現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行控制技術(shù)發(fā)展和展望

梁 浩

（上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

近年來，現(xiàn)代有軌電車在國內(nèi)發(fā)展迅速。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（以下簡稱“列控系統(tǒng)”）作為現(xiàn)代有軌電車的關(guān)鍵系統(tǒng)，經(jīng)歷了近10年的應(yīng)用與實(shí)踐，從引進(jìn)國外技術(shù)系統(tǒng)和設(shè)備，到形成自主化、特色化的技術(shù)體系，逐漸走向成熟。本文通過回顧現(xiàn)代有軌電車運(yùn)行控制技術(shù)（以下簡稱“列控技術(shù)”）的發(fā)展歷程，并結(jié)合項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，展望其共線運(yùn)營和自主駕駛兩大發(fā)展方向，以期為促進(jìn)其不斷發(fā)展和完善提供借鑒和參考。

1 列控系統(tǒng)概述

在現(xiàn)代有軌電車的技術(shù)體系中，列控系統(tǒng)是一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，包含中央、車載、軌旁多個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)道岔控制、路口優(yōu)先、列車定位、運(yùn)營調(diào)度、維護(hù)管理等一系列關(guān)鍵的列車運(yùn)行控制功能，從而確?，F(xiàn)代有軌電車提供安全、準(zhǔn)點(diǎn)、高效、便捷的運(yùn)營服務(wù)。

2 列控技術(shù)發(fā)展情況

自 1879 年德國工程師維爾納 · 馮 · 西門子發(fā)明第一輛以輸電線供電的電動(dòng)車算起，有軌電車的發(fā)展歷史已過百年。在這一百多年的歷史中，有軌電車經(jīng)歷過高速發(fā)展的黃金時(shí)代，也經(jīng)歷過逐漸衰落的至暗時(shí)刻。20世紀(jì)90年代以后，在車輛、控制、通信等新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，現(xiàn)代有軌電車經(jīng)過全面改造升級(jí)，憑借大運(yùn)量、高速度、高舒適性、安全可靠、外觀新穎、低污染、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，重新煥發(fā)生機(jī)。

自2012年起，我國逐步規(guī)劃和培育了龐大的現(xiàn)代有軌電車市場，近100座城市提出建設(shè)現(xiàn)代有軌電車的意愿和規(guī)劃，超過40座城市進(jìn)行了實(shí)踐。通過借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，不斷迭代更新，快速提高技術(shù)水平，我國在這近10年的發(fā)展過程中逐步形成了自主化的現(xiàn)代有軌電車技術(shù)體系。

其中，列控技術(shù)在以下方面取得了發(fā)展。

（1）傳統(tǒng)有軌電車的道岔控制方式多為單點(diǎn)控制，而現(xiàn)代有軌電車通過在道岔區(qū)段進(jìn)行聯(lián)鎖進(jìn)路控制，可支持更高的列車速度，適應(yīng)更復(fù)雜的站場情況。

（2）傳統(tǒng)有軌電車運(yùn)行效率通常受制于平交路口的通行相位輪轉(zhuǎn)，而現(xiàn)代有軌電車通過列控系統(tǒng)和市政交通系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效的路口優(yōu)先。

（3）傳統(tǒng)有軌電車僅在道岔區(qū)段進(jìn)行列車位置檢測(cè)，而如今全線的列車位置實(shí)時(shí)追蹤已是現(xiàn)代有軌電車列控技術(shù)的標(biāo)配。

（4）傳統(tǒng)有軌電車列控系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善，沒有明確的安全要求，而我國目前已經(jīng)制定了系統(tǒng)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確了安全等級(jí)等一系列標(biāo)準(zhǔn)化要求。

（5）傳統(tǒng)有軌電車以目視駕駛為基本特點(diǎn)，而現(xiàn)代有軌電車已經(jīng)開始試點(diǎn)各種輔助駕駛手段。

3 列控技術(shù)發(fā)展展望

3.1 共線運(yùn)營

共線運(yùn)營是一種城市軌道交通運(yùn)營模式，利用軌道交通網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)連通性，在同一物理線路上同時(shí)運(yùn)營2條或多條線路。共線運(yùn)營的優(yōu)點(diǎn)是：①節(jié)省建設(shè)資金，提高物理線路的利用率；②在共線段，有多條運(yùn)營線路同時(shí)提供服務(wù)，可提高線路的服務(wù)水平；③共線段發(fā)揮樞紐作用，可減少乘客換乘次數(shù)，為其提供多樣化的服務(wù)。近年來，現(xiàn)代有軌電車在國內(nèi)發(fā)展迅速，但普遍面臨單線運(yùn)營、客流量偏小、運(yùn)能無法充分發(fā)揮的問題，而共線運(yùn)營正是提高其服務(wù)水平的重要途徑。

