曾小清， 熊啟鵬， 王奕曾， 賀俊翔， 梁 陽， 邊 冬

(1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.上海大學(xué) 悉尼工商學(xué)院，上海 201899)

現(xiàn)代有軌電車作為一種綠色環(huán)保、運量及成本均適中的軌道交通方式，近兩年廣受歡迎，在我國許多城市進(jìn)行了規(guī)劃和建設(shè).有軌電車由于運行線路并不是完全封閉，較其他形式的軌道交通方式存在更多的安全隱患，有軌電車系統(tǒng)由駕駛員進(jìn)行操作，安全責(zé)任重大，基于發(fā)現(xiàn)障礙物與常用制動(或緊急制動)的安全駕駛模式，駕駛員視野距離限制了列車在某些區(qū)段的行駛速度上限.同時在夜晚或者雨、雪、霧等惡劣天氣條件下，駕駛員的視野范圍受到極大的限制和削弱，難以發(fā)現(xiàn)潛在的障礙物，一旦不能及時制動，將會導(dǎo)致碰撞甚至脫軌的嚴(yán)重后果.因此為現(xiàn)代有軌電車研究開發(fā)一套具有視覺增強效果的輔助安全防護(hù)系統(tǒng)，具有很大的意義.

本文提出了一種基于異態(tài)檢測的現(xiàn)代有軌電車輔助安全防護(hù)技術(shù)，為有軌電車選取適用性較高的前向檢測器，實時獲取前方障礙物的信息，并通過列車定位技術(shù)求得障礙物與軌道限界之間的相對位置，對于入侵軌道限界的障礙物，確定其與列車的軌內(nèi)相對距離，并以此為行車許可終點實時計算列車防護(hù)曲線.如果當(dāng)前檢測周期并無軌內(nèi)障礙物，輔助安全防護(hù)系統(tǒng)會選取線路上調(diào)度計劃制定的停車點(如車站等)作為行車許可終點進(jìn)行防護(hù)曲線的計算.

1 異態(tài)檢測技術(shù)研究

異態(tài)檢測技術(shù)一般指利用傳感器獲取周圍環(huán)境中目標(biāo)的信息.用于有軌電車的異態(tài)檢測技術(shù)是一種車載檢測技術(shù).目前車載檢測技術(shù)多應(yīng)用于智能車領(lǐng)域，主要分為主動檢測和被動檢測兩種技術(shù)[1]，其中主動檢測需要向待測區(qū)域發(fā)射一定功率、頻段的電磁波，利用回波分析完成障礙物目標(biāo)的檢測，代表技術(shù)為各類雷達(dá)技術(shù)[2]；被動檢測主要指視覺檢測技術(shù)，利用CCD攝像機一類的設(shè)備，直接從環(huán)境中接收信息，并通過相關(guān)算法處理得出感興趣數(shù)據(jù).被動檢測是非侵犯式檢測，不增加環(huán)境噪聲，功耗低，獲取信息量大，但其信息來源完全依靠外界，在惡劣環(huán)境如夜晚或大風(fēng)、雨、雪、霧的條件下基本失效[3].

有軌電車應(yīng)用環(huán)境一般在城市內(nèi)部，在某些區(qū)段與城市道路交通共享路權(quán)，因此可能入侵有軌電車軌道限界的障礙物一般包括社會車輛、行人以及落入軌道并停留的其他目標(biāo).應(yīng)選取前向檢測器，對列車前方障礙物情況進(jìn)行檢測，根據(jù)EN13452-1標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)代有軌電車運營速度一般取50 km·h-1，對于鋼軌鋼輪制式有軌電車，常規(guī)制動減速度取1.2 m·s-2，緊急制動減速度要求達(dá)到至少2.8 m·s-2(膠輪導(dǎo)軌制式減速度更高)[4,5-12].若列車以50 km·h-1速度運行，一般常規(guī)制動的制動距離在100 m以內(nèi)，緊急制動距離在50 m左右，因此所選取檢測器需要探測前方至少200 m.同時檢測器需要一定的水平角及俯仰角，能夠探測車身高度內(nèi)的障礙物.

