有轨电车运行控制策略设计

1.有轨电车驾驶模式研究

有轨电车驾驶系统与其他轨道交通机车类似，一般包括以下两类设备：①控制设备：转换开关、牵引控制器、制动控制器、列车照明及空调控制器、车载道岔控制器、列车车门控制器、雨刷控制器、鸣笛控制器等；②人机交互设备：信号指示灯、通信装置、电网网压表、蓄电池电压表、速度表、监控装置等。驾驶员通过操作手柄、按钮及开关等进行列车控制以实现相应的功能。

总体来说，驾驶系统分为人机界面和操作控制两大部分。人机界面主要显示列车行驶速度、列车运营相关信息（线路信息、到站信息等），车门控制信息；操作控制部分主要有牵引与制动操作模块、运动方向控制模块、道岔控制模块、车门控制模块、紧急制动模块等。

相比于地铁列车较高程度的自动化控制，有轨电车系统在驾驶过程中，仍旧需要驾驶员的大量操作以及手势来保证驾驶流程的稳定以及安全。在有轨电车线路运行过程中，驾驶员需要全程集中精力，操作难度在于全程手动、操作按键较多，对于部分区段，还需要进行供电模式转换的操作，驾驶过程中需要全程进行指示手势以保证驾驶员能够专注驾驶，从而保障行车安全。目前，有轨电车驾驶员在培训方面也逐渐专业化，苏州有轨电车研究中心已经开始制定这方面的相关规程。

总体来看，目前有轨电车驾驶过程操作较为繁多，过程比较烦琐，需要驾驶员全程保持高度集中的精神状态，因此辅助驾驶策略的设计需要简单易用，且由辅助驾驶系统带来的操作不能影响正常驾驶。

2.辅助驾驶策略功能需求分析

1）列车避撞预警

有轨电车辅助驾驶系统需要能够实现辅助避撞预警功能，为此相关设备及算法需满足下列条件：

（1）所选取的雷达检测器应满足技术需求，能够在合理误差范围内提供列车运行前方的障碍物目标信息；

（2）列车定位技术能够提供定位误差较小的列车定位及速度信息；

（3）可以根据障碍物目标信息与列车定位信息设计相关算法，提供列车防护以及避撞预警的功能；

（4）系统提供语音或灯光提示，保证驾驶员能够接收到相关障碍物信息以及避撞指示；

（5）对于紧急情况，如果系统提示超过一定时间驾驶员仍无反应，也没有通过相关人机交互功能确认当前情况的威胁情况，系统需连接列车相关制动设备，进行制动以保证行驶安全；

（6）功能设计需要简单易用，操作不影响有轨电车正常驾驶。

2）向驾驶员提供实时安全引导速度

有轨电车辅助驾驶系统要能提供实时安全速度，驾驶员需根据引导速度进行驾驶，在保证安全的前提下提高运行效率，因此相关策略算法需满足下列条件：

（1）能根据障碍物目标信息与列车定位信息，结合当前线路条件及其他需求，设计相关算法，在列车安全运行的基础上提供运行速度指引；

（2）结合线路内确定的行车目标点（车站、交叉口、区段限速转化点），在列车安全防护的基础上进行优化速度引导；

（3）系统通过上述算法得出的计算结果将作为列车辅助驾驶的依据，不直接对列车进行控制，而是需要通过驾驶员完成相关操作；

（4）对于驾驶员不按照要求操作的，需设计相关机制进行反馈，以保证辅助驾驶系统-驾驶员-列车运行状态的闭环控制。

3.辅助驾驶策略总体设计

1）辅助驾驶策略设计原则

（1）总体原则

辅助驾驶系统策略面向列车主动安全进行设计，设计过程中首先需要遵循故障导向安全原则。在考虑各项因素时，从最不利情况出发，设计过程中一旦相关策略失效，有后备模式保证列车安全。

