智能轨道快运系统车路协同技术研究

刘伟康，蒋小晴，肖 磊，粟爱军

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

随着我国城市化进程的加速，人们对出行的需求不断增涨，加之城市内机动车保有量持续攀升，导致道路拥堵问题日渐严重。如何在有限的道路资源条件下提高道路通行效率，从而缓解城市拥堵问题，是确保城市可持续发展研究的重要课题，而智慧交通车路协同就是其中重要的课题之一。

智能车路协同系统（简称“车路协同系统”）是智能交通系统（intelligent transport system）的最新发展方向。车路协同是采用先进的无线通信技术和新一代互联网技术等，全方位实施车-车、车-路动态实时信息的交互，并在全时空动态交通信息采集与融合的基础上进行车辆主动安全控制和道路协同管理，充分实现“人-车-路”的有效协同，以保证交通安全并提高通行效率，从而形成安全、高效且环保的道路交通系统[1]。自科技部2011年9月7日签发“关于863计划现代交通技术领域智能车路协同关键技术研究主题项目立项”的通知以来，各科研院校积极投入到车路协同的研究及应用中。文献[2]提出了一种基于车-路、车-车协同的汇流路口避撞方法，其通过协同平台计算动态车辆的冲突点，并利用APP引导驾驶员作出规避的驾驶行为，从而达到避撞的目的。近年来，以有轨电车为代表的中运量运输系统加入城市交通中，针对其进行的相关研究已成为新的热点。文献[3]通过分析有轨电车及其交通信号的特点，阐述了有轨电车信号优先对社会交通的影响，提出引入车路协同技术来降低有轨电车对社会交通的影响，并初步构建了一套基于多模式无线通信管理下的车路协同系统及信号优先的应用方案。文献[4]分析指出现代有轨电车采用的绝对优先方式会导致社会交通车辆通行效率的降低，提出了一种车路协同技术方案，其通过将路口绿波周期与有轨电车实时位置信息相结合，反向引导有轨电车的行进速度，从而更有效地融合同相的绿波带通过平交路口。文献[5]基于多车道的车路协同，提出一种改善车辆运行效率和运行安全的微观交通诱导和控制方法的模型。文献[6]提出利用GPS（global positioning system）定位、RSTP（rapid spanning tree protocol）以及移动互联网技术搭建一套具备路口状态调看及优先申请的辅助驾驶系统，从而提高特种车通行效率。由上述车路协同的应用技术研究可以看出，通过车路协同技术应用，增强车-车、车-地间的耦合协同作用，能一定程度地提高平交路口车辆通行效率，增强交通预警及安全防护功能。

智能轨道快运系统（autonomous-rail rapid transit，ART）是一种以地面运行为主、采用系统化的轨道交通运营模式的全新中运量交通制式，但地面公共交通复杂的应用环境给ART的安全快捷运营带来了较大的挑战。本文对ART车路协同技术展开研究，包括车地网络构建、路径感知技术、在平交路口的车地协同技术及移动路权方案等，实际应用结果表明，采用所设计的方案后，不仅能较好地保障智轨电车的通行安全，同时还有效地提高了道路通行效率。

1 ART车路协同技术简介

ART主要由供电/能量管理系统、车站、车辆、虚拟轨道、综合运控中心及检修中心6大部分构成。智轨电车因摆脱了物理轨道而提高了灵活性，但长车身和复杂运行环境等因素却较大程度地影响了其运行的安全性与高效性。首先，智轨电车基于地面道路运行，车-车、车-地矛盾较为突出，需要一种覆盖全面、安全且可靠的通信手段将车-车、车-地设备紧密连接，从而加强车-车、车-地间的协同作用，为其安全高效的运行提供有力的技术保障。其次，智轨电车运行的安全及高效需基于一定的路权基础，会造成道路资源的占用，如何在提高道路使用效率的同时又能保障ART的运营效率，这需要车、路、路口信号间具备良好的协同策略。此外，智轨电车类轨道运行，在乘客体验及智能驾驶技术方面，相较常规地面公交有更高的指标及技术要求。基于此，本文构建了ART车路协同方案，如图1所示。

