有軌電車自動駕駛技術(shù)應用簡析

閆學祥

(濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250017)

1 概述

在高鐵已實現(xiàn)自動駕駛，地鐵已實現(xiàn)全自動運行（可無人駕駛），汽車自適應巡航控制已成熟且已開展自動駕駛道路測試的背景下，作為運量介于地鐵和公交車之間，且大部分、甚至全部區(qū)域享有獨立路權(quán)在軌道上行駛的有軌電車，卻仍然以人工目視駕駛。除路口等共享路權(quán)的區(qū)域外，至少應可以實現(xiàn)與地鐵相同的自動駕駛；共享路權(quán)區(qū)域，在環(huán)境和設(shè)備正常時，也可以與汽車一樣實現(xiàn)司機監(jiān)視下的“自適應巡航控制”，從而實現(xiàn)全程自動駕駛。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

2018年9月，西門子交通已開始驗證低地板有軌電車在真實交通及行人環(huán)境下的實地路測[1]。APM全自動旅客捷運系統(tǒng)，為獨立路權(quán)，早已實現(xiàn)無人駕駛，已有廣州珠江新城、上海浦江及北京、廣州、香港等地機場線路用于實現(xiàn)短距離接駁功能[2]，但由于膠輪車輛專利等原因，造價較高，國內(nèi)應用并不廣泛。

佛山市南海新交通試驗系統(tǒng)是全獨立路權(quán)的有軌電車線路[3]，雖為100%低地板車輛，但采用了和地鐵基本一致的列車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了點式ATO自動駕駛。國內(nèi)其他線路則以司機目視行車為主，部分線路配備了輔助駕駛設(shè)備[4]，但不參與列車的牽引制動。2019年11月，中城協(xié)發(fā)布了行車指揮綜合自動化系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范、司機輔助功能規(guī)范兩個團體標準的征求意見稿，對有軌電車行車自動化和司機輔助功能提出了具體要求，在司機輔助功能中提到了可實現(xiàn)自動駕駛。

3 分析及建議

文獻[5-7]中對有軌電車自動駕駛的論述較少，路口控制是信號系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它通過各種算法優(yōu)化有軌電車和路面交通之間的關(guān)系，以便在盡可能少影響路面交通的前提下提高有軌電車的路口通過效率，提升旅行速度。這也說明了有軌電車路權(quán)的重要性。但對于人工駕駛共享路權(quán)的有軌電車來說，通過某一路口的時間通常不夠準確，如果在有軌電車即將到達路口時才去轉(zhuǎn)換路面交通信號，不可避免地會影響路面交通，造成交通資源浪費。

有軌電車路權(quán)分為全獨立、部分獨立和全共享，但造價普遍遠低于地鐵線路[8]。出于投資控制的考慮，各個系統(tǒng)都盡可能簡化。地面車站與公交車站或BRT車站類似，不需要設(shè)置通風系統(tǒng)，通常沒有太多機房區(qū)域和管理區(qū)域，通信機房通常與變電所合設(shè)，也不需要設(shè)置車站控制室；地下車站也根據(jù)列車長度精簡設(shè)置，建筑規(guī)模明顯比地鐵小。

目視駕駛線路的信號系統(tǒng)通常不設(shè)置車站機房，聯(lián)鎖和路口控制功能多通過全電子化設(shè)備實現(xiàn)，整合后分別安裝在線路旁的控制柜內(nèi)；為滿足景觀要求，轉(zhuǎn)轍機多采用地埋式?？刂浦行脑O(shè)置調(diào)度管理系統(tǒng)，主要負責計劃和監(jiān)視；車載設(shè)備具備對轉(zhuǎn)轍機、路口的控制功能。

由于有軌電車標準化程度低于地鐵，且有其特殊應用場景的需求，規(guī)模效益偏低，部分設(shè)備單價還高于地鐵，比如，防護等級達到IP67的地埋式轉(zhuǎn)轍機，以及按照定員人均單價計算的100%低地板車輛。要在造價同步降低的約束條件下，實現(xiàn)自動駕駛，存在的主要問題有：車地無線建設(shè)標準，機房設(shè)備選型及精簡，車載設(shè)備安裝及功能選擇，控制中心功能提升，路口控制系統(tǒng)優(yōu)化。

