有軌電車自動駕駛方案設(shè)計與實踐

文：李國龍｜上海富欣智能交通控制有限公司

本文介紹混合路權(quán)軌道交通系統(tǒng)中引入自動駕駛的概念、必要性及發(fā)展趨勢。以有軌電車制式為例，結(jié)合自主感知、人工智能、車路協(xié)同（V2X）等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建有軌電車自動駕駛系統(tǒng)，對有軌電車自動駕駛系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)以及相應(yīng)的工程實踐進(jìn)行介紹。在城市軌道交通數(shù)字化、自動化、智能低碳發(fā)展路線中，圍繞技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)城市軌道交通低運能系統(tǒng)發(fā)展，進(jìn)一步提升低運能系統(tǒng)的安全和效率。

有軌電車是介于常規(guī)公交和地鐵之間的城市軌道交通低運能系統(tǒng)，具有線路固定、司機目視駕駛、混合路權(quán)運營的公共交通系統(tǒng)特征。在有軌電車運控系統(tǒng)中運用自動駕駛技術(shù)，構(gòu)建自動駕駛系統(tǒng)，實現(xiàn)有軌電車運營自動化、智能化、自主化，同時借力智能交通體系下的車路協(xié)同系統(tǒng)，有助于提升公共交通運營的安全性和效率，降低能耗，提高地面公交系統(tǒng)的競爭力，滿足人民群眾日益增長的出行需要。

本文結(jié)合上海富欣智能交通控制有限公司（以下簡稱“富欣智控”）近年來在軌道交通自主運行列控系統(tǒng)（TACS）、智能化方面的研發(fā)情況，對有軌電車自動駕駛系統(tǒng)的基本概念、功能構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)以及相應(yīng)的工程實施進(jìn)行介紹，供行業(yè)參考。

一、有軌電車自動駕駛系統(tǒng)的概念

有軌電車自動駕駛系統(tǒng)（圖1）是以現(xiàn)代信息化技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動化技術(shù)構(gòu)建的列車運行控制系統(tǒng)。有軌電車采用自動控制技術(shù)，能夠進(jìn)一步增強系統(tǒng)裝備的自動化程度，進(jìn)一步提升交通運輸?shù)陌踩c效率。一方面，有軌電車即屬于包含軌道、路側(cè)-車載-中央信號設(shè)備在內(nèi)的軌道交通運行系統(tǒng)中，同時又作為地面交通系統(tǒng)的參與方，與其他交通參與者共享路權(quán)，并服從地面交通系統(tǒng)的附加管控；另一方面，自動駕駛系統(tǒng)賦予有軌電車自主感知、自主決策、自主行駛的能力，使其成為在行為上更加近似汽車的智能化交通主體；結(jié)合車車協(xié)同、車路協(xié)同等網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，社會交通系統(tǒng)也可接納有軌電車作為其有機組成部分，充分發(fā)揮有軌電車運量大、準(zhǔn)點高效的優(yōu)勢。

圖1 有軌電車自動駕駛系統(tǒng)概念

二、有軌電車自動駕駛系統(tǒng)構(gòu)成

有軌電車具有明顯的軌道交通裝備特征和公共交通特定運營功能屬性，即中央調(diào)度監(jiān)控、道岔聯(lián)鎖控制保障安全運行路徑、路口信號優(yōu)先控制保障運行效率、司機目視駕駛模式下依據(jù)“信號燈”顯示授權(quán)行車保障運行安全和秩序、站到站運輸。相比司機目視駕駛有軌電車系統(tǒng)，具有自動駕駛能力的有軌電車是自主車輛的一種，其自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)滿足車端“感知-規(guī)劃-控制”這一自主車輛基本運行邏輯，因此有軌電車自動駕駛系統(tǒng)構(gòu)成（圖2）包括中心行車調(diào)度子系統(tǒng)、軌旁道岔控制子系統(tǒng)、路口優(yōu)先控制子系統(tǒng)、V2X 子系統(tǒng)和自動駕駛車載子系統(tǒng)。其中具有自動駕駛能力的車載子系統(tǒng)在功能上又可劃分為環(huán)境感知功能、單車運行決策和自動電車控制功能模塊，三者相互配合以滿足“感知-決策-控制”的工作邏輯，構(gòu)建實現(xiàn)以電車為核心的網(wǎng)聯(lián)化有軌電車自動駕駛系統(tǒng)。

