基于車路協同技術的自動駕駛有軌電車路口通過優化技術

朱永輝 梁 霄 袁 魁

(1.上海富欣智能交通控制有限公司， 201203， 上海；2.上海中運量軌道交通系統工程技術研究中心， 201203， 上海∥第一作者， 工程師)

有軌電車是一種主要由駕駛員目視(信號)駕駛、運行于地面、路權開放或半獨立、依靠電力驅動的大容量軌道交通制式[1]。其具有的路權不獨立和目視駕駛的特點，決定了它在經過平交路口時，必須像汽車一樣，通過觀察信號機(專用或與公共交通共用)的狀態來決定是否能夠安全通過。由于各個路口信號控制相位的差異，加上有軌電車在接近路口時并不能自動獲得路口信號機的狀態，導致其在通過路口前必須減速觀察，隨時準備停車，以避免誤闖禁止信號。該運營特征降低了有軌電車作為大容量交通系統的運營效率，對有軌電車節能運行、乘客舒適度等亦有不良影響。近年來國內外開展的自動駕駛有軌電車試驗中，部分采用了通過圖像識別信號機來輔助路口通過的技術[2-3]，一定程度上緩解了上述矛盾，但其識別效果高度依賴圖像傳感器本身和處理技術，且在夜間和能見度較差的天氣里檢測效果急劇降低，無法滿足有軌電車全天候運營需要。目前，智能網聯汽車產業中蓬勃發展的V2X(車路協同)技術，因其無線通信的遠距離、高速率和低延遲的特點，為有軌電車在遠距離獲取信號機狀態的基礎上實現高效的路口通過提供了基礎條件。

本文在綜合分析當前有軌電車駕駛員常規目視駕駛、基于自主信號感知的自動駕駛有軌電車路口通過方案的基礎上，引入基于4G/5G(第四代移動通信技術/第五代移動通信技術)的V2X技術，提出基于V2X技術的有軌電車路口通過方案及相關技術，并在實際運行線路上進行測試以驗證所提方案的有效性，供有軌電車和軌道交通行業相關技術人員參考。

1 有軌電車路口通過方案

1.1 信號優先

信號優先概念源于公共交通車輛優先通行技術，包括實現公共交通車輛在空間和時間通行權上的優先。空間優先可通過設置專用道或部分鋸齒型優先進口道來實現；時間優先即信號優先，即利用先進的通信信息、控制、計算機等技術，通過智能化信號控制來實現優先通過。有軌電車的信號優先需在傳統道路交通控制系統的基礎上增加相應功能，并結合有軌電車所屬運營控制系統的控制信息，方可達到優先控制的目標。

有軌電車信號優先原理如圖1所示。其核心可以概括為以下幾點：

1) 選擇性：有軌電車一般配置調度控制系統以提供實時的車輛信息，可根據載客或準點情況優先實施。

2) 有條件優先：全面考慮優先實施的條件，包括電車運營及道路交通情況，減少對其他交通參與體的影響，一般不采用強制優先、絕對優先。

3) 控制策略：針對有軌電車運營的具體環境和外部條件設計對應的控制算法和策略。在有軌電車運行控制系統側，實現對優先請求和優先結果的執行；在道路交通側，實現優先請求的響應，并按照一定優先策略給出優先結果，最終達到有軌電車優先的目的。

1.2 駕駛員目視駕駛通過方案

基于駕駛員目視駕駛的有軌電車信號優先是指根據既定的車輛位置和路口優先策略，以駕駛員目視為主要感測手段，來判斷前方路口是否可以優先通過。此種方法是當前有軌電車最廣泛使用的路口通過方式，駕駛員需綜合考慮有軌電車的運行速度、信號優先觸發位置，根據前方信號機的當前狀態(燈色)等，通過經驗判斷是否通過，一般無法預先得知信號機狀態的輪轉周期或相位倒計時。該方案提供了一種基于有軌電車位置的優先方案，可提高有軌電車的路口通行效率。但同時該方案亦存在明顯不足，如：

1) 當有軌電車觸發優先信號時，前方道路側信號燈(綠色通行燈)即將轉換為禁止信號，駕駛員無法得知綠燈的剩余時間，保守起見實施制動而無法有效通過路口。

2) 當有軌電車觸發優先信號后，因天氣或其他因素導致運行速度降低，駕駛員無法準確判斷是否仍可以舒適控車方式通過路口，故實施制動。這在客觀上浪費了一個允許通行相位，失去了信號優先的作用。

1.3 基于自主信號感知的通過方案

當有軌電車裝備自動駕駛系統[5]后，有軌電車駕駛員的主要行車操作職責將轉移給自動駕駛系統，其中包括對信號機的瞭望觀察。故自動駕駛系統應采取技術措施，實現對行車前方信號機及其狀態(燈色)的實時連續檢測。類似汽車自動駕駛中的信號燈檢測[6]，一種可行的方式是采用專用圖像傳感器(攝像機)對包含信號機的圖像進行處理，從中檢測出信號機及其狀態，作為自動駕駛系統進行路口通過判定邏輯的依據之一，而相應的路口通過方案被稱為基于自主信號感知的通過方案。圖2是該方案的原理示意。該方案的主要優點包括：

