有軌電車路口專用信號控制仿真系統設計與實現

陸怡然

（卡斯柯信號有限公司，上海200071）

1 概述

在目前的城市公共交通系統中，現代有軌電車作為新一代綠色可持續發展的交通工具，開始重新進入人們的視野，其具備中運量、造價低、建設周期短、污染小，噪聲小等特點，非常適合承擔我國中小型城市的骨干公交或大型城市周邊的郊區接駁的功能。我國很多城市也逐步開始建設現代有軌電車線路。現代有軌電車系統的主要應用場景為城市道路交通，沒有完全封閉的行駛空間，在城市道路交叉口大多數采用平交的形式布設，導致有軌電車在交叉口需要與道路交通共享路權。為了提高有軌電車的行程車速，諸多有軌電車項目都采取了引入路口優先的交叉口控制模式。

平交路口信號優先策略主要有綠燈延長、綠燈提前、插入相位、相位跳躍等幾種方式，在平交路口，路口優先控制系統負責采集列車的位置與速度，并在列車經過信標時向道路交通信號系統轉發；道路交通信號系統結合收到列車位置的時間，以及當前的道路交通信號相位狀態，選擇合適的信號優先策略，實現平交路口有軌電車優先，給予列車通行并保障道路交通的安全，同時兼顧平交路口整體的車輛通行能力。

2 仿真系統功能需求及目標定位

2.1 應用場景及需求

搭建有軌電車的路口專用信號仿真系統，主要有以下兩點作用：

一是能夠根據在仿真系統中建立仿真的路網場景，模擬有軌電車線路周邊的道路交通流、路口信號控制、站臺布設、路口通行方式等多種因素，實現對有軌電車路口優先控制方法在道路信號控制系統中的仿真；

二是能夠將上述道路仿真系統接入軌道交通控制系統中，能夠從列車控制中心調度平臺（Dispatch Management System，簡稱DMS）獲取列車的真實的位置、速度、運行計劃、早晚點信息、列車專用信號狀態等軌道信號控制系統的關鍵信息，實現對有軌電車路口優先控制方法在軌道信號控制系統中的仿真，實現兩大系統聯動仿真。

在實際的有軌電車項目中，列車在路口需根據軌道交通專用信號行車，而不是直接參考道路信號，兩個系統間有較為復雜的交互流程。目前，國內集成道路交通控制系統與有軌電車信號系統的仿真測試平臺尚沒有成熟應用，絕大多數針對有軌電車的仿真測試僅基于交通流仿真軟件中的有軌電車模塊，列車完全參照道路信號進行行駛，列車也無法根據軌道信號控制系統中的列車運行控制來行車，不具備完全仿真有軌電車信號系統的功能，故仿真結果往往與實際運行結果差異較大。因此搭建完善的有軌電車道路信號仿真測試軟件，實現道路交通仿真平臺與軌道信號系統仿真平臺的對接，在有軌電車系統設計、設備測試、道路交通影響分析等方面有極為重要的意義。

2.2 功能定位

在實際的工程項目中，利用工控機、交通流仿真軟件與DIO 板卡搭建一套有軌電車道路交通仿真信號系統，能夠實現對有軌電車全線道路交通流的仿真，并可根據實際項目中的設計需求，通過DIO 板卡實時向有軌電車路口優先系統輸出各交叉口的信號狀態，模擬道路交通信號系統與有軌電車信號系統間的數據交互，實現道路交通與有軌電車信號兩個大系統的互聯。

該仿真系統可以實現與有軌電車仿真測試平臺的對接，更真實的模擬有軌電車的實際運行狀態，即可作為有軌電車及道路交通流的交通仿真研究，也可作為有軌電車路口優先信號系統的測試工具，具有部署簡單、成本低、仿真還原度高等優點。系統的主要功能點如下：

