智能軌道快運系統車路協同技術研究

劉偉康，蔣小晴，肖 磊，粟愛軍

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著我國城市化進程的加速，人們對出行的需求不斷增漲，加之城市內機動車保有量持續(xù)攀升，導致道路擁堵問題日漸嚴重。如何在有限的道路資源條件下提高道路通行效率，從而緩解城市擁堵問題，是確保城市可持續(xù)發(fā)展研究的重要課題，而智慧交通車路協同就是其中重要的課題之一。

智能車路協同系統（簡稱“車路協同系統”）是智能交通系統（intelligent transport system）的最新發(fā)展方向。車路協同是采用先進的無線通信技術和新一代互聯網技術等，全方位實施車-車、車-路動態(tài)實時信息的交互，并在全時空動態(tài)交通信息采集與融合的基礎上進行車輛主動安全控制和道路協同管理，充分實現“人-車-路”的有效協同，以保證交通安全并提高通行效率，從而形成安全、高效且環(huán)保的道路交通系統[1]。自科技部2011年9月7日簽發(fā)“關于863計劃現代交通技術領域智能車路協同關鍵技術研究主題項目立項”的通知以來，各科研院校積極投入到車路協同的研究及應用中。文獻[2]提出了一種基于車-路、車-車協同的匯流路口避撞方法，其通過協同平臺計算動態(tài)車輛的沖突點，并利用APP引導駕駛員作出規(guī)避的駕駛行為，從而達到避撞的目的。近年來，以有軌電車為代表的中運量運輸系統加入城市交通中，針對其進行的相關研究已成為新的熱點。文獻[3]通過分析有軌電車及其交通信號的特點，闡述了有軌電車信號優(yōu)先對社會交通的影響，提出引入車路協同技術來降低有軌電車對社會交通的影響，并初步構建了一套基于多模式無線通信管理下的車路協同系統及信號優(yōu)先的應用方案。文獻[4]分析指出現代有軌電車采用的絕對優(yōu)先方式會導致社會交通車輛通行效率的降低，提出了一種車路協同技術方案，其通過將路口綠波周期與有軌電車實時位置信息相結合，反向引導有軌電車的行進速度，從而更有效地融合同相的綠波帶通過平交路口。文獻[5]基于多車道的車路協同，提出一種改善車輛運行效率和運行安全的微觀交通誘導和控制方法的模型。文獻[6]提出利用GPS（global positioning system）定位、RSTP（rapid spanning tree protocol）以及移動互聯網技術搭建一套具備路口狀態(tài)調看及優(yōu)先申請的輔助駕駛系統，從而提高特種車通行效率。由上述車路協同的應用技術研究可以看出，通過車路協同技術應用，增強車-車、車-地間的耦合協同作用，能一定程度地提高平交路口車輛通行效率，增強交通預警及安全防護功能。

智能軌道快運系統（autonomous-rail rapid transit，ART）是一種以地面運行為主、采用系統化的軌道交通運營模式的全新中運量交通制式，但地面公共交通復雜的應用環(huán)境給ART的安全快捷運營帶來了較大的挑戰(zhàn)。本文對ART車路協同技術展開研究，包括車地網絡構建、路徑感知技術、在平交路口的車地協同技術及移動路權方案等，實際應用結果表明，采用所設計的方案后，不僅能較好地保障智軌電車的通行安全，同時還有效地提高了道路通行效率。

1 ART車路協同技術簡介

ART主要由供電/能量管理系統、車站、車輛、虛擬軌道、綜合運控中心及檢修中心6大部分構成。智軌電車因擺脫了物理軌道而提高了靈活性，但長車身和復雜運行環(huán)境等因素卻較大程度地影響了其運行的安全性與高效性。首先，智軌電車基于地面道路運行，車-車、車-地矛盾較為突出，需要一種覆蓋全面、安全且可靠的通信手段將車-車、車-地設備緊密連接，從而加強車-車、車-地間的協同作用，為其安全高效的運行提供有力的技術保障。其次，智軌電車運行的安全及高效需基于一定的路權基礎，會造成道路資源的占用，如何在提高道路使用效率的同時又能保障ART的運營效率，這需要車、路、路口信號間具備良好的協同策略。此外，智軌電車類軌道運行，在乘客體驗及智能駕駛技術方面，相較常規(guī)地面公交有更高的指標及技術要求?；诖?，本文構建了ART車路協同方案，如圖1所示。

