基于路面發(fā)光信標(biāo)的智軌電車平交道口路權(quán)共享策略

劉瀏 蔣小晴 李超 吳雄韜

(1.中車株洲電力機車研究所有限公司城市發(fā)展事業(yè)部 湖南株洲 412001；2.株洲中車時代電氣股份有限公司裝備事業(yè)部湖南株洲 412001)

2017年6 月2 日，由中車株洲電力機車研究所有限公司研制的一種名為“智軌軌道快運系統(tǒng)（Autonomous Rail rapid Transit, ART）”的全新交通產(chǎn)品在株洲首次亮相[1]，與現(xiàn)代有軌電車相比，該車采用膠輪承載，取代了傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌，因此不需要鋪設(shè)專有的物理軌道，通過自主研發(fā)全球獨有的軌跡跟隨控制技術(shù)，控制智軌列車在虛擬軌道上智能導(dǎo)向，同時依靠特定的信號控制技術(shù)對智軌電車在虛擬軌道的行進進行約束，提高安全性。智軌電車采用軌跡跟隨、低地板和高效電傳動技術(shù)，集合了有軌電車無污染，速度快、大運量的特點，又吸收了傳統(tǒng)公交客車的運營靈活，建設(shè)投入小等優(yōu)勢；具有綜合運力強、建設(shè)周期短等優(yōu)越性[2]。

平交道口是不同方向的兩條以上道路的相交處，它是整個城市道路網(wǎng)不可缺少的組成部分[3]，對于大多數(shù)城市道路來說，平交道口是堵車最嚴(yán)重的區(qū)域，在大車流的情況下，平交道口的服務(wù)水平?jīng)Q定著整條路線的通行能力。

智軌線路可以采取完全獨立路權(quán)、半獨立路權(quán)以及混合路權(quán)3種形式，其中半獨立路權(quán)在線路區(qū)間使用專用道路形式，而在平交道口與道路其他車輛交匯運行，是智軌電車最為普遍的路權(quán)形式[4]。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有智軌項目以及有軌電車項目的發(fā)車頻次，早晚高峰的發(fā)車間隔為6～10 min[5]，平峰時的發(fā)車頻次約8～15min，而智軌電車從停止線啟動并通過一個50m長的路口不超過15s，交叉路口智軌專用車道的長時間空置會造成道路資源的浪費，且?guī)聿涣忌鐣浾摰挠绊?。在半獨立路?quán)的形式下，如何提高在平交道口區(qū)域智軌專用車道的路權(quán)分享能力，對提升整個智軌交通環(huán)境尤為重要。

本文介紹了基于地面發(fā)光信標(biāo)的智軌電車平交道口路權(quán)共享策略。在平交道口區(qū)域，根據(jù)智軌電車的實時位置、速度以及通行方向等信息，動態(tài)控制平交道口區(qū)域顯示路權(quán)的地面發(fā)光信標(biāo)的發(fā)光狀態(tài)，從而劃定社會車輛允許（禁止）進入的平交道口智軌專用車道允許排隊等候區(qū)域，充分發(fā)揮平交道口智軌專用車道的通行能力，提高整個平交道口的服務(wù)水平，并通過VISSIM交通仿真[6]軟件對該策略的應(yīng)用效果進行了驗證。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智軌平交道口路權(quán)共享系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由車載系統(tǒng)、后臺系統(tǒng)以及軌旁設(shè)備組成，具體關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

1.1 車載系統(tǒng)

車載系統(tǒng)包括車載讀寫網(wǎng)關(guān)、車載信號系統(tǒng)以及車輛網(wǎng)路控制系統(tǒng)。車載讀寫網(wǎng)關(guān)安裝在智軌電車車頭合適位置，能夠獲取車輛位置、速度與行車方向等信息，計算車輛達到平交道口所需時間，按照路權(quán)共享策略控制對應(yīng)的地面發(fā)光信標(biāo)，并將控制信號通過專網(wǎng)或公網(wǎng)LTE傳送給地面通信裝置，同時從地面通信裝置讀取發(fā)光信標(biāo)的工作狀態(tài)信息，實時監(jiān)控其工作狀態(tài)及相關(guān)指標(biāo)。

車載信號系統(tǒng)主要實現(xiàn)車輛測速、定位、判斷運行方向、進路功能、安全防護等功能，并給司機提供輔助駕駛信息，通過以太網(wǎng)接口將智軌電車運行信息發(fā)送給路權(quán)共享系統(tǒng)的車載讀寫網(wǎng)關(guān)，車載讀寫網(wǎng)關(guān)根據(jù)該信息控制對應(yīng)發(fā)光信標(biāo)的發(fā)光狀態(tài)。

