有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng)*

童文聰 滕 靖 姚 幸 李君羨

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,201804,上海;2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海; 3.上海城建設(shè)計(jì)研究總院,200125,上海)

有軌電車一般鋪設(shè)于城市道路中央或路側(cè),其在路段行駛時(shí)常使用專屬路權(quán),以避免受到其他車輛或行人的干擾。當(dāng)有軌電車通過平交路口時(shí),由于存在不同方向的交通流沖突,需與其他交通形式共享道路空間并依照信號(hào)燈指示通行,因此有軌電車通常采用信號(hào)優(yōu)先技術(shù)來提高平交路口不停車的通行概率。有軌電車路段的限速一般為50～60 km/h,但出于安全考慮,有軌電車在平交路口必須減速行駛。根據(jù)相關(guān)規(guī)定[1],有軌電車在通過平交路口時(shí)的行駛速度不得超過30 km/h。在平交路口頻繁加減速將影響有軌電車整體的行程車速[2],還會(huì)增加其能耗損失。

為解決有軌電車在平交路口必須降速的問題,本文提出一種有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng),分析了有軌電車通過平交路口的車速特征,闡述了有軌電車不減速通過平交路口的實(shí)現(xiàn)原理及其系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)和控制邏輯,最后基于不同平交路口位置特征評(píng)估所提控制系統(tǒng)的實(shí)施效益。本文研究可為提升有軌電車的行駛速度及可靠性提供研究思路和技術(shù)指導(dǎo)。

1 有軌電車平交路口運(yùn)行特征分析

有軌電車在平交路口一般采用司機(jī)目視的行車方式,即:有軌電車在進(jìn)入平交路口前開始減速;在通過平交路口時(shí),其運(yùn)行速度控制在平交路口所允許的最大限速內(nèi);在確認(rèn)無潛在沖突后,有軌電車加速離開平交路口。以上海松江有軌電車T2線為例,分析其實(shí)測數(shù)據(jù)可知,有軌電車在平交路口的運(yùn)行軌跡呈V字形,存在一個(gè)運(yùn)行速度最低點(diǎn)vmin,其值直接影響有軌電車在平交路口的運(yùn)行速度。

由于平交路口可能出現(xiàn)的沖突干擾和人工駕駛操作的不確定性,有軌電車在平交路口運(yùn)行時(shí),具有一定的隨機(jī)性。取177條有軌電車不停車通過平交路口的速度軌跡曲線(假設(shè)平交路口限速為30 km/h),對(duì)其在置信度為0.05條件下進(jìn)行 K-S (Kolmogorov-Smirnov)檢驗(yàn)。研究結(jié)果表明,vmin滿足N(20.3,10.3)的正態(tài)分布檢驗(yàn)要求,極端誤差D=0.068。將vmin樣本數(shù)據(jù)按速度大小等距劃分為30組,繪制其頻率分布圖如圖1所示。由上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,vmin的期望值為20.3 km/h,遠(yuǎn)小于平交路口的限速值,其標(biāo)準(zhǔn)差為10.3,說明vmin較不穩(wěn)定。vmin對(duì)有軌電車的運(yùn)行效率和可靠性有較大的影響。

注:頻率指各組樣本數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與樣本總數(shù)的比值。

2 有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

有軌電車制動(dòng)減速度較小,以運(yùn)行速度為60 km/h為例,其緊急制動(dòng)需要的時(shí)間約為9 s,制動(dòng)距離不小于100 m;常規(guī)制動(dòng)需要的時(shí)間約為18 s,制動(dòng)距離不小于200 m[3]。由于制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間過大,有軌電車駕駛員無法在高速行駛時(shí)預(yù)判平交路口可能存在的沖突,只能在通過平交路口時(shí)采用較低的速度行駛,以保證足夠的制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間。