图1 智能轨道快运系统构成Fig. 1 Composition of ART

2 智轨电车自动循迹系统

智轨电车通过路径感知及轨迹跟随等技术，将车辆模拟成在轨道上行驶的状态，一方面大大简化了因多编组而导致的大转弯半径问题，同时给乘客带来了轨道车辆平稳舒适的乘坐体验。

在路径感知方面，智轨电车主要采用视觉图像识别技术；利用高速图像采集摄像头收集车辆前方一定距离的实时图像，经过图像分析，识别出一连串特定规格的双虚线，从而模拟出一条行进路径；再通过卫星定位和惯性导航并结合电子地图，对计划运行线路进行辅助校准，从而精确感知识别行进路径；同时车辆配置了激光雷达检测设备，对行进路径上的障碍物进行识别，以有效避免智轨电车在局部积水、积雪路段因道路虚拟轨迹线标被覆盖而造成的误判，因而具备较好的容错效果。智轨电车通过循迹控制（图2）、依据感知的路径信息进行前轴转向控制；利用闭环自动控制技术使头车能稳定地追踪感知到的路径并沿此路径运行。利用轨迹跟随及自主导向控制技术，智轨电车将每一个具有转向能力的车轴进行协同联动控制，使每一个车轴的运动轨迹与前一车轴轨迹相重合，确保车辆运行在所设定的虚拟轨道上，并与道路形成一个有机的整体，从而实现车路协同控制。

图2 智轨电车自动循迹原理框图Fig. 2 Block diagram of automatic tracking technology for autonomous-rail rapid tram

ART没有物理上的道岔结构，为了解决多线汇合形成的道岔问题，本文根据ART自身特点，提出了一种基于虚拟道路及多维感知相结合的虚拟道岔技术（图3），其通过自动循迹技术让车辆能够完全感知虚拟轨道线。基于该技术，在预达道岔路段时，通过车辆的多冗余定位校正获得车辆当前运行的位置及方向信息；再结合运控中心下发的路径规划数据，使智轨电车智能控制系统得到正确的路径控制决策信息，进而做出符合运行计划的变轨动作。

图3 ART虚拟道岔Fig. 3 Block diagram of the railroad switch for ART

3 车地通信

ART通信系统采用基于地铁的长期演进技术(long term evolution metro, LTE-M)，有线传输网络主要由各站台的接入交换机以及控制中心交换机串联形成环网，作为传输系统骨干网络，其承载各车站及调度中心的通信数据传输任务；无线传输借助有线环网，通过在站台及沿线部署室内基带处理单元（building baseband unit,BBU）与远端射频模块（remote radio unit, RRU）来实现全线网络覆盖；在车辆上部署车载无线通信单元（train access unit, TAU）以实现车辆到地面端的无线通信；在控制中心端部署路由器、交换机、核心网服务器及网管终端设备以实现总体组网配置。ART整体网络环境如图4所示。

图4 ART网络组成Fig. 4 Composition of ART network

在统一的网络环境下，ART可以实现调度中心对整体车辆的运行调控及车辆与站台广播、乘客信息和路口交通信号等系统的整体协同运作，从而保障ART安全有序地运行。

4 路口信号优先系统

智轨电车运行于地面环境，为了降低对社会车辆的影响，多采用半专有路权或者共享路权，在平交路口与非同相的社会车辆存在行进路径的冲突点，其通过配合城市智能交通信号灯管理系统形成路口信号优先系统。ART利用其专有的有线通信网络与路口交通信号机对接，实现优先指令的触发与优先结果的回传。文献[7]提出有轨电车应对早到及晚点的车辆根据不同到达情况，分别采用延长绿灯、缩短红灯及插入优先相位的策略。当前各大城市引进路口优先大多基于此种红绿灯控制策略。ART的信号优先系统（图5）[8]基于城市智能交通信号灯管理系统而设置，在宜宾市已形成较成熟的应用；根据智轨电车行驶路径的道路级别与横向路径的道路级别及路口的繁忙系数，因地制宜地采用相对优先与绝对优先相结合的方式，即在城市瓶颈要道上采用相对优先机制、在智轨电车行进道路类等级较高路段上采用绝对优先策略。

