馮冬梅

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100083）

1 有軌電車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

隨著國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展建設(shè)的需要，有軌電車已在不少大中城市規(guī)劃建設(shè)。除了常規(guī)的中運量地面現(xiàn)代非獨立路權(quán)的有軌電車，還出現(xiàn)了大量特殊場景及區(qū)域內(nèi)的有軌電車。比如，獨立高架模式，利用原有鐵路軌道、大的片區(qū)內(nèi)、景區(qū)內(nèi)、機場內(nèi)捷運系統(tǒng)等具有獨立路權(quán)的各種不同應(yīng)用場合的有軌電車，而這種高級別具有獨立路權(quán)的有軌電車的運能設(shè)計可達到2.5萬人次/h，相當于一條輕軌線的能力。

因有軌電車主要特征為地面非獨立路權(quán)敷設(shè)方式，自動駕駛的實施條件較差，不能實現(xiàn)自動駕駛或自動折返，目前國內(nèi)外有軌電車不論任何場景、條件均采用全人工駕駛模式，嚴重影響系統(tǒng)的運能和實際運營效率，同時造成運營成本及司機勞動強度的增加。

一般來說，具有獨立路權(quán)敷設(shè)的有軌電車、線路及運營條件與地鐵及動車組類似。為此，應(yīng)順應(yīng)軌道交通車輛自動化運營發(fā)展趨勢，積極推進獨立路權(quán)有軌電車的自動化駕駛，從而可以有效提升線路運輸能力、提高安全性能、降低能源消耗、減少人員成本等。

2 有軌電車自動駕駛關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）有軌電車的功能定位、線路、站位特點、軌道形式、車站型式及運營管理模式等與常規(guī)地鐵存在較大差異，車輛的自動駕駛模式需求及等級配置也有不同。（2）由于有軌電車車輛特征與地鐵車輛存在較大差異，常規(guī)地鐵信號控制系統(tǒng)不能直接應(yīng)用于有軌電車車輛以實現(xiàn)自動駕駛。（3）有軌電車綜合統(tǒng)一的運營調(diào)度模式與常規(guī)地鐵存在較大差異，列車的自動控制系統(tǒng)互聯(lián)互通兼容性要求更靈活。

綜上分析，具有完全獨立路權(quán)有軌電車實現(xiàn)自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)如下：（1）針對有軌電車車輛特征的列車自動控制關(guān)鍵技術(shù)；（2）針對獨立路權(quán)有軌電車應(yīng)用場景的信號系統(tǒng)列車自動監(jiān)控、列車安全防護、列車自動駕駛等適用性關(guān)鍵技術(shù)；（3）有軌電車的自動駕駛，車載、軌旁、中心設(shè)備安裝配置的適用性關(guān)鍵技術(shù)。

3 車輛實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵技術(shù)

車輛的自動控制主要是對制動系統(tǒng)的控制，因為制動系統(tǒng)性能直接影響車輛控制效果和制動模式。有軌電車車輛與地鐵的制動特性最大區(qū)別有三點：（1）有軌電車制動方式為液壓制動，非空氣制動，無法提供車輛載荷信號，制動性能誤差較大；（2）有軌電車制動模式主要針對地面混行場景，有5級制動，地鐵為3級制動；（3）有軌電車制動性能減速度比地鐵大很多。如何實現(xiàn)自動駕駛技術(shù)在有軌電車上的應(yīng)用，關(guān)鍵在于車輛ATO自動控制、ATP自動防護需要的電氣接口技術(shù)和車輛緊急制動適應(yīng)性技術(shù)。

3.1 電氣接口技術(shù)

電氣接口的實現(xiàn)可采用繼電器接口和MVB通信總線接口兩種形式。常規(guī)地鐵列車電氣接口均采用繼電器接口形式，但有軌電車受空間限制，若均采用繼電器形式，會導(dǎo)致安裝空間過大，車輛大量改造，產(chǎn)生過多費用。為保證車輛自動駕駛的安全控制，同時達到經(jīng)濟效益的最大化，車輛與車載信號控制系統(tǒng)安全輸入和輸出類電氣接口可采用繼電器接口，非安全輸入和非安全輸出接口可采用MVB接口。

3.2 緊急制動適應(yīng)性開發(fā)

常規(guī)有軌電車車輛緊急制動減速度太大，安全制動不帶防滑，如何實現(xiàn)各種駕駛模式下的常規(guī)制動及緊急制動需要進行適應(yīng)性開發(fā)設(shè)計。

具有開放路權(quán)的有軌電車需考慮意外情況出現(xiàn)，車輛緊急制動的減速度參數(shù)不小于2.0m/s2，安全制動的減速度參數(shù)不小于1.0m/s2。

具有完全獨立路權(quán)的有軌電車，不存在采用較大的緊急制動預(yù)防與行人或社會車輛相撞情況。安全制動的減速度參數(shù)可參考地鐵要求，將有軌電車車輛五種制動模式依據(jù)場景需求優(yōu)化為與地鐵類同的三種制動模式，ATP緊急制動采用純機械制動的安全制動輸出，車輛安全制動減速度參數(shù)降至1.2m/s2。

針對有軌電車自動駕駛的制動控制，提出適用于有軌電車的ATP制動輸出原則：（1）ATP所有功能性的防護均采用常用制動進行防護；（2）ATP在常用制動失效或ATP故障宕機情況下采用緊急制動進行防護。