為解決有軌電車在高速運(yùn)行條件下制動(dòng)時(shí)間較長、平交路口沖突無法預(yù)判的問題,本文擬采用可控實(shí)體隔離方法,由有軌電車主動(dòng)發(fā)出隔離控制請(qǐng)求,預(yù)先對(duì)平交路口通行區(qū)域進(jìn)行清空,以保證列車在制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生不可預(yù)計(jì)的沖突,進(jìn)而達(dá)到不減速通過平交路口的目的。

為解決控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性問題,本文擬采用清空區(qū)沖突檢測技術(shù),有軌電車可根據(jù)所獲得的平交路口檢測情況,對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判,對(duì)不符合快速通過要求(如無綠燈信號(hào)或清空區(qū)被占用)的有軌電車,實(shí)行降速或緊急制動(dòng)處理。同時(shí),將平交路口當(dāng)前視頻監(jiān)控信息發(fā)送給司機(jī)進(jìn)行二次安全評(píng)估,增加所提控制系統(tǒng)的可靠性。此外,增加有軌電車通過警示信息,以倒計(jì)時(shí)的方式給平交路口通行的車輛和行人予以提醒,減少違規(guī)侵占清空區(qū)的情況。

基于上述設(shè)計(jì)思路,本文提出一種有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng)。所提控制系統(tǒng)由平交路口路面設(shè)施、平交路口控制系統(tǒng)和有軌電車車載控制系統(tǒng)三部分組成。有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。平交路口路面設(shè)施包括有軌電車傳感定位系統(tǒng)、交通信號(hào)控制機(jī)、清空區(qū)及沖突檢測設(shè)備、可控實(shí)體隔離設(shè)備、警示系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。平交路口設(shè)施布置示意圖如圖3所示。

圖2 有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 平交路口設(shè)施布置示意圖

平交路口控制系統(tǒng)主要用于對(duì)平交路口的路面設(shè)施進(jìn)行管理,配合和支持有軌電車車載系統(tǒng)。有軌電車車載系統(tǒng)內(nèi)含控制算法模塊,可對(duì)平交路口路面設(shè)施的傳輸信息進(jìn)行分析與邏輯計(jì)算,并執(zhí)行控制系統(tǒng)指令。平交路口路面設(shè)施的功能設(shè)置如下:

1) 交通信號(hào)控制機(jī)。配合有軌電車車載系統(tǒng)的控制算法,能夠?qū)崿F(xiàn)有軌電車平交路口信號(hào)優(yōu)先通行。

2) 警示系統(tǒng)。響應(yīng)有軌電車車載控制系統(tǒng)控制算法發(fā)出的控制指令,向平交路口車輛和行人提供有軌電車即將通過的聲光預(yù)警和隔離操作倒計(jì)時(shí)。

3) 清空區(qū)及沖突檢測設(shè)備。清空區(qū)為保證有軌電車能無阻礙通過平交路口所劃定的區(qū)域,由有軌電車的通行軌跡與平交路口范圍相交平面構(gòu)成。沖突檢測設(shè)備用于檢測預(yù)劃定的清空區(qū)是否存在行人、車輛或其他阻礙物,并將檢測結(jié)果反饋給有軌電車車載系統(tǒng)。當(dāng)有軌電車即將駛?cè)肫浇宦房跁r(shí),如清空區(qū)未清空,將通知有軌電車減速,并撤銷隔離操作。清空區(qū)檢測可采用多種檢測技術(shù),如視頻識(shí)別、微波或重力感應(yīng)技術(shù)等,互為冗余,以保證系統(tǒng)的可靠性。

4) 可控隔離設(shè)備。所提控制系統(tǒng)通過臨時(shí)性的實(shí)體路障劃定隔離區(qū)域。根據(jù)有軌電車車載控制系統(tǒng)控制算法發(fā)出的控制指令,可控隔離設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成該平交路口建立或撤銷隔離操作,并向系統(tǒng)返回操作成功與否的信息?？煽馗綦x設(shè)備能臨時(shí)性形成一個(gè)有軌電車通行獨(dú)享的封閉區(qū)間,阻止車輛、行人和非機(jī)動(dòng)車穿越有軌電車通行通道,避免沖撞。