共線運(yùn)營需要從線網(wǎng)規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、運(yùn)營組織等多方面入手，結(jié)合線路的實(shí)際情況，制定有針對(duì)性的方案，充分發(fā)揮線路運(yùn)營的潛力。其對(duì)于列控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了如下要求。

（1）去中心化設(shè)計(jì)，減少對(duì)控制中心的功能依賴?？刂浦行氖沁\(yùn)營服務(wù)的中樞，擔(dān)負(fù)統(tǒng)管全局的重要責(zé)任，不僅要時(shí)刻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)和列車運(yùn)營情況，還需在故障和應(yīng)急場景下及時(shí)做出判斷和響應(yīng)。為此，列控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低對(duì)控制中心的依賴，分散控制中心的壓力和責(zé)任。

（2）以調(diào)度員為核心打造列控系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)調(diào)度員工作的輔助力度。共線運(yùn)營的服務(wù)水平在很大程度上取決于調(diào)度員工作的質(zhì)量，因此需要針對(duì)調(diào)度員工作的特點(diǎn)進(jìn)行定制化的開發(fā)和設(shè)計(jì)，減輕其壓力和負(fù)擔(dān)。

（3）安全、可靠和高效的樞紐道岔區(qū)段控制設(shè)計(jì)。在共線運(yùn)營的過程中，共線段承擔(dān)著多條運(yùn)營線路的運(yùn)營任務(wù)，各條運(yùn)營線路的列車會(huì)頻繁進(jìn)入和離開共線段，列車的交匯和分流是運(yùn)營的關(guān)鍵點(diǎn)，因此共線段兩端的道岔區(qū)域發(fā)揮著線路樞紐的作用。設(shè)計(jì)安全、可靠和高效的樞紐道岔區(qū)段控制系統(tǒng)，成為實(shí)現(xiàn)共線運(yùn)營的關(guān)鍵。

下面將結(jié)合武漢光谷現(xiàn)代有軌電車T1/T2線項(xiàng)目（以下簡稱“光谷有軌電車項(xiàng)目”）實(shí)例，介紹其具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

武漢光谷現(xiàn)代有軌電車T1/T2線是華中地區(qū)首條網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的現(xiàn)代有軌電車線路，線路走向如圖1所示，其中T1線起點(diǎn)為華中科技大學(xué)站，終點(diǎn)為高新六路站，全長16.803 km；T2線起點(diǎn)為城鐵湯遜湖站，終點(diǎn)為光谷植物園站，全長19.902 km。2條線路在中部交匯形成共線，從當(dāng)代國際花園站至工程大學(xué)流芳站，共線段全長2.526 km。T1和T2線使用同一控制中心進(jìn)行集中調(diào)度，控制中心位于流芳車輛基地。T1/T2線的線路配置使其能夠采用跨線多交路的運(yùn)營模式，提供靈活的運(yùn)營服務(wù)。以共線段為中心，選擇不同的起點(diǎn)和終點(diǎn)，最多可支持6條不同交路的穿插運(yùn)營。

圖1 武漢光谷現(xiàn)代有軌電車T1/T2線線路圖

針對(duì)武漢光谷現(xiàn)代有軌電車T1/T2線共線運(yùn)營的特點(diǎn)，其列控系統(tǒng)進(jìn)行了以下創(chuàng)新和改進(jìn)。

（1）沿線岔區(qū)的進(jìn)路辦理是列控系統(tǒng)的重要功能。在當(dāng)前的列控技術(shù)中，進(jìn)路通常為系統(tǒng)自動(dòng)辦理，以減少駕駛員和調(diào)度員的工作量。在光谷有軌電車項(xiàng)目中，列控系統(tǒng)將進(jìn)路自動(dòng)辦理的功能下放到車載子系統(tǒng)，由列車根據(jù)自身的運(yùn)營任務(wù)，自主觸發(fā)進(jìn)路的辦理。在共線運(yùn)營的應(yīng)用場景下，車載子系統(tǒng)自動(dòng)辦理進(jìn)路模式可減少對(duì)控制中心的依賴，實(shí)現(xiàn)列車對(duì)運(yùn)營任務(wù)的自主處理，從而消除了網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，即使控制中心出現(xiàn)單點(diǎn)故障也僅對(duì)部分列車或部分區(qū)域產(chǎn)生影響，而不會(huì)危及全線網(wǎng)的運(yùn)營，最大限度地保持了系統(tǒng)能力。

