基于路面发光信标的智轨电车平交道口路权共享策略

刘浏 蒋小晴 李超 吴雄韬

(1.中车株洲电力机车研究所有限公司城市发展事业部 湖南株洲 412001；2.株洲中车时代电气股份有限公司装备事业部湖南株洲 412001)

2017年6 月2 日，由中车株洲电力机车研究所有限公司研制的一种名为“智轨轨道快运系统（Autonomous Rail rapid Transit, ART）”的全新交通产品在株洲首次亮相[1]，与现代有轨电车相比，该车采用胶轮承载，取代了传统的钢轮钢轨，因此不需要铺设专有的物理轨道，通过自主研发全球独有的轨迹跟随控制技术，控制智轨列车在虚拟轨道上智能导向，同时依靠特定的信号控制技术对智轨电车在虚拟轨道的行进进行约束，提高安全性。智轨电车采用轨迹跟随、低地板和高效电传动技术，集合了有轨电车无污染，速度快、大运量的特点，又吸收了传统公交客车的运营灵活，建设投入小等优势；具有综合运力强、建设周期短等优越性[2]。

平交道口是不同方向的两条以上道路的相交处，它是整个城市道路网不可缺少的组成部分[3]，对于大多数城市道路来说，平交道口是堵车最严重的区域，在大车流的情况下，平交道口的服务水平决定着整条路线的通行能力。

智轨线路可以采取完全独立路权、半独立路权以及混合路权3种形式，其中半独立路权在线路区间使用专用道路形式，而在平交道口与道路其他车辆交汇运行，是智轨电车最为普遍的路权形式[4]。根据国内现有智轨项目以及有轨电车项目的发车频次，早晚高峰的发车间隔为6～10 min[5]，平峰时的发车频次约8～15min，而智轨电车从停止线启动并通过一个50m长的路口不超过15s，交叉路口智轨专用车道的长时间空置会造成道路资源的浪费，且带来不良社会舆论的影响。在半独立路权的形式下，如何提高在平交道口区域智轨专用车道的路权分享能力，对提升整个智轨交通环境尤为重要。

本文介绍了基于地面发光信标的智轨电车平交道口路权共享策略。在平交道口区域，根据智轨电车的实时位置、速度以及通行方向等信息，动态控制平交道口区域显示路权的地面发光信标的发光状态，从而划定社会车辆允许（禁止）进入的平交道口智轨专用车道允许排队等候区域，充分发挥平交道口智轨专用车道的通行能力，提高整个平交道口的服务水平，并通过VISSIM交通仿真[6]软件对该策略的应用效果进行了验证。

1 系统总体结构

智轨平交道口路权共享系统总体结构由车载系统、后台系统以及轨旁设备组成，具体关联关系如图1所示。

1.1 车载系统

车载系统包括车载读写网关、车载信号系统以及车辆网路控制系统。车载读写网关安装在智轨电车车头合适位置，能够获取车辆位置、速度与行车方向等信息，计算车辆达到平交道口所需时间，按照路权共享策略控制对应的地面发光信标，并将控制信号通过专网或公网LTE传送给地面通信装置，同时从地面通信装置读取发光信标的工作状态信息，实时监控其工作状态及相关指标。

车载信号系统主要实现车辆测速、定位、判断运行方向、进路功能、安全防护等功能，并给司机提供辅助驾驶信息，通过以太网接口将智轨电车运行信息发送给路权共享系统的车载读写网关，车载读写网关根据该信息控制对应发光信标的发光状态。

车辆网路控制系统主要实现网络控制、通信等功能，通过以太网接口接收路权共享系统状态信息，并通过专网或公网LTE向后台管理系统发送监控数据。

1.2 后台系统

后台系统包括后台管理系统以及调度管理系统。后台管理系统根据车载读写网关通过无线通信上传而来的数据，进行状态监视、维护管理和事件记录等，管理地面发光信标的工作状态，运行参数等，为维护提供参考信息。通过以太网接口与调度管理系统通信，向调度管理系统发送状态、参数及报警等信息。

图1 系统关联关系图

调度管理系统主要实现全线运行状态监控、运行图编辑、运营调整及管理统计等功能，通过以太网接口接收路权共享系统的后台管理系统反馈的状态、参数及报警等信息。

1.3 轨旁设备

轨旁设备包括地面通信装置与地面发光信标。地面通信装置安装在平交道口附近的站台或其他合适区域，用于接收车载读写网关发送来的地面信标的控制信号，并发送给地面发光信标控制其发光状态；同时接收地面发光信标的状态信息并发送给车载读写网关。