5) 平交路口傳感定位設(shè)備。平交路口傳感定位系統(tǒng)包括5組有軌電車位置檢測器,在有軌電車通過預(yù)設(shè)定軌道斷面時(shí)生成1組車輛斷面通過信號(hào),并將信息傳輸至有軌電車車載系統(tǒng),有軌電車車載系統(tǒng)由此獲得有軌電車相對(duì)于特定平交路口所處的位置信息。

5個(gè)定位檢測器鋪設(shè)示意圖如圖4所示,對(duì)5個(gè)有軌電車定位檢測器的位置作如下設(shè)置。

圖4 定位檢測器鋪設(shè)示意圖

2) 第二定位檢測器,位于信號(hào)優(yōu)先申請(qǐng)檢測點(diǎn)B,其至路口停車線的距離dB應(yīng)滿足:dB≥dsm,dsm為平交路口信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行公交優(yōu)先申請(qǐng)所需的最小距離[4]。

3) 第三定位檢測器,位于限速檢測點(diǎn)C,其至路口停車線的距離dC應(yīng)滿足:dC>dsl,dsl為該區(qū)段有軌電車采取一般制動(dòng)時(shí)從區(qū)段可能最高速度降低至平交路口限速以下所需距離。

4) 第四定位檢測器,位于緊急制動(dòng)檢測點(diǎn)D,其至路口停車線距離dD應(yīng)滿足:dD≥deb。

5) 第五定位檢測器,位于有軌電車離開檢測點(diǎn)E,其至有軌電車平交路口最近沖突點(diǎn)距離dE應(yīng)滿足:dE≥Lv,Lv為有軌電車長度。

由于有軌電車的起始車速受上游停車點(diǎn)的影響,其定位檢測器距離停車線的位置與上游站臺(tái)間距有關(guān)。以上海松江有軌電車T2線的車輛參數(shù)為計(jì)算依據(jù),以平直線路為基本運(yùn)行場景,取tcd=10 s,tse=7 s,有軌電車限速vlim=60 km/h,通過計(jì)算獲得的各定位檢測器至停車線距離如表1所示。由于信號(hào)優(yōu)先申請(qǐng)及反饋速度較快,因此檢測點(diǎn)B距停車線位置只需比檢測點(diǎn)C略大即可,本文取為30 m。檢測點(diǎn)E設(shè)在有軌電車與平交路口最后交通沖突點(diǎn)下游50 m處。

表1 定位檢測器至停車線距離

3 控制邏輯設(shè)計(jì)

控制算法模塊用于執(zhí)行有軌電車通過平交路口的自動(dòng)控制邏輯,控制算法模塊運(yùn)行流程圖如圖5所示。

圖5 控制算法模塊運(yùn)行流程圖

控制算法模塊運(yùn)行步驟如下:

步驟1 有軌電車以全速運(yùn)行,到達(dá)檢測點(diǎn)A,向警示系統(tǒng)發(fā)送警示要求,啟動(dòng)隔離倒計(jì)時(shí),同時(shí)將平交路口實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面反映到有軌電車駕駛室。

步驟2 有軌電車?yán)^續(xù)全速運(yùn)行,由遠(yuǎn)及近靠近平交路口,到達(dá)檢測點(diǎn)B,向交通信號(hào)機(jī)發(fā)送信號(hào)優(yōu)先申請(qǐng)并等待回復(fù)。

步驟3 有軌電車?yán)^續(xù)全速行駛,到達(dá)檢測點(diǎn)C,此時(shí),若未收到信號(hào)優(yōu)先許可信息、優(yōu)先許可信息為否或檢測到系統(tǒng)故障,進(jìn)入步驟4,否則進(jìn)入步驟5。