圖2 自動駕駛有軌電車系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

中心行車調(diào)度子系統(tǒng)、軌旁道岔控制子系統(tǒng)、路口優(yōu)先控制子系統(tǒng)、V2X 子系統(tǒng)與目視駕駛模式下功能相同，不做展開論述。中央行車調(diào)度員、外部交通參與者并不嚴(yán)格地屬于自動駕駛有軌電車系統(tǒng)，故不在本文的討論范圍內(nèi)。本文重點介紹自動駕駛車載子系統(tǒng)。

作為傳統(tǒng)目視行駛有軌電車駕駛員，雖然不屬于自動駕駛車載子系統(tǒng)，但需要同系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)交互，以監(jiān)督后者的狀態(tài)，并在必要情況下干預(yù)接管以確保電車行駛安全。自動駕駛車載子系統(tǒng)受到有軌電車中央行車調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，并與社會車輛、行人等外部交通參與者進(jìn)行交互。整個自動駕駛系統(tǒng)運行于以固定軌道、開放/半開放路權(quán)為基本特征的線路環(huán)境中，整個線路環(huán)境（與自動駕駛相關(guān)的要素）可被自動駕駛車載子系統(tǒng)中的環(huán)境感知功能模塊所檢測和利用。

自動駕駛車載子系統(tǒng)中，三大功能的基本工作內(nèi)容包括：

環(huán)境自主感知功能：利用異構(gòu)傳感器及相應(yīng)檢測技術(shù)，實時檢測電車運行線路及運行環(huán)境，形成電車運行態(tài)勢，識別環(huán)境中可能對電車安全自動運行構(gòu)成威脅的因素（如障礙物、錯誤的信號狀態(tài)等），并及時向運行決策功能報告。

單車運行決策功能：運行功能是自動駕駛系統(tǒng)的“大腦”，通過綜合中央行車調(diào)度、環(huán)境感知功能和電車控制功能傳來的調(diào)度指令、環(huán)境感知信息和電車運動狀態(tài)，在保證安全、兼顧舒適的前提下，判定電車綜合運行狀態(tài)，計算本車的實時運行控制指令，發(fā)送至電車控制功能。

電車控制功能：作為自動駕駛系統(tǒng)與有軌電車車輛的主要接口，電車控制功能負(fù)責(zé)將運行調(diào)度功能生成的電車邏輯運行控制指令，轉(zhuǎn)換為可供實際設(shè)備接受的電氣控制指令，下發(fā)給有軌電車執(zhí)行，以實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)對有軌電車運行的真正控制。同時，該功能接收電車反饋的運動狀態(tài)，并進(jìn)一步向運行調(diào)度功能發(fā)送，以形成完整的自動駕駛控制閉環(huán)。需要注意的是，有軌電車自身也有復(fù)雜的控制和通訊系統(tǒng)，在上層控制系統(tǒng)命令下，實現(xiàn)包括牽引制動、門控、空調(diào)等電車運營的基本能力。本文所述的電車控制功能，主要考慮在自動駕駛系統(tǒng)功能范圍內(nèi)的控制邏輯。

三、關(guān)鍵功能

（一）環(huán)境感知功能

環(huán)境感知功能通過綜合利用數(shù)量不等的異構(gòu)傳感器、V2X 信息，實時獲取電車外部的運行環(huán)境信息，從中抽提出對電車運行有影響的環(huán)境要素和對象信息，發(fā)送給后端單車運行決策和自動電車控制功能模塊，以實現(xiàn)電車的持續(xù)可靠運行。得益于目前汽車領(lǐng)域自動駕駛和高級輔助駕駛的迅速發(fā)展，環(huán)境感知功能模塊的實現(xiàn)充分利用前者所積累的經(jīng)驗、技術(shù)和相關(guān)設(shè)備，在此基礎(chǔ)上結(jié)合軌道交通的運行特征，形成面向有軌電車自動駕駛的專有環(huán)境感知功能，可進(jìn)一步分為以下三個子功能（圖3）：

圖3 環(huán)境感知功能基本邏輯

一是自主定位。該功能在結(jié)合有軌電車專有地圖信息的基礎(chǔ)上，利用輪軸、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、V2X 等手段，能夠可靠表示有軌電車實時位置的復(fù)合定位。有軌電車運行在地面上，其運行環(huán)境是地面交通與軌道交通的復(fù)合體，在自動駕駛語義下對其進(jìn)行定位，需要同時考慮地面交通意義下的定位（如組合導(dǎo)航）和軌道交通意義下的定位（如輪軸、信控設(shè)備等）。此外，有軌電車作為公共運載工具，其運行比道路車輛更加需要進(jìn)行跨街區(qū)的全局規(guī)劃，以達(dá)到效率和舒適性兼?zhèn)涞哪康?，在定位上也需要引入長距和全局性的設(shè)備和手段（如V2X）。

