基于車路協(xié)同技術(shù)的自動駕駛有軌電車路口通過優(yōu)化技術(shù)

朱永輝 梁 霄 袁 魁

(1.上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上海；2.上海中運量軌道交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 201203， 上?！蔚谝蛔髡?， 工程師)

有軌電車是一種主要由駕駛員目視(信號)駕駛、運行于地面、路權(quán)開放或半獨立、依靠電力驅(qū)動的大容量軌道交通制式[1]。其具有的路權(quán)不獨立和目視駕駛的特點，決定了它在經(jīng)過平交路口時，必須像汽車一樣，通過觀察信號機(專用或與公共交通共用)的狀態(tài)來決定是否能夠安全通過。由于各個路口信號控制相位的差異，加上有軌電車在接近路口時并不能自動獲得路口信號機的狀態(tài)，導致其在通過路口前必須減速觀察，隨時準備停車，以避免誤闖禁止信號。該運營特征降低了有軌電車作為大容量交通系統(tǒng)的運營效率，對有軌電車節(jié)能運行、乘客舒適度等亦有不良影響。近年來國內(nèi)外開展的自動駕駛有軌電車試驗中，部分采用了通過圖像識別信號機來輔助路口通過的技術(shù)[2-3]，一定程度上緩解了上述矛盾，但其識別效果高度依賴圖像傳感器本身和處理技術(shù)，且在夜間和能見度較差的天氣里檢測效果急劇降低，無法滿足有軌電車全天候運營需要。目前，智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)中蓬勃發(fā)展的V2X(車路協(xié)同)技術(shù)，因其無線通信的遠距離、高速率和低延遲的特點，為有軌電車在遠距離獲取信號機狀態(tài)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高效的路口通過提供了基礎(chǔ)條件。

本文在綜合分析當前有軌電車駕駛員常規(guī)目視駕駛、基于自主信號感知的自動駕駛有軌電車路口通過方案的基礎(chǔ)上，引入基于4G/5G(第四代移動通信技術(shù)/第五代移動通信技術(shù))的V2X技術(shù)，提出基于V2X技術(shù)的有軌電車路口通過方案及相關(guān)技術(shù)，并在實際運行線路上進行測試以驗證所提方案的有效性，供有軌電車和軌道交通行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 有軌電車路口通過方案

1.1 信號優(yōu)先

信號優(yōu)先概念源于公共交通車輛優(yōu)先通行技術(shù)，包括實現(xiàn)公共交通車輛在空間和時間通行權(quán)上的優(yōu)先。空間優(yōu)先可通過設(shè)置專用道或部分鋸齒型優(yōu)先進口道來實現(xiàn)；時間優(yōu)先即信號優(yōu)先，即利用先進的通信信息、控制、計算機等技術(shù)，通過智能化信號控制來實現(xiàn)優(yōu)先通過。有軌電車的信號優(yōu)先需在傳統(tǒng)道路交通控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)功能，并結(jié)合有軌電車所屬運營控制系統(tǒng)的控制信息，方可達到優(yōu)先控制的目標。

有軌電車信號優(yōu)先原理如圖1所示。其核心可以概括為以下幾點：

1) 選擇性：有軌電車一般配置調(diào)度控制系統(tǒng)以提供實時的車輛信息，可根據(jù)載客或準點情況優(yōu)先實施。

2) 有條件優(yōu)先：全面考慮優(yōu)先實施的條件，包括電車運營及道路交通情況，減少對其他交通參與體的影響，一般不采用強制優(yōu)先、絕對優(yōu)先。

3) 控制策略：針對有軌電車運營的具體環(huán)境和外部條件設(shè)計對應(yīng)的控制算法和策略。在有軌電車運行控制系統(tǒng)側(cè)，實現(xiàn)對優(yōu)先請求和優(yōu)先結(jié)果的執(zhí)行；在道路交通側(cè)，實現(xiàn)優(yōu)先請求的響應(yīng)，并按照一定優(yōu)先策略給出優(yōu)先結(jié)果，最終達到有軌電車優(yōu)先的目的。