图5 信号优先系统Fig. 5 Signal priority system

ART依托于智轨电车自动循迹系统的卫星导航和惯性导航技术。为了解决卫星定位的漂移对车辆纵向定位精度的影响，在路口前后设置信标进行精确定位及校准，以保障提供最精确可靠的位置信息以触发优先信号。同时，基于ART的通信通道，将信号灯及信号机优先处理结果反馈至驾驶屏，以引导驾驶员以安全且能顺利通行的驾驶速度行进。图6示出ART信号优先评估过程。

图6 ART信号优先评估过程Fig. 6 Signal priority evaluation process of ART

目前该优先系统已应用于株洲智轨和宜宾智轨项目上并取得了很好的应用效果。宜宾智轨T1线商业运营数据统计结果显示：路口车流量由2 562辆/h提升至3 181辆/h，平均等待时间由80 s降至65 s，双向平均行驶时间由32 km/h提升至36 km/h，智轨电车自身的双向平均行驶速度达到了39 km/h。在宜宾长江大桥咽喉路段，通过ART信号优先策略的应用，结合咽喉路段部分禁止策略以及交通微循环的应用调整，在保障智轨电车通行效率的同时，路口通行能力也得到了较为明显的提升。

5 移动路权系统

为了保障高效的运营效率，ART多采用专有路权或半专有路权。对于交通运力需求较大、发车频次较高的线路，采用该种路权方式基本能够有效地利用道路资源；而相对于发车频次不高的地区，则面临着需要提升道路资源利用效率的问题。为此，针对ART提出了一种移动路权的解决方案，即基于社会车辆混行的道路条件，通过敷设一定间隔的轨旁警示设备，智轨电车通过短传无线通信技术与地面信标间进行实时的移动通信，从而对运行中的智轨电车前后一定距离内进行声光安全警示以及提醒，同时辅以交通抓拍等手段保障车辆前后的安全车距。ART通过移动路权技术运行于混合路权路面，从而将路权利用率提升到最大。

移动路权系统主要由地面发光信标、后台管理系统以及车载读写网管组成。图7示出移动路权路段应用示例，其中发光信标自带太阳能发电、短传无线通信功能，且具备两种以上发光状态（常亮、闪烁等）；智轨电车两端配置有车载读写网关，具备与发光信标及后台管理系统通信的能力；后台管理系统具备日志记录及与调度中心通信的功能。

图7 移动路权路段应用示例Fig. 7 Application example of mobile exclusive road traffic rights

移动路权应用机制如下：发光信标非工作时为休眠状态；当智轨电车运行在部署了移动路权系统设备的路段时，车载读写网关通过无线通信方式唤醒智轨电车前后100 m（可根据需求在该种无线通信方式的通信范围内调整触发距离）内的发光信标。根据与车的距离长短，唤醒的发光信标被分为“红灯常亮”和“红灯闪烁”2个发光等级区域，其中离车身较近的红灯常亮区域为其他车辆禁止进入区，以确保车辆前后的绝对车距；距离车辆较近的红灯闪烁区域为禁止驶入与驱逐信号区，该路段被提醒为智轨电车专有路权区域，社会车辆要尽快驶离，同时禁止其他车辆的汇入。随着车辆的移动，该种专有路权区域也随之移动；同时在路侧或者车辆前后部署抓拍装置以辅助执法，从而加强策略的执行效果。

移动路权通过地面发光信标的发光状态对不同区域内智轨电车与其他社会车辆道路交通活动的权利进行动态划分，在保障智轨电车运行安全与运行效率的前提下，将空闲时段的智轨电车运行道路的路权释放给社会车辆，以提高社会车辆在该路段的通行能力。