（2）其他原则

设计还需要满足实时性、准确性、安全性以及易用性的原则。系统各项设备的数据收集、处理时间周期以及相关算法要具有较好的实时性，能够实时提供速度输出；要求系统各项设备的误差较小，经过相关算法计算后能够较为准确地反映列车前方障碍物的情况，并制定准确性较高的指导策略；系统的安全性需通过设计的每个环节予以保障，满足故障导向安全的总体设计原则；系统易于使用，不能够影响驾驶员的正常操作。

2）辅助驾驶策略实现模式分析

（1）实现模式

根据辅助驾驶策略的设计原则及功能需求，具体的实现模式如下：

步骤1：通过雷达传感器检测到障碍物相对于雷达坐标系的位置。

步骤2：从列车车载设备中实时安全读取列车当前运行参数，包括列车位置、当前速度等。

步骤3：判断障碍物是否威胁到列车行驶，即障碍物目标经过坐标转换计算判断是否位于轨道限界之内。

步骤4：将检测到具有威胁的障碍物转化为行车许可终点。目标如果位于轨道限界范围内，计算其与列车当前位置的轨内距离。

步骤5：根据行车许可终点实时计算列车防护曲线，并结合速度引导具体策略给出建议引导速度。判断以下几种事件，并制订对应的速度防护策略。

①前方如果为交叉口，对于有优先控制的情况，进行基于优先控制策略的速度引导；对于没有优先控制的情况，将列车减速引导到一个驾驶员能够判断停车／通过交叉口的节点，该节点既能保证列车可以在常规制动减速下在交叉口停车线停车，又能保证列车加速或保持该安全速度可以通过交叉口区域。

②前方如果为列车车站，则需要将列车引导到车站内停车。

③前方如果区段限速有变化，需要在进入相关区段之前将速度控制到相应区段限速以下。

步骤6：当需要常规制动或紧急制动时，进行较为激烈的提示（如语音提示同时配合灯光闪烁），并提供障碍物距离信息（危险源信息）以及建议减小速度（实际驾驶中对照相应的制动等级作为驾驶员辅助判断的依据）。

（2）系统交互功能设计

根据速度防护的特点及辅助驾驶的功能需要，系统交互功能设计应包含以下几个方面：(www.xing528.com)

①列车实际速度与引导速度的差值在2km／h之内，根据列车运行状态重新规划引导曲线等参数。

②列车实际速度与引导速度的差值如果超过5km／h，则认为驾驶员未按照列车引导速度运行。列车防护曲线设有提示点I与警告点W，若实际运行速度在提示点I与警告点W之间，进行强烈警示，一旦警示超过5s后驾驶员仍旧没有采取相关的合规操作，即进行列车常规制动，将实际运行速度控制到引导速度。

③当检测到的障碍物与列车的轨内距离需要施加制动，系统在发出警示5s内驾驶员没有采取相应制动行为也没有相应解释行为时，进行列车制动，直至列车停车或前方威胁解除，减速至建议速度。

④在系统交互功能中设计驾驶员不按照建议操作的解释机制。当驾驶员没有按照策略建议进行操作时，辅助驾驶系统提供解释机制，如果驾驶员在目视范围内确定系统所给出的危险源位置并无实际危险，在该界面选择确认解除当前危险状态，辅助驾驶系统将解除以该障碍物作为输入的行车许可终点，并记录错误信息以供系统后续改进分析使用。

该界面的选择设备建议使用物理按钮，不建议使用触摸屏，因为需要在5s内完成从驾驶员做出反应到系统接收输入信息的一系列操作，按钮设备的工作状态与触摸屏相比更加稳定。

4.辅助驾驶系统实现方案分析

有轨电车辅助驾驶系统仅依靠雷达传感器的输入并不能确定障碍物与轨道限界的相对位置关系，因此下文将分析选取何种检测器组合方式才能得到辅助驾驶系统需要的数据输入。

根据前述关于障碍物检测识别技术的研究，辅助驾驶系统将选取毫米波雷达作为障碍物位置及相对速度检测的传感器。由于雷达传感器只能确定列车与障碍物的相对位置，不能确定障碍物与轨道线路的位置关系，因此还需要其他辅助技术。基于此，本书提出三种可选方案。