（2）光谷有軌電車項(xiàng)目中，還針對(duì)調(diào)度員的工作特點(diǎn)，對(duì)列控系統(tǒng)進(jìn)行了一系列定制化開發(fā)和設(shè)計(jì)。例如，優(yōu)化運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)的時(shí)刻表相關(guān)功能，支持多交路的時(shí)刻表編制、管理和追蹤，調(diào)度人員可根據(jù)需要，選擇不同的運(yùn)營線路，分別編制時(shí)刻表；設(shè)計(jì)靈活的權(quán)限管理，在全線劃分出不同的控制區(qū)域，管理權(quán)限可以單獨(dú)申請(qǐng)、授權(quán)和轉(zhuǎn)移，一旦發(fā)生突發(fā)事件，調(diào)度員之間還可以靈活地轉(zhuǎn)移控制權(quán)限，從而加大調(diào)度資源的投放，提高對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)速度，加快運(yùn)營的恢復(fù)。

（3）為設(shè)計(jì)安全、可靠和高效的樞紐道岔區(qū)段控制系統(tǒng)，光谷有軌電車項(xiàng)目在樞紐道岔區(qū)段采用雙系熱備系統(tǒng)架構(gòu)，確保單系故障時(shí)控制的無縫切換，以此提高系統(tǒng)和產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，減少單點(diǎn)故障的影響范圍。同時(shí)，根據(jù)各條股道的實(shí)際土建條件，在確保安全的情況下（如保證列車間隔、制動(dòng)距離等），采用短進(jìn)路的設(shè)計(jì)方案，即將樞紐道岔區(qū)段化整為零，分段防護(hù)，縮短進(jìn)路長度，使道岔的輪轉(zhuǎn)更加靈活。

光谷有軌電車項(xiàng)目于2018年4月正式開通運(yùn)營，初期先開通交路1和交路2，運(yùn)營至今，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，客流穩(wěn)定，共線運(yùn)營的效果已初步顯現(xiàn)。根據(jù)運(yùn)營計(jì)劃和安排，其他幾條交路也將逐步投運(yùn)。交路的增加將進(jìn)一步提高線路的復(fù)用效率和服務(wù)能力。

3.2 自主駕駛

3.2.1 機(jī)遇和挑戰(zhàn)

在乘客出行需求不斷增長以及交通環(huán)境日益復(fù)雜的情況下，采用目視駕駛模式的現(xiàn)代有軌電車面臨諸多挑戰(zhàn)。然而，當(dāng)前快速發(fā)展的自動(dòng)化控制技術(shù)也為其帶來了破局的機(jī)會(huì)。

自動(dòng)化控制技術(shù)早已應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。在目前基于通信的地鐵列車控制技術(shù)中，列車自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)已是標(biāo)配，全自動(dòng)運(yùn)行（FAO）系統(tǒng)也在快速推廣，從而積累了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

然而，與在封閉行車環(huán)境下獨(dú)立運(yùn)行的地鐵不同，多數(shù)現(xiàn)代有軌電車線路為混合路權(quán)，在平交路口和混行區(qū)域，列車是在開放式的復(fù)雜行車環(huán)境中運(yùn)行。這使現(xiàn)代有軌電車的自動(dòng)化控制面臨著新的挑戰(zhàn)。而隨著以傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）算法為核心的新技術(shù)的快速發(fā)展，以智能化和自主化為特征的汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展迅猛，該技術(shù)可依據(jù)實(shí)時(shí)獲得的外部環(huán)境信息，進(jìn)行自主感知、自主判斷、自主控制，因此能夠適應(yīng)開放的道路交通環(huán)境，從而也為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的自動(dòng)化控制提供了參考。