根據(jù)上述檢測器的需求，表1分析了目前比較成熟的幾種檢測器技術(shù)在各個方面的特性對比.

表1 各類異態(tài)檢測技術(shù)特性對比Tab.1 Feature comparison of different kinds of obstacles detection technologies

經(jīng)過研究，雷達(dá)技術(shù)中的毫米波雷達(dá)在全天候使用、檢測距離、檢測穩(wěn)定性、低成本等方面具有一定的優(yōu)勢，因此本文選取毫米波雷達(dá)作為有軌電車前向檢測器.

2 輔助安全防護(hù)功能設(shè)計

2.1 功能需求分析

有軌電車輔助安全防護(hù)主要提供避撞預(yù)警的功能，不同于汽車能夠進(jìn)行換道等避讓行為，有軌電車只能夠進(jìn)行軌道內(nèi)的運動，因此需要判斷前述雷達(dá)所檢測到的前方障礙物與軌道限界的相對位置關(guān)系，從而評估其對于列車行駛的威脅，本文將通過列車定位信息進(jìn)行上述匹配的相關(guān)運算.

為了保讓避撞預(yù)警功能的實現(xiàn)，相關(guān)設(shè)備及算法需滿足如下條件：

(1) 所選取雷達(dá)檢測器需能較為準(zhǔn)確地給出列車與當(dāng)前目標(biāo)的位置關(guān)系.

(2) 列車定位技術(shù)能夠提供定位誤差較小的列車定位及速度信息.

(3) 相關(guān)算法能夠確定線路入侵物距離列車的軌內(nèi)距離，并提供列車防護(hù)曲線.

2.2 輔助安全防護(hù)構(gòu)架設(shè)計

輔助安全防護(hù)構(gòu)架如圖1所示.

圖1 輔助安全防護(hù)構(gòu)架Fig.1 The frame of auxiliary safety protection

2.3 避撞預(yù)警功能設(shè)計

避撞預(yù)警功能的實現(xiàn)，依賴于列車防護(hù)曲線的實時計算.列車防護(hù)曲線是列車制動模型的直觀表達(dá)，表征列車在制動過程中速度下降與距離之間的關(guān)系.輔助駕駛系統(tǒng)需實時確定行車許可終點，并根據(jù)行車許可終點確定列車防護(hù)曲線，本文借鑒ETCS系統(tǒng)的列車防護(hù)方法[13]，建立了一簇防護(hù)曲線.

EBD(emergency brake deceleration)曲線為緊急制動曲線，列車運行過程中每個行車許可終點都對應(yīng)一條EBD曲線，EBD曲線是一簇防護(hù)曲線中的最外層，一般不會被觸發(fā)，一旦超過EBD曲線，列車的停車位置將超過行車許可終點，也即會發(fā)生碰撞.

因此需要考慮列車制動建立、駕駛員反應(yīng)時間、列車定位測速誤差等因素，計算緊急制動觸發(fā)曲線EBI(emergency brake intervention)，當(dāng)列車行駛狀態(tài)越過EBI曲線，需自動施加緊急制動.

利用相同的原理，列車還設(shè)有最大常用制動曲線SBD(bervice brake deceleration)以及最大常用制動觸發(fā)曲線SBI(service brake intervention)，當(dāng)列車運行狀態(tài)觸發(fā)該曲線之后，施加最大常用制動.

同時為了實現(xiàn)對于駕駛員的提示和警告，設(shè)立了提示點I與警告點W，通過SBI曲線反推得出，圖2表征了幾條曲線之間的關(guān)系.

圖2 EBD以及其他幾條曲線關(guān)系圖Fig.2 The relationship between EBD and other curves

當(dāng)駕駛員駕駛列車接近確定的行車許可終點時，輔助駕駛系統(tǒng)會向駕駛員提示安全引導(dǎo)速度，本策略中設(shè)提示點I與警告點W，其中I點的作用為提示駕駛員即將超過允許限速，該點提供足夠的時間讓駕駛員進(jìn)行相關(guān)操作，當(dāng)列車超過I點后，會通過聲音、燈光等提示駕駛員進(jìn)行減速操作；如果超過W點意味著即將觸及最大常用制動曲線，若越過W點仍舊沒有任何操作，列車將在越過SBI監(jiān)督點時自動觸發(fā)最大常用制動，如果列車速度仍舊未降低到安全值，超過了EBI監(jiān)督點，則會觸發(fā)緊急制動，確保行車安全.

