基于路面發光信標的智軌電車平交道口路權共享策略

劉瀏 蔣小晴 李超 吳雄韜

(1.中車株洲電力機車研究所有限公司城市發展事業部 湖南株洲 412001；2.株洲中車時代電氣股份有限公司裝備事業部湖南株洲 412001)

2017年6 月2 日，由中車株洲電力機車研究所有限公司研制的一種名為“智軌軌道快運系統（Autonomous Rail rapid Transit, ART）”的全新交通產品在株洲首次亮相[1]，與現代有軌電車相比，該車采用膠輪承載，取代了傳統的鋼輪鋼軌，因此不需要鋪設專有的物理軌道，通過自主研發全球獨有的軌跡跟隨控制技術，控制智軌列車在虛擬軌道上智能導向，同時依靠特定的信號控制技術對智軌電車在虛擬軌道的行進進行約束，提高安全性。智軌電車采用軌跡跟隨、低地板和高效電傳動技術，集合了有軌電車無污染，速度快、大運量的特點，又吸收了傳統公交客車的運營靈活，建設投入小等優勢；具有綜合運力強、建設周期短等優越性[2]。

平交道口是不同方向的兩條以上道路的相交處，它是整個城市道路網不可缺少的組成部分[3]，對于大多數城市道路來說，平交道口是堵車最嚴重的區域，在大車流的情況下，平交道口的服務水平決定著整條路線的通行能力。

智軌線路可以采取完全獨立路權、半獨立路權以及混合路權3種形式，其中半獨立路權在線路區間使用專用道路形式，而在平交道口與道路其他車輛交匯運行，是智軌電車最為普遍的路權形式[4]。根據國內現有智軌項目以及有軌電車項目的發車頻次，早晚高峰的發車間隔為6～10 min[5]，平峰時的發車頻次約8～15min，而智軌電車從停止線啟動并通過一個50m長的路口不超過15s，交叉路口智軌專用車道的長時間空置會造成道路資源的浪費，且帶來不良社會輿論的影響。在半獨立路權的形式下，如何提高在平交道口區域智軌專用車道的路權分享能力，對提升整個智軌交通環境尤為重要。

本文介紹了基于地面發光信標的智軌電車平交道口路權共享策略。在平交道口區域，根據智軌電車的實時位置、速度以及通行方向等信息，動態控制平交道口區域顯示路權的地面發光信標的發光狀態，從而劃定社會車輛允許（禁止）進入的平交道口智軌專用車道允許排隊等候區域，充分發揮平交道口智軌專用車道的通行能力，提高整個平交道口的服務水平，并通過VISSIM交通仿真[6]軟件對該策略的應用效果進行了驗證。

1 系統總體結構

智軌平交道口路權共享系統總體結構由車載系統、后臺系統以及軌旁設備組成，具體關聯關系如圖1所示。

1.1 車載系統

車載系統包括車載讀寫網關、車載信號系統以及車輛網路控制系統。車載讀寫網關安裝在智軌電車車頭合適位置，能夠獲取車輛位置、速度與行車方向等信息，計算車輛達到平交道口所需時間，按照路權共享策略控制對應的地面發光信標，并將控制信號通過專網或公網LTE傳送給地面通信裝置，同時從地面通信裝置讀取發光信標的工作狀態信息，實時監控其工作狀態及相關指標。

車載信號系統主要實現車輛測速、定位、判斷運行方向、進路功能、安全防護等功能，并給司機提供輔助駕駛信息，通過以太網接口將智軌電車運行信息發送給路權共享系統的車載讀寫網關，車載讀寫網關根據該信息控制對應發光信標的發光狀態。

車輛網路控制系統主要實現網絡控制、通信等功能，通過以太網接口接收路權共享系統狀態信息，并通過專網或公網LTE向后臺管理系統發送監控數據。

1.2 后臺系統

后臺系統包括后臺管理系統以及調度管理系統。后臺管理系統根據車載讀寫網關通過無線通信上傳而來的數據，進行狀態監視、維護管理和事件記錄等，管理地面發光信標的工作狀態，運行參數等，為維護提供參考信息。通過以太網接口與調度管理系統通信，向調度管理系統發送狀態、參數及報警等信息。

圖1 系統關聯關系圖

調度管理系統主要實現全線運行狀態監控、運行圖編輯、運營調整及管理統計等功能，通過以太網接口接收路權共享系統的后臺管理系統反饋的狀態、參數及報警等信息。

1.3 軌旁設備

軌旁設備包括地面通信裝置與地面發光信標。地面通信裝置安裝在平交道口附近的站臺或其他合適區域，用于接收車載讀寫網關發送來的地面信標的控制信號，并發送給地面發光信標控制其發光狀態；同時接收地面發光信標的狀態信息并發送給車載讀寫網關。