1.2 駕駛員目視駕駛通過方案

基于駕駛員目視駕駛的有軌電車信號優(yōu)先是指根據(jù)既定的車輛位置和路口優(yōu)先策略，以駕駛員目視為主要感測手段，來判斷前方路口是否可以優(yōu)先通過。此種方法是當前有軌電車最廣泛使用的路口通過方式，駕駛員需綜合考慮有軌電車的運行速度、信號優(yōu)先觸發(fā)位置，根據(jù)前方信號機的當前狀態(tài)(燈色)等，通過經(jīng)驗判斷是否通過，一般無法預(yù)先得知信號機狀態(tài)的輪轉(zhuǎn)周期或相位倒計時。該方案提供了一種基于有軌電車位置的優(yōu)先方案，可提高有軌電車的路口通行效率。但同時該方案亦存在明顯不足，如：

1) 當有軌電車觸發(fā)優(yōu)先信號時，前方道路側(cè)信號燈(綠色通行燈)即將轉(zhuǎn)換為禁止信號，駕駛員無法得知綠燈的剩余時間，保守起見實施制動而無法有效通過路口。

2) 當有軌電車觸發(fā)優(yōu)先信號后，因天氣或其他因素導致運行速度降低，駕駛員無法準確判斷是否仍可以舒適控車方式通過路口，故實施制動。這在客觀上浪費了一個允許通行相位，失去了信號優(yōu)先的作用。

1.3 基于自主信號感知的通過方案

當有軌電車裝備自動駕駛系統(tǒng)[5]后，有軌電車駕駛員的主要行車操作職責將轉(zhuǎn)移給自動駕駛系統(tǒng)，其中包括對信號機的瞭望觀察。故自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)采取技術(shù)措施，實現(xiàn)對行車前方信號機及其狀態(tài)(燈色)的實時連續(xù)檢測。類似汽車自動駕駛中的信號燈檢測[6]，一種可行的方式是采用專用圖像傳感器(攝像機)對包含信號機的圖像進行處理，從中檢測出信號機及其狀態(tài)，作為自動駕駛系統(tǒng)進行路口通過判定邏輯的依據(jù)之一，而相應(yīng)的路口通過方案被稱為基于自主信號感知的通過方案。圖2是該方案的原理示意。該方案的主要優(yōu)點包括：

1) 有軌電車自主檢測和判斷：通過車載圖像傳感器即可獲取信號機信息，無需車外設(shè)備協(xié)助，車輛自主性高。

2) 信息豐富：圖像中包括大量有軌電車行駛環(huán)境的信息，有利于結(jié)合信號機狀態(tài)實現(xiàn)更復雜的行車邏輯。

該方案存在的主要問題如下：

1) 自動駕駛系統(tǒng)可靠性差：天氣、光照、環(huán)境光源等均會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生明顯干擾，進而影響信號機的檢測結(jié)果。

2) 故障容忍度低：目前廣泛使用的基于人工智能的信號機識別方法，僅能識別經(jīng)過訓練的信號機狀態(tài)。信號機發(fā)生故障時，因其故障原因不同，表現(xiàn)的狀態(tài)亦不同，故對其進行預(yù)訓練的難度較大。因此，為確保實現(xiàn)連續(xù)、實時、可靠的信號機檢測，需要考慮其他方案。

2 基于V2X技術(shù)的有軌電車路口場景協(xié)作

“車路協(xié)同”在道路工程學和交通工程學中指道路交通系統(tǒng)中“人-車-路-環(huán)境”四要素的耦合與協(xié)同。車路協(xié)同系統(tǒng)是智能運輸系統(tǒng)(ITS)的重要組成部分之一[7]。隨著4G/5G的發(fā)展應(yīng)用，基于車聯(lián)網(wǎng)的V2X技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)通過專有短程通信(DSRC)和基于蜂窩移動通信系統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)等主要通信手段[8]，將車輛同任何與其交互信息的對象連接起來，以構(gòu)成更大規(guī)模的交通自動化系統(tǒng)，以承載單車難以完成的功能。

有軌電車運營通常采用獨立路權(quán)或半獨立路權(quán)。半獨立路權(quán)是指在相鄰路口之間采用獨立路權(quán)，而在路口區(qū)域與其他社會車輛和行人共享路權(quán)。顯然，在半獨立路權(quán)情況下，受到共享路權(quán)的其他交通參與者制約，有軌電車行車效率將受到較大影響。通過引入V2X技術(shù)，將“人、車、路、云”等交通參與要素有機地聯(lián)系在一起，擴大了有軌電車的感測范圍，有助于實現(xiàn)智能交通管控，可進一步提高行車效率。基于V2X技術(shù)的有軌電車路口場景協(xié)作如圖3所示。