3.2.2 發(fā)展階段

根據(jù)國際公共運(yùn)輸聯(lián)合會(huì)（UITP）的定義，軌道交通列車自動(dòng)化等級(jí)（GoA）分成5等，從GoA 0的目視運(yùn)行到GoA 4的無人值守，如圖2所示。汽車行業(yè)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)LEVELS OF DRIVING AUTOMATION ARE DEFINED IN NEW SAE INTERNATIONAL STANDARD J3016的規(guī)定，將自動(dòng)駕駛分為6個(gè)等級(jí)（SAE Level），從SAE 0的目視駕駛到SAE 5的自主駕駛（圖2）。從兩者的等級(jí)劃分可知，盡管行業(yè)不同，但其自動(dòng)化等級(jí)的發(fā)展階段基本一致，均從目視駕駛開始，然后逐步提高智能化水平（從輔助駕駛到自動(dòng)駕駛），最終實(shí)現(xiàn)自主駕駛的目標(biāo)。參考軌道交通和汽車行業(yè)自動(dòng)化等級(jí)的發(fā)展路線，可為現(xiàn)代有軌電車自主駕駛技術(shù)的發(fā)展制定從輔助駕駛到自動(dòng)駕駛、再到自主駕駛的技術(shù)演化路徑。

圖2 自動(dòng)駕駛等級(jí)

現(xiàn)代有軌電車自主駕駛發(fā)展的第1階段為輔助駕駛。梳理整合現(xiàn)代有軌電車輔助駕駛系統(tǒng)的功能需求和功能類別，在該階段有以下可行的技術(shù)方案。

（1）DAS-C（Driver Assistant System-Control）方案：在駕駛員目視駕駛的基礎(chǔ)上，增加控制功能，在危險(xiǎn)場景下（如列車超速、闖紅燈時(shí)）進(jìn)行制動(dòng)防護(hù)。

（2）DAS-W（Driver Assistant System-Warning）方案：基于感知技術(shù)構(gòu)建障礙物探測(cè)系統(tǒng)，為駕駛員提供沖突（防撞）告警，并豐富駕駛輔助信息，幫助駕駛員進(jìn)行預(yù)判。

（3）DAS-O（Driver Assistant System-Operation）方案：結(jié)合ATO算法原理，依據(jù)信號(hào)系統(tǒng)的路徑規(guī)劃和列車實(shí)時(shí)追蹤數(shù)據(jù)，生成諸如目標(biāo)距離、建議速度、限速區(qū)提醒等動(dòng)態(tài)行車信息，輔助駕駛員完成運(yùn)營任務(wù)。

現(xiàn)代有軌電車自主駕駛發(fā)展的第2階段為自動(dòng)駕駛。自動(dòng)駕駛可根據(jù)路權(quán)情況分為封閉路權(quán)下的自動(dòng)駕駛和混合路權(quán)下的自動(dòng)駕駛，具體如下。

（1）封閉路權(quán)下的自動(dòng)駕駛，基本沿用了基于通信的列車自動(dòng)控制（CBTC）系統(tǒng)的ATO成熟方案，可以應(yīng)用在特定的封閉路權(quán)環(huán)境中，如快速有軌電車系統(tǒng)。

（2）混合路權(quán)下的自動(dòng)駕駛，是現(xiàn)代有軌電車最具特點(diǎn)的“基本面”，在地面交通環(huán)境中有駕駛員監(jiān)督的條件下，由列控系統(tǒng)控制列車安全運(yùn)行。

現(xiàn)代有軌電車自主駕駛發(fā)展的第3階段為自主駕駛，即在各種交通環(huán)境條件下，由列控系統(tǒng)控制列車自主安全運(yùn)行，這是列控系統(tǒng)發(fā)展的最終方向和目標(biāo)。

3.2.3 技術(shù)方案

由于現(xiàn)代有軌電車的自主駕駛情景兼具軌道交通和道路交通的特征，又有其特殊之處，因此其自主駕駛必須挖掘自身特點(diǎn)，在軌道交通和道路交通行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的加持下，走出自己的道路。

駕駛的本質(zhì)在于“規(guī)劃 — 感知 — 控制”3個(gè)主要環(huán)節(jié)，而自主駕駛方案的關(guān)鍵在于，借助技術(shù)力量分別解決這3個(gè)環(huán)節(jié)的智能化問題?，F(xiàn)代有軌電車自主駕駛技術(shù)方案以下列3類技術(shù)為基礎(chǔ)，如圖3所示。