圖1 智能軌道快運系統構成Fig. 1 Composition of ART

2 智軌電車自動循跡系統

智軌電車通過路徑感知及軌跡跟隨等技術，將車輛模擬成在軌道上行駛的狀態(tài)，一方面大大簡化了因多編組而導致的大轉彎半徑問題，同時給乘客帶來了軌道車輛平穩(wěn)舒適的乘坐體驗。

在路徑感知方面，智軌電車主要采用視覺圖像識別技術；利用高速圖像采集攝像頭收集車輛前方一定距離的實時圖像，經過圖像分析，識別出一連串特定規(guī)格的雙虛線，從而模擬出一條行進路徑；再通過衛(wèi)星定位和慣性導航并結合電子地圖，對計劃運行線路進行輔助校準，從而精確感知識別行進路徑；同時車輛配置了激光雷達檢測設備，對行進路徑上的障礙物進行識別，以有效避免智軌電車在局部積水、積雪路段因道路虛擬軌跡線標被覆蓋而造成的誤判，因而具備較好的容錯效果。智軌電車通過循跡控制（圖2）、依據感知的路徑信息進行前軸轉向控制；利用閉環(huán)自動控制技術使頭車能穩(wěn)定地追蹤感知到的路徑并沿此路徑運行。利用軌跡跟隨及自主導向控制技術，智軌電車將每一個具有轉向能力的車軸進行協同聯動控制，使每一個車軸的運動軌跡與前一車軸軌跡相重合，確保車輛運行在所設定的虛擬軌道上，并與道路形成一個有機的整體，從而實現車路協同控制。

圖2 智軌電車自動循跡原理框圖Fig. 2 Block diagram of automatic tracking technology for autonomous-rail rapid tram

ART沒有物理上的道岔結構，為了解決多線匯合形成的道岔問題，本文根據ART自身特點，提出了一種基于虛擬道路及多維感知相結合的虛擬道岔技術（圖3），其通過自動循跡技術讓車輛能夠完全感知虛擬軌道線?；谠摷夹g，在預達道岔路段時，通過車輛的多冗余定位校正獲得車輛當前運行的位置及方向信息；再結合運控中心下發(fā)的路徑規(guī)劃數據，使智軌電車智能控制系統得到正確的路徑控制決策信息，進而做出符合運行計劃的變軌動作。

圖3 ART虛擬道岔Fig. 3 Block diagram of the railroad switch for ART

3 車地通信

ART通信系統采用基于地鐵的長期演進技術(long term evolution metro, LTE-M)，有線傳輸網絡主要由各站臺的接入交換機以及控制中心交換機串聯形成環(huán)網，作為傳輸系統骨干網絡，其承載各車站及調度中心的通信數據傳輸任務；無線傳輸借助有線環(huán)網，通過在站臺及沿線部署室內基帶處理單元（building baseband unit,BBU）與遠端射頻模塊（remote radio unit, RRU）來實現全線網絡覆蓋；在車輛上部署車載無線通信單元（train access unit, TAU）以實現車輛到地面端的無線通信；在控制中心端部署路由器、交換機、核心網服務器及網管終端設備以實現總體組網配置。ART整體網絡環(huán)境如圖4所示。

圖4 ART網絡組成Fig. 4 Composition of ART network

在統一的網絡環(huán)境下，ART可以實現調度中心對整體車輛的運行調控及車輛與站臺廣播、乘客信息和路口交通信號等系統的整體協同運作，從而保障ART安全有序地運行。

4 路口信號優(yōu)先系統

智軌電車運行于地面環(huán)境，為了降低對社會車輛的影響，多采用半專有路權或者共享路權，在平交路口與非同相的社會車輛存在行進路徑的沖突點，其通過配合城市智能交通信號燈管理系統形成路口信號優(yōu)先系統。ART利用其專有的有線通信網絡與路口交通信號機對接，實現優(yōu)先指令的觸發(fā)與優(yōu)先結果的回傳。文獻[7]提出有軌電車應對早到及晚點的車輛根據不同到達情況，分別采用延長綠燈、縮短紅燈及插入優(yōu)先相位的策略。當前各大城市引進路口優(yōu)先大多基于此種紅綠燈控制策略。ART的信號優(yōu)先系統（圖5）[8]基于城市智能交通信號燈管理系統而設置，在宜賓市已形成較成熟的應用；根據智軌電車行駛路徑的道路級別與橫向路徑的道路級別及路口的繁忙系數，因地制宜地采用相對優(yōu)先與絕對優(yōu)先相結合的方式，即在城市瓶頸要道上采用相對優(yōu)先機制、在智軌電車行進道路類等級較高路段上采用絕對優(yōu)先策略。