地面發光信標使用鑄鋁合金一體成型，嵌入路面，用于安裝發光信標主體。可以安裝在智軌專用道路一側或兩側，采用等距的方式布置。其采用車輛喚醒方式，由地面通信設備通過無線與地面發光信標通信，喚醒地面發光信標。

2 平交道口路權共享策略

為了保證智軌電車運營過程中的高效及準點率，采用半獨立路權的智軌電車通過占用平交道口其中的一條渠化道運行，勢必會影響與智軌電車同向社會車輛的通行能力。

2.1 平交道口路權共享策略概述

通過獲取智軌電車實時的位置、速度以及運行方向等信息，動態地控制平交道口不同區域地面發光信標的發光狀態，允許社會車輛在不影響智軌電車正常通行的情況下占用平交道口智軌電車專用道，實現平交道口路權共享的模式可以在一定程度上減輕社會車輛通行的壓力，提高平交道口的服務水平。

利用地面發光信標在平交道口設置智軌電車專用道允許排隊等候區，社會車輛可以進入允許排隊等候區并由此通過平交道口。為了保證平交道口路權共享系統的有序、高效運行，引入如下運行策略：

（1）為了可以合理控制允許排隊等候區的排隊長度，只允許社會車輛從旁道變道進入允許排隊等候區；

（2）地面發光信標的禁行標識（紅燈常亮）只禁止旁道車輛進入該區域，不對已經合法進入該區域的車輛進行警示；

圖2 示例十字平交道口

（3）當地面發光信標收到不同車輛發送的控制信號時，優先執行紅燈常亮動作，即優先保障智軌電車專用道暢通；

（4）允許排隊等候區的長度應根據智軌電車運行至路口所需時間以及該平交道口紅綠燈相位設置及相位時長進行設定；

（5）允許排隊等候區的最大長度應大于該車道綠燈相位時間內所能清空社會車輛范圍的平均長度；

（6）允許排隊等候區的最小長度應小于在該車道綠燈相位時間內除去智軌電車通過平交道口的時間外所能清空社會車輛范圍的平均長度；

（7）為了保證運行安全，在智軌電車靠近平交道口時，不允許任何車輛變道進入智軌電車專用車道。

2.2 平交道口路權共享策略應用

圖2所示的示例十字平交道口中，假設智軌電車采用路中式敷設方式沿東西向運行。圖中共標識出A、B、C、D這4個點，為平交道口路權共享策略的關鍵控制點。其中A點與C點之間均布置地面發光信標，間距為1m，均勻布置。其中，A點為一個綠燈時間內可以與智軌電車一同通過平交道口的允許排隊等候區長度；B點為智軌電車到達時間大于一個紅綠燈循環時間時允許排隊等候區的長度，A點與B點之間的長度為一個該車道綠燈時間內所能清空道路的平均長度；C點為社會車輛禁行點，不允許社會車輛從智軌車道直接駛入平交道口允許排隊等候區（只允許社會車輛在地面發光信標常綠區域變道進入平交道口允許排隊等候區）；D點為動態點，根據車載信號系統提供的智軌電車實時位置、速度以及運行方向信息，預測智軌電車在該點到平交道口停止線的運行時間正好為平交道口一個紅綠燈循環的時間。

智軌電車平交道口路權共享策略流程如圖3所示。智軌電車實時獲取位置、速度與運行方向等信息，并由車載信號系統將信息傳送給車載讀寫網關以判斷智軌電車是否達到D點（到達平交道口所需的時間是否小于路口），如果該位置未到D點，則允許社會車輛進入B點之前的區域排隊等候；如果智軌電車經過D點，處于D點與C點之間的位置時，A點與B點之間的地面發光信標紅燈常亮，禁止社會車輛進入此區域，只允許社會車輛從A點之前進入智軌專用車道，已經處于A點與B點之間的車輛可以繼續停留等待。如果智軌電車經過C點，處于C點與停止線之間的位置時，C點到停止線之間的地面發光信標全部紅燈常亮，禁止社會車輛進入智軌電車專用車道。

圖3 智軌平交道口路權共享策略流程圖

圖4 信號燈仿真配時方案

3 平交道口仿真參數設置

本文選用VISSIM作為仿真工具并結合圖3所示的十字平交道口與智軌電車運營的特征，對平交道口信號燈配時方案、社會車輛交通量、智軌信號優先方案、平交道口關鍵控制點等仿真參數進行設置。

3.1 信號燈配時方案

示例平交道口信號燈配時方案為4相位，周期長度為120s，每個相位黃燈時間為3s，綠間隔時間為2s，配時方案如圖4所示。

3.2 社會車輛交通量

為了減少外部參數對移動路權系統評價結果的影響，將示例十字平交道口中各個路口的社會車輛交通量參數統一設置，其交通量表如表1所示。

3.3 智軌信號優先方案

為了保證智軌電車的運行效率與準點率，一般在智軌電車通過路口時均進行相應的信號優先設置。本文在智軌電車通過路口時設置絕對優先控制策略[7]，信號優先方案的控制邏輯為當智軌電車靠近路口時，如果當前相位大于最小綠燈時間（10s）則立即轉換為東西直行相位（如果當前相位為東西直行則不發生轉變），直至智軌電車通過且東西直行綠燈執行25s后轉換成被轉換相位的下一常規相位，如下一常規相位為東西直行則跳過并轉換為東西直行的下一相位。