制動過程中的人機交互設(shè)計為提示—詢問—制動三層：當(dāng)行車觸發(fā)I點，進(jìn)行聲光提示，若直到觸發(fā)W點駕駛員仍舊沒有進(jìn)行制動，給出解釋界面，如果直到觸發(fā)SBI監(jiān)視曲線駕駛員沒有進(jìn)行選擇，則自動進(jìn)行列車最大常用制動，根據(jù)人體工程學(xué)結(jié)合駕駛員的反應(yīng)思考時間，可以設(shè)I點、W點以及SBI曲線之間的觸發(fā)時間為5 s.

由于有軌電車線路部分區(qū)段封閉性較差，有可能會出現(xiàn)突然闖入的障礙物離列車較近，通過其作為行車許可終點的防護(hù)曲線會使得現(xiàn)有狀態(tài)直接超過I點的包絡(luò)線，鑒于這種情況多為行人闖入，而行人闖入的持續(xù)時間一般為2 s左右，因此這種情況下的制動策略需要駕駛員幫助完成，具體過程如圖3所示.

圖3 入侵物過近的制動策略Fig.3 The braking strategy when obstacles are too close

如果闖入障礙物確實有威脅且位于vc>vEBI，(vc指當(dāng)前車速)等效于列車已經(jīng)位于EBI曲線之外，即是緊急制動也會觸碰行車許可終點，則列車將無法避免此次碰撞，這種情況一般較少.

如果是行人闖入的情況，駕駛員可以通過按鈕解除警報，繼續(xù)正常行駛，系統(tǒng)也將在行人離開軌道限界范圍之后自動撤銷該行車許可終點.

上述人機交互過程中需要駕駛員進(jìn)行選擇，告知系統(tǒng)當(dāng)前由算法得出的威脅情況是否屬實，由于給駕駛員的反應(yīng)時間較短，界面的選擇設(shè)備建議使用更為穩(wěn)定的物理按鈕.

3 輔助安全防護(hù)算法設(shè)計

3.1 算法輸入

3.1.1雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入

假定選取的雷達(dá)檢測器所檢測到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過波形解析、背景噪音過濾等算法處理手段，能夠至少為輔助安全防護(hù)系統(tǒng)提供合理采樣頻率的如下數(shù)據(jù)輸入,即

[α,θ,ρ]

(1)

其中：α表示目標(biāo)障礙物俯仰角；θ表示目標(biāo)障礙物水平方向航向角；ρ表示目標(biāo)障礙物到雷達(dá)的距離.

根據(jù)極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，剔除高度范圍在車輛高度之外的目標(biāo)，可以得到二維平面的坐標(biāo)：

(2)

式中：xOB為目標(biāo)障礙物在二維平面中的x軸坐標(biāo)；yOB為目標(biāo)障礙物在二維平面中的y軸坐標(biāo).

3.1.2列車定位數(shù)據(jù)輸入

(1)線路坐標(biāo)系的構(gòu)建

使用車載雷達(dá)作為檢測器，雷達(dá)坐標(biāo)系會以列車當(dāng)前運行速度與地面有一個相對運動，為了便于研究障礙物基于地面以及軌道限界的絕對位置關(guān)系，應(yīng)用地方坐標(biāo)系的參數(shù)構(gòu)建線路坐標(biāo)系，精度能夠達(dá)到使用要求.

其中地方坐標(biāo)系(local coordinate system)是因建設(shè)、城市規(guī)劃和科學(xué)研究需要而在局部地區(qū)建立的相對獨立的平面坐標(biāo)系統(tǒng).