車輛網(wǎng)路控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、通信等功能，通過以太網(wǎng)接口接收路權(quán)共享系統(tǒng)狀態(tài)信息，并通過專網(wǎng)或公網(wǎng)LTE向后臺管理系統(tǒng)發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)。

1.2 后臺系統(tǒng)

后臺系統(tǒng)包括后臺管理系統(tǒng)以及調(diào)度管理系統(tǒng)。后臺管理系統(tǒng)根據(jù)車載讀寫網(wǎng)關(guān)通過無線通信上傳而來的數(shù)據(jù)，進行狀態(tài)監(jiān)視、維護管理和事件記錄等，管理地面發(fā)光信標(biāo)的工作狀態(tài)，運行參數(shù)等，為維護提供參考信息。通過以太網(wǎng)接口與調(diào)度管理系統(tǒng)通信，向調(diào)度管理系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)、參數(shù)及報警等信息。

圖1 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

調(diào)度管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)全線運行狀態(tài)監(jiān)控、運行圖編輯、運營調(diào)整及管理統(tǒng)計等功能，通過以太網(wǎng)接口接收路權(quán)共享系統(tǒng)的后臺管理系統(tǒng)反饋的狀態(tài)、參數(shù)及報警等信息。

1.3 軌旁設(shè)備

軌旁設(shè)備包括地面通信裝置與地面發(fā)光信標(biāo)。地面通信裝置安裝在平交道口附近的站臺或其他合適區(qū)域，用于接收車載讀寫網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的地面信標(biāo)的控制信號，并發(fā)送給地面發(fā)光信標(biāo)控制其發(fā)光狀態(tài)；同時接收地面發(fā)光信標(biāo)的狀態(tài)信息并發(fā)送給車載讀寫網(wǎng)關(guān)。

地面發(fā)光信標(biāo)使用鑄鋁合金一體成型，嵌入路面，用于安裝發(fā)光信標(biāo)主體?？梢园惭b在智軌專用道路一側(cè)或兩側(cè)，采用等距的方式布置。其采用車輛喚醒方式，由地面通信設(shè)備通過無線與地面發(fā)光信標(biāo)通信，喚醒地面發(fā)光信標(biāo)。

2 平交道口路權(quán)共享策略

為了保證智軌電車運營過程中的高效及準(zhǔn)點率，采用半獨立路權(quán)的智軌電車通過占用平交道口其中的一條渠化道運行，勢必會影響與智軌電車同向社會車輛的通行能力。

2.1 平交道口路權(quán)共享策略概述

通過獲取智軌電車實時的位置、速度以及運行方向等信息，動態(tài)地控制平交道口不同區(qū)域地面發(fā)光信標(biāo)的發(fā)光狀態(tài)，允許社會車輛在不影響智軌電車正常通行的情況下占用平交道口智軌電車專用道，實現(xiàn)平交道口路權(quán)共享的模式可以在一定程度上減輕社會車輛通行的壓力，提高平交道口的服務(wù)水平。

利用地面發(fā)光信標(biāo)在平交道口設(shè)置智軌電車專用道允許排隊等候區(qū)，社會車輛可以進入允許排隊等候區(qū)并由此通過平交道口。為了保證平交道口路權(quán)共享系統(tǒng)的有序、高效運行，引入如下運行策略：

（1）為了可以合理控制允許排隊等候區(qū)的排隊長度，只允許社會車輛從旁道變道進入允許排隊等候區(qū)；

（2）地面發(fā)光信標(biāo)的禁行標(biāo)識（紅燈常亮）只禁止旁道車輛進入該區(qū)域，不對已經(jīng)合法進入該區(qū)域的車輛進行警示；

圖2 示例十字平交道口

（3）當(dāng)?shù)孛姘l(fā)光信標(biāo)收到不同車輛發(fā)送的控制信號時，優(yōu)先執(zhí)行紅燈常亮動作，即優(yōu)先保障智軌電車專用道暢通；

