現(xiàn)代有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)方案研究

易志剛

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號研究所，北京 100081）

在平交路口處與社會交通混行和司機(jī)目視人工駕駛車輛是現(xiàn)代有軌電車在運營方面與其他軌道交通形式最顯著的區(qū)別[1-2]。在國內(nèi)復(fù)雜的城市交通環(huán)境下，僅依靠司機(jī)根據(jù)列車速度判斷并保持與前車的距離，目視人工駕駛列車并不能滿足有軌電車對列車運行的高安全要求。非完全封閉運行環(huán)境和司機(jī)目視人工駕駛導(dǎo)致有軌電車的運營安全、運輸效率極大地依賴于司機(jī)的駕駛狀態(tài)和經(jīng)驗，使得司機(jī)長時間處于高度緊張、注意力高度集中的狀態(tài)，給有軌電車的運營安全帶來諸多隱患。

國內(nèi)外對軌道交通列車防撞的研究大多是借鑒在航空、航海和道路交通領(lǐng)域?qū)ε鲎脖苊鈫栴}研究的經(jīng)驗。如德國宇航局提出的鐵路避撞系統(tǒng)RCAS，通過在車車之間建立通信鏈路，周期地將其獲取的相關(guān)信息廣播到鄰近區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)通過分析接收到的消息，可較全面地了解目前的交通狀況，若存在發(fā)生危險的可能則給司機(jī)提供警告和建議，從而避免碰撞事故的發(fā)生[3-5]；印度貢根鐵路公司開發(fā)了一種列車防碰撞系統(tǒng)也是接收GPS衛(wèi)星信號，使用無線調(diào)制通信技術(shù)作為兩車的信息交換，從而進(jìn)行兩車距離的判斷和預(yù)警[6]；國內(nèi)對城市軌道交通列車防撞的研究也大多基于定位、無線射頻、聲波探測、無線測距等技術(shù)，實現(xiàn)前后列車相對距離的實時探測，為司機(jī)提供危險車距報警信息。由于有軌電車線路非完全封閉、半獨立路權(quán)等復(fù)雜的運行環(huán)境，以及投資較低、車載系統(tǒng)無安全防護(hù)等限制條件，這些方案在實際的有軌電車運營中存在很多問題。

本文旨在從有軌電車運營條件出發(fā)，研究一種在非完全封閉、半獨立路權(quán)運營條件下，對司機(jī)目視人工駕駛有軌電車提供必要的提醒、輔助的主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)，不但能提高司機(jī)對影響運營安全的事故隱患的識別，降低事故發(fā)生幾率，也是有軌電車逐步朝著智能化運營發(fā)展的基礎(chǔ)。

1 存在的問題

（1）運行環(huán)境復(fù)雜。現(xiàn)代有軌電車運行線路多為城市道路改造而成，線路不完全封閉，機(jī)動車與線路平行運行，存在與地面公共交通的平面交叉路口。大多數(shù)情況下，國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車采用半獨立路權(quán)方式運行，即在路段中采用專用路權(quán)，通過綠化帶、柵欄、路緣石等隔離措施將有軌電車車道與其他交通方式隔離，而在交叉口處與道路平交，與其他交通方式混行。我國各個城市的交通情況復(fù)雜[1]，即使是路段中采用專用路權(quán)，由于考慮到城市景觀等因素，隔離措施大多較簡單，無法有效防護(hù)行人或其他交通方式侵線，存在較大安全隱患。

（2）系統(tǒng)應(yīng)用條件差異較大。目前，對軌道交通列車防撞的研究大多是將其作為列車安全防護(hù)系統(tǒng)的補充，而有軌電車信號系統(tǒng)沒有列車安全防護(hù)系統(tǒng)，且運行環(huán)境相對較復(fù)雜，使得目前軌道交通列車防撞通過對前車距離的實時探測無法滿足有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警的需求，需要對有軌電車運行前方所有行車障礙物進(jìn)行檢測并結(jié)合列車運行情況進(jìn)行多維度、多方位的綜合防護(hù)。

（3）防護(hù)模式技術(shù)單一。軌道交通列車防撞大多采用一種或幾種技術(shù)實現(xiàn)列車避撞，且作為切除列車自動防護(hù)系統(tǒng)后的補充，無法滿足有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)的需求。