相较于其他制式交通，现代有轨电车在平直道路上主要采用的专有路权形式（平交路口共享路权）；我国主要一、二线城市都开始采用公交优先道路的模式来调整公共交通的运行效率与社会交通车辆的利用率问题，部分城市为了提高道路利用率还提出了分时段公交优先的策略。ART采用混合路权下的移动路权系统应用模式，在保障智能轨道快运系统路权的同时，最大限度地提高了道路的利用率。

6 展望

面对复杂多变的道路环境，如何掌握更多路面信息，以更加高效的路口通行策略降低信号优先对其他相位的影响，达到最优的道路通行效率；如何避免因疏忽因素导致的近距离变道剐蹭甚至碰撞问题；如何满足乘客日益增长的网络及娱乐互动需求等，仍有许多需研究应用的课题。交通物联网技术的出现为智慧交通提出了非常好的解决思路；而5G等前沿通信技术具有高带宽、低时延和高可靠性的特点，能保障数据的实时性及大数据汇集的及时性，为交通物联网的实现提供了网络保障。物联网可通过各种传感设备（如摄像机，温度、速度、距离等传感器）实时采集图像、温度、速度、距离等信息，融合互联网形成一个巨大的信息平台，实现人与物、人与网、物与网及其他设施设备与网络的连接，为深层信息的提取与应用提供基础条件。交通物联网技术和5G等前沿通信技术的发展应用，为智能轨道快运系统提供了更加全面的信息，由此生成更多可促进智能轨道快运系统交通安全、高效运行的应用策略，这是我们下一步努力的方向：

（1）路口交通管理系统。平交路口是交通系统管理的关键节点，智轨电车通过与城市智能交通信号灯管理系统交互配合形成信号优先系统，这样虽然保障了智能轨道快运系统的运行效率，但是在插入优先相位的同时，必然对其他相位车辆和行人产生影响。

基于交通物联网的应用，路口交通管理系统可通过建立智轨电车、社会车辆、行人以及交通信号灯的信息交互，实时获取交通路口所有相位的车辆及行人的位置、速度以及道路占用、排队以及空置信息，对路口交通信息进行综合管理与控制；针对不同的路况，实时进行路口信号策略的调控以及车辆、行人的行为引导，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[9]。

（2）基于物联网环境的避撞系统。基于物联网环境的避撞系统可利用车辆自身定位平台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[9]。

（3）多车辆编队方案。基于物联网技术，多车辆编队方案可为ART提供更加全面的环境安全监控。基于高可靠性及低时延的车车通信技术，智轨电车可以进行多车辆的协同控制，实现多列智轨电车同时启停。这样，一方面减少了因为启停不一致而形成的起步距离落差，从而可实现在高峰时段的双车甚至多车连发，以提高ART的运能水平；另一方面，在多条线路的共线段实现灵活编队，使多车同步进站、同步通过平交路口，从而降低车辆进出车站及通过路口的时间，提升了ART的运营效率。

（4）智慧调度平台。基于交通物联网技术平台，智慧调度平台可利用市民随身携带的终端设备及第三方定位平台，对市民出行数据进行统计上传；结合网络大数据分析技术，预测各个体日常出行的规律，提取较为准确的城市市民出行目标及线路的预估，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，最终优化社会资源的配置；甚至可以通过一个集成的平台，提前分配好各个车辆的出行线路及速度曲线，以实现ART（甚至所有车辆）在路口的无障碍通行。

7 结语

智慧交通是解决城市交通拥堵问题的总体解决方案，而车路协同技术是实现智慧交通的重要手段。本文主要研究了ART在车路协同上的应用实践技术，提出了一种车路协同技术方案，其不仅为智轨电车的安全及高效运行提供了有效的保障，而且提高了平交路口及路段的通行能力。实际应用结果表明，ART是一种高效的公共路面道路的应用方案。