地面发光信标使用铸铝合金一体成型，嵌入路面，用于安装发光信标主体。可以安装在智轨专用道路一侧或两侧，采用等距的方式布置。其采用车辆唤醒方式，由地面通信设备通过无线与地面发光信标通信，唤醒地面发光信标。

2 平交道口路权共享策略

为了保证智轨电车运营过程中的高效及准点率，采用半独立路权的智轨电车通过占用平交道口其中的一条渠化道运行，势必会影响与智轨电车同向社会车辆的通行能力。

2.1 平交道口路权共享策略概述

通过获取智轨电车实时的位置、速度以及运行方向等信息，动态地控制平交道口不同区域地面发光信标的发光状态，允许社会车辆在不影响智轨电车正常通行的情况下占用平交道口智轨电车专用道，实现平交道口路权共享的模式可以在一定程度上减轻社会车辆通行的压力，提高平交道口的服务水平。

利用地面发光信标在平交道口设置智轨电车专用道允许排队等候区，社会车辆可以进入允许排队等候区并由此通过平交道口。为了保证平交道口路权共享系统的有序、高效运行，引入如下运行策略：

（1）为了可以合理控制允许排队等候区的排队长度，只允许社会车辆从旁道变道进入允许排队等候区；

（2）地面发光信标的禁行标识（红灯常亮）只禁止旁道车辆进入该区域，不对已经合法进入该区域的车辆进行警示；

图2 示例十字平交道口

（3）当地面发光信标收到不同车辆发送的控制信号时，优先执行红灯常亮动作，即优先保障智轨电车专用道畅通；

（4）允许排队等候区的长度应根据智轨电车运行至路口所需时间以及该平交道口红绿灯相位设置及相位时长进行设定；

（5）允许排队等候区的最大长度应大于该车道绿灯相位时间内所能清空社会车辆范围的平均长度；

（6）允许排队等候区的最小长度应小于在该车道绿灯相位时间内除去智轨电车通过平交道口的时间外所能清空社会车辆范围的平均长度；

（7）为了保证运行安全，在智轨电车靠近平交道口时，不允许任何车辆变道进入智轨电车专用车道。

2.2 平交道口路权共享策略应用

图2所示的示例十字平交道口中，假设智轨电车采用路中式敷设方式沿东西向运行。图中共标识出A、B、C、D这4个点，为平交道口路权共享策略的关键控制点。其中A点与C点之间均布置地面发光信标，间距为1m，均匀布置。其中，A点为一个绿灯时间内可以与智轨电车一同通过平交道口的允许排队等候区长度；B点为智轨电车到达时间大于一个红绿灯循环时间时允许排队等候区的长度，A点与B点之间的长度为一个该车道绿灯时间内所能清空道路的平均长度；C点为社会车辆禁行点，不允许社会车辆从智轨车道直接驶入平交道口允许排队等候区（只允许社会车辆在地面发光信标常绿区域变道进入平交道口允许排队等候区）；D点为动态点，根据车载信号系统提供的智轨电车实时位置、速度以及运行方向信息，预测智轨电车在该点到平交道口停止线的运行时间正好为平交道口一个红绿灯循环的时间。

智轨电车平交道口路权共享策略流程如图3所示。智轨电车实时获取位置、速度与运行方向等信息，并由车载信号系统将信息传送给车载读写网关以判断智轨电车是否达到D点（到达平交道口所需的时间是否小于路口），如果该位置未到D点，则允许社会车辆进入B点之前的区域排队等候；如果智轨电车经过D点，处于D点与C点之间的位置时，A点与B点之间的地面发光信标红灯常亮，禁止社会车辆进入此区域，只允许社会车辆从A点之前进入智轨专用车道，已经处于A点与B点之间的车辆可以继续停留等待。如果智轨电车经过C点，处于C点与停止线之间的位置时，C点到停止线之间的地面发光信标全部红灯常亮，禁止社会车辆进入智轨电车专用车道。

图3 智轨平交道口路权共享策略流程图

图4 信号灯仿真配时方案

3 平交道口仿真参数设置

本文选用VISSIM作为仿真工具并结合图3所示的十字平交道口与智轨电车运营的特征，对平交道口信号灯配时方案、社会车辆交通量、智轨信号优先方案、平交道口关键控制点等仿真参数进行设置。

3.1 信号灯配时方案

示例平交道口信号灯配时方案为4相位，周期长度为120s，每个相位黄灯时间为3s，绿间隔时间为2s，配时方案如图4所示。

3.2 社会车辆交通量

为了减少外部参数对移动路权系统评价结果的影响，将示例十字平交道口中各个路口的社会车辆交通量参数统一设置，其交通量表如表1所示。

3.3 智轨信号优先方案

为了保证智轨电车的运行效率与准点率，一般在智轨电车通过路口时均进行相应的信号优先设置。本文在智轨电车通过路口时设置绝对优先控制策略[7]，信号优先方案的控制逻辑为当智轨电车靠近路口时，如果当前相位大于最小绿灯时间（10s）则立即转换为东西直行相位（如果当前相位为东西直行则不发生转变），直至智轨电车通过且东西直行绿灯执行25s后转换成被转换相位的下一常规相位，如下一常规相位为东西直行则跳过并转换为东西直行的下一相位。

