智能轨道快运系统路权控制技术研究

刘光勇，石阳阳，刘伟康，刘 浏，贾碧胜，罗云峰，张 恒

（1.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005；2.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001；3.四川川南轨道交通运营有限公司，四川 宜宾 644600；4.宜宾市公安局交通警察支队，四川 宜宾 644600）

0 引言

智轨电车作为一种城市道路交通运输方式，其在运行过程中需占用城市道路资源，与其他交通工具共享道路使用权。交叉路口作为不同方向的两条及以上道路的相交处，是整个城市道路网不可或缺的组成部分[1]。对于大多数城市道路来说，交叉路口是堵车最严重的区域；在大车流的情况下，交叉路口的服务水平决定着整条道路的通行能力。因此，基于道路资源的有限性、公用性、十字路口多等特点，需要开展智能轨道快运系统（autonomous-rail rapid transit，ART）路权控制技术的研究。

本文从智轨电车路权使用的角度出发，首先介绍了路权的概念，然后基于对智轨电车在半专用路权及混合路权场景下的运行情况，提出了“移动路权系统+路口信号优先系统”的解决方案，该方案可在保证智轨电车运营效率的前提下尽量少地占用道路资源，提高城市道路交通运输效率。

1 路权

路权是指交通参与者的道路使用权，是交通范畴内特定的、由交通法规赋予给交通参与者的一定空间和时间内在道路上进行交通活动的一种权利，其包括行驶权、通行权、先行权和占用权[2]。

根据路权的专用程度，一般可将路权划分为专用路权、半专用路权和混合路权3类。

专用路权是路权优先的最高形式，即在空间上和时间上对路权绝对专用，与其他交通方式完全隔离。该路权形式下，线路通过能力不受交叉路口限制，车辆行驶速度较高，乘客舒适度、交叉路口的安全性较高，但土建成本较高。

半专用路权需划分专用车道，在空间上和时间上对路权部分专用，与其他交通方式存在平面交叉，需要与其他交通工具共享部分路权。该路权形式下，车辆行驶速度一般，系统运输能力受交叉路口影响，乘客舒适度、交叉路口的安全性一般，土建成本较低。

混合路权时不专门划分车道，与其他交通方式混行，共享道路资源。该路权形式下，车辆行驶速度低，乘客舒适度、交叉路口的安全性低，土建成本低。

专用路权虽然可以较好地保证智轨电车的通行效率，但因占用道路资源多、使用成本高，因此在实际应用中，ART一般采用半专用路权或者混合路权。下面分别对两种路权场景下如何合理地使用道路进行分析。

2 半专用路权下的道路使用策略

2.1 概述

半专用路权下，智轨电车仅在交叉路口与其他交通工具存在平面交叉，此时合理的路权使用策略即如何保证智轨电车在交叉路口处的有效通行。此场景下，可通过部署路口信号优先系统来实现，在综合考虑交叉路口的交通流情况下给予智轨电车在交叉路口的优先通行权。

路口信号优先系统的功能是根据智轨电车的运行情况，与道路交通信号控制系统一起，实现智轨电车在交叉路口处的优先通行。路口信号优先系统的整体构成如图1所示，主要由车载设备、路侧设备和中心管理设备构成，图中灰色部分为道路交通信号控制系统设备。

图1 路口信号优先系统结构Fig.1 Structure of signal priority system at intersection

车载设备通过定位设备可实时获取智轨电车的位置信息，并基于车辆的位置适时地向路侧设备发送优先请求、车辆离去等信息，同时实时向中心设备发送车辆状态信息。车载设备可实时显示所获取的优先通行信息，并可形成速度引导曲线，指导司机驾驶。

路侧设备负责同道路交通信号控制设备的接口，向道路交通信号控制机发送智轨电车优先请求信息，并实时向智轨电车发送道路交通信号控制机的优先状态及交通信号灯灯色等信息，同时向中心设备发送自身运行状态信息。

中心管理设备实时监测车载设备、路侧设备的运行情况，并负责与道路交通信号控制平台的对接，一旦路侧设备发生故障，智轨电车运营平台可向道路交通信号控制平台发送优先请求，实现中心级的优先控制。

