有轨电车路口专用信号控制仿真系统设计与实现

陆怡然

（卡斯柯信号有限公司，上海200071）

1 概述

在目前的城市公共交通系统中，现代有轨电车作为新一代绿色可持续发展的交通工具，开始重新进入人们的视野，其具备中运量、造价低、建设周期短、污染小，噪声小等特点，非常适合承担我国中小型城市的骨干公交或大型城市周边的郊区接驳的功能。我国很多城市也逐步开始建设现代有轨电车线路。现代有轨电车系统的主要应用场景为城市道路交通，没有完全封闭的行驶空间，在城市道路交叉口大多数采用平交的形式布设，导致有轨电车在交叉口需要与道路交通共享路权。为了提高有轨电车的行程车速，诸多有轨电车项目都采取了引入路口优先的交叉口控制模式。

平交路口信号优先策略主要有绿灯延长、绿灯提前、插入相位、相位跳跃等几种方式，在平交路口，路口优先控制系统负责采集列车的位置与速度，并在列车经过信标时向道路交通信号系统转发；道路交通信号系统结合收到列车位置的时间，以及当前的道路交通信号相位状态，选择合适的信号优先策略，实现平交路口有轨电车优先，给予列车通行并保障道路交通的安全，同时兼顾平交路口整体的车辆通行能力。

2 仿真系统功能需求及目标定位

2.1 应用场景及需求

搭建有轨电车的路口专用信号仿真系统，主要有以下两点作用：

一是能够根据在仿真系统中建立仿真的路网场景，模拟有轨电车线路周边的道路交通流、路口信号控制、站台布设、路口通行方式等多种因素，实现对有轨电车路口优先控制方法在道路信号控制系统中的仿真；

二是能够将上述道路仿真系统接入轨道交通控制系统中，能够从列车控制中心调度平台（Dispatch Management System，简称DMS）获取列车的真实的位置、速度、运行计划、早晚点信息、列车专用信号状态等轨道信号控制系统的关键信息，实现对有轨电车路口优先控制方法在轨道信号控制系统中的仿真，实现两大系统联动仿真。

在实际的有轨电车项目中，列车在路口需根据轨道交通专用信号行车，而不是直接参考道路信号，两个系统间有较为复杂的交互流程。目前，国内集成道路交通控制系统与有轨电车信号系统的仿真测试平台尚没有成熟应用，绝大多数针对有轨电车的仿真测试仅基于交通流仿真软件中的有轨电车模块，列车完全参照道路信号进行行驶，列车也无法根据轨道信号控制系统中的列车运行控制来行车，不具备完全仿真有轨电车信号系统的功能，故仿真结果往往与实际运行结果差异较大。因此搭建完善的有轨电车道路信号仿真测试软件，实现道路交通仿真平台与轨道信号系统仿真平台的对接，在有轨电车系统设计、设备测试、道路交通影响分析等方面有极为重要的意义。

2.2 功能定位

在实际的工程项目中，利用工控机、交通流仿真软件与DIO 板卡搭建一套有轨电车道路交通仿真信号系统，能够实现对有轨电车全线道路交通流的仿真，并可根据实际项目中的设计需求，通过DIO 板卡实时向有轨电车路口优先系统输出各交叉口的信号状态，模拟道路交通信号系统与有轨电车信号系统间的数据交互，实现道路交通与有轨电车信号两个大系统的互联。

该仿真系统可以实现与有轨电车仿真测试平台的对接，更真实的模拟有轨电车的实际运行状态，即可作为有轨电车及道路交通流的交通仿真研究，也可作为有轨电车路口优先信号系统的测试工具，具有部署简单、成本低、仿真还原度高等优点。系统的主要功能点如下：