二是融合感知。該功能以攝像機、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等傳感器作為信息源，分別采集環(huán)境的不同數(shù)據(jù)，經(jīng)過合理結(jié)合后，形成對電車運行環(huán)境的實時表示（特別是障礙物信息）。由于有軌電車是運行在固定軌道上的公共交通工具，其運行受到信控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與約束（如電車不能越過禁止態(tài)信號、電車行經(jīng)道岔反位、路口等區(qū)域時需要限速等），故面向有軌電車自動駕駛的融合感知功能還包括對軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施和信控系統(tǒng)狀態(tài)的感知。

三是運行態(tài)勢綜合。經(jīng)過各種傳感器融合得到的障礙物信息和自主定位信息，在地圖信息的約束下，形成有軌電車運行的實時態(tài)勢。運行態(tài)勢綜合是判斷電車運行前方整體狀況和行車風(fēng)險的核心功能。

（二）單車運行決策功能

單車運行決策功能的總體職責(zé)是基于環(huán)境感知功能獲取的運行態(tài)勢，根據(jù)本車特性和運行狀態(tài)，在確保運行安全的基礎(chǔ)上形成對本車的運行控制指令，以滿足運營要求，兼顧運行舒適性。該功能是自動駕駛系統(tǒng)與環(huán)境和電車結(jié)合的核心，又可分為如下幾個子功能。

一是感知移動授權(quán)計算。用于根據(jù)環(huán)境感知功能提供的電車位置信息、運行環(huán)境信息和障礙物信息，生成電車控制系統(tǒng)可以利用的前方可行駛區(qū)域表示，即“感知移動授權(quán)”。感知移動授權(quán)為實時計算，且同時受電車狀態(tài)的約束和控制安全性計算的監(jiān)督。

二是控制安全性計算。用于判定計算出的感知移動授權(quán)是否滿足電車運行的安全要求?？刂瓢踩杂嬎阃瑫r考慮電車的物理和電氣特性、控制系統(tǒng)的設(shè)計功能、運行狀態(tài)/故障情況和運營規(guī)則，對感知移動授權(quán)進(jìn)行確認(rèn)，將確認(rèn)后的移動授權(quán)送至控制舒適性計算，以生成漸進(jìn)控制指令。感知移動授權(quán)不滿足安全要求時給出安全防護(hù)制動指令。

三是運營規(guī)則計算。該功能接收中央行車調(diào)度發(fā)給本車的運營指令（如運營計劃調(diào)整、停站、開關(guān)門等），結(jié)合運營計劃，判定如何在實現(xiàn)運營指令的情況下持續(xù)實現(xiàn)道岔控制、路口優(yōu)先控制、輸出行車指令（目的地）以完成運營目標(biāo)。

四是運行舒適性計算。該功能用于實現(xiàn)以乘客舒適性指標(biāo)為導(dǎo)向的移動授權(quán)。運行舒適性以電車加速度和加速度的變化率為主要衡量指標(biāo)，控制上要求平穩(wěn)而非突變、同時考慮電車作為復(fù)雜系統(tǒng)和大時滯對象的控制特性，形成漸進(jìn)性的控制要求。

五是控制命令綜合。該功能在漸進(jìn)性控制要求指導(dǎo)下，生成牽引制動控制指令，發(fā)送給電車控制功能以實施控制。同時監(jiān)督司機控制指令，完成司機監(jiān)督下駕駛。

（三）自動電車控制功能

電車控制功能的主要作用是將運行調(diào)度功能發(fā)送來的運行控制指令，通過信號轉(zhuǎn)換，按照電車自有的通信協(xié)議發(fā)送給車輛自身的控制功能，以實現(xiàn)包括牽引制動、車門控制、聲光信號等在內(nèi)的具體的電車功能。

四、關(guān)鍵技術(shù)