车辆通过路口时的优先控制流程[3]如图2所示。其中，特别需要考虑车地通信技术选择、定位手段、“允许通行信息”的显示方式[4]等问题。

图2 车辆通过路口时的基本流程Fig.2 Work fl ow of tram going through intersection

智轨电车线路未设置钢轨，因此不宜在线路上设置应答器、环线等设备，可考虑利用Zigbee和WiFi等技术来实现车辆与路侧设备的通信[5]。另外，智轨电车需要与调度中心保持实时的数据通信，可考虑采用同一种技术实现以上两种通信场景，如采用LTE（long term evolution）技术。

路口信号优先系统需要根据车辆的位置适时地发送优先请求，因此，智轨电车需要对车辆进行定位，为优先请求提供触发时机，可考虑采用GPS、UWB及“差分GPS+惯导”等技术。

对于“允许通行信息”的显示，由于道路交通中的机动车、行人在通过交叉路口时均按照交通信号灯指示通过，智轨电车作为城市道路交通的参与者，同样也需要按照交通指示行车。宜在交叉路口处设置智轨电车专用信号灯，专用信号灯的制式、灯色可参考交通信号灯要求，但显示样式需与常规交通信号灯进行区分。另外，需要重点关注车辆优先请求信息的发送时机及路口信号优先策略问题。

2.2 优先请求时机

智轨电车需要在路口合适的位置发送优先请求。道路交通信号控制机在响应优先请求时存在一个最短响应时间问题，其与车辆的动力性能和车速、路段限速和路口限速有关。申请过早，会造成路口绿灯时间的浪费；申请过晚，则会导致智轨电车无法在路口获得及时的优先。图3示出车辆通过路口时需要考虑的检测点。

图3 检测点设置示意Fig.3 Diagram of detection points setting

可考虑设置5个检测点（图3），从左到右各检测点的用途如表1所示。

表1 检测点说明Tab.1 Description of the detection points

通常，进入检测点被设置在停车线前，离去检测点的设置应确保当车辆通过该点时智轨电车整个车身已通过路口。设置优先检测点、提醒制动检测点和强制制动检测点三者的位置时需要考虑车速、路段限速及路口限速等因素。一般智轨电车最高行驶速度70 km/h，车辆减速度1.5 m/s2，路段限速40 km/h，路口限速25 km/h，假设车辆在路段行驶速度可达40 km/h。基于以上数据，对3种检测点的设置位置进行说明：

（1）强制制动检测点。智轨电车通过该检测点时开始制动，为保证能够在停车线前停车，该检测点应该设置在停车线前约16 m的位置。

（2）提醒制动检测点。在强制制动检测点的位置基础上，考虑了司机反应时间和动作时间，假设司机反应时间为3 s，动作时间为1 s，那么该检测点应设置在停车线前约44 m的位置。

（3）优先检测点。优先检测点的设置除了上述两种检测点的考虑因素外，还与道路交通信号控制机的响应时间有关系。通常，机动车信号灯按照“红→绿→绿闪→黄→红”的灯色变换逻辑进行切换（图4），图4中的各灯色时间[6]说明如表2所示。

图4 交通灯灯色变换说明Fig.4 Description of traf fi c light color change

表2 交通灯灯色说明Tab.2 Description of traf fi c light color

通常，道路交通信号控制系统若在绿灯常亮时间内接收到智轨电车优先请求，可以采用绿灯延时或红灯时间缩短的方式立刻给予智轨电车优先通行权；若在绿闪时间及灯色过渡时间内接收到智轨电车优先请求，不一定在下一个相位就可以给予智轨电车优先通行权，此时有可能需要等待一个交通相位后才能够给予优先通行权。因此，智轨电车信号优先的最长等待时间可被定义为“绿闪时间+过渡时间+绿灯时间+过渡时间”。若绿闪时间和过渡时间均按3 s计，绿灯时间按照9 s计，则最长等待时间为18 s，即当道路交通信号控制机接收到智轨电车优先请求后，最迟18 s后即可给予优先通行权，那么该检测点可设置在停车线前约147 m的位置。