3.1 車地無線

文獻[9]已對不同制式車地無線的優(yōu)劣做了詳細對比，專有頻點的LTE-M更能夠保證信號系統(tǒng)的安全。有軌電車多為地上線路，通常最多申請到10 M頻率資源，理論計算勉強滿足綜合承載需要；但工程實踐中，尤其是視頻監(jiān)控清晰度要求較高時，帶寬明顯不足。

而隨著5G網(wǎng)絡(luò)逐步覆蓋軌道交通線路，運營商也已發(fā)布網(wǎng)絡(luò)切片分級白皮書［10］，對于與調(diào)度指揮、行車控制無關(guān)的車載廣播、PIS乘客信息上傳，車載圖像及音頻的下載，使用5G網(wǎng)絡(luò)切片進行傳輸，無疑是一個新的選擇。從降低造價的角度出發(fā)，使用高等級5G網(wǎng)絡(luò)切片作為行車相關(guān)信息的車地無線傳輸通道，也是一個可能的選擇。

即便是考慮車地無線的重要性，需建設(shè)LTE-M，用來傳輸行車相關(guān)信息，但也不一定要必須按照5 M+5 M雙網(wǎng)標準進行建設(shè)。僅建設(shè)單網(wǎng)作為主通道，故障時可降級人工目視行車；如能夠?qū)?G網(wǎng)絡(luò)切片分級后的安全性保持信任，將租用的高級別5G網(wǎng)絡(luò)切片作為行車相關(guān)信息傳輸?shù)膫溆猛ǖ?，車地無線的可用性將能夠得到保證。而且，5G網(wǎng)絡(luò)切片分級，其最高等級的安全性和穩(wěn)定性，本來就是要滿足金融及工業(yè)控制等行業(yè)用戶特殊需要。目前，5G技術(shù)并沒有專用頻點供行業(yè)用戶自建核心網(wǎng)，租用高等級網(wǎng)絡(luò)切片有利于提高共建共享標準，在一定程度上還可以“促進”運營商提高建設(shè)標準以符合行業(yè)用戶要求。

通過以上分析，考慮5G網(wǎng)絡(luò)切片的可用性、可靠性尚未經(jīng)過檢驗，為降低造價，建議為有軌電車自動駕駛服務的車地無線系統(tǒng)按照LTE-M標準單核心網(wǎng)建設(shè)，租用高等級5G網(wǎng)絡(luò)切片作為備用通道，同時作為非行車直接相關(guān)信息的通道，以提高可用性。

另外，運營商5G網(wǎng)絡(luò)通常需在線路附近建設(shè)基站，如在前期就能夠確定租用5G網(wǎng)絡(luò)切片，可與其建設(shè)單位溝通適度提高建設(shè)標準，提高其安全性和可用性的同時，通過共建共享方式降低使用成本。

3.2 機房需求

對于未實現(xiàn)自動駕駛的有軌電車線路來說，信號專業(yè)通常在車站沒有機房，相關(guān)信息傳遞通過有線方式接入通信系統(tǒng)交換機網(wǎng)絡(luò)傳送至控制中心。即便與目視駕駛的有軌電車線路一樣，將道岔轉(zhuǎn)轍機、信號機控制的聯(lián)鎖設(shè)備全電子化后安裝在現(xiàn)場控制箱內(nèi)，自動駕駛對無線和有線通信傳輸時延、可靠性要求較高，如車地無線為自建LTE-M制式，有線部分也單獨組網(wǎng)，必然會有機房設(shè)備。如考慮100%低地板車輛車底安裝應答器天線比較困難，軌道占用檢測采用計軸設(shè)備，也通常會有機房設(shè)備。而且，放置在線路旁的聯(lián)鎖控制箱需滿足室外惡劣環(huán)境，不利于設(shè)備長期穩(wěn)定運行，或者其價格較高。建議根據(jù)線路周邊實際環(huán)境，綜合考慮信號設(shè)備對工作環(huán)境的需求，確定其安裝位置。

城市軌道交通通信和信號設(shè)備的檢修人員雖然是分開的，但通常為一個部門負責，而且兩專業(yè)的用電負荷等級也是相同的，信號設(shè)備如能夠與通信設(shè)備共用電源設(shè)備和機房，將兩專業(yè)機房設(shè)備一體化設(shè)計，將能夠進一步減少機房設(shè)備，降低機房使用面積，降低工程造價。