(1)能夠實現對有軌電車運行控制的模擬仿真；

(2)能夠實現對有軌電車在簡單/復雜路口的優先控制仿真；

(3)能夠實現與有軌電車軌道信號系統OLC 的真實接口；

(4)能夠實現對平交路口道路信號系統TSC 的模擬仿真；

(5)能夠實現對仿真結果指標的評估。

3 仿真系統的架構及接口設計

3.1 仿真系統整體架構

有軌電車的平交路口仿真系統，將道路交通信號控制系統（簡稱TSC，traffic signal controller）集成在工控機上，并通過真實的DIO 板卡，實現工控機對外的IO 輸入輸出，來對接真實的有軌電車軌道信號系統（簡稱OLC，optimized level-crossing controller），完全實現兩大系統的真實物理接口。此外，利用現有技術，通過交通流仿真軟件的外部接口，將道路交通信號系統的整體架構集成在工控機的操作系統中。使得在軟件中能夠完全模擬有軌電車的真實道路運行環境，對環境中有軌電車的速度、駐站、路口、道路交通流等元素充分還原，盡可能使仿真測試能夠更貼近實際場景（圖1）。

3.2 OLC 模塊

圖1 仿真系統架構

OLC 系統能夠通過IO 信號量控制有軌電車專用信號燈，并通過軌旁布設的檢測器實現對有軌電車在路口前的預告、請求、進入和離開檢測。OLC 系統與UI 交互軟件的接口為硬線連接的電平信號量。在具體實施上，UI 交互軟件采用常見的PCI 板卡來采集IO端口輸入輸出的電平信號。DI 輸入信號的主要內容包含OLC 系統中路口不同行車方向下的檢測器激勵信號、OLC 系統狀態、優先模式/伴隨模式切換等信號量。DO 輸出信號的主要內容包含TSC反饋給UI 交互軟件的有軌電車專用信號燈各燈位的點亮狀態、TSC 自動/手動控制模式、TSC 系統狀態等信號。

3.3 UI 交互模塊

UI 交互軟件主要由三部分構成，DIO 模塊、UI 交互模塊以及交通仿真模塊。DIO 模塊通過DIO 板卡，實現與OLC 系統的信息交互。UI 交互模塊包含了算法邏輯與一些常規功能，能夠根據手動/自動模式、優先請求/伴隨模式的切換，實現與OLC 系統以及TSC 系統的數據交互。此外，UI 軟件能夠通過配置文件來實現對具體有軌電車線路信息的輸入，日志功能主要記錄系統在運轉過程中的一些關鍵參數的變化，能夠為仿真測試后的分析提供詳細的數據源，人機界面通過形象的圖形化按鈕，為用戶構建簡潔明了且功能詳盡的操作界面。交通仿真模塊采用交通流仿真軟件的com 接口實現UI 軟件與交通流仿真軟件的連接。UI 交互軟件能夠通過該接口向交通流仿真軟件傳送采集到的各檢測器狀態信息、列車速度、列車位置等數據，并從交通流仿真軟件中獲取各信號燈組的狀態，來決策對OLC 系統中有軌電車專用信號燈的控制指令輸出。

3.4 交通流仿真模塊

交通流仿真軟件能夠為用戶提供完善的有軌電車線路運行環境搭建，能夠搭建有軌電車的仿真運行模型，涉及線路地圖、沿線站點、行車計劃、運行速度、道路交通流、路口信號、行人過街等因素，能夠通過com 接口對外開放如檢測器、信號機、車輛、線路等仿真參數。TSC 系統的基本參數（如路口信號周期、信號相位分配）與運轉邏輯將加載在仿真交通流軟件中。TSC 系統能夠通過配置文件的形式，在交通流仿真軟件中加載路口的常規輪轉周期，并可根據交通流仿真軟件中各檢測器的激勵信息，驅動設定好的優先策略，調整路口的信號相位，為有軌電車開放優先通行信號，并在相位切換時，向仿真交通流軟件輸出相位切換信息，控制仿真軟件中道路信號燈的變化。

3.5 系統接口設計

搭載仿真系統的工控機采用220V 的電源輸入，與OLC 系統間的信號量采集采用24V 的電壓供電。電源部分實現了220V 交流電至24 直流電的轉換，為信號量的采集供電。