3 基于V2X技術(shù)的自動駕駛有軌電車路口通過方案

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

基于V2X技術(shù)的有軌電車自動駕駛路口通過方案及其系統(tǒng)(以下簡稱“本文所述系統(tǒng)”)，如圖4所示。該系統(tǒng)主要由車載、軌旁、V2X通信鏈路3部分構(gòu)成。車載部分包括自動控車規(guī)劃模塊IATC/ATS(智能化列車控制/列車自動監(jiān)控)、APS(智能感知單元)及OBU(車載單元)，以實現(xiàn)有軌電車的運營規(guī)劃，并根據(jù)APS的目標授權(quán)進行實時運行控制。有軌電車在通過路口的過程中，OBU實時傳輸來自于RSU前方信號機輪轉(zhuǎn)相位及相位剩余時間。自動控車規(guī)劃模塊根據(jù)有軌電車的運行速度及其與前方信號機的距離，結(jié)合信號燈狀態(tài)及剩余輪轉(zhuǎn)時間，輸出控車命令，實現(xiàn)舒適控車。軌旁部分則主要是行進路口信號燈和有軌電車信號燈的狀態(tài)檢測，即將SPaT(信號相位和定時消息)信息發(fā)送至RSU。根據(jù)實際使用需要，RSU亦可預(yù)留與維護中央服務(wù)器和感知設(shè)備的接口。V2X通信鏈路部分主要是RSU與OBU基于PC5(直通通信)的空口通信，同時亦可預(yù)留RSU、OBU與V2X服務(wù)器或智能化維護中心的Uu接口。

3.2 車載設(shè)備

車載設(shè)備包含OBU、顯示界面、多合一天線、IATC/ATS及APS。OBU及多合一天線實物如圖5所示，其 Uu接口上行和下行帶寬分別為200 Mbit/s和1 Gbit/s，PC5接口帶寬為 20 Mbit/s，通信時延小于5 ms，通信范圍不小于300 m。本文所述系統(tǒng)中，將OBU安裝在客室，多合一天線安裝在有軌電車擋風玻璃下方無遮擋處，顯示界面與OBU的自建無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實時顯示有軌電車的位置以及獲取前方的信號燈信息。IATC/ATS包含車載控制單元、速度和加速度傳感器、感知單元及感知傳感器等(見圖6)。IATC/ATS一體化車載控制規(guī)劃設(shè)備安裝在客室，感知傳感器組合安裝在有軌電車的駕駛室前方，可實現(xiàn)有軌電車根據(jù)規(guī)劃線路自動運行，并可由感知模塊實時獲取前方障礙物信息，從而實現(xiàn)有軌電車的自動、安全、舒適運行。

3.3 軌旁設(shè)備

RSU為本文所述系統(tǒng)的路側(cè)單元，負責接收交通信號機/應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的路況信息等實時交通信息，并與既有道路信號控制柜及有軌電車信號優(yōu)先控制柜互聯(lián)，見圖7。從道路信號控制柜獲取SPaT數(shù)據(jù)，即交通燈的相位與時序消息，同時進行有軌電車信號優(yōu)先控制柜信號燈信息采集以獲取信號燈實時相位信息，對這兩部分信息進行融合校驗。RSU可通過短距離直連通信接口PC5、蜂窩網(wǎng)絡(luò)接口Uu的傳輸信息。本文所述系統(tǒng)實際采用的是PC5鏈路，預(yù)留Uu接口鏈路。

3.4 車地通信鏈路

本文所述系統(tǒng)中的車地通信采用PC5接口，通信距離不小于300 m。RSU實時傳送路側(cè)的信號沖突相位信息至OBU，包含輪轉(zhuǎn)相位、沖突相位、相位輪轉(zhuǎn)時間等信息。