4 信號系統(tǒng)實現(xiàn)自動駕駛的要點

有軌電車實現(xiàn)常規(guī)地鐵信號系統(tǒng)CBTC的控制，需重點解決以下核心問題：（1）有軌電車的制動減速度誤差比較大，如何保證精準停車，將停車誤差控制在±300mm；（2）有軌電車的制動性能誤差比較大，如何既保證列車運行安全，又保證運營效率；（3）有軌電車安裝空間狹小，如何解決自動駕駛信號車載設(shè)備的安裝問題，如VOBC機柜、車地無線感應(yīng)設(shè)備、天線、速度傳感器等；（4）解決基于U型槽軌的有軌電車地面軌旁設(shè)備安全、可靠安裝問題。

4.1 精準停車

有軌電車沒有車輛載荷補償，即便在列車載荷不變的情況下，也無法達到普通地鐵列車的控制精度，更無法實現(xiàn)固定的制動減速度進行精確停車的控制。同時，有軌電車的制動減速度誤差至少為±15%，若采用傳統(tǒng)地鐵方式進行列車制動停車距離計算，會導(dǎo)致精確停車失敗。

經(jīng)過多次模擬仿真后，調(diào)整ATO制動停車計算方法及相關(guān)參數(shù)可基本實現(xiàn)精準停車。ATO控制列車持續(xù)輸出制動命令，從大到小，控制列車在距離停車點特定位置（0.5m）達到特定速度（1m/s）。持續(xù)輸出制動命令之后，ATO不對制動距離進行計算，直接施加指定的制動減速度實施制動停車。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，此停車精確取決于列車在0.5m處的速度是否能夠達到1m/s以及當時施加的制動率。若速度和制動率能控制到10%以內(nèi)，則能夠滿足精確停車需求。

4.2 運營安全及效率保證

有軌電車的制動性能有±15%的誤差，若不考慮制動性能誤差，則可能會由于實際制動性能太弱，而導(dǎo)致沖出安全區(qū)域并超速。若在計算列車制動距離時，考慮±15%的誤差，則可能會由于采用最不利情況的制動減速導(dǎo)致計算的列車制動距離過長，降低列車制動效率。因此，既保證列車運行安全，又保證運營效率，是自動駕駛應(yīng)用于有軌電車的又一關(guān)鍵技術(shù)。

通過對車輛的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)有軌電車車輛在列車載荷不變的情況下，列車的制動率誤差相對比較穩(wěn)定。因此，文章提出在信號系統(tǒng)ATO系統(tǒng)中增加制動減速度誤差計算功能以實時計算制動率誤差，從而使得實際制動率與計算制動率的誤差控制在±5%以內(nèi)，既可以避免制動率不足引起的超速問題，又可以充分利用制動率保證運營效率。

4.3 其他關(guān)鍵技術(shù)

信號系統(tǒng)對于車載設(shè)備有限空間內(nèi)的集成化、分散化安裝設(shè)計和軌旁信號設(shè)備的適應(yīng)性安裝設(shè)計，也直接關(guān)系到自動駕駛技術(shù)在有軌電車應(yīng)用的安全性、可靠性，還需要在實際工程中研究和驗證。

5 工程應(yīng)用

目前，現(xiàn)代有軌車的自動駕駛技術(shù)在昆明長水機場旅客捷運系統(tǒng)得以應(yīng)用。該捷運系統(tǒng)應(yīng)用場景雖類似地鐵，但同時具備軌電車車輛、車站、軌道敷設(shè)等特征，及機場內(nèi)特有的運營管理模式，因此自動駕駛技術(shù)在該工程有軌電車中的應(yīng)用與常規(guī)地鐵系統(tǒng)有較大差異。

信號系統(tǒng)針對有軌電車車輛的ATO自動調(diào)速控制，進行了適應(yīng)性電氣、機械接口研發(fā)及測試，車載ATO控制利用采集到的數(shù)據(jù)信息進行了適應(yīng)性計算調(diào)整，已經(jīng)過測試平臺大量模擬仿真，實現(xiàn)車輛的自動駕駛，且停車精度可控制在±300mm以內(nèi)。系統(tǒng)滿足初期高峰小時發(fā)車間隔4.5min、遠期高峰小時發(fā)車間隔2.5min的要求。列車在正線可實現(xiàn)150s的追蹤間隔，平均旅行速度可達29.91km/h。

6 結(jié)束語

隨著智能化控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)多個城市如沈陽、天津、蘇州、上海、南京、北京、淮安等地新建的有軌電車已通過地面裝設(shè)轉(zhuǎn)轍機、信號機、計軸、感應(yīng)環(huán)線等軌旁設(shè)備，控制中心遠程監(jiān)控等技術(shù)措施，實現(xiàn)對車輛自動排列進路，車輛自動定位。通過設(shè)置路口信號優(yōu)先系統(tǒng)，實現(xiàn)車輛在十字路口優(yōu)先行車，提高了行車效率，但仍以司機目視行車為主。對于具備獨立路權(quán)的有軌電車線路，仍采用司機人工駕駛模式，在運營效率、乘客舒適度等方面有較大影響。國內(nèi)外不少廠家已在研發(fā)有軌電車的自動駕駛技術(shù)，西門子Combino自動電車在德國東部城市波茨坦的軌道上成功運行，中國四方電車車廠研發(fā)的自動駕駛有軌電車已在佛山南海試驗運行。未來各種應(yīng)用場景下有軌電車自動駕駛技術(shù)的實現(xiàn)，將成為有軌電車發(fā)展的趨勢及研究方向之一。