(1)能够实现对有轨电车运行控制的模拟仿真；

(2)能够实现对有轨电车在简单/复杂路口的优先控制仿真；

(3)能够实现与有轨电车轨道信号系统OLC 的真实接口；

(4)能够实现对平交路口道路信号系统TSC 的模拟仿真；

(5)能够实现对仿真结果指标的评估。

3 仿真系统的架构及接口设计

3.1 仿真系统整体架构

有轨电车的平交路口仿真系统，将道路交通信号控制系统（简称TSC，traffic signal controller）集成在工控机上，并通过真实的DIO 板卡，实现工控机对外的IO 输入输出，来对接真实的有轨电车轨道信号系统（简称OLC，optimized level-crossing controller），完全实现两大系统的真实物理接口。此外，利用现有技术，通过交通流仿真软件的外部接口，将道路交通信号系统的整体架构集成在工控机的操作系统中。使得在软件中能够完全模拟有轨电车的真实道路运行环境，对环境中有轨电车的速度、驻站、路口、道路交通流等元素充分还原，尽可能使仿真测试能够更贴近实际场景（图1）。

3.2 OLC 模块

图1 仿真系统架构

OLC 系统能够通过IO 信号量控制有轨电车专用信号灯，并通过轨旁布设的检测器实现对有轨电车在路口前的预告、请求、进入和离开检测。OLC 系统与UI 交互软件的接口为硬线连接的电平信号量。在具体实施上，UI 交互软件采用常见的PCI 板卡来采集IO端口输入输出的电平信号。DI 输入信号的主要内容包含OLC 系统中路口不同行车方向下的检测器激励信号、OLC 系统状态、优先模式/伴随模式切换等信号量。DO 输出信号的主要内容包含TSC反馈给UI 交互软件的有轨电车专用信号灯各灯位的点亮状态、TSC 自动/手动控制模式、TSC 系统状态等信号。

3.3 UI 交互模块

UI 交互软件主要由三部分构成，DIO 模块、UI 交互模块以及交通仿真模块。DIO 模块通过DIO 板卡，实现与OLC 系统的信息交互。UI 交互模块包含了算法逻辑与一些常规功能，能够根据手动/自动模式、优先请求/伴随模式的切换，实现与OLC 系统以及TSC 系统的数据交互。此外，UI 软件能够通过配置文件来实现对具体有轨电车线路信息的输入，日志功能主要记录系统在运转过程中的一些关键参数的变化，能够为仿真测试后的分析提供详细的数据源，人机界面通过形象的图形化按钮，为用户构建简洁明了且功能详尽的操作界面。交通仿真模块采用交通流仿真软件的com 接口实现UI 软件与交通流仿真软件的连接。UI 交互软件能够通过该接口向交通流仿真软件传送采集到的各检测器状态信息、列车速度、列车位置等数据，并从交通流仿真软件中获取各信号灯组的状态，来决策对OLC 系统中有轨电车专用信号灯的控制指令输出。

3.4 交通流仿真模块

交通流仿真软件能够为用户提供完善的有轨电车线路运行环境搭建，能够搭建有轨电车的仿真运行模型，涉及线路地图、沿线站点、行车计划、运行速度、道路交通流、路口信号、行人过街等因素，能够通过com 接口对外开放如检测器、信号机、车辆、线路等仿真参数。TSC 系统的基本参数（如路口信号周期、信号相位分配）与运转逻辑将加载在仿真交通流软件中。TSC 系统能够通过配置文件的形式，在交通流仿真软件中加载路口的常规轮转周期，并可根据交通流仿真软件中各检测器的激励信息，驱动设定好的优先策略，调整路口的信号相位，为有轨电车开放优先通行信号，并在相位切换时，向仿真交通流软件输出相位切换信息，控制仿真软件中道路信号灯的变化。

3.5 系统接口设计

搭载仿真系统的工控机采用220V 的电源输入，与OLC 系统间的信号量采集采用24V 的电压供电。电源部分实现了220V 交流电至24 直流电的转换，为信号量的采集供电。

