定的制動減速度實施制動停車。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，此停車精確取決于列車在0.5m處的速度是否能夠達到1m/s以及當時施加的制動率。若速度和制動率能控制到10%以內(nèi)，則能夠滿足精確停車需求。

4.2 運營安全及效率保證

有軌電車的制動性能有±15%的誤差，若不考慮制動性能誤差，則可能會由于實際制動性能太弱，而導致沖出安全區(qū)域并超速。若在計算列車制動距離時，考慮±15%的誤差，則可能會由于采用最不利情況的制動減速導致計算的列車制動距離過長，降低列車制動效率。因此，既保證列車運行安全，又保證運營效率，是自動駕駛應用于有軌電車的又一關鍵技術。

通過對車輛的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)有軌電車車輛在列車載荷不變的情況下，列車的制動率誤差相對比較穩(wěn)定。因此，文章提出在信號系統(tǒng)ATO系統(tǒng)中增加制動減速度誤差計算功能以實時計算制動率誤差，從而使得實際制動率與計算制動率的誤差控制在±5%以內(nèi)，既可以避免制動率不足引起的超速問題，又可以充分利用制動率保證運營效率。

4.3 其他關鍵技術

信號系統(tǒng)對于車載設備有限空間內(nèi)的集成化、分散化安裝設計和軌旁信號設備的適應性安裝設計，也直接關系到自動駕駛技術在有軌電車應用的安全性、可靠性，還需要在實際工程中研究和驗證。

5 工程應用

目前，現(xiàn)代有軌車的自動駕駛技術在昆明長水機場旅客捷運系統(tǒng)得以應用。該捷運系統(tǒng)應用場景雖類似地鐵，但同時具備軌電車車輛、車站、軌道敷設等特征，及機場內(nèi)特有的運營管理模式，因此自動駕駛技術在該工程有軌電車中的應用與常規(guī)地鐵系統(tǒng)有較大差異。

信號系統(tǒng)針對有軌電車車輛的ATO自動調(diào)速控制，進行了適應性電氣、機械接口研發(fā)及測試，車載ATO控制利用采集到的數(shù)據(jù)信息進行了適應性計算調(diào)整，已經(jīng)過測試平臺大量模擬仿真，實現(xiàn)車輛的自動駕駛，且停車精度可控制在±300mm以內(nèi)。系統(tǒng)滿足初期高峰小時發(fā)車間隔4.5min、遠期高峰小時發(fā)車間隔2.5min的要求。列車在正線可實現(xiàn)150s的追蹤間隔，平均旅行速度可達29.91km/h。

6 結束語

隨著智能化控制技術的發(fā)展，國內(nèi)多個城市如沈陽、天津、蘇州、上海、南京、北京、淮安等地新建的有軌電車已通過地面裝設轉(zhuǎn)轍機、信號機、計軸、感應環(huán)線等軌旁設備，控制中心遠程監(jiān)控等技術措施，實現(xiàn)對車輛自動排列進路，車輛自動定位。通過設置路口信號優(yōu)先系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛在十字路口優(yōu)先行車，提高了行車效率，但仍以司機目視行車為主。對于具備獨立路權的有軌電車線路，仍采用司機人工駕駛模式，在運營效率、乘客舒適度等方面有較大影響。國內(nèi)外不少廠家已在研發(fā)有軌電車的自動駕駛技術，西門子Combino自動電車在德國東部城市波茨坦的軌道上成功運行，中國四方電車車廠研發(fā)的自動駕駛有軌電車已在佛山南海試驗運行。未來各種應用場景下有軌電車自動駕駛技術的實現(xiàn)，將成為有軌電車發(fā)展的趨勢及研究方向之一。