（4）允許排隊等候區(qū)的長度應(yīng)根據(jù)智軌電車運行至路口所需時間以及該平交道口紅綠燈相位設(shè)置及相位時長進行設(shè)定；

（5）允許排隊等候區(qū)的最大長度應(yīng)大于該車道綠燈相位時間內(nèi)所能清空社會車輛范圍的平均長度；

（6）允許排隊等候區(qū)的最小長度應(yīng)小于在該車道綠燈相位時間內(nèi)除去智軌電車通過平交道口的時間外所能清空社會車輛范圍的平均長度；

（7）為了保證運行安全，在智軌電車靠近平交道口時，不允許任何車輛變道進入智軌電車專用車道。

2.2 平交道口路權(quán)共享策略應(yīng)用

圖2所示的示例十字平交道口中，假設(shè)智軌電車采用路中式敷設(shè)方式沿東西向運行。圖中共標(biāo)識出A、B、C、D這4個點，為平交道口路權(quán)共享策略的關(guān)鍵控制點。其中A點與C點之間均布置地面發(fā)光信標(biāo)，間距為1m，均勻布置。其中，A點為一個綠燈時間內(nèi)可以與智軌電車一同通過平交道口的允許排隊等候區(qū)長度；B點為智軌電車到達時間大于一個紅綠燈循環(huán)時間時允許排隊等候區(qū)的長度，A點與B點之間的長度為一個該車道綠燈時間內(nèi)所能清空道路的平均長度；C點為社會車輛禁行點，不允許社會車輛從智軌車道直接駛?cè)肫浇坏揽谠试S排隊等候區(qū)（只允許社會車輛在地面發(fā)光信標(biāo)常綠區(qū)域變道進入平交道口允許排隊等候區(qū)）；D點為動態(tài)點，根據(jù)車載信號系統(tǒng)提供的智軌電車實時位置、速度以及運行方向信息，預(yù)測智軌電車在該點到平交道口停止線的運行時間正好為平交道口一個紅綠燈循環(huán)的時間。

智軌電車平交道口路權(quán)共享策略流程如圖3所示。智軌電車實時獲取位置、速度與運行方向等信息，并由車載信號系統(tǒng)將信息傳送給車載讀寫網(wǎng)關(guān)以判斷智軌電車是否達到D點（到達平交道口所需的時間是否小于路口），如果該位置未到D點，則允許社會車輛進入B點之前的區(qū)域排隊等候；如果智軌電車經(jīng)過D點，處于D點與C點之間的位置時，A點與B點之間的地面發(fā)光信標(biāo)紅燈常亮，禁止社會車輛進入此區(qū)域，只允許社會車輛從A點之前進入智軌專用車道，已經(jīng)處于A點與B點之間的車輛可以繼續(xù)停留等待。如果智軌電車經(jīng)過C點，處于C點與停止線之間的位置時，C點到停止線之間的地面發(fā)光信標(biāo)全部紅燈常亮，禁止社會車輛進入智軌電車專用車道。

圖3 智軌平交道口路權(quán)共享策略流程圖

圖4 信號燈仿真配時方案

3 平交道口仿真參數(shù)設(shè)置

本文選用VISSIM作為仿真工具并結(jié)合圖3所示的十字平交道口與智軌電車運營的特征，對平交道口信號燈配時方案、社會車輛交通量、智軌信號優(yōu)先方案、平交道口關(guān)鍵控制點等仿真參數(shù)進行設(shè)置。

3.1 信號燈配時方案

示例平交道口信號燈配時方案為4相位，周期長度為120s，每個相位黃燈時間為3s，綠間隔時間為2s，配時方案如圖4所示。

3.2 社會車輛交通量

為了減少外部參數(shù)對移動路權(quán)系統(tǒng)評價結(jié)果的影響，將示例十字平交道口中各個路口的社會車輛交通量參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置，其交通量表如表1所示。

3.3 智軌信號優(yōu)先方案

為了保證智軌電車的運行效率與準(zhǔn)點率，一般在智軌電車通過路口時均進行相應(yīng)的信號優(yōu)先設(shè)置。本文在智軌電車通過路口時設(shè)置絕對優(yōu)先控制策略[7]，信號優(yōu)先方案的控制邏輯為當(dāng)智軌電車靠近路口時，如果當(dāng)前相位大于最小綠燈時間（10s）則立即轉(zhuǎn)換為東西直行相位（如果當(dāng)前相位為東西直行則不發(fā)生轉(zhuǎn)變），直至智軌電車通過且東西直行綠燈執(zhí)行25s后轉(zhuǎn)換成被轉(zhuǎn)換相位的下一常規(guī)相位，如下一常規(guī)相位為東西直行則跳過并轉(zhuǎn)換為東西直行的下一相位。

3.4 平交道口關(guān)鍵控制點設(shè)置

根據(jù)平交道口實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計，車輛正常運行時，平交道口一條渠化道25s綠燈時間內(nèi)小汽車通行量約10輛；當(dāng)智軌電車與小汽車在一個綠燈時間內(nèi)通過時，最多可同時通過的小汽車數(shù)量為6輛。實際測量渠化道等待區(qū)每輛小汽車間隔約為6m（小汽車長約4.5m，車間距約1.5m）。根據(jù)以上信息對平交道口關(guān)鍵控制點的位置進行設(shè)置:A點距離平交道口停止線的距離設(shè)置為30m，預(yù)計此區(qū)域排隊車輛在一個綠燈時間內(nèi)與智軌電車一同通過平交道口;B點與A點之間的距離設(shè)置為60m，預(yù)計此區(qū)域車輛在智軌電車遠離平交道口時，利用一個綠燈時間通過平交道口;C點與B點之間的距離設(shè)置為100m，此區(qū)域設(shè)置為社會車輛禁行區(qū);D點與平交道口停止線的距離根據(jù)智軌電車運行速度（40km/h）設(shè)置為1300m。