圖5 信號優(yōu)先系統Fig. 5 Signal priority system

ART依托于智軌電車自動循跡系統的衛(wèi)星導航和慣性導航技術。為了解決衛(wèi)星定位的漂移對車輛縱向定位精度的影響，在路口前后設置信標進行精確定位及校準，以保障提供最精確可靠的位置信息以觸發(fā)優(yōu)先信號。同時，基于ART的通信通道，將信號燈及信號機優(yōu)先處理結果反饋至駕駛屏，以引導駕駛員以安全且能順利通行的駕駛速度行進。圖6示出ART信號優(yōu)先評估過程。

圖6 ART信號優(yōu)先評估過程Fig. 6 Signal priority evaluation process of ART

目前該優(yōu)先系統已應用于株洲智軌和宜賓智軌項目上并取得了很好的應用效果。宜賓智軌T1線商業(yè)運營數據統計結果顯示：路口車流量由2 562輛/h提升至3 181輛/h，平均等待時間由80 s降至65 s，雙向平均行駛時間由32 km/h提升至36 km/h，智軌電車自身的雙向平均行駛速度達到了39 km/h。在宜賓長江大橋咽喉路段，通過ART信號優(yōu)先策略的應用，結合咽喉路段部分禁止策略以及交通微循環(huán)的應用調整，在保障智軌電車通行效率的同時，路口通行能力也得到了較為明顯的提升。

5 移動路權系統

為了保障高效的運營效率，ART多采用專有路權或半專有路權。對于交通運力需求較大、發(fā)車頻次較高的線路，采用該種路權方式基本能夠有效地利用道路資源；而相對于發(fā)車頻次不高的地區(qū)，則面臨著需要提升道路資源利用效率的問題。為此，針對ART提出了一種移動路權的解決方案，即基于社會車輛混行的道路條件，通過敷設一定間隔的軌旁警示設備，智軌電車通過短傳無線通信技術與地面信標間進行實時的移動通信，從而對運行中的智軌電車前后一定距離內進行聲光安全警示以及提醒，同時輔以交通抓拍等手段保障車輛前后的安全車距。ART通過移動路權技術運行于混合路權路面，從而將路權利用率提升到最大。

移動路權系統主要由地面發(fā)光信標、后臺管理系統以及車載讀寫網管組成。圖7示出移動路權路段應用示例，其中發(fā)光信標自帶太陽能發(fā)電、短傳無線通信功能，且具備兩種以上發(fā)光狀態(tài)（常亮、閃爍等）；智軌電車兩端配置有車載讀寫網關，具備與發(fā)光信標及后臺管理系統通信的能力；后臺管理系統具備日志記錄及與調度中心通信的功能。

圖7 移動路權路段應用示例Fig. 7 Application example of mobile exclusive road traffic rights

移動路權應用機制如下：發(fā)光信標非工作時為休眠狀態(tài)；當智軌電車運行在部署了移動路權系統設備的路段時，車載讀寫網關通過無線通信方式喚醒智軌電車前后100 m（可根據需求在該種無線通信方式的通信范圍內調整觸發(fā)距離）內的發(fā)光信標。根據與車的距離長短，喚醒的發(fā)光信標被分為“紅燈常亮”和“紅燈閃爍”2個發(fā)光等級區(qū)域，其中離車身較近的紅燈常亮區(qū)域為其他車輛禁止進入區(qū)，以確保車輛前后的絕對車距；距離車輛較近的紅燈閃爍區(qū)域為禁止駛入與驅逐信號區(qū)，該路段被提醒為智軌電車專有路權區(qū)域，社會車輛要盡快駛離，同時禁止其他車輛的匯入。隨著車輛的移動，該種專有路權區(qū)域也隨之移動；同時在路側或者車輛前后部署抓拍裝置以輔助執(zhí)法，從而加強策略的執(zhí)行效果。

移動路權通過地面發(fā)光信標的發(fā)光狀態(tài)對不同區(qū)域內智軌電車與其他社會車輛道路交通活動的權利進行動態(tài)劃分，在保障智軌電車運行安全與運行效率的前提下，將空閑時段的智軌電車運行道路的路權釋放給社會車輛，以提高社會車輛在該路段的通行能力。

相較于其他制式交通，現代有軌電車在平直道路上主要采用的專有路權形式（平交路口共享路權）；我國主要一、二線城市都開始采用公交優(yōu)先道路的模式來調整公共交通的運行效率與社會交通車輛的利用率問題，部分城市為了提高道路利用率還提出了分時段公交優(yōu)先的策略。ART采用混合路權下的移動路權系統應用模式，在保障智能軌道快運系統路權的同時，最大限度地提高了道路的利用率。