（4）定位精度要求高。有軌電車運行在固定的軌道線路上，在發(fā)生沖突時，列車只能采取制動措施，且有軌電車線路大多采用復(fù)線，上下行距離很近，對列車定位精度提出較高要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

現(xiàn)代有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)的根本目標(biāo)是在有軌電車非完全封閉、半獨立路權(quán)等運營條件下對司機(jī)人工駕駛提供必要的提醒、輔助，保證列車安全運行，降低事故發(fā)生幾率，適應(yīng)安全生產(chǎn)、滿足旅客出行、實現(xiàn)一流運營品質(zhì)、一流服務(wù)品質(zhì)的要求。

系統(tǒng)以線路的空間條件為基礎(chǔ)，以有軌電車實時運行狀態(tài)為依據(jù)，結(jié)合列車位置、線路等相關(guān)狀態(tài)，并采用環(huán)境感知裝置感知有軌電車運行周邊的相關(guān)環(huán)境信息，實現(xiàn)主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)與運營調(diào)度系統(tǒng)、信號系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、協(xié)同控制，自動對影響列車運行安全情況選擇最優(yōu)防撞預(yù)警策略，對司機(jī)人工駕駛提供必要的提醒、輔助，保障列車運行安全。

系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)不同運行條件的變化，靈活地進(jìn)行變更和擴(kuò)展。

系統(tǒng)可以獨立運行，也可以作為現(xiàn)代有軌電車綜合運營調(diào)度系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模塊與其協(xié)同工作，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)是在非完全封閉運行環(huán)境下，實現(xiàn)列車運行狀態(tài)實時交互、列車運行周邊環(huán)境感知，避免列車之間以及列車與行車障礙物之間的沖突，為司機(jī)人工駕駛提供必要的提醒、輔助，應(yīng)具備以下主要功能：

（1）實現(xiàn)列車的精確定位、測速，滿足有軌電車的各種運行環(huán)境（高架、隧道等）；

（2）實時接收相關(guān)列車的位置、速度等運行狀態(tài)信息；

（3）實現(xiàn)對列車運行前方周邊環(huán)境的實時感知；

（4）對各種消息進(jìn)行處理并對碰撞檢測邏輯與防護(hù)預(yù)警策略進(jìn)行計算，對影響列車運行安全的風(fēng)險進(jìn)行評估；

（5）主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)不參與直接控車，檢測到可能的碰撞風(fēng)險時，通過輸出不同等級的警告信息提醒、輔助司機(jī)采取相應(yīng)的措施。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)由防撞預(yù)警處理模塊、采集通信模塊、采集裝置、人機(jī)界面4部分組成，其中，防撞預(yù)警處理模塊、采集通信模塊安裝在車載主機(jī)機(jī)柜中，采集裝置部署在列車合適位置，人機(jī)界面部署在司機(jī)室，也可以與綜合運營調(diào)度系統(tǒng)集成到一起。系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)方案

4.1 防撞預(yù)警處理模塊

防撞預(yù)警處理模塊主要包括環(huán)境感知處理單元、線路列車狀態(tài)處理單元、防撞邏輯及預(yù)警決策單元。

（1）環(huán)境感知處理單元

環(huán)境感知處理單元通過環(huán)境感知檢測裝置采集有軌電車運行前方周圍的環(huán)境狀態(tài)信息，并將環(huán)境感知信息進(jìn)行融合、處理，實時檢測有軌電車運行前方周圍的障礙物，判斷障礙物運行軌跡，對影響有軌電車運行的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行標(biāo)注發(fā)送給防撞邏輯及預(yù)警決策單元。

（2）線路列車狀態(tài)處理單元

線路列車狀態(tài)處理單元通過列車定位測速裝置獲取本車的位置、速度等實時運行狀態(tài)信息；通過通信接口單元獲取到前車位置、速度等實時運行狀態(tài)信息，獲取線路設(shè)備狀態(tài)，并將線路設(shè)備狀態(tài)、前車狀態(tài)等信息發(fā)送給防撞邏輯及預(yù)警決策單元。