仿真系統的信號量輸入部分，DI 板卡通過轉接線與端子排相連，與OLC 系統的DO 信號端子構成24V 回路，當OLC 系統閉合DO 觸點時，仿真系統DI 采集板卡上的某一路DI 正極端子與負極端子間產生24V 電壓差，板卡采集到高電平信號；當OLC 系統斷開DO 觸點時，仿真系統DI 采集板卡上的某一路DI 正極端子與負極端子間變為0V 電壓差，板卡采集到低電平信號。

仿真系統的信號量輸出部分，DO 板卡的每一路輸出都有三路引腳，對應正極、負極與輸出信號，OLC 的信號采集端兩端有24V電壓差。當板卡需要輸出高電平時，信號引腳與正極引腳間產生24V 電壓差，驅動與之連接的繼電器，繼電器觸點閉合，OLC 系統DI 采集端構成回路，采集到輸入的高電平信號；當板卡需要輸出低電平時，信號引腳與正極引腳間的產生0V 電壓差，繼電器觸點落下，OLC 系統的DI 采集端回路斷開，采集到輸入的低電平信號。

4 路口優先仿真控制

4.1 仿真控制邏輯

仿真系統控制按以下邏輯實現，該控制邏輯的運轉周期為100ms：

（1）控制邏輯啟動后，控制某一個特定路口的線程開始等待接收來自OLC 的某一方向路口預告信號；

（2）若未收到來自OLC 的路口預告信號，則UI 交互軟件不動作，TSC 系統將會根據常規的信號控制模式驅動仿真交通流軟件中的信號燈組進行輪轉，并繼續等待來自OLC 的路口預告信號，若收到來自OLC 的路口預告信號，則進入步驟（3）；

（3）UI 軟件收到預告信號后，改變交通仿真流軟件中該路口對應檢測器的激勵狀態，TSC 控制算法則會不斷檢測該檢測器狀態，在檢測到仿真軟件中預告檢測器被激勵后，預估有軌電車抵達路口的時間，根據預先設定好的優先策略，調整有有軌電車預計到達周期的信號配時，為有軌電車提前開放、延長或插入通行信號相位；

（4）在有軌電車預計抵達路口的時間內，若TSC 收到來自UI軟件轉發的OLC 請求信號，則進入步驟（6），否則進入步驟（5）；

（5）若此時時間沒有超出請求信號的等待周期，則繼續等待請求信號，回到步驟（4），若此時時間超出請求信號的等待周期，則回到步驟（3），TSC 系統重新進入相位協調狀態，重新調整相位，等待列車的請求信號；

（6）TSC 鎖定有軌電車的優先通行相位，等待相位輪轉到有軌電車的通行相位，當先給輪轉到有軌電車通行相位時，輪轉交通流仿真軟件中的道路交通信號，UI 交互軟件在檢測到道路交通信號變化為有軌電車通行相位后，向OLC 系統輸出有軌電車專用信號燈的開放信號，開放有軌電車專用信號燈；

（7）TSC 系統等待來自UI軟件轉發的OLC 進入信號，若未收到進入信號，則進入步驟（8），若收到進入信號，則進入步驟（9）；

（8）若此時有軌電車的專用相位時間尚未結束，則繼續等待，回到步驟（7），若此時有軌電車的專用相位時間結束，則TSC 輪轉交通信號相位，向UI 交互軟件輸出有軌電車專用信號燈的關閉信號，回到步驟（3），TSC 系統重新進入相位協調狀態，重新調整相位，重新等待列車的請求信號；

（9）收到進入信號后，TSC 系統向UI 軟件交互軟件輸出有軌電車專用信號燈的關閉信號，UI 交互軟件將關閉信號通過DO 板卡送至OLC 系統，關閉有軌電車專用通行信號，防止如果后續有跟車的列車進入路口，之后TSC 系統保持道路交通等點亮，確保與之沖突的道路交通流不會進入路口；

（10）TSC 系統等待來自UI 軟件轉發的OLC 出清信號，若未收到出清信號，則進入步驟（11），若收到出清信號，則進入步驟（12）；

（11）若此時時間沒有超出有軌電車的專用相位最大綠燈時間，則繼續等待，回到步驟（10），若此時時間超出有軌電車的專用相位最大綠燈時間，則TSC 輪轉交通信號相位，回到步驟（3），TSC系統重新進入相位協調狀態，重新調整相位，重新等待列車的請求信號；