(2)列車運行線路建模

在地方坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)以下模型假設(shè)進(jìn)行線路建模：①將線路形式經(jīng)過抽象分析，分為直線線路、曲線線路和交叉口區(qū)域線路三類；②忽略緩和曲線的影響，假設(shè)直線線路與固定曲率半徑的曲線線路直接連接.可以將線路每個區(qū)段用表示如下：

[n,x1,y1,s1,x2,y2,s2,r,xo,yo,d,i,c,s,m]

(3)

其中：n為區(qū)段編號；(x1,y1)(x2,y2)為區(qū)段中心線起訖點坐標(biāo)；s1、s2為區(qū)段起訖點所對應(yīng)的里程數(shù)；r為區(qū)段曲率半徑；(x0,y0)為曲線區(qū)段的圓心坐標(biāo);d為列車該曲線區(qū)段運行方向，若為順時針方向運行曲線線路，d取0，若為逆時針方向運行線路d取1；i為區(qū)段坡度值；s為該區(qū)段里程數(shù)；m為該區(qū)段內(nèi)查詢應(yīng)答器個數(shù).另外定義軌道限界范圍W=車輛最大寬度w+2δ，δ為安全余量.

(3)列車定位數(shù)據(jù)輸入方式

據(jù)此給出列車實時定位信息的輸入值

[n,n1,n2,x,y,sd,s,vcur]

(4)

其中：n為上一個查詢應(yīng)答器編號；n1為上一個查詢應(yīng)答器所處區(qū)段的編號；n2為當(dāng)前列車所處區(qū)段編號；(x,y)為上一個查詢應(yīng)答器的地面坐標(biāo)；sd為以線路起點作為里程0點的上一個查詢應(yīng)答器所對應(yīng)的里程；s為上一個查詢應(yīng)答器到列車當(dāng)前位置的累積里程；vcur為列車當(dāng)前運行速度.

3.2 障礙物絕對位置算法

3.2.1列車坐標(biāo)確定

模型算法中，列車需要實時獲取自身位置，假定列車位于區(qū)段n2，則可讀取當(dāng)前區(qū)段信息如下：

(5)

分別針對直線區(qū)段與曲線區(qū)段的情況，計算列車當(dāng)前位置坐標(biāo)(xtr,ytr)以及行駛方向β.

(1) 直線區(qū)段：通過式(6)式(7)求得當(dāng)前位置情況.

(6)

(7)

(2) 曲線區(qū)段：根據(jù)式(8)式(9)求得當(dāng)前位置情況.其中σ通過(xtr,ytr)與區(qū)段起點的相對位置進(jìn)行計算.

(8)

(9)

3.2.2障礙物等效行車許可終點計算

將障礙物從雷達(dá)坐標(biāo)系坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為線路坐標(biāo)系公式如下：

(10)

Sob=

(11)

Sob=αr+s

(12)

3.3 監(jiān)控曲線算法

(1)緊急制動曲線EBD

緊急制動曲線EBD描述列車在最不利情況下從當(dāng)前速度到完全停止或進(jìn)入某一個限速區(qū)間上限速度所需要的制動距離，制動曲線的目標(biāo)點一般可以分為兩類，第一種為行車許可終點，即列車需要在行車許可終點之前達(dá)到完全制動狀態(tài)才能夠保證安全.第二種為最上限速度曲線的變化，列車到達(dá)某一點時速度應(yīng)該控制在該點最限速度之下.取軌內(nèi)障礙物作為行車許可終點來計算實時防護(hù)曲線，根據(jù)運動學(xué)制動模型從行車許可點反算緊急制動曲線，并與線路最上限速度相交.

(13)

式中：vorg為列車制動初始速度；vebr為列車制動目標(biāo)速度，對于以行車許可終點為障礙物目標(biāo)的情況，取0；αebr為列車最大制動減速度(考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)以及坡度影響)；Seb為緊急制動狀態(tài)距離.