综上可以得出检测点的布点原则，具体如表3所示。

表3 检测点布点Tab.3 Arrangement of detecton points

在实际项目中，鉴于智轨电车采用人工目视行车的方式，可以取消强制制动检测点和提醒制动检测点。

特别是对于在路口临近设有站台的情况，由于智轨电车需要先到站停车然后才能够通过路口，此时可在完成车站上下客作业后再申请优先，对应的优先检测点应前移至车辆出站处。

2.3 优先策略原理

优先通行需要采用一定的信号优先策略。根据实现原理的不同，信号优先策略一般可以分为被动优先、主动优先和实时优先3种[7]。

2.3.1 被动优先

被动优先是指不需要检测被优先车辆，而通过在信号配时方案中充分考虑被优先车辆的交通流特性，形成一个有利于被优先车辆通过交叉路口的配时方案。这里所说的被优先车辆的交通流特性主要是指历史交通数据，如车辆运行速度、发车频率及站台位置等。

2.3.2 主动优先

主动优先是相对于被动优先来说的，主动优先需要检测被优先对象，根据检测到的车辆信息来调整路口的交通配时，给予被优先对象在路口的优先通行权。

主动优先根据优先级别的不同，又可以分为绝对优先和相对优先[8-9]。绝对优先是指保证被优先对象到达路口时，获得绿灯，顺利通过路口的优先方式。该方式很可能造成某个交通信号灯刚亮绿灯就变成红灯的情况，对其他方向的交通影响较大，一般多用于特种车辆的优先，如消防车、救护车等。相对优先是指在保证交叉路口整体通行效率的前提下，为被优先对象提供优先通行权。该方式会综合分析交叉口交通情况，根据设定的优先条件，决定是否给予被优先对象优先通行权，其对路口交通的影响较小。实际应用中，需要根据现场线路走向、交通流及运营速度等因素综合考虑后再选择是主动优先还是被动优先。

2.3.3 实时优先

实时优先的含义是基于实时检测的交通流量信息给予车辆路口通行权，同时以某个指标作为目标优化配时方案。实时优先通常是一种针对多个交叉路口进行的协调控制方式，其寻求给定指标的最优化，而不是只考虑单个路口的部分指标[10]。该方式通常要考虑社会车辆与优先车辆的效益平衡、优先次序、优先效率、信号优先程度与频率等问题，需要进行复杂的算法设计，并对采集到的交通数据进行分析计算，然后才能产生合适的配时方案[11]。

2.3.4 优先策略对比

3种优先策略的特点、适用范围和优缺点对比分析如表4所示。

表4 优先策略Tab.4 Priority strategies

对智轨电车而言，上述3种优先方式均可以采用；但是从实现难度或者系统复杂性的角度来说，推荐采用主动优先策略[12]。另外，道路交通信号控制系统设计时，应考虑在给予智轨电车优先后，对其他交通参与者给予绿灯补偿。特别需指出的是，应同时考虑智轨电车发车频率，当发车频率较大时，可适当降低智轨电车的优先等级。

2.4 优先策略实现方式

路口优先策略的具体实现方式一般包括绿灯延长、红灯缩短、插入相位、感应式专用相位和跳跃相位[13]。

2.4.1 绿灯延长

绿灯延长是指当被优先对象在相位绿灯末尾到达路口，并且剩余绿灯时间无法满足被优先对象通过路口时，延长相位绿灯的做法。

2.4.2 红灯缩短

红灯缩短是指当被优先对象到达路口时遇到红灯，此时缩短当前相位的时间以便尽快启用被优先对象需求相位的方法。

2.4.3 插入相位

插入相位指当检测到被优先对象到达路口时，在原有相位中插入一个专用相位的方法。插入相位结束后，之前被打断的相位将继续执行。通常插入相位仅生效一次，如果本相位车辆未能通过路口，需要制定相应的处理措施。因对路口交通影响较大，该方式一般较少使用。

