辅助驾驶功能设计-有轨电车运行控制技术

1.防撞预警功能

1）列车防护曲线

列车防护曲线是列车制动模型的直观表达，用来表征列车在制动过程中速度下降与距离之间的关系。辅助驾驶系统需实时确定行车许可终点，并根据行车许可终点确定列车防护曲线。本书借鉴欧洲列车控制系统（European Train Control System，ETCS）的列车防护方法，建立了一簇防护曲线。

EBD曲线（the Emergency Brake Deceleration curve）为紧急制动曲线，列车运行过程中每个行车许可终点都对应一条EBD曲线，EBD曲线是一簇防护曲线中的最外层，一般不会被触发，一旦超过EBD曲线，列车的停车位置将超过行车许可终点，即会发生碰撞。

因此，需要考虑列车制动建立、驾驶员反应时间、列车定位测速误差等因素，计算紧急制动触发EBI曲线（the Emergency Brake Intervention curve）。当列车行驶状态越过EBI曲线时，自动施加紧急制动。

利用相同的原理，列车还设有最大常用制动触发SBI曲线（the Service Brake Intervention curve）。当列车运行状态触发该曲线之后，施加最大常用制动。

同时，为了实现对于驾驶员的提示和警告，设立了提示点I与警告点W，通过SBI曲线反推得出，图3－30表征了几条曲线之间的关系。

图3－30　EBD以及其他几条曲线的关系

2）防撞预警功能实现

当列车接近确定的行车许可终点时，辅助驾驶系统会向驾驶员提示安全引导速度，设提示点I与警告点W，其中I点的作用为提示驾驶员即将超过允许限速，该点提供足够的时间让驾驶员进行相关操作，当列车超过I点后，会通过声音、灯光等方式提示驾驶员减速；如果超过W点意味着即将触及最大常用制动曲线，若越过W点驾驶员仍旧没有任何操作，列车将在越过SBI监督点时自动触发最大常用制动，如果列车速度仍未降低到安全值，当超过了EBI监督点，则会触发紧急制动，以确保行车安全。

制动过程中的人机交互设计为提示—询问—制动三层：行车触发I点，进行声光提示；若直到触发W点驾驶员仍旧没有进行制动，给出解释界面；如果直到触发SBI监视曲线驾驶员依旧没有进行选择，则自动进行列车最大常用制动，可以设I点、W点以及SBI曲线之间的触发时间为5s。

由于有轨电车线路部分区段封闭性较差，有可能会出现突然闯入的障碍物离列车较近的情况，通过其作为行车许可终点的防护曲线会使得现有状态直接超过I点的包络线。鉴于这种情况多为行人闯入，而行人闯入的持续时间一般为2s左右，因此这种情况下的制动策略需要驾驶员帮助完成，具体过程如图3－31所示。

如果闯入障碍物确实有威胁且处于vc＞vEBI时，等效于列车已经位于EBI曲线之外，即使采取紧急制动也会触碰行车许可终点，则列车将无法避免此次碰撞，这种情况一般较少。

图3－31　入侵物过近的制动策略

如果是行人闯入，驾驶员可以通过按钮解除警报，继续正常行驶，系统也将在行人离开轨道限界范围之后自动撤销该行车许可终点。

2.安全速度引导功能

辅助驾驶系统需要能够向驾驶员提供安全引导速度，而安全引导速度由列车安全防护曲线结合速度引导的具体策略给出。其中，安全防护曲线由行车许可终点与线路区段限速确定。

1）行车许可终点种类

（1）线路障碍物：根据雷达数据与列车定位数据计算得出其与列车的轨内相对位置。

（2）车站停车点：列车需要在车站内停车上、下客。

（3）区段限速变化点（末速度不为0，属于等效行车许可终点）：直线区段、曲线区段、交叉口区段一般都有不同的限速要求，列车进入不同区段需要控制进入速度。

（4）交叉口停车线：针对需要在交叉口停车等待的情况，交叉口停车线归为行车许可终点的一种。在实际应用过程中，对于没有配备交叉口信号优先策略的线路，一般在交叉口前的某一位置确定一决策点，将列车减速引导到该决策点，由驾驶员确认是否可以通过交叉口，并通过人机交互按钮告知系统，从而让驾驶员决定操作列车加速或保持该安全速度通过交叉口，或是使用常规制动在交叉口停车线前停车。