（1）現(xiàn)代有軌電車既有列控技術(shù)?，F(xiàn)代有軌電車作為公共交通的一員，出于運(yùn)營服務(wù)的目的，其行車路徑具備高計(jì)劃性、周期性重復(fù)、可預(yù)測(cè)行強(qiáng)的特點(diǎn)，在路徑規(guī)劃上有天生優(yōu)勢(shì)。在日常調(diào)度管理過程中，既有列控技術(shù)通常采用時(shí)刻表/運(yùn)行圖工具，對(duì)列車的運(yùn)營任務(wù)進(jìn)行提前規(guī)劃和設(shè)置，并實(shí)時(shí)追蹤列車的執(zhí)行情況，監(jiān)控實(shí)際運(yùn)營服務(wù)中對(duì)時(shí)刻表/運(yùn)行圖的兌現(xiàn)指標(biāo)。在具體項(xiàng)目的實(shí)踐過程中，如上文所述的光谷有軌電車項(xiàng)目，還對(duì)現(xiàn)代有軌電車列控系統(tǒng)進(jìn)行了有針對(duì)性的定制化開發(fā)，使時(shí)刻表/運(yùn)行圖工具可以更靈活地適應(yīng)互聯(lián)互通共線運(yùn)營的具體需求，以提高運(yùn)營計(jì)劃的靈活性。這都是在過去10年的既有項(xiàng)目中積累和沉淀下來的技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）基于車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS）。TACS是當(dāng)前城市軌道交通的一大技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，在傳統(tǒng)移動(dòng)閉塞的基礎(chǔ)上，立足于車車通信技術(shù)，進(jìn)一步簡化架構(gòu)，將區(qū)域控制器（ZC）引入車內(nèi)，從而使列車之間能夠自主交互行車資源，實(shí)現(xiàn)列車的自主計(jì)算、移動(dòng)授權(quán)，并根據(jù)移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算結(jié)果，控制列車的行車動(dòng)作。目前，青島地鐵列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS）示范項(xiàng)目已經(jīng)順利通過了工程應(yīng)用前的專家評(píng)審，完成了產(chǎn)品級(jí)的開發(fā)和驗(yàn)證，其發(fā)展經(jīng)驗(yàn)可以移植到現(xiàn)代有軌電車的自主駕駛技術(shù)方案中，大幅提高列車運(yùn)行控制的智能化水平。

（3）汽車自主駕駛感知技術(shù)。汽車自主駕駛技術(shù)方面的研究成果，尤其是感知技術(shù)，為現(xiàn)代有軌電車自主駕駛技術(shù)方案補(bǔ)上了最后一塊基石。通過將視覺傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)相融合的多傳感器感知技術(shù)方案，列車可以識(shí)別前方障礙物（包括固定和移動(dòng)障礙物）及其狀態(tài)，綜合分析和判斷列車行進(jìn)路線上的障礙物信息，并根據(jù)這些信息實(shí)時(shí)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)的距離并進(jìn)行安全防護(hù)。

圖3 現(xiàn)代有軌電車自主駕駛技術(shù)基礎(chǔ)

該技術(shù)方案首先立足于現(xiàn)代有軌電車既有列控技術(shù)，充分利用中心系統(tǒng)的路徑規(guī)劃功能，為列車規(guī)劃運(yùn)行路徑，并實(shí)時(shí)監(jiān)控列車位置；其次，借鑒汽車自主駕駛的感知技術(shù)方案，賦予列車自主識(shí)別前方障礙物的能力，并基于車載地圖進(jìn)行映射，作為列車移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算輸入，從而使列車能夠根據(jù)移動(dòng)授權(quán)和運(yùn)營任務(wù)實(shí)時(shí)計(jì)算其移動(dòng)的目標(biāo)距離和目標(biāo)速度，并自動(dòng)控制其行車、進(jìn)站、啟動(dòng)、折返等過程；同時(shí)，基于TACS技術(shù)，運(yùn)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取行車線路中關(guān)鍵資源（道岔、信號(hào)機(jī)、前方列車等）的狀態(tài)信息，為行車提供有序調(diào)度和安全防護(hù)。

4 總結(jié)

現(xiàn)代有軌電車列控技術(shù)涉及安全、軟件、硬件、平臺(tái)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、工具、運(yùn)維等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，在各領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，該技術(shù)也在與時(shí)俱進(jìn)，不斷迭代更新。本文僅對(duì)其應(yīng)用層面的技術(shù)進(jìn)行了介紹和展望。技術(shù)發(fā)展如同物種進(jìn)化，與外界環(huán)境密切相關(guān)，政策環(huán)境、經(jīng)濟(jì)周期、市場機(jī)遇、基礎(chǔ)技術(shù)水平、競爭壓力等條件都是制約因素。新技術(shù)的種子已經(jīng)發(fā)芽，能否成長為參天大樹，還需要整個(gè)行業(yè)的支持推動(dòng)和同業(yè)者的共同努力。