2.4.4 感应式专用相位

感应式专用相位的实现思路是：为被优先对象专门设置一个相位，当被优先对象到达路口时，执行该相位；当没有被优先对象到来时，该相位的时间被分配到其他相位当中。

2.4.5 跳跃相位

跳跃相位是当被优先对象到达路口时遇到红灯且下一个相位也不是需要的相位时所采用的一种控制方式，即直接跳到被优先对象需要的相位。

3 混合路权下的道路使用策略

混合路权下，智轨电车与其他交通工具共同使用道路，此时为兼顾智轨电车运营效率以及道路资源利用率，通过部署“移动路权系统+路口信号优先系统”来实现。可以将智轨电车线路看作“路段+交叉路口”的组合，下面分别针对两种情况进行说明。

3.1 路段

在路段上，智轨电车与其他交通工具共享道路，通过部署移动路权系统，可较好地保证智轨电车的运营效率。

移动路权系统是一种可实时根据智轨电车的行车位置，激活对应的警示装置，形成智轨电车前后一定距离（可配置）、可随着电车运行而移动的路权警示区域，以提醒周围共道行驶/共享路权的其他车辆在警示装置提示时迅速选择合适的道路行驶，或者在适当位置停车等候以保持安全距离。

移动路权系统主要由车载系统、路侧设备和中心管理系统组成，系统结构如图5所示。

图5 移动路权系统结构Fig.5 Structure of mobile right of way system

车载系统能够根据获取的智轨电车运行信息，适时地激活对应的路侧设备并读取其工作状态信息，实时监控路侧设备工作状态及相关指标，并向中心管理系统发送监控数据。

路侧设备根据车载系统/中心管理系统接收到的指令激活警示装置，形成连续的/同频频闪的/流水式频闪的发光线（显示样式可根据实际需求进行调整），从视觉上提醒周围共道行驶/共享路权的其他交通参与车辆选择合适的道路行驶，或者在适当位置停车等候以保持安全距离。路侧设备将自身状态、参数等信息上传给车载系统/中心管理系统。

中心管理系统接收车载系统/路侧设备上传的数据信息，并进行系统设备状态监视、维护管理及事件记录等，同时可对路侧设备进行参数配置，并与其他系统通信。

为保证使用效果，警示装置宜设置在智轨电车行车路径单侧/两侧的地面上（如每隔1 m设置一个），可根据具体项目实际进行设置。警示装置布置示意如图6所示。

图6 地面警示装置示意Fig.6 Arrangment of ground warning device

智轨电车车前需要预留足够的安全停车距离（根据车速的不同而不同），在该安全停车距离内（图7），不允许其他车辆驶入智轨电车前方道路。智轨电车车后，如果还有正在运营的智轨电车，两车之间的“其他车辆可进入智轨车道区域”需要首先保证满足智轨电车运营效率（可根据车间距及车辆速度确定），在该前提下，才允许开放两车间的路权，即地面警示装置才能够给出允许进入信号。

图7 路段可开放区域Fig.7 Open areas in road section

警示装置的样式如图8所示，具体的显示方式可参照交通信号灯，如“红灯停，绿灯行”（可调整）。

图8 地面警示装置Fig.8 Ground warning device

3.2 交叉路口

在交叉路口处，同时设置有移动路权系统及路口信号优先系统，此时智轨电车车道路权的开放需要同时考虑前方路口交通信号灯的状态，只有在进入智轨电车车道的车辆不会影响到智轨电车运营效率的前提下，才可以共享路权。

在交叉路口处，智轨电车车道在路口处设置导向车道线，该导向车道线区域禁止其他车辆驶入智轨电车车道。根据路口处有无车站，导向车道线的长度略有区别。

路口附近无车站的情况如图9所示，此时导向车道线按照道路交通标线标准设置即可，一般长度约30 m。

图9 路口无车站场景Fig.9 Intersection scene without station

路口附近有车站的情况如图10所示，此时导向车道线的长度为车站长度。

图10 路口有车站场景Fig.10 Intersection scene with station

导向车道线以外的区域为路权允许开放区域。同样，只有在不影响智轨电车运营效率的前提下，才能够共享路权，此时可开放区域的说明如图11所示。道路交通信号控制机应给出智轨电车车道可获得的车道放行时间，移动路权系统根据该时间以及智轨电车的位置控制路侧设备的显示。车道放行时间可以参考以下规则转换为可开放的道路长度：