有軌電車自動駕駛系統(tǒng)涉及多學(xué)科多領(lǐng)域，需要一系列技術(shù)手段解決上述各功能中的特定問題。

（一）人工智能

深度學(xué)習(xí)為代表的新一代人工智能技術(shù)已在圖像處理、生物制藥等方面得到了有效應(yīng)用。自動駕駛系統(tǒng)涉及大量傳感器數(shù)據(jù)的辨識、學(xué)習(xí)和信息提取，在特定場景中人工智能甚至是唯一具有實際意義的技術(shù)手段，如圖像識別（圖4）。在有軌電車自動駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能，主要解決以下問題：一是識別軌旁信號設(shè)備及其狀態(tài)（如信號機燈色、軌道等）；二是獲取交通參與者的語義信息（如物體類別、行為解析等）；三是監(jiān)督駕駛員作業(yè)狀態(tài)；四是對電車控制模式的系統(tǒng)性優(yōu)化。

圖4 人工智能應(yīng)用于信號機識別（左）和軌上行人識別（右）

（二）車路協(xié)同

如前所述，有軌電車需要大范圍的運行規(guī)劃以改善行駛的全局優(yōu)化能力和運行效率，故存在遠(yuǎn)距離獲取線路和設(shè)備狀態(tài)的需求，據(jù)此引入包括車-車通信和車地通信（V2X）在內(nèi)的車路協(xié)同機制，使電車能夠具備比車載傳感器更遠(yuǎn)的感知能力，提前對線路狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判。車路協(xié)同機制可以在下列兩方面改善有軌電車自動駕駛能力。

一是信號機的超視距檢測（路口自適應(yīng)通過）?；趫D像的信號機檢測僅能在近距離才有較為可靠的效果，且會受到環(huán)境光照、夜間等影響，當(dāng)電車行經(jīng)信號機防護(hù)的路口或道岔時，得不到及時的信號機狀態(tài)告知，在確保安全的要求下只能停車或低速通過，限制了通過效率。通過引入V2X，將信號機燈色狀態(tài)提前發(fā)送給自動駕駛電車，可以使電車在較遠(yuǎn)距離上獲取信號機的狀態(tài)，提前規(guī)劃路口速度和過路口/過岔策略，減少無謂停車和減速。

二是旅行速度的全局優(yōu)化。單獨依賴自車感知的自動駕駛系統(tǒng)，無法獲取線路更大范圍的狀態(tài)以及線路上其它電車的運行情況，不利于整體運營的改善。在車-車通信和車地通信鏈路支持下，可以在整個線路范圍內(nèi)對電車的運營進(jìn)行整體調(diào)配，同時電車自身也可以根據(jù)其前后車的運行情況，動態(tài)調(diào)節(jié)自身運行計劃，達(dá)到局部規(guī)劃和整體規(guī)劃的統(tǒng)一。

五、方案實踐

富欣智控于2019-2020 年在淮安有軌電車1 號線選取有軌電車進(jìn)行相應(yīng)的車輛改造，部署了自動駕駛系統(tǒng)（圖5），組成具備自動駕駛能力的樣車，并在正線選取包含站臺、道岔、路口等多種場景在內(nèi)的3.2 千米試驗段進(jìn)行了包括夜間、陰雨等在內(nèi)的多環(huán)境測試，以及包括定位調(diào)速、精確停站、開關(guān)門等在內(nèi)的各種運營功能的自動駕駛系統(tǒng)實跑。實跑結(jié)果表明，所設(shè)計的有軌電車自動駕駛系統(tǒng)較好地匹配了有軌電車的運營和運行特性，能夠在包含多種場景的線路上實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)的各項運營功能。同時，得益于自主環(huán)境感知和車路協(xié)同的引入，減輕了司機駕駛操作和對行駛狀態(tài)監(jiān)督的工作壓力，提高了電車對道路復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力和運行效率。

圖5 自動駕駛系統(tǒng)傳感器組合（左）和控制系統(tǒng)（右）

基于面向有軌電車這一城市軌道交通低運能系統(tǒng)的主要運載制式，本文設(shè)計了特定于有軌電車的自動駕駛系統(tǒng)，通過綜合多傳感器融合感知、電車自主規(guī)劃控制等功能，引入人工智能、車路協(xié)同等技術(shù)，使傳統(tǒng)目視駕駛有軌電車具備自主感知、自動駕駛能力。實踐結(jié)果表明，所設(shè)計的有軌電車自主駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多場景下的各項運營功能，能夠減輕了司機勞動壓力，并在提高電車環(huán)境適應(yīng)能力和融入城市交通整體規(guī)劃方面，具有積極的意義。