步驟4 有軌電車啟動(dòng)常規(guī)制動(dòng),將車速降低至平交路口限速以下,同時(shí)取消隔離倒計(jì)時(shí)和后續(xù)隔離操作,由司機(jī)視實(shí)際情況駕駛通過平交路口。

步驟5 有軌電車?yán)^續(xù)全速前進(jìn),并在隔離倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)啟動(dòng)隔離操作,如隔離操作執(zhí)行成功,對(duì)清空區(qū)進(jìn)行沖突檢測并向有軌電車發(fā)送檢測結(jié)果。當(dāng)有軌電車到達(dá)檢測點(diǎn)D時(shí),若隔離操作執(zhí)行失敗、清空區(qū)檢測存在沖突或檢測到系統(tǒng)關(guān)鍵模塊發(fā)生故障,進(jìn)入步驟6,否則進(jìn)入步驟7。

步驟6 有軌電車啟動(dòng)緊急制動(dòng),在進(jìn)入平交路口前停下,撤銷隔離操作,由司機(jī)視實(shí)際情況駕駛通過平交路口。

步驟7 有軌電車全速通過平交路口,達(dá)到檢測點(diǎn)E,撤銷隔離操作并離開平交路口。

考慮到有軌電車啟動(dòng)緊急制動(dòng)易引發(fā)客傷事件,應(yīng)加強(qiáng)其設(shè)備可靠性以避免發(fā)生故障,必要時(shí)配備安全管理員進(jìn)行秩序管理,減少緊急制動(dòng)觸發(fā)概率。

4 控制系統(tǒng)實(shí)施效應(yīng)分析

有軌電車站臺(tái)一般結(jié)合平交路口進(jìn)行設(shè)置,而在設(shè)站平交路口有軌電車必停車,因此所提控制系統(tǒng)主要設(shè)置在不設(shè)站平交路口處,且所提控制系統(tǒng)實(shí)施效果與站臺(tái)和平交路口位置有關(guān)。有軌電車站間距一般為600～1 000 m,平交路口常見間距為300～600 m,兩個(gè)站臺(tái)之間常存在一個(gè)不設(shè)站平交路口,以此常見情況為基本研究區(qū)間。設(shè)M點(diǎn)、N點(diǎn)為有軌電車站臺(tái),O為不設(shè)站臺(tái)平交路口。MN距離為l,MO距離為l1,NO距離為l2,設(shè)MO距離與MN距離的比例r=l1/l,r值表征了平交路口在區(qū)間所在的相對(duì)位置。

以上海松江有軌電車線路列車運(yùn)行參數(shù)為例,構(gòu)建有軌電車運(yùn)行評(píng)價(jià)模型[5]。計(jì)算當(dāng)vmin=20.3 km/h時(shí),不同l和r條件下,所提控制系統(tǒng)實(shí)施前后,區(qū)間運(yùn)行延誤和能耗的變化情況。平交路口相對(duì)位置比例r會(huì)影響有軌電車的加速距離,進(jìn)而影響有軌電車在平交路口的通過速度,導(dǎo)致區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和能耗指標(biāo)的變化?？紤]有軌電車運(yùn)行有兩個(gè)方向,r的取值采用雙向來車均值,即r與1-r對(duì)稱,故設(shè)r的取值范圍為0.1～0.5。以路段限速60 km/h的平直線路為基本運(yùn)行場景,對(duì)所提控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施效應(yīng)評(píng)價(jià)。由于l和r均會(huì)對(duì)實(shí)施效果造成影響,設(shè)l在200～2 000 m范圍內(nèi)以100 m為間隔取值,r在0.1～0.5范圍內(nèi)以0.1為間隔取值,生成評(píng)估場景集合。