3.3 車載設(shè)備和功能

有軌電車信號專業(yè)常規(guī)車載設(shè)備，主要通過環(huán)線或近距離無線通信實現(xiàn)道岔、站臺門、路口控制功能，還有正在增設(shè)的司機輔助設(shè)備。要實現(xiàn)自動駕駛，則需再增加車載ATP和ATO設(shè)備，并增加測速等附屬設(shè)備以及與車輛之間的接口。

地鐵車載計算機ATP設(shè)備通常采用2乘2取2或3取2結(jié)構(gòu)，頭尾冗余，系統(tǒng)可用性高。但實際應用中，車載計算機故障率極低，如能夠簡化為頭尾設(shè)備同時工作實現(xiàn)2乘2取2或3取2架構(gòu)，將能夠降低造價，同時減少在列車內(nèi)的設(shè)備安裝空間需求，力爭不減少車內(nèi)可乘坐空間。

列車定位方式，有軌電車通常以GPS/BD為主，航位推算為輔；而在隧道內(nèi)或者GPS/BD信號弱的區(qū)域時，則以航位推算為主，增加地面信標做絕對位置校正。在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，車底信標天線安裝較為困難，建議研發(fā)其他技術(shù)實現(xiàn)全程定位校正，比如圖像識別、RFID射頻識別、藍牙等，但需高度關(guān)注其安全性。其他技術(shù)的準確性可能有所降低，需在定位數(shù)據(jù)中增加模糊距離，增加追蹤間距；而在車站站臺門對位時的準確定位，則可采用激光測距、UWB超寬帶等高精度定位方式。還可以在前期與運營商協(xié)商數(shù)據(jù)開放，通過運營商基站作為定位輔助（隧道內(nèi)偏差較大）。

車載系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，從駕駛模式上，建議分為4個等級：車地無線正常的自動駕駛、自動防護下的人工駕駛、車地無線不可用時的司機輔助人工駕駛和純目視駕駛。與地鐵有區(qū)別的是，前兩種模式下，司機輔助設(shè)備應保持有效，但不控車；第三種模式下，不建議限速；在單車車地無線中斷時，也不建議直接緊急制動，而是提醒本車需在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)為司機駕駛，通過行車自動化系統(tǒng)提醒后車司機注意觀察；只有當列車定位丟失時，本車司機輔助功能失效，后車需轉(zhuǎn)為有司機輔助的目視駕駛，即便后車車地無線通信正常。這主要是考慮與地鐵相比，車地無線可用性相對要低，為提高運營效率的不得已選擇。

建議根據(jù)中城協(xié)正在征求意見的規(guī)范，強化司機輔助設(shè)備功能，實現(xiàn)從上電自檢、司機人臉識別及工作狀態(tài)分析、溜車防護、能源切換、智能涂油撒沙、路口分析/障礙物探測到通過車地無線獲取的實時運行圖、動態(tài)化的超速及闖紅燈防護、前后車狀態(tài)顯示、數(shù)字化調(diào)度命令和臨時授權(quán)等，還可通過電子地圖提醒前方限速及異常設(shè)備狀態(tài)提示。在車地無線中斷后，司機輔助設(shè)備的動態(tài)信息將不能更新，只有基于之前信息的基本輔助駕駛功能。車載路口分析設(shè)備兼具障礙物檢測功能，即便獨立路權(quán)時也建議設(shè)置，如功能穩(wěn)定，建議聯(lián)動輸出制動指令。功能模塊如圖1所示。

圖1 有軌電車行車指揮及車載功能模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of tram operation command and onboard function module

3.4 路口控制

文獻[6-7]中對路口控制的各種算法，多是基于人工駕駛的優(yōu)化。而在自動駕駛場景下，系統(tǒng)正常時，可以實現(xiàn)每列車準時通過每個路口，即便有列車運行圖臨時調(diào)整時，也可以通過行車自動化系統(tǒng)讓道路交通及時獲知列車通過路口的準確時間而提前調(diào)整路口通行信號燈，降低路口資源的浪費。

對于共享路權(quán)的有軌電車，應在實現(xiàn)準點通過路口的基礎(chǔ)上，建議中低速通過，并由司機輔助設(shè)備提醒司機監(jiān)護，隨時干預；并建議通過立法，明確路口綠燈時路權(quán)的獨立性，讓市民了解、熟悉并形成路權(quán)的概念，逐步提高路口通過速度。