(2)緊急制動觸發(fā)曲線EBI

緊急制動觸發(fā)曲線EBI通過緊急制動曲線推算，緊急制動觸發(fā)曲線與緊急制動曲線之間相差了列車切斷牽引與生成制動的過程，包括司機反應(yīng)延遲、牽引切斷延遲與惰行直至建立制動三個階段.圖2描述了從EBD到其他幾條監(jiān)控曲線的變化，EBI計算如下：

Δv=αtrγttr(1+rV)

(14)

Δs=Δvttr+Slo

(15)

SEBI(v0)=SEBD(v0+Δv)+Δs

(16)

式中：αtrγ為列車最大牽引加速度(考慮回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)以及坡度影響)；ttr為制動建立延時與駕駛員反應(yīng)時間之和；rV為測速誤差系數(shù)；Δs為考慮最不利情況下的距離增量.

(3)最大常用制動曲線SBD及其觸發(fā)曲線SBI

與式(1)、式(2)同理，可得SBD曲線求解式(17)以及SBI曲線的求解式(18)，從SBD到SBI的變換為直接平移.

(17)

(18)

(4)報警提示曲線

該模型設(shè)兩個提示功能點：提示點I與警告點W，其與SBI曲線之間具有一定的時間間隔，通過式(22)、式(23)求解，即

SW(v0)=SSBI(v0)+v0tW

(19)

SI(v0)=SSBI(v0)+v0tI

(1)為“兵”或“卒”時：新建solider類，將落點和棋子的原橫縱坐標(biāo)及棋子執(zhí)方存入。判斷走棋規(guī)則是否合法。如果非法，輸出結(jié)果；

(20)

4 算法驗證

現(xiàn)代有軌電車項目應(yīng)用前景廣泛，如松江現(xiàn)代有軌電車項目規(guī)劃建設(shè)6條線路，總長約90km，設(shè)站約118座.目前T1、T2線完成建設(shè)，如圖4所示.T4、T5線2017—2018年開始實施建設(shè)，T3、T6線計劃2018年起辦理前期立項、規(guī)劃等手續(xù)，實施建設(shè).為了配合有軌電車系統(tǒng)的建設(shè)，松江區(qū)配套建設(shè)了智能交通管理系統(tǒng)，涵蓋松江城區(qū)共382個路口，建設(shè)信號控制、流量采集、交通誘導(dǎo)、停車誘導(dǎo)等設(shè)備.

圖4 有軌電車T1、T2線建設(shè)分布Fig.4 The map of tramcar Line T1 and Line T2

利用Python程序開發(fā)語言，對提出的策略算法進(jìn)行了驗證，初步構(gòu)建了現(xiàn)代有軌電車的運行場景，并著重針對策略算法中的障礙物影響分析、列車防護(hù)曲線生成進(jìn)行了試驗設(shè)計，基本驗證了策略算法的有效性.

4.1 仿真環(huán)境構(gòu)建

(1)線路建模

相比于傳統(tǒng)軌道交通驗證程序設(shè)計只考慮列車運行一維的情況，由于本文中有軌電車需要檢測線路沿線的障礙物情況，因此需要建立二維的線路，如圖5是根據(jù)某實際線路進(jìn)行抽象提取的一條有軌電車線路.

圖5 仿真線路示意圖Fig.5 The sketch map of emulational path

(2)程序設(shè)計

程序主流程為控車程序，其他子函數(shù)包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、障礙物生成模塊、坐標(biāo)反轉(zhuǎn)換模塊、防護(hù)曲線生成模塊.

4.2 實驗結(jié)果

(1)列車防護(hù)曲線生成模塊的驗證

如圖6所示，為行車許可終點位于軌道里程2 200 m處的4條防護(hù)曲線，算法根據(jù)障礙物的位置與列車定位的輸入，能夠輸出防護(hù)曲線情況.

圖6 仿真防護(hù)曲線Fig.6 The emulational protection curves

(2)防護(hù)曲線生成實時性驗證

如圖7所示，仿真實驗假定列車檢測器停在軌道某處，隨機生成一個具有固定方向勻速運行的目標(biāo)，當(dāng)其進(jìn)入軌道限界時可以被檢測到，因而影響當(dāng)前測量周期的列車防護(hù)曲線，并持續(xù)一段時間.本次試驗的障礙物在軌道內(nèi)部逗留了14 s，影響軌道的里程范圍為3 143 m～3 156 m，在一段時間內(nèi)生成具有突變性的一簇列車防護(hù)曲線，可以在圖中看到有一段防護(hù)曲線明顯向列車靠近，表明這段時間障礙物進(jìn)入軌道，使得行車許可終點有所變化，另外這一簇曲線所構(gòu)成的曲面并不完全平行于t軸，說明障礙物是斜穿經(jīng)過軌道限界.