3.4 平交道口關鍵控制點設置

根據平交道口實際數據統計，車輛正常運行時，平交道口一條渠化道25s綠燈時間內小汽車通行量約10輛；當智軌電車與小汽車在一個綠燈時間內通過時，最多可同時通過的小汽車數量為6輛。實際測量渠化道等待區每輛小汽車間隔約為6m（小汽車長約4.5m，車間距約1.5m）。根據以上信息對平交道口關鍵控制點的位置進行設置:A點距離平交道口停止線的距離設置為30m，預計此區域排隊車輛在一個綠燈時間內與智軌電車一同通過平交道口;B點與A點之間的距離設置為60m，預計此區域車輛在智軌電車遠離平交道口時，利用一個綠燈時間通過平交道口;C點與B點之間的距離設置為100m，此區域設置為社會車輛禁行區;D點與平交道口停止線的距離根據智軌電車運行速度（40km/h）設置為1300m。

表1 社會車輛交通量設置

表2 仿真結果

4 平交道口仿真結果

根據上文第3節中確定的仿真參數，分別建立應用智軌電車平交道口路權共享策略與應用智軌電車平交道口專用車道的仿真模型，在同等交通條件下，統計不同的交通評價指標對兩種模型中與智軌電車同向的交叉路口社會車輛的通行能力進行仿真評估。

4.1 評價指標

本文選用VISSIM作為仿真工具對智軌電車及社會車輛在道路上的各種行為，如跟車、超車、變換車道、響應平交道口信號控制等進行較真實的反應，選取與模型平交道口中與智軌電車同向道路的排隊長度、通行能力、服務水平、智軌平均延誤4個參數作為仿真模型的評價指標。

在VISSIM中排隊長度分為最大排隊長度與平均排隊長度，通過設置一條排隊等候線并設置相應的排隊條件就可以在評估結果列表中自動對排隊長度進行記錄；通行能力是指所評價道路上某一路段單位時間內通過某一斷面的最大車輛數；服務水平用于衡量交通服務質量，本文利用飽和度作為被評價道路服務水平衡量的標準，服務水平共分為A、B、C、D、E、F這6個等級，分別由通暢到堵塞反應不同的交通狀況；智軌電車平均延誤是指通過交叉路口的每列智軌平均的延誤時間。

4.2 仿真結果

根據上文中的路權共享策略及仿真參數設置在VISSIM中建立仿真模型，輸出的仿真結果如表2所示。

根據表2的數據顯示，在3600s的仿真時間內，應用共享路權策略平交道口智軌電車方向社會車輛的平均排隊長度為48.23m，而使用智軌電車專道的平交道口智軌方向社會車輛排隊長度達到了222.65m，同時與智軌同向車道的通行能力與服務水平上也體現出了平交道口路權共享策略的優勢。與此同時，由于兩種策略下智軌電車均具有信號優先權，不同的模型中智軌電車的平均延誤時間均不會對運營的準點率造成影響。

5 結語

智軌、有軌電車、BRT等都屬于中小運量地面公共交通的范疇，在運行過程中為了保證公交優先的有效實施，此類公共交通工具均需要占用一定的道路資源，特別是在交通壓力較大的平交道口區域，大多通過設置一條專門的車道來保證其優先運行，這樣勢必會造成或加重該區域的交通堵塞，給社會車輛的通行帶來較大的壓力；以此同時，在此類公共交通工具發車頻次較低時會使平交道口的專用道路長時間閑置，造成道路資源的浪費，也造成不良的社會影響。通過采集車輛運行過程中實時位置、速度以及運行方向等信息，利用平交道口地面發光信標不同的發光狀態，在不影響智軌正常運行效率的情況下，指引社會車輛根據提出的路權共享策略占用平交道口智軌專用車道。通過VISSIM仿真軟件進行相應的建模與仿真，結果表明，該策略可以在保證智軌運營效率的情況下顯著減少平交道口社會車輛的排隊長度，并明顯提高了平交道口社會車輛的通行能力與服務水平。

本文僅通過Vissim軟件對提出的基于路面發光信標的智軌電車平交道口路權共享策略進行了仿真驗證，在實際應用過程中可能會因系統本身或交通環境下各種不確定性的影響對系統的運行效率甚至交通安全造成的影響。在下一步工作中將通過試驗以及實際應用對整個系統的可行性以及可靠性進行工程優化。