1) 有軌電車自主檢測和判斷：通過車載圖像傳感器即可獲取信號機信息，無需車外設備協助，車輛自主性高。

2) 信息豐富：圖像中包括大量有軌電車行駛環境的信息，有利于結合信號機狀態實現更復雜的行車邏輯。

該方案存在的主要問題如下：

1) 自動駕駛系統可靠性差：天氣、光照、環境光源等均會對圖像質量產生明顯干擾，進而影響信號機的檢測結果。

2) 故障容忍度低：目前廣泛使用的基于人工智能的信號機識別方法，僅能識別經過訓練的信號機狀態。信號機發生故障時，因其故障原因不同，表現的狀態亦不同，故對其進行預訓練的難度較大。因此，為確保實現連續、實時、可靠的信號機檢測，需要考慮其他方案。

2 基于V2X技術的有軌電車路口場景協作

“車路協同”在道路工程學和交通工程學中指道路交通系統中“人-車-路-環境”四要素的耦合與協同。車路協同系統是智能運輸系統(ITS)的重要組成部分之一[7]。隨著4G/5G的發展應用，基于車聯網的V2X技術應運而生。該技術通過專有短程通信(DSRC)和基于蜂窩移動通信系統的車聯網(C-V2X)等主要通信手段[8]，將車輛同任何與其交互信息的對象連接起來，以構成更大規模的交通自動化系統，以承載單車難以完成的功能。

有軌電車運營通常采用獨立路權或半獨立路權。半獨立路權是指在相鄰路口之間采用獨立路權，而在路口區域與其他社會車輛和行人共享路權。顯然，在半獨立路權情況下，受到共享路權的其他交通參與者制約，有軌電車行車效率將受到較大影響。通過引入V2X技術，將“人、車、路、云”等交通參與要素有機地聯系在一起，擴大了有軌電車的感測范圍，有助于實現智能交通管控，可進一步提高行車效率。基于V2X技術的有軌電車路口場景協作如圖3所示。

3 基于V2X技術的自動駕駛有軌電車路口通過方案

3.1 系統設計

基于V2X技術的有軌電車自動駕駛路口通過方案及其系統(以下簡稱“本文所述系統”)，如圖4所示。該系統主要由車載、軌旁、V2X通信鏈路3部分構成。車載部分包括自動控車規劃模塊IATC/ATS(智能化列車控制/列車自動監控)、APS(智能感知單元)及OBU(車載單元)，以實現有軌電車的運營規劃，并根據APS的目標授權進行實時運行控制。有軌電車在通過路口的過程中，OBU實時傳輸來自于RSU前方信號機輪轉相位及相位剩余時間。自動控車規劃模塊根據有軌電車的運行速度及其與前方信號機的距離，結合信號燈狀態及剩余輪轉時間，輸出控車命令，實現舒適控車。軌旁部分則主要是行進路口信號燈和有軌電車信號燈的狀態檢測，即將SPaT(信號相位和定時消息)信息發送至RSU。根據實際使用需要，RSU亦可預留與維護中央服務器和感知設備的接口。V2X通信鏈路部分主要是RSU與OBU基于PC5(直通通信)的空口通信，同時亦可預留RSU、OBU與V2X服務器或智能化維護中心的Uu接口。

3.2 車載設備

車載設備包含OBU、顯示界面、多合一天線、IATC/ATS及APS。OBU及多合一天線實物如圖5所示，其 Uu接口上行和下行帶寬分別為200 Mbit/s和1 Gbit/s，PC5接口帶寬為 20 Mbit/s，通信時延小于5 ms，通信范圍不小于300 m。本文所述系統中，將OBU安裝在客室，多合一天線安裝在有軌電車擋風玻璃下方無遮擋處，顯示界面與OBU的自建無線網絡互聯，實時顯示有軌電車的位置以及獲取前方的信號燈信息。IATC/ATS包含車載控制單元、速度和加速度傳感器、感知單元及感知傳感器等(見圖6)。IATC/ATS一體化車載控制規劃設備安裝在客室，感知傳感器組合安裝在有軌電車的駕駛室前方，可實現有軌電車根據規劃線路自動運行，并可由感知模塊實時獲取前方障礙物信息，從而實現有軌電車的自動、安全、舒適運行。