實驗結(jié)果可以證明輔助安全防護(hù)算法對于雷達(dá)檢測到的障礙物是實時監(jiān)測的(探測周期取100 ms)，并且能夠?qū)崟r生成列車防護(hù)曲線.

圖7 防護(hù)曲線變化趨勢Fig.7 The variation trend of protection curves

(3)列車運行驗證

圖8為實驗行人穿越軌道限界的情景，所生成的速度記錄曲線，實驗中駕駛員根據(jù)輔助安全防護(hù)系統(tǒng)提供的障礙物及制動信息進(jìn)行駕駛，選取線路某一區(qū)段，當(dāng)列車出站加速引導(dǎo)到某一速度之后，前方發(fā)現(xiàn)障礙物，而后觸發(fā)最大常用制動，4 s后障礙物消失，列車重新牽引加速，直至停車進(jìn)入車站.

圖8 速度記錄曲線Fig.8 The curve of velocity change

實驗結(jié)果表明，對于生成的障礙物，被檢測器較為準(zhǔn)確地檢測到之后，輔助安全防護(hù)算法能夠?qū)崟r計算列車防護(hù)曲線，并提出減速制動的策略.

實驗過程中均認(rèn)為駕駛員遵從相關(guān)控制策略.

基于較為準(zhǔn)確的雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)及列車定位數(shù)據(jù)，當(dāng)前的輔助駕駛策略算法設(shè)計能夠?qū)崟r確定障礙物目標(biāo)與軌道限界的位置關(guān)系，并將有威脅的障礙物轉(zhuǎn)化為列車防護(hù)曲線的行車許可終點，從而根據(jù)防護(hù)曲線給出各個制動監(jiān)督點，進(jìn)行防撞預(yù)警.

5 結(jié)論

現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)由駕駛員進(jìn)行操作，駕駛員視野距離限制了列車在某些區(qū)段的行駛速度上限.同時在夜晚或者雨、雪、霧等惡劣天氣條件下，駕駛員的視野范圍受到極大的限制和削弱，難以發(fā)現(xiàn)潛在的障礙物，一旦不能夠及時制動，會造成不可挽回的損失.

針對上述問題，為了保障現(xiàn)代有軌電車運行安全，提出了一種基于異態(tài)檢測的有軌電車輔助安全防護(hù)技術(shù).主要成果如下：

(1)雷達(dá)技術(shù)中的毫米波雷達(dá)在全天候使用、檢測距離、檢測穩(wěn)定性、低成本等方面具有一定的優(yōu)勢，因此提出采用毫米波雷達(dá)作為有軌電車異態(tài)檢測器.

(2)考慮列車制動建立、駕駛員反應(yīng)時間、列車定位測速誤差等因素，計算緊急制動觸發(fā)曲線EBI，當(dāng)列車行駛狀態(tài)越過EBI曲線，需自動施加緊急制動.從功能需求分析、輔助安全防護(hù)架構(gòu)設(shè)計、避撞預(yù)警功能設(shè)計三方面入手，設(shè)計輔助安全防護(hù)功能.

(3)在基于雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入、列車定位數(shù)據(jù)輸入、列車坐標(biāo)確定和障礙物等效行車許可終點技術(shù)基礎(chǔ)上，從緊急制動曲線EBD、緊急制動觸發(fā)曲線EBI、最大常用制動曲線SBD、觸發(fā)曲線SBI 四個方面構(gòu)建輔助安全監(jiān)控曲線算法.

最后，利用Python程序開發(fā)語言，對提出的策略算法進(jìn)行了仿真驗證，初步構(gòu)建了現(xiàn)代有軌電車的運行場景，并著重針對策略算法中的障礙物影響分析、列車防護(hù)曲線生成進(jìn)行了實驗設(shè)計，最后通過編程仿真實驗驗證了算法的實時性以及有效性.