（3）防撞邏輯及預(yù)警決策單元

防撞邏輯及預(yù)警決策單元將從獲取的影響有軌電車運行的環(huán)境狀態(tài)信息和線路列車實時狀態(tài)信息進(jìn)行融合處理，根據(jù)碰撞檢測邏輯進(jìn)行計算，對影響列車運行安全的風(fēng)險進(jìn)行評估，檢測到可能的碰撞風(fēng)險時，依據(jù)防護(hù)預(yù)警策略通過人機(jī)界面輸出不同等級的警告信息，提醒、輔助司機(jī)采取響應(yīng)的措施。

4.2 采集通信模塊

采集通信模塊主要包括環(huán)境感知采集單元、定位測速單元、通信接口單元。

（1）環(huán)境感知采集單元

環(huán)境感知采集單元通過一種或幾種環(huán)境感知檢測裝置的組合，實時采集有軌電車運行方向周圍的環(huán)境狀態(tài)信息，為環(huán)境感知處理單元進(jìn)行障礙物判斷處理提供基礎(chǔ)。

（2）定位測速單元

有軌電車因投資限制，以及在城區(qū)運行，較少存在隧道等特點，一般采用GPS/北斗（BD）定位，輔以其他定位技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

（3）通信接口單元

通信接口模塊實現(xiàn)系統(tǒng)與中心有軌電車綜合運營調(diào)度系統(tǒng)、與本列列車運行相關(guān)的其他車輛之間的外部數(shù)據(jù)交換，以及系統(tǒng)內(nèi)部各模塊單元之間的數(shù)據(jù)接口。

5 系統(tǒng)工作原理及關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代有軌電車主要用于在城市中心區(qū)，為經(jīng)濟(jì)活動提供便利支持，也可作為快速軌道交通功能在特定區(qū)域的延伸或加密，其線路一般都在城市或城郊的人口、經(jīng)濟(jì)活動密集區(qū)域，多為城市道路改造而成，較少存在隧道等線路形態(tài)。有軌電車的線路特點使得其可以借鑒在其他領(lǐng)域（如汽車自動駕駛）的成熟技術(shù)實現(xiàn)對列車的主動碰撞防護(hù)預(yù)警。

采用雷達(dá)、視頻識別、紅外線等多種傳感器融合技術(shù)，通過建立車車通信，實時檢測可能影響有軌電車運行的列車、機(jī)動車輛等行車障礙物，實現(xiàn)有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警，能夠適應(yīng)有軌電車半完全封閉、半獨立路權(quán)等復(fù)雜運行環(huán)境，有效解決無列車自動防護(hù)系統(tǒng)保障情況下有軌電車運行安全完全依賴司機(jī)的問題。有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警原理如圖2所示。

圖2 有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警原理

系統(tǒng)通過多種列車定位設(shè)備獲取并校準(zhǔn)列車的速度和運行方向信息，結(jié)合列車運行方向及接收到的線路列車信息，與其前車建立通信連接，周期性接收前車的實時列車位置和運行速度。

選用攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外線等一種或幾種傳感器的組合，實時采集有軌電車運行方向周圍的環(huán)境狀態(tài)信息，并將環(huán)境感知信息進(jìn)行融合、處理，實時檢測有軌電車運行前方的障礙物，判斷障礙物運行軌跡，對影響有軌電車運行的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行標(biāo)注。

系統(tǒng)主機(jī)結(jié)合本車與前車的位置和運行狀態(tài)信息，依據(jù)碰撞檢測邏輯計算碰撞可能性，當(dāng)存在碰撞風(fēng)險時，根據(jù)防護(hù)預(yù)警策略輸出不同等級的警告信息。

在有軌電車主動碰撞防護(hù)預(yù)警中，其關(guān)鍵是對有軌電車實時運行狀態(tài)信息的采集，列車運行前方列車狀態(tài)信息、線路狀態(tài)信息、周圍環(huán)境信息的采集、融合以及碰撞檢測邏輯與碰撞防護(hù)預(yù)警策略的選擇。

5.1 列車精確定位

有軌電車實時運行狀態(tài)信息的采集是列車運行控制和主動碰撞防護(hù)預(yù)警的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。考慮到有軌電車線路大多在城市中心區(qū)或郊區(qū)，存在較多高大建筑物，也存在部分隧道區(qū)域，且上下行線路間隔較近，單獨采用GPS/BD定位無法滿足對定位精度的要求。