在此基礎(chǔ)上，當列車即將到達路口時，車載輔助駕駛設(shè)備除提醒司機注意觀察外，還可通過增設(shè)的激光雷達、雷達、攝像機，對路口行駛范圍內(nèi)道路情況進行探測，對車和行人的行為進行分析，并據(jù)分析結(jié)果輔助司機通過路口，存在危險時可輸出制動指令。

列車高速運行時緊急制動距離通常為汽車的2倍以上，常用制動距離則4～5倍以上，建議在每個路口地面安裝2套激光雷達、雷達和攝像機，在具備通行條件時對路口通行狀況進行分析，發(fā)現(xiàn)異常情況時，在地面發(fā)出聲光警告的同時，通過低時延的5G網(wǎng)絡(luò)告知即將通過的列車。在列車上路口分析設(shè)備僅作為備用，進一步提高安全性。

雖然有軌電車并不存在與汽車相似的復雜道路困境（前方危險時的轉(zhuǎn)向選擇），但緊急制動可能造成車內(nèi)乘客受傷，尤其高速行駛時。建議在線路規(guī)劃和車站設(shè)置時，以及電子地圖中適度控制通過路口的速度。比如，在路口附近設(shè)置車站，在電子地圖中設(shè)置限速。如確需高速通過路口時，建議考慮設(shè)置升降式欄桿等類似物理隔離措施（至少隔離人行道和非機動車道），降低行人和車輛誤入的可能性。

自動駕駛能夠準時通過路口，再加上地面和車載的路口分析設(shè)備，將能夠?qū)崿F(xiàn)道路交通與有軌電車的安全、效率同步提升。

3.5 控制中心功能

自動駕駛線路的行車指揮綜合自動化設(shè)備，需通過集成或互聯(lián)整合各子系統(tǒng)功能，實現(xiàn)系統(tǒng)間聯(lián)動；增設(shè)區(qū)域控制器，通過車地無線，實現(xiàn)與地鐵自動駕駛線路相同的功能。

而司機輔助系統(tǒng)的中心級設(shè)備，不僅記錄每列車輔助駕駛狀況，還收集所有路口狀況分析結(jié)果，即時告知即將到達路口的每列車，并將發(fā)生的每個異常情況發(fā)出告警，提醒調(diào)度員關(guān)注。并建議將線路上及站臺上的攝像機等安防及防災設(shè)備報警信息接入司機輔助系統(tǒng)，對于易誤報的設(shè)備，可適度降低其報警級別，僅作為提示信息；可靠性高的設(shè)備，可直接通過車載司機輔助設(shè)備輸出制定指令。圖1是參考中國城市軌道交通協(xié)會正在征求意見的兩個規(guī)范，結(jié)合本文分析和建議形成，虛線框內(nèi)設(shè)備為據(jù)需配置。

4 小結(jié)

自動駕駛不僅能夠讓有軌電車更安全、快捷、節(jié)能、舒適，像地鐵一樣降低司機勞動強度，準時通過路口，還能有效降低路口資源浪費。

整體來說，在降低造價的背景下，自動駕駛系統(tǒng)的可用性不可避免地存在一定程度的降低。但相對以目視駕駛為主的線路相比，建設(shè)單網(wǎng)LTE-M車地無線并整合高等級5G網(wǎng)絡(luò)切片，信號和通信機房設(shè)備一體化設(shè)計，增強路口控制與列車運行的智能控制，實現(xiàn)有平交路口的有軌電車全線路自動駕駛，是對有軌電車建設(shè)標準的一次提升。

由于采用自動駕駛方式通過路口，需結(jié)合道路交通法規(guī)要求，做好司機培訓和對市民的宣傳工作，并制定應急處理預案，獲取道路交通管理部門的認可。

實現(xiàn)自動駕駛，將能夠為國內(nèi)有軌電車進一步提升為無人駕駛奠定基礎(chǔ)。本文只是提供了一個系統(tǒng)建設(shè)思路，在實際過程中，還有不少技術(shù)問題需進一步研究解決。建議對5G的D2D技術(shù)在車車通信，以及車與聯(lián)鎖、路口控制、站臺門設(shè)備之間直接通信并進而實現(xiàn)車地無線中斷時更新車載數(shù)據(jù)的應用可行性；同時還應為互聯(lián)互通制定接口協(xié)議標準。