方案1：基于“毫米波雷达+视觉识别”的方式

该方式利用视觉识别轨道限界范围，将雷达检测数据与视觉识别数据进行融合，并将数据经过时间、空间匹配等，从而确定障碍物与轨道线路的相对位置关系。同时，利用视觉识别确定交叉口位置，并识别信号灯相位情况。

该方案利用检测器坐标系可直接判断障碍物与轨道线路的相对位置关系。

方案2：基于“毫米波雷达+列车定位”的方式

该方式利用列车定位技术来实时确定列车位置，并将雷达检测到的基于雷达（列车）坐标系的障碍物数据通过一定算法匹配到列车线路坐标系中，从而确定障碍物与轨道线路的相对位置关系；通过既有线路数据库确定线路中交叉口的位置，如果需要交叉口相位信息还需要其他通信技术作为辅助。

该方案利用基于列车定位的坐标转换，求得障碍物在线路坐标系中的位置，从而判断障碍物与轨道线路的相对位置关系。

方案3：混合方式

该方式结合方案1和方案2中的三种技术，使得视觉检测在障碍物目标探测方面成为雷达技术的辅助，在障碍物与轨道线路相对位置关系判断方面成为列车定位技术的辅助，将三者数据相融合，从而获取信息量更大的输入数据。

上述三种方案各有优缺点，对比结果如表3－2所列。

表3－2　三种障碍物标定方案优缺点对比

出于成本以及全天候使用的考虑，应选取方案2作为基础方案。

对于列车定位技术，根据文献综述，仅靠单独一种技术无法全程提供准确的列车定位数据，因此需要使用若干种技术的组合。基于此，本书提出三种性价比较高的方案。

方案1：差分GPS定位+地图匹配+航位推算（GPS信号屏蔽区域）

利用差分GPS定位技术，结合地图匹配技术进行列车的实时定位。在GPS信号被遮挡的区域（如隧道等），应用航位推算技术来保证列车定位数据传输的连续性。

方案2：速度传感器+查询-应答器

利用沿线布设无源查询-应答器进行列车定位，在两个应答器之间应用速度传感器来保证列车定位数据传输的连续性。

方案3：混合方案

使用差分GPS技术，并配合里程累算技术与查询-应答器进行数据融合，得到更为精确的列车定位数据。

其中，差分GPS技术需要将差分基站信号覆盖线路全程，查询-应答器的检测精度布设也与无源信标的密度成正比，一般有轨电车线路长度在20km以内，如果每隔500m布设无源信标，需要40个左右，差分GPS基站的覆盖范围40km左右，不同的列车定位方案具有不同的误差计算模式。

综合考虑，根据不同的成本需求，三种方案基本都能达到有轨电车定位的需求。

5.辅助驾驶策略构架设计

根据辅助驾驶策略实现模式分析，有轨电车辅助驾驶策略构架可以简单地用图3－28来表示。

总体来说，辅助驾驶策略可以分为三层：

（1）策略输入层：检测器提供障碍物方位信息，车载安全读取设备提供列车速度、位置信息。

图3－28　辅助驾驶策略构架

（2）策略算法层：根据检测器获取的障碍物方位数据，结合列车定位数据，判断障碍物是否威胁列车正常行驶。对于威胁列车正常行驶的障碍物，计算其轨内行车许可终点，基于列车制动模型计算列车防护曲线，并结合速度引导策略给出建议驾驶速度。

（3）策略操作层：提供建议驾驶速度与防撞预警功能，设定速度门限及不同的提示与操作。

辅助驾驶策略如果要在车载层面实现，并成为辅助驾驶系统，则其物理构架如图3－29所示。

图3－29　辅助驾驶系统物理构架