基于有軌電車信號系統(tǒng)定位現(xiàn)狀，從節(jié)省建設(shè)、運維成本等方面出發(fā)，系統(tǒng)根據(jù)GPS/BD模塊定位數(shù)據(jù)以及里程計數(shù)據(jù)實時計算電車當(dāng)前位置。在運行過程中，可能存在車輪“打滑”或者空轉(zhuǎn)，這就造成速度傳感器統(tǒng)計的數(shù)據(jù)存在誤差，通過沿線部署信標(biāo)，對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對校正，為了使得GPS/BD定位更加準(zhǔn)確，可以在控制中心或車輛段架設(shè)GPS/BD差分基站，以保證定位精度。

通過多種定位組合方式的融合，車載主機(jī)的定位誤差可以滿足需求，但GPS/BD定位存在無法保證列車定位測量結(jié)果一定落在線路上的問題，這無法滿足系統(tǒng)對在線列車運行狀態(tài)的精確度要求，系統(tǒng)通過采用定位算法結(jié)合存儲的線路電子地圖對測量點進(jìn)行校準(zhǔn)修正，滿足主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確度要求。

5.2 車車通信機(jī)制

車車通信技術(shù)主要實現(xiàn)列車之間運行狀態(tài)的實時交互，作為系統(tǒng)碰撞檢測邏輯的輔助輸入，以保障列車運行安全和提高運行效率。目前，對于車車通信技術(shù)在軌道交通列控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究[7-10]，有軌電車由于運營速度較低、線路運營條件、信號系統(tǒng)現(xiàn)狀等特點，其車車通信通過建立集中式的列車管理機(jī)制，采用車車通信管理算法，根據(jù)線路在線列車狀態(tài)、線路電子地圖等數(shù)據(jù)，對列車與前方列車的通信進(jìn)行管理，實現(xiàn)列車之間的直接通信。

5.3 碰撞檢測邏輯與預(yù)警策略的選擇

有軌電車在平交路口會與行人、非機(jī)動車、機(jī)動車等其他社會交通流進(jìn)行交叉交織，其非完全封閉的線路特點使得其在運行過程中，很容易受到其他交通流的干擾。為解決沒有列車自動防護(hù)系統(tǒng)保障情況下對影響有軌電車運行安全的因素和情況進(jìn)行預(yù)警的問題，需要將有軌電車運行周邊環(huán)境信息與線路信息、在線列車狀態(tài)進(jìn)行融合和處理，實現(xiàn)主動碰撞防護(hù)預(yù)警。

（1）信息融合

有軌電車線路非完全封閉的特點，使得主動碰撞防護(hù)預(yù)警除了需要基于列車的精確定位信息，結(jié)合線路電子地圖，通過車車通信獲取前方列車運行狀態(tài)等線路信息外，還需要采用一種或幾種環(huán)境感知檢測裝置獲取有軌電車運行前方周圍的環(huán)境信息，對不同環(huán)境感知檢測裝置采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，提取可能影響列車運行安全的目標(biāo)特征信息，并對其運動趨勢進(jìn)行判斷。信息融合通過對這幾類信息進(jìn)行融合、匹配、校準(zhǔn)，全面掌握有軌電車運行過程中不同維度的信息，為主動碰撞防護(hù)預(yù)警提供信息支撐。有軌電車信息融合原理如圖3所示。

圖3 信息融合原理

（2）碰撞檢測邏輯

在有軌電車系統(tǒng)中，有軌電車需要防護(hù)的行車障礙主要有兩個方面：（1）系統(tǒng)內(nèi)的行車障礙，即列車間的沖突；（2）系統(tǒng)外的行車障礙，即列車與行人、非機(jī)動車、機(jī)動車等其他社會交通形式的沖突。