3.5 基于V2X技術(shù)的自動駕駛有軌電車通過策略

在常規(guī)有軌電車系統(tǒng)建設(shè)中，一般在進入路口前一段距離(約200 m)的正線區(qū)段，布置用于路口優(yōu)先的感應(yīng)環(huán)線。當信號系統(tǒng)開啟路口優(yōu)先模式，有軌電車通過感應(yīng)環(huán)線時，其專用信號燈會根據(jù)道路交通信號燈的相位情況切換和保持燈色。若不開啟路口優(yōu)先，則有軌電車專用信號燈跟隨道路交通信號燈相位變換來切換燈色。當應(yīng)用V2X技術(shù)優(yōu)化通過方案時，有軌電車能夠更早且穩(wěn)定地獲取路口信號燈的燈色。當有軌電車運行到RSU的通信覆蓋范圍內(nèi)(以RSU為中心，半徑為500 m)時，車載設(shè)備即可接收到來自RSU包含的有軌電車專用信號燈燈色等信息的數(shù)據(jù)包。考慮到有軌電車自動駕駛系統(tǒng)同時具備自主信號感知和V2X特性，與之相應(yīng)的開啟和關(guān)閉V2X后的有軌電車路口通過策略分別如圖8和圖9所示。

4 有軌電車在軌測試與結(jié)果分析

為驗證所提出的路口通過方案的實際效果，上海富欣智能交通控制有限公司于2020年12月在淮安現(xiàn)代有軌電車經(jīng)營有限公司和中車株洲電力機車有限公司等單位的支持下，基于江蘇省交通廳科研課題《現(xiàn)代有軌電車自動駕駛技術(shù)研究》和淮安有軌電車1號線(以下簡為“1號線”)的車輛和線路條件，選取1輛試驗用有軌電車部署自動駕駛系統(tǒng)和V2X車載設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上選取1號線正線的連續(xù)3個信號機防護路口，布設(shè)與信號機聯(lián)動的V2X地面設(shè)備。有軌電車處于自動駕駛模式時，分別采用本文所述的基于自主信號感知和V2X技術(shù)的路口通過方案進行路口信號燈的檢測測試。

選取試驗段中的2個路口(路口一(K9+400—K9+500)，路口三(K9+900—K10+010))及其前、后方總長共計100 m的區(qū)域(路口二因距離第1個路口較近，受第1個路口通過情況的影響較大，不滿足試驗獨立性要求，故未選取)，對應(yīng)的時間-速度關(guān)系如圖10。由圖10可見：

1) 當僅使用自主信號感知作為路口通過判斷條件時，有軌電車在兩個路口都必須停車等待(速度為0)。一方面是由于有軌電車無法從信號燈檢測相機獲取允許燈色的倒計時，為了避免誤闖信號，無論路口是允許燈色還是禁止燈色，都必須先在路口前停車，等待下一次轉(zhuǎn)為允許燈色時方可通過；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)條件并不能保證100%檢測出路口信號燈及其燈色(特別是夜晚等困難場景下)，為安全起見亦會停車等綠燈開放后通過。上述兩方面因素導致有軌電車通過路口的總時間大大拉長(最長可達到單次信號相位的兩倍)。

2) 應(yīng)用V2X技術(shù)進行信號機檢測后，有軌電車可以根據(jù)路口允許信號的倒計時情況動態(tài)確定是否通過，以及通過的時速(需要同時滿足路口限速條件)，達到直接通過(如路口三)或顯著縮短停車等待時間(如路口一)的效果。

3) 與傳統(tǒng)的駕駛員目視行車通過路口方式相比，基于自主信號感知的有軌電車路口通過方案可以改善駕駛員在路口的注意力強度。但因駕駛員無法獲取路口信號的倒計時信息，從效率上而言改善空間不大。而基于V2X技術(shù)的有軌電車路口通過方案使列車能夠直接獲取路口信號的倒計時信息，如能夠與司控臺人機界面等設(shè)備聯(lián)動，即使不裝備自動駕駛系統(tǒng)，也可以輔助駕駛員判斷路口通過時機和車速，可提高路口行車效率，同時改善乘客的乘坐舒適感。

5 結(jié)語

本文在綜合分析當前有軌電車駕駛員常規(guī)目視駕駛，以及基于自主信號感知的自動駕駛有軌電車路口通過方案的基礎(chǔ)上，引入V2X技術(shù)，提出基于V2X技術(shù)的有軌電車路口通過方案，并在實際運行線路上進行了測試，以體現(xiàn)所提方案的有效性。測試結(jié)果表明，本文提出的基于V2X技術(shù)的自動駕駛有軌電車路口通過方案，能夠顯著縮短有軌電車在路口的等待時間(最長可縮短一半時間)或?qū)崿F(xiàn)不停車一次性通過，從而提高了有軌電車的控制效率，改善了乘客的乘坐體驗。