表1 社會車輛交通量設(shè)置

表2 仿真結(jié)果

4 平交道口仿真結(jié)果

根據(jù)上文第3節(jié)中確定的仿真參數(shù)，分別建立應(yīng)用智軌電車平交道口路權(quán)共享策略與應(yīng)用智軌電車平交道口專用車道的仿真模型，在同等交通條件下，統(tǒng)計不同的交通評價指標(biāo)對兩種模型中與智軌電車同向的交叉路口社會車輛的通行能力進行仿真評估。

4.1 評價指標(biāo)

本文選用VISSIM作為仿真工具對智軌電車及社會車輛在道路上的各種行為，如跟車、超車、變換車道、響應(yīng)平交道口信號控制等進行較真實的反應(yīng)，選取與模型平交道口中與智軌電車同向道路的排隊長度、通行能力、服務(wù)水平、智軌平均延誤4個參數(shù)作為仿真模型的評價指標(biāo)。

在VISSIM中排隊長度分為最大排隊長度與平均排隊長度，通過設(shè)置一條排隊等候線并設(shè)置相應(yīng)的排隊條件就可以在評估結(jié)果列表中自動對排隊長度進行記錄；通行能力是指所評價道路上某一路段單位時間內(nèi)通過某一斷面的最大車輛數(shù)；服務(wù)水平用于衡量交通服務(wù)質(zhì)量，本文利用飽和度作為被評價道路服務(wù)水平衡量的標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)水平共分為A、B、C、D、E、F這6個等級，分別由通暢到堵塞反應(yīng)不同的交通狀況；智軌電車平均延誤是指通過交叉路口的每列智軌平均的延誤時間。

4.2 仿真結(jié)果

根據(jù)上文中的路權(quán)共享策略及仿真參數(shù)設(shè)置在VISSIM中建立仿真模型，輸出的仿真結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)顯示，在3600s的仿真時間內(nèi)，應(yīng)用共享路權(quán)策略平交道口智軌電車方向社會車輛的平均排隊長度為48.23m，而使用智軌電車專道的平交道口智軌方向社會車輛排隊長度達到了222.65m，同時與智軌同向車道的通行能力與服務(wù)水平上也體現(xiàn)出了平交道口路權(quán)共享策略的優(yōu)勢。與此同時，由于兩種策略下智軌電車均具有信號優(yōu)先權(quán)，不同的模型中智軌電車的平均延誤時間均不會對運營的準(zhǔn)點率造成影響。

5 結(jié)語

智軌、有軌電車、BRT等都屬于中小運量地面公共交通的范疇，在運行過程中為了保證公交優(yōu)先的有效實施，此類公共交通工具均需要占用一定的道路資源，特別是在交通壓力較大的平交道口區(qū)域，大多通過設(shè)置一條專門的車道來保證其優(yōu)先運行，這樣勢必會造成或加重該區(qū)域的交通堵塞，給社會車輛的通行帶來較大的壓力；以此同時，在此類公共交通工具發(fā)車頻次較低時會使平交道口的專用道路長時間閑置，造成道路資源的浪費，也造成不良的社會影響。通過采集車輛運行過程中實時位置、速度以及運行方向等信息，利用平交道口地面發(fā)光信標(biāo)不同的發(fā)光狀態(tài)，在不影響智軌正常運行效率的情況下，指引社會車輛根據(jù)提出的路權(quán)共享策略占用平交道口智軌專用車道。通過VISSIM仿真軟件進行相應(yīng)的建模與仿真，結(jié)果表明，該策略可以在保證智軌運營效率的情況下顯著減少平交道口社會車輛的排隊長度，并明顯提高了平交道口社會車輛的通行能力與服務(wù)水平。

本文僅通過Vissim軟件對提出的基于路面發(fā)光信標(biāo)的智軌電車平交道口路權(quán)共享策略進行了仿真驗證，在實際應(yīng)用過程中可能會因系統(tǒng)本身或交通環(huán)境下各種不確定性的影響對系統(tǒng)的運行效率甚至交通安全造成的影響。在下一步工作中將通過試驗以及實際應(yīng)用對整個系統(tǒng)的可行性以及可靠性進行工程優(yōu)化。