（12）TSC 輪轉交通信號相位，并恢復常規控制模式，回到步驟（1），重新等待新的預告信號。

該控制邏輯完全還原了現場真實情況下有軌電車路口優先控制的完整流程，有助于模擬真實場景中存在的各項因素，更完善的覆蓋真實環境下可能出現的場景，使得仿真結果的數據具有代表性，也更能反映真實情況下列車實際遇到的場景以及對路口交通控制帶來的影響。

4.2 仿真控制應用

圖2 為某市有軌電車線路的一個復雜路口，該平交路口處于列車車輛段出入口處，且兩側輔路均有匯入主路的小路口，使此處產生了包含行人、道路車輛，有軌電車在內共10 個方向的交通流，共可分為5 個交通流相位階段進行組織，具體如下圖中相位分配所示。

在該場景中，預告、請求、進入、離開信標均與OLC 系統相連，當列車經過信標時，OLC 系統將會檢測到列車占用的碼位，從而轉發信號，驅動TSC 系統進行路口優先控制。針對如此復雜的運行場景，仿真系統能夠根據其交通組織方案，模擬有軌電車在此處復雜路口的路口優先控制。圖中的AD、RR、EN、EX 信標的碼位，將由真實的OLC 系統產生，并通過真實接口轉送至仿真系統。仿真系統在收到RR 碼位后，將驅動搭載的交通信號控制模塊，根據優先方案對路口信號進行調整，并在相位輪轉至有軌電車同行信號時，將該信號碼位發送至OLC 系統，由OLC 系統點亮有軌電車的專用信號燈。在列車經過EN 信標時，仿真系統能夠驅動交通信號控制模塊，并將燈位鎖閉的信號發給OLC，關閉專用信號燈，確保如有后續列車不會跟隨進入路口，并延長道路信號系統內的有軌電車對應相位至最大綠燈時間，確保該趟列車安全通過。在采集到的EX 碼位時，確認列車離開，恢復道路信號輪轉，優先控制完成。

圖2 某有軌電車線路復雜路口路口優先控制示意圖

仿真系統能夠在仿真結束后，輸出仿真時的一些關鍵數據來對路口優先控制方案進行評估，如每列車在路口的等待時間，每列車經過路口花費的時間，多列車平均延誤時間等指標，有助于評價路口優先方案對有軌電車運行效率的影響，此外，在道路交通流仿真中添加道路車輛，如車流密度，車頭時距，運行速度，啟動時間等參數，也能夠評價有軌電車路口優先控制方案對原本道路交通流帶來的影響，如車均路口等待時間，路口排隊長度，路口流量等關鍵數據。

此外，仿真系統在使用時，也能夠模擬OLC 系統的測試場景，向OLC 系統發送對應的碼位信息，檢驗OLC 系統能否針對碼位做出正常的響應，能夠讓OLC 系統在真實模擬的環境下進行產品測試，也有助于更全面的覆蓋有軌電車路口優先控制的測試場景，發現一些潛在的問題，改善優先控制系統。

5 結論

與現有技術相比，上述的仿真方法搭建了完整的有軌電車道路交通信號仿真系統，包含道路交通信號控制系統TSC、有軌電車城市道路仿真環境以及軌道信號控制系統OLC 以及UI 交互軟件，提供了真實可靠的有軌電車信號系統仿真環境。能夠實現對有軌電車運行控制（專用信號控制）的仿真，作為有軌電車運行的仿真評價工具，能夠為用戶提供特定規劃方案下有軌電車運營及沿線道路交通流的綜合評估，能夠在線路規劃、運營管理、站點布設等方面對設計方案提供可靠的評估分析。此外，仿真系統采用工控機、IO 板卡、端子排的形式還原OLC 系統與TSC 系統的接口，能夠適應不同OLC 系統的需求，且易于部署與擴展，支持同時仿真測試多個路口的信號控制系統，能夠為OLC 系統提供真實的測試環境與復雜的路口優先場景，也能夠作為OLC 系統的測試驗證工具，對有軌電車沿線平交路口優先控制真具有重要意義。