3.3 軌旁設備

RSU為本文所述系統的路側單元，負責接收交通信號機/應用服務器下發的路況信息等實時交通信息，并與既有道路信號控制柜及有軌電車信號優先控制柜互聯，見圖7。從道路信號控制柜獲取SPaT數據，即交通燈的相位與時序消息，同時進行有軌電車信號優先控制柜信號燈信息采集以獲取信號燈實時相位信息，對這兩部分信息進行融合校驗。RSU可通過短距離直連通信接口PC5、蜂窩網絡接口Uu的傳輸信息。本文所述系統實際采用的是PC5鏈路，預留Uu接口鏈路。

3.4 車地通信鏈路

本文所述系統中的車地通信采用PC5接口，通信距離不小于300 m。RSU實時傳送路側的信號沖突相位信息至OBU，包含輪轉相位、沖突相位、相位輪轉時間等信息。

3.5 基于V2X技術的自動駕駛有軌電車通過策略

在常規有軌電車系統建設中，一般在進入路口前一段距離(約200 m)的正線區段，布置用于路口優先的感應環線。當信號系統開啟路口優先模式，有軌電車通過感應環線時，其專用信號燈會根據道路交通信號燈的相位情況切換和保持燈色。若不開啟路口優先，則有軌電車專用信號燈跟隨道路交通信號燈相位變換來切換燈色。當應用V2X技術優化通過方案時，有軌電車能夠更早且穩定地獲取路口信號燈的燈色。當有軌電車運行到RSU的通信覆蓋范圍內(以RSU為中心，半徑為500 m)時，車載設備即可接收到來自RSU包含的有軌電車專用信號燈燈色等信息的數據包。考慮到有軌電車自動駕駛系統同時具備自主信號感知和V2X特性，與之相應的開啟和關閉V2X后的有軌電車路口通過策略分別如圖8和圖9所示。

4 有軌電車在軌測試與結果分析

為驗證所提出的路口通過方案的實際效果，上海富欣智能交通控制有限公司于2020年12月在淮安現代有軌電車經營有限公司和中車株洲電力機車有限公司等單位的支持下，基于江蘇省交通廳科研課題《現代有軌電車自動駕駛技術研究》和淮安有軌電車1號線(以下簡為“1號線”)的車輛和線路條件，選取1輛試驗用有軌電車部署自動駕駛系統和V2X車載設備，并在此基礎上選取1號線正線的連續3個信號機防護路口，布設與信號機聯動的V2X地面設備。有軌電車處于自動駕駛模式時，分別采用本文所述的基于自主信號感知和V2X技術的路口通過方案進行路口信號燈的檢測測試。

選取試驗段中的2個路口(路口一(K9+400—K9+500)，路口三(K9+900—K10+010))及其前、后方總長共計100 m的區域(路口二因距離第1個路口較近，受第1個路口通過情況的影響較大，不滿足試驗獨立性要求，故未選取)，對應的時間-速度關系如圖10。由圖10可見：

1) 當僅使用自主信號感知作為路口通過判斷條件時，有軌電車在兩個路口都必須停車等待(速度為0)。一方面是由于有軌電車無法從信號燈檢測相機獲取允許燈色的倒計時，為了避免誤闖信號，無論路口是允許燈色還是禁止燈色，都必須先在路口前停車，等待下一次轉為允許燈色時方可通過；另一方面，現有技術條件并不能保證100%檢測出路口信號燈及其燈色(特別是夜晚等困難場景下)，為安全起見亦會停車等綠燈開放后通過。上述兩方面因素導致有軌電車通過路口的總時間大大拉長(最長可達到單次信號相位的兩倍)。

2) 應用V2X技術進行信號機檢測后，有軌電車可以根據路口允許信號的倒計時情況動態確定是否通過，以及通過的時速(需要同時滿足路口限速條件)，達到直接通過(如路口三)或顯著縮短停車等待時間(如路口一)的效果。

3) 與傳統的駕駛員目視行車通過路口方式相比，基于自主信號感知的有軌電車路口通過方案可以改善駕駛員在路口的注意力強度。但因駕駛員無法獲取路口信號的倒計時信息，從效率上而言改善空間不大。而基于V2X技術的有軌電車路口通過方案使列車能夠直接獲取路口信號的倒計時信息，如能夠與司控臺人機界面等設備聯動，即使不裝備自動駕駛系統，也可以輔助駕駛員判斷路口通過時機和車速，可提高路口行車效率，同時改善乘客的乘坐舒適感。

5 結語

本文在綜合分析當前有軌電車駕駛員常規目視駕駛，以及基于自主信號感知的自動駕駛有軌電車路口通過方案的基礎上，引入V2X技術，提出基于V2X技術的有軌電車路口通過方案，并在實際運行線路上進行了測試，以體現所提方案的有效性。測試結果表明，本文提出的基于V2X技術的自動駕駛有軌電車路口通過方案，能夠顯著縮短有軌電車在路口的等待時間(最長可縮短一半時間)或實現不停車一次性通過，從而提高了有軌電車的控制效率，改善了乘客的乘坐體驗。