（1）根据路口区域的限速，评估其他车辆换道进入智轨电车车道的时间。

图11 路口可开放区域Fig.11 Open areas at intersection

（2）根据车辆的平均换道时间，评估车辆在换道过程中需要的道路长度。

3.3 其他需要考虑的事项

当采用混合路权时，因为可能存在的不守规则问题，仅仅依靠上述技术手段并不一定能保证智轨电车良好的运行效率，同时需要采用其他有效手段，如：

（1）抓拍设备。可考虑在智轨电车上或者路侧设置抓拍设备，对违规进入智轨车道的车辆进行抓拍并上报交警系统进行处罚，以减少违规闯入智轨电车车道行为的发生。

（2）提示设备。可考虑在智轨电车线路路侧设置可变信息牌、声光报警装置等提示设备，显示智轨电车车道是否允许进入、智轨电车车辆位置信息等内容，同时可对违规闯入智轨电车车道行为进行报警提示。

（3）交通流的优化。鉴于智轨电车线路上交叉路口多、智轨电车在路中运行等特点，宜在线路设计时尽量使线路走向与城市主要交通流相契合，并对线路上各交叉路口的交通流进行合理规划，尽量减少沿线路口左转冲突车流对智轨电车的影响。

4 结语

本文从合理使用道路资源、公共交通优先的角度出发，研究了智轨电车在半专用路权及混合路权情况下的运行情况，并提出了对应的解决方案。该方案不仅能为智轨电车的安全及高效运行提供有效保障，提高交叉路口的通行能力，同时可尽可能少地占用城市道路资源，实现城市道路运输效率的提升。所提出的移动路权系统在实验室测试线路上进行了测试验证，结果表明，地面警示装置能够根据车辆位置形成特定样式的发光线，具有较好的警示效果。所提出的路口信号优先系统已在宜宾智轨T1线上取得应用，宜宾智轨T1线全长约17 km，优先路口数量达34个。该线路自2019年6月10日载客试运行以来，智轨电车每日运行达13 h，发车间隔15 min，其路口优先效果明显，其平均运行速度接近30 km/h。

另外，面对复杂多变的道路环境，如何掌握更多路面信息，采用更加高效的路口通行策略，以降低智轨电车优先对其他交通流的影响，使城市道路交通整体达到较优的通行效率；如何避免因疏忽因素导致的近距离变道刮蹭甚至碰撞问题等，仍有许多需研究的课题。

交通物联网技术、大数据技术和5G等前沿通信技术的发展应用，将为ART提供更加丰富的技术手段、更加全面的环境信息，由此可进一步完善ART路权应用技术。后续主要的研究方向为：

（1）基于物联网技术的路口信号优先系统。基于交通物联网技术，可通过建立智轨电车、社会车辆、行人以及交通信号灯的耦合应用，实时获取交通路口所有相位的车辆和行人的位置、速度信息以及道路占用、排队以及空置情况信息，形成对路口交通信息进行管理与控制的综合系统；针对不同的路况，实时进行路口信号策略的调控以及车辆、行人的行为诱导，提高智轨电车以及其他社会车辆在路口的通行速度以及效率，整体降低各路车辆以及行人的等待时间，从而使路口交通达到最优的运行状态。

（2）基于物联网环境的避撞系统。基于物联网技术，可利用车辆自身定位设备辅以路旁图像辨识及雷达测距，从多维度平台获取智轨电车及周边社会车辆的速度信息进行汇集，再根据被精确定位的车辆的位置与速度信息，提前模拟出智轨电车与社会车辆的行进冲突点并进行预警，以引导各车辆进行驾驶行为规避，从而保障行车安全。

（3）智慧调度平台。加强与道路交通信号控制平台等第三方平台的互联互通，及时获取道路交通流信息、拥堵信息等交通数据，用于车辆的灵活调度及运营信息的及时发布[14]；结合网络大数据分析技术，预测各个体日常出行的规律，较为准确地预估城市出行需求，形成城市范围内的整体出行指标，从而配套基于出行指标的智能化的车辆调度体系，优化社会资源的配置。