仿真系统的信号量输入部分，DI 板卡通过转接线与端子排相连，与OLC 系统的DO 信号端子构成24V 回路，当OLC 系统闭合DO 触点时，仿真系统DI 采集板卡上的某一路DI 正极端子与负极端子间产生24V 电压差，板卡采集到高电平信号；当OLC 系统断开DO 触点时，仿真系统DI 采集板卡上的某一路DI 正极端子与负极端子间变为0V 电压差，板卡采集到低电平信号。

仿真系统的信号量输出部分，DO 板卡的每一路输出都有三路引脚，对应正极、负极与输出信号，OLC 的信号采集端两端有24V电压差。当板卡需要输出高电平时，信号引脚与正极引脚间产生24V 电压差，驱动与之连接的继电器，继电器触点闭合，OLC 系统DI 采集端构成回路，采集到输入的高电平信号；当板卡需要输出低电平时，信号引脚与正极引脚间的产生0V 电压差，继电器触点落下，OLC 系统的DI 采集端回路断开，采集到输入的低电平信号。

4 路口优先仿真控制

4.1 仿真控制逻辑

仿真系统控制按以下逻辑实现，该控制逻辑的运转周期为100ms：

（1）控制逻辑启动后，控制某一个特定路口的线程开始等待接收来自OLC 的某一方向路口预告信号；

（2）若未收到来自OLC 的路口预告信号，则UI 交互软件不动作，TSC 系统将会根据常规的信号控制模式驱动仿真交通流软件中的信号灯组进行轮转，并继续等待来自OLC 的路口预告信号，若收到来自OLC 的路口预告信号，则进入步骤（3）；

（3）UI 软件收到预告信号后，改变交通仿真流软件中该路口对应检测器的激励状态，TSC 控制算法则会不断检测该检测器状态，在检测到仿真软件中预告检测器被激励后，预估有轨电车抵达路口的时间，根据预先设定好的优先策略，调整有有轨电车预计到达周期的信号配时，为有轨电车提前开放、延长或插入通行信号相位；

（4）在有轨电车预计抵达路口的时间内，若TSC 收到来自UI软件转发的OLC 请求信号，则进入步骤（6），否则进入步骤（5）；

（5）若此时时间没有超出请求信号的等待周期，则继续等待请求信号，回到步骤（4），若此时时间超出请求信号的等待周期，则回到步骤（3），TSC 系统重新进入相位协调状态，重新调整相位，等待列车的请求信号；

（6）TSC 锁定有轨电车的优先通行相位，等待相位轮转到有轨电车的通行相位，当先给轮转到有轨电车通行相位时，轮转交通流仿真软件中的道路交通信号，UI 交互软件在检测到道路交通信号变化为有轨电车通行相位后，向OLC 系统输出有轨电车专用信号灯的开放信号，开放有轨电车专用信号灯；

（7）TSC 系统等待来自UI软件转发的OLC 进入信号，若未收到进入信号，则进入步骤（8），若收到进入信号，则进入步骤（9）；

（8）若此时有轨电车的专用相位时间尚未结束，则继续等待，回到步骤（7），若此时有轨电车的专用相位时间结束，则TSC 轮转交通信号相位，向UI 交互软件输出有轨电车专用信号灯的关闭信号，回到步骤（3），TSC 系统重新进入相位协调状态，重新调整相位，重新等待列车的请求信号；

（9）收到进入信号后，TSC 系统向UI 软件交互软件输出有轨电车专用信号灯的关闭信号，UI 交互软件将关闭信号通过DO 板卡送至OLC 系统，关闭有轨电车专用通行信号，防止如果后续有跟车的列车进入路口，之后TSC 系统保持道路交通等点亮，确保与之冲突的道路交通流不会进入路口；

（10）TSC 系统等待来自UI 软件转发的OLC 出清信号，若未收到出清信号，则进入步骤（11），若收到出清信号，则进入步骤（12）；

（11）若此时时间没有超出有轨电车的专用相位最大绿灯时间，则继续等待，回到步骤（10），若此时时间超出有轨电车的专用相位最大绿灯时间，则TSC 轮转交通信号相位，回到步骤（3），TSC系统重新进入相位协调状态，重新调整相位，重新等待列车的请求信号；