設(shè)tb、ta分別為所提控制系統(tǒng)實(shí)施前、后的有軌電車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間,二者比值pt=tb/ta。不同r條件下,pt與l的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知:pt隨著l的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,同時(shí)其隨著r的增大而逐漸增大;當(dāng)l=500 m、r=0.5時(shí),pt達(dá)到峰值116.6%。這說明所提控制系統(tǒng)所在平交路口距離前后站臺(tái)250 m時(shí)的運(yùn)行速度提升比例最高。

圖6 不同r條件下pt與l之間的關(guān)系

不同r條件下,延誤減少量與l之間的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知:區(qū)間運(yùn)行延誤減少量隨著l和r的增大而增大,但在達(dá)到峰值9.2 s后不再增加。這說明在這些場景下有軌電車已充分加速,在平交路口的運(yùn)行速度已達(dá)到路段限速,無法再提升,延誤減少量在該情況下達(dá)到上限。

圖7 不同r條件下延誤減少量與l之間的關(guān)系

由于所提控制系統(tǒng)能夠減少減速制動(dòng)的能量損失,其同時(shí)也能夠減少有軌電車的區(qū)間運(yùn)行能耗。設(shè)eb、ea分別為所提控制系統(tǒng)實(shí)施前、后的有軌電車區(qū)間運(yùn)行能耗,二者比值pe=eb/ea。不同r條件下,pe與l的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知:pe隨著l的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,同時(shí)其隨著r的增大而逐漸增大;當(dāng)l=700 m、r=0.5時(shí),pe達(dá)到峰值162%。

圖8 不同r條件下pe與l之間的關(guān)系

為研究有軌電車通過平交路口的運(yùn)行時(shí)間偏差特性,已知vmin～N(20.3,10.3),基于蒙特卡洛思想,對(duì)不同l和r條件下,執(zhí)行5 000次vmin隨機(jī)選值,并代入模型計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差分布特性。不同r條件下區(qū)間運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差與l之間的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知:隨著l和r的增大,有軌電車受到的平交路口速度干擾逐漸增大,但增幅逐漸放緩,穩(wěn)定后的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值約為5.3 s。由此可知,所提控制系統(tǒng)可以降低有軌電車由于平交路口限速引發(fā)的速度偏差,進(jìn)而提高有軌電車運(yùn)行的時(shí)間可靠性。

圖9 不同r條件下區(qū)間運(yùn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差與l之間的關(guān)系

綜上所述,所提控制系統(tǒng)對(duì)降低有軌電車延誤、減少能耗和提高運(yùn)行時(shí)間可靠性作用顯著,其實(shí)施效果與平交路口位置和區(qū)間長度有關(guān),當(dāng)平交路口與前后站臺(tái)相距超過250 m時(shí),所提控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)施效益。

5 結(jié)語

區(qū)別于地鐵和輕軌,有軌電車的主要特征在于平交路口的非封閉性,有軌電車通過平交路口時(shí)呈V字型減速后再加速,存在一個(gè)運(yùn)行速度最低點(diǎn),其值直接影響有軌電車在平交路口的運(yùn)行速度。本文提出一種有軌電車通過平交路口車路協(xié)同速度控制系統(tǒng),基于列車定位技術(shù)和清空區(qū)沖突檢測技術(shù),采用臨時(shí)性實(shí)體隔離方式創(chuàng)建有軌電車獨(dú)享通行空間,使有軌電車能以較大概率不減速通過平交路口,有利于提高有軌電車的運(yùn)行速度及時(shí)間可靠性,降低運(yùn)行能耗。

不同平交路口相對(duì)上下游停車點(diǎn)的位置對(duì)所提控制系統(tǒng)的實(shí)施效果有較大影響。因此可根據(jù)實(shí)際線路情況選擇實(shí)施點(diǎn)位。線路中可以只對(duì)部分無站臺(tái)平交路口進(jìn)行改造,改造量小且能取得較好的效果。此外,由于可控隔離的建立和撤銷會(huì)占用一定的綠燈時(shí)間,對(duì)信號(hào)控制方案有一定的影響,應(yīng)結(jié)合具體情況進(jìn)行分析研究。