6 展望

面對復雜多變的道路環(huán)境，如何掌握更多路面信息，以更加高效的路口通行策略降低信號優(yōu)先對其他相位的影響，達到最優(yōu)的道路通行效率；如何避免因疏忽因素導致的近距離變道剮蹭甚至碰撞問題；如何滿足乘客日益增長的網絡及娛樂互動需求等，仍有許多需研究應用的課題。交通物聯網技術的出現為智慧交通提出了非常好的解決思路；而5G等前沿通信技術具有高帶寬、低時延和高可靠性的特點，能保障數據的實時性及大數據匯集的及時性，為交通物聯網的實現提供了網絡保障。物聯網可通過各種傳感設備（如攝像機，溫度、速度、距離等傳感器）實時采集圖像、溫度、速度、距離等信息，融合互聯網形成一個巨大的信息平臺，實現人與物、人與網、物與網及其他設施設備與網絡的連接，為深層信息的提取與應用提供基礎條件。交通物聯網技術和5G等前沿通信技術的發(fā)展應用，為智能軌道快運系統提供了更加全面的信息，由此生成更多可促進智能軌道快運系統交通安全、高效運行的應用策略，這是我們下一步努力的方向：

（1）路口交通管理系統。平交路口是交通系統管理的關鍵節(jié)點，智軌電車通過與城市智能交通信號燈管理系統交互配合形成信號優(yōu)先系統，這樣雖然保障了智能軌道快運系統的運行效率，但是在插入優(yōu)先相位的同時，必然對其他相位車輛和行人產生影響。

基于交通物聯網的應用，路口交通管理系統可通過建立智軌電車、社會車輛、行人以及交通信號燈的信息交互，實時獲取交通路口所有相位的車輛及行人的位置、速度以及道路占用、排隊以及空置信息，對路口交通信息進行綜合管理與控制；針對不同的路況，實時進行路口信號策略的調控以及車輛、行人的行為引導，提高智軌電車以及其他社會車輛在路口的通行速度以及效率，整體降低各路車輛以及行人的等待時間，從而使路口交通達到最優(yōu)的運行狀態(tài)[9]。

（2）基于物聯網環(huán)境的避撞系統。基于物聯網環(huán)境的避撞系統可利用車輛自身定位平臺輔以路旁圖像辨識及雷達測距，從多維度平臺獲取智軌電車及周邊社會車輛的速度信息進行匯集，再根據被精確定位的車輛的位置與速度信息，提前模擬出智軌電車與社會車輛的行進沖突點并進行預警，以引導各車輛進行駕駛行為規(guī)避，從而保障行車安全[9]。

（3）多車輛編隊方案?；谖锫摼W技術，多車輛編隊方案可為ART提供更加全面的環(huán)境安全監(jiān)控。基于高可靠性及低時延的車車通信技術，智軌電車可以進行多車輛的協同控制，實現多列智軌電車同時啟停。這樣，一方面減少了因為啟停不一致而形成的起步距離落差，從而可實現在高峰時段的雙車甚至多車連發(fā)，以提高ART的運能水平；另一方面，在多條線路的共線段實現靈活編隊，使多車同步進站、同步通過平交路口，從而降低車輛進出車站及通過路口的時間，提升了ART的運營效率。

（4）智慧調度平臺。基于交通物聯網技術平臺，智慧調度平臺可利用市民隨身攜帶的終端設備及第三方定位平臺，對市民出行數據進行統計上傳；結合網絡大數據分析技術，預測各個體日常出行的規(guī)律，提取較為準確的城市市民出行目標及線路的預估，形成城市范圍內的整體出行指標，從而配套基于出行指標的智能化的車輛調度體系，最終優(yōu)化社會資源的配置；甚至可以通過一個集成的平臺，提前分配好各個車輛的出行線路及速度曲線，以實現ART（甚至所有車輛）在路口的無障礙通行。

7 結語

智慧交通是解決城市交通擁堵問題的總體解決方案，而車路協同技術是實現智慧交通的重要手段。本文主要研究了ART在車路協同上的應用實踐技術，提出了一種車路協同技術方案，其不僅為智軌電車的安全及高效運行提供了有效的保障，而且提高了平交路口及路段的通行能力。實際應用結果表明，ART是一種高效的公共路面道路的應用方案。