2）线路限速情况

（1）直线线路限速：直线线路限速一般为土建限速，常取值70km／h。

（2）曲线线路限速：曲线线路限速由离心率公式得出，这里给出结论，即列车在曲线区段的最高限速数值为曲率半径平方根的4.12倍。

（3）交叉口区段：交叉口区段限速一般取20km／h。

3）速度引导策略(www.xing528.com)

所谓速度引导策略，即通过控制速度以达到一定的目标策略，一般有以下几种。

（1）有轨电车ATO系统：目前并非所有有轨电车系统都配备ATO系统，ATO系统即为通过线路上固定的行车许可终点给出非安全速度引导的系统。对于具有ATO系统的线路，本书研究的辅助驾驶系统可以将其引导速度作为输入，结合列车防护曲线的限速信息，给出安全引导速度作为输出。

（2）有轨电车信号优先控制策略：目前有轨电车信号优先控制策略速度引导仍处在开发阶段，该系统可以利用车-地通信，提前知晓前方交叉口的相位情况，通过引导列车运行速度，达到正好不停车通过交叉口区域的目标。同理，本书研究的系统作为安全等级更高的模块，可以将信号优先控制策略系统的速度作为输入。

（3）一般策略：一般策略主要是一些列车牵引策略，包括节时策略、节能策略以及混合策略，其本质是通过控制列车牵引、制动、惰行的状态来达到节时或节能或平衡的目标，同时给出列车引导速度。同理，可以作为辅助驾驶系统的输入。

4）引导速度变化原则

引导速度变化不应过于平缓，也不应过于突然，一般取5km／h作为常规变化数值，当然需要进行制动时除外。另外，引导速度有所变化时应有铃声提醒，并使得新的速度值在屏幕上闪烁。

3.辅助功能

1）声效及光效提示

在安全引导速度变化以及需要进行制动时，系统需要进行声效及光效提示。

2）人机交互机制

人机交互机制即为驾驶员与辅助驾驶系统交互的途径。系统提供了驾驶员不按照建议操作的解释机制，无论是安全速度引导还是制动提示，在驾驶员5s内没有执行相应的系统建议之后，系统会给出解释界面，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，则在该界面于5s内选择“并无威胁，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，并记录错误信息供系统后续改进分析之用。由于驾驶员专业度较高，一般较少出现5s内仍没有反应的情况。

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内进行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.界面设计

融合辅助驾驶策略所包含的功能，给出面向辅助驾驶系统的界面设计如图3－32所示。

图3－32　辅助驾驶界面设计

1）界面左上区域

系统界面左上区域提供当前速度信息以及安全引导速度信息，提供当前应该使用制动或牵引的状态；给出当前目标点距离及其类型，目标点类型包括线路入侵物、车站、交叉口决策点以及区段限速变化点。

2）界面左下区域

系统界面左下区域提供当前速度防护曲线的情况，防护曲线的行车许可终点即为当前目标点。

3）界面右上区域

系统界面右上区域提供当前线路附近障碍物信息，若有线路入侵物，给出其轨内等效距离供驾驶员参考。

4）界面右下区域

系统界面右下区域提供当前雷达检测情况，以雷达位置为原点，确定当前轨道限界与障碍物目标的相对位置。这里的障碍物指雷达检测到的所有前方障碍物的总和，根据是否入侵轨道线路限界分为线路入侵物与潜在障碍物两类。以（ρ，d′）的格式提供障碍物信息，其中ρ为障碍物距离列车当前位置的距离，d′为障碍物距离轨道限界的距离，供驾驶员参考。

当前方障碍物中存在线路入侵物时，系统界面右下区域闪烁并伴随声效提示。

当系统出现人机交互需求时，出现如图3－33所示的界面，需要通过辅助驾驶模块外接的按钮来完成人机交互过程。

图3－33　人机交互界面设计