（12）TSC 轮转交通信号相位，并恢复常规控制模式，回到步骤（1），重新等待新的预告信号。

该控制逻辑完全还原了现场真实情况下有轨电车路口优先控制的完整流程，有助于模拟真实场景中存在的各项因素，更完善的覆盖真实环境下可能出现的场景，使得仿真结果的数据具有代表性，也更能反映真实情况下列车实际遇到的场景以及对路口交通控制带来的影响。

4.2 仿真控制应用

图2 为某市有轨电车线路的一个复杂路口，该平交路口处于列车车辆段出入口处，且两侧辅路均有汇入主路的小路口，使此处产生了包含行人、道路车辆，有轨电车在内共10 个方向的交通流，共可分为5 个交通流相位阶段进行组织，具体如下图中相位分配所示。

在该场景中，预告、请求、进入、离开信标均与OLC 系统相连，当列车经过信标时，OLC 系统将会检测到列车占用的码位，从而转发信号，驱动TSC 系统进行路口优先控制。针对如此复杂的运行场景，仿真系统能够根据其交通组织方案，模拟有轨电车在此处复杂路口的路口优先控制。图中的AD、RR、EN、EX 信标的码位，将由真实的OLC 系统产生，并通过真实接口转送至仿真系统。仿真系统在收到RR 码位后，将驱动搭载的交通信号控制模块，根据优先方案对路口信号进行调整，并在相位轮转至有轨电车同行信号时，将该信号码位发送至OLC 系统，由OLC 系统点亮有轨电车的专用信号灯。在列车经过EN 信标时，仿真系统能够驱动交通信号控制模块，并将灯位锁闭的信号发给OLC，关闭专用信号灯，确保如有后续列车不会跟随进入路口，并延长道路信号系统内的有轨电车对应相位至最大绿灯时间，确保该趟列车安全通过。在采集到的EX 码位时，确认列车离开，恢复道路信号轮转，优先控制完成。

图2 某有轨电车线路复杂路口路口优先控制示意图

仿真系统能够在仿真结束后，输出仿真时的一些关键数据来对路口优先控制方案进行评估，如每列车在路口的等待时间，每列车经过路口花费的时间，多列车平均延误时间等指标，有助于评价路口优先方案对有轨电车运行效率的影响，此外，在道路交通流仿真中添加道路车辆，如车流密度，车头时距，运行速度，启动时间等参数，也能够评价有轨电车路口优先控制方案对原本道路交通流带来的影响，如车均路口等待时间，路口排队长度，路口流量等关键数据。

此外，仿真系统在使用时，也能够模拟OLC 系统的测试场景，向OLC 系统发送对应的码位信息，检验OLC 系统能否针对码位做出正常的响应，能够让OLC 系统在真实模拟的环境下进行产品测试，也有助于更全面的覆盖有轨电车路口优先控制的测试场景，发现一些潜在的问题，改善优先控制系统。

5 结论

与现有技术相比，上述的仿真方法搭建了完整的有轨电车道路交通信号仿真系统，包含道路交通信号控制系统TSC、有轨电车城市道路仿真环境以及轨道信号控制系统OLC 以及UI 交互软件，提供了真实可靠的有轨电车信号系统仿真环境。能够实现对有轨电车运行控制（专用信号控制）的仿真，作为有轨电车运行的仿真评价工具，能够为用户提供特定规划方案下有轨电车运营及沿线道路交通流的综合评估，能够在线路规划、运营管理、站点布设等方面对设计方案提供可靠的评估分析。此外，仿真系统采用工控机、IO 板卡、端子排的形式还原OLC 系统与TSC 系统的接口，能够适应不同OLC 系统的需求，且易于部署与扩展，支持同时仿真测试多个路口的信号控制系统，能够为OLC 系统提供真实的测试环境与复杂的路口优先场景，也能够作为OLC 系统的测试验证工具，对有轨电车沿线平交路口优先控制真具有重要意义。