3.4 平交道口关键控制点设置

根据平交道口实际数据统计，车辆正常运行时，平交道口一条渠化道25s绿灯时间内小汽车通行量约10辆；当智轨电车与小汽车在一个绿灯时间内通过时，最多可同时通过的小汽车数量为6辆。实际测量渠化道等待区每辆小汽车间隔约为6m（小汽车长约4.5m，车间距约1.5m）。根据以上信息对平交道口关键控制点的位置进行设置:A点距离平交道口停止线的距离设置为30m，预计此区域排队车辆在一个绿灯时间内与智轨电车一同通过平交道口;B点与A点之间的距离设置为60m，预计此区域车辆在智轨电车远离平交道口时，利用一个绿灯时间通过平交道口;C点与B点之间的距离设置为100m，此区域设置为社会车辆禁行区;D点与平交道口停止线的距离根据智轨电车运行速度（40km/h）设置为1300m。

表1 社会车辆交通量设置

表2 仿真结果

4 平交道口仿真结果

根据上文第3节中确定的仿真参数，分别建立应用智轨电车平交道口路权共享策略与应用智轨电车平交道口专用车道的仿真模型，在同等交通条件下，统计不同的交通评价指标对两种模型中与智轨电车同向的交叉路口社会车辆的通行能力进行仿真评估。

4.1 评价指标

本文选用VISSIM作为仿真工具对智轨电车及社会车辆在道路上的各种行为，如跟车、超车、变换车道、响应平交道口信号控制等进行较真实的反应，选取与模型平交道口中与智轨电车同向道路的排队长度、通行能力、服务水平、智轨平均延误4个参数作为仿真模型的评价指标。

在VISSIM中排队长度分为最大排队长度与平均排队长度，通过设置一条排队等候线并设置相应的排队条件就可以在评估结果列表中自动对排队长度进行记录；通行能力是指所评价道路上某一路段单位时间内通过某一断面的最大车辆数；服务水平用于衡量交通服务质量，本文利用饱和度作为被评价道路服务水平衡量的标准，服务水平共分为A、B、C、D、E、F这6个等级，分别由通畅到堵塞反应不同的交通状况；智轨电车平均延误是指通过交叉路口的每列智轨平均的延误时间。

4.2 仿真结果

根据上文中的路权共享策略及仿真参数设置在VISSIM中建立仿真模型，输出的仿真结果如表2所示。

根据表2的数据显示，在3600s的仿真时间内，应用共享路权策略平交道口智轨电车方向社会车辆的平均排队长度为48.23m，而使用智轨电车专道的平交道口智轨方向社会车辆排队长度达到了222.65m，同时与智轨同向车道的通行能力与服务水平上也体现出了平交道口路权共享策略的优势。与此同时，由于两种策略下智轨电车均具有信号优先权，不同的模型中智轨电车的平均延误时间均不会对运营的准点率造成影响。

5 结语

智轨、有轨电车、BRT等都属于中小运量地面公共交通的范畴，在运行过程中为了保证公交优先的有效实施，此类公共交通工具均需要占用一定的道路资源，特别是在交通压力较大的平交道口区域，大多通过设置一条专门的车道来保证其优先运行，这样势必会造成或加重该区域的交通堵塞，给社会车辆的通行带来较大的压力；以此同时，在此类公共交通工具发车频次较低时会使平交道口的专用道路长时间闲置，造成道路资源的浪费，也造成不良的社会影响。通过采集车辆运行过程中实时位置、速度以及运行方向等信息，利用平交道口地面发光信标不同的发光状态，在不影响智轨正常运行效率的情况下，指引社会车辆根据提出的路权共享策略占用平交道口智轨专用车道。通过VISSIM仿真软件进行相应的建模与仿真，结果表明，该策略可以在保证智轨运营效率的情况下显著减少平交道口社会车辆的排队长度，并明显提高了平交道口社会车辆的通行能力与服务水平。

本文仅通过Vissim软件对提出的基于路面发光信标的智轨电车平交道口路权共享策略进行了仿真验证，在实际应用过程中可能会因系统本身或交通环境下各种不确定性的影响对系统的运行效率甚至交通安全造成的影响。在下一步工作中将通过试验以及实际应用对整个系统的可行性以及可靠性进行工程优化。