由于列車在軌道上運行，在發(fā)生沖突的情況下，列車只能采取制動措施。以列車為分析對象，碰撞防護(hù)主要是防護(hù)與前方列車發(fā)生追尾、側(cè)向或?qū)ο驔_突，以及對列車運行前方的其他社會交通形式發(fā)生侵限或可能發(fā)生侵限的運動趨勢進(jìn)行防護(hù)。碰撞防護(hù)過程主要涉及信息采集交互時間、車車通信時延、碰撞防護(hù)預(yù)警處理時間、司機(jī)的反應(yīng)時間、列車惰行時間、列車制動時間及安全防護(hù)時間等時間因素。通過考慮碰撞防護(hù)過程時間因素，采用碰撞防護(hù)曲線和安全制動模型，對列車運行前方運動或靜止的行車障礙物進(jìn)行分析，實時計算緊急制動干預(yù)曲線、告警速度曲線、推薦速度曲線等，實現(xiàn)主動碰撞防護(hù)預(yù)警。

（3）防護(hù)預(yù)警策略

在有軌電車行駛過程中，為保障列車運行安全，必須保證列車與行車障礙物之間存在一定的安全間隔。為了向列車司機(jī)提供主動碰撞防護(hù)預(yù)警，且更加清楚直觀地表明當(dāng)前所處的潛在危險狀況，同時向司機(jī)提供合適的應(yīng)對措施，基于列車與行車障礙物之間的碰撞防護(hù)距離，將列車接近行車障礙物的時間過程按照危險性等級劃分為3個等級，并以不同的顏色表示，如圖4所示。

圖4 碰撞防護(hù)三級預(yù)警策略

三級報警：在列車的移動授權(quán)范圍內(nèi)，檢測到行車障礙物，列車與行車障礙物的間距大于采用常規(guī)制動在障礙物前停車的制動距離加上安全裕量，若列車與行車障礙物的間距繼續(xù)減小時，存在潛在的安全沖突風(fēng)險，車載主動碰撞防護(hù)預(yù)警主機(jī)向司機(jī)發(fā)送三級報警信號，司機(jī)接收到預(yù)警信息后應(yīng)加強注意列車運行前方情況。

二級報警：列車與行車障礙物的間距小于等于采用常規(guī)制動在障礙物前停車的制動距離加上安全裕量，若列車與行車障礙物的間距繼續(xù)減小時，存在較高可能的安全沖突風(fēng)險，車載主動碰撞防護(hù)預(yù)警主機(jī)向司機(jī)發(fā)送二級報警信號，司機(jī)接收到預(yù)警信息后應(yīng)立即采取常規(guī)制動降低列車速度。

一級報警：列車與行車障礙物的間距小于等于采用緊急制動在障礙物前停車的制動距離加上安全裕量，存在嚴(yán)重的安全沖突風(fēng)險，車載主動碰撞防護(hù)預(yù)警主機(jī)向司機(jī)發(fā)送一級報警信號，司機(jī)接收到預(yù)警信息后應(yīng)立即采取緊急制動措施停車。

主動碰撞防護(hù)預(yù)警系統(tǒng)還需提供前方障礙物數(shù)量和每個障礙物的危險等級，探測到的目標(biāo)不在限界內(nèi)，但根據(jù)目標(biāo)的運行軌跡和電車的運行速度計算，目標(biāo)與電車可能將來某個時間在限界內(nèi)相遇，這時也需進(jìn)行報警。

6 結(jié)束語

半封閉運行環(huán)境和司機(jī)目視人工駕駛使得有軌電車的運營安全、運輸效率極大地依賴于司機(jī)駕駛狀態(tài)和經(jīng)驗，無法滿足對有軌電車列車運行的高安全要求。實現(xiàn)半封閉運行環(huán)境下有軌電車運行過程中的主動碰撞防護(hù)預(yù)警，不但能提高司機(jī)對影響運營安全的事故隱患的識別，降低事故發(fā)生幾率，也是有軌電車逐步朝著智能化運營發(fā)展的基礎(chǔ)。

本文結(jié)合目前國內(nèi)外有軌電車信號系統(tǒng)現(xiàn)狀，提出了實時采集線路狀態(tài)、列車運行狀態(tài)與列車運行前方環(huán)境信息，自動對影響列車運行安全情況選擇最優(yōu)防撞預(yù)警策略，對司機(jī)人工駕駛提供必要的提醒、輔助，實現(xiàn)主動碰撞防護(hù)預(yù)警的解決方案，為有軌電車碰撞防護(hù)提供了新的思路和方法。