自动驾驶技术在现代有轨电车中的应用

冯冬梅

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100083）

1 有轨电车发展现状及趋势

随着国内城市轨道交通发展建设的需要，有轨电车已在不少大中城市规划建设。除了常规的中运量地面现代非独立路权的有轨电车，还出现了大量特殊场景及区域内的有轨电车。比如，独立高架模式，利用原有铁路轨道、大的片区内、景区内、机场内捷运系统等具有独立路权的各种不同应用场合的有轨电车，而这种高级别具有独立路权的有轨电车的运能设计可达到2.5万人次/h，相当于一条轻轨线的能力。

因有轨电车主要特征为地面非独立路权敷设方式，自动驾驶的实施条件较差，不能实现自动驾驶或自动折返，目前国内外有轨电车不论任何场景、条件均采用全人工驾驶模式，严重影响系统的运能和实际运营效率，同时造成运营成本及司机劳动强度的增加。

一般来说，具有独立路权敷设的有轨电车、线路及运营条件与地铁及动车组类似。为此，应顺应轨道交通车辆自动化运营发展趋势，积极推进独立路权有轨电车的自动化驾驶，从而可以有效提升线路运输能力、提高安全性能、降低能源消耗、减少人员成本等。

2 有轨电车自动驾驶关键技术分析

（1）有轨电车的功能定位、线路、站位特点、轨道形式、车站型式及运营管理模式等与常规地铁存在较大差异，车辆的自动驾驶模式需求及等级配置也有不同。（2）由于有轨电车车辆特征与地铁车辆存在较大差异，常规地铁信号控制系统不能直接应用于有轨电车车辆以实现自动驾驶。（3）有轨电车综合统一的运营调度模式与常规地铁存在较大差异，列车的自动控制系统互联互通兼容性要求更灵活。

综上分析，具有完全独立路权有轨电车实现自动驾驶的关键技术如下：（1）针对有轨电车车辆特征的列车自动控制关键技术；（2）针对独立路权有轨电车应用场景的信号系统列车自动监控、列车安全防护、列车自动驾驶等适用性关键技术；（3）有轨电车的自动驾驶，车载、轨旁、中心设备安装配置的适用性关键技术。

3 车辆实现自动控制的关键技术

车辆的自动控制主要是对制动系统的控制，因为制动系统性能直接影响车辆控制效果和制动模式。有轨电车车辆与地铁的制动特性最大区别有三点：（1）有轨电车制动方式为液压制动，非空气制动，无法提供车辆载荷信号，制动性能误差较大；（2）有轨电车制动模式主要针对地面混行场景，有5级制动，地铁为3级制动；（3）有轨电车制动性能减速度比地铁大很多。如何实现自动驾驶技术在有轨电车上的应用，关键在于车辆ATO自动控制、ATP自动防护需要的电气接口技术和车辆紧急制动适应性技术。

3.1 电气接口技术

电气接口的实现可采用继电器接口和MVB通信总线接口两种形式。常规地铁列车电气接口均采用继电器接口形式，但有轨电车受空间限制，若均采用继电器形式，会导致安装空间过大，车辆大量改造，产生过多费用。为保证车辆自动驾驶的安全控制，同时达到经济效益的最大化，车辆与车载信号控制系统安全输入和输出类电气接口可采用继电器接口，非安全输入和非安全输出接口可采用MVB接口。

3.2 紧急制动适应性开发

常规有轨电车车辆紧急制动减速度太大，安全制动不带防滑，如何实现各种驾驶模式下的常规制动及紧急制动需要进行适应性开发设计。

具有开放路权的有轨电车需考虑意外情况出现，车辆紧急制动的减速度参数不小于2.0m/s2，安全制动的减速度参数不小于1.0m/s2。

具有完全独立路权的有轨电车，不存在采用较大的紧急制动预防与行人或社会车辆相撞情况。安全制动的减速度参数可参考地铁要求，将有轨电车车辆五种制动模式依据场景需求优化为与地铁类同的三种制动模式，ATP紧急制动采用纯机械制动的安全制动输出，车辆安全制动减速度参数降至1.2m/s2。

针对有轨电车自动驾驶的制动控制，提出适用于有轨电车的ATP制动输出原则：（1）ATP所有功能性的防护均采用常用制动进行防护；（2）ATP在常用制动失效或ATP故障宕机情况下采用紧急制动进行防护。

4 信号系统实现自动驾驶的要点

有轨电车实现常规地铁信号系统CBTC的控制，需重点解决以下核心问题：（1）有轨电车的制动减速度误差比较大，如何保证精准停车，将停车误差控制在±300mm；（2）有轨电车的制动性能误差比较大，如何既保证列车运行安全，又保证运营效率；（3）有轨电车安装空间狭小，如何解决自动驾驶信号车载设备的安装问题，如VOBC机柜、车地无线感应设备、天线、速度传感器等；（4）解决基于U型槽轨的有轨电车地面轨旁设备安全、可靠安装问题。

4.1 精准停车

有轨电车没有车辆载荷补偿，即便在列车载荷不变的情况下，也无法达到普通地铁列车的控制精度，更无法实现固定的制动减速度进行精确停车的控制。同时，有轨电车的制动减速度误差至少为±15%，若采用传统地铁方式进行列车制动停车距离计算，会导致精确停车失败。

经过多次模拟仿真后，调整ATO制动停车计算方法及相关参数可基本实现精准停车。ATO控制列车持续输出制动命令，从大到小，控制列车在距离停车点特定位置（0.5m）达到特定速度（1m/s）。持续输出制动命令之后，ATO不对制动距离进行计算，直接施加指定的制动减速度实施制动停车。在测试过程中发现，此停车精确取决于列车在0.5m处的速度是否能够达到1m/s以及当时施加的制动率。若速度和制动率能控制到10%以内，则能够满足精确停车需求。

4.2 运营安全及效率保证

有轨电车的制动性能有±15%的误差，若不考虑制动性能误差，则可能会由于实际制动性能太弱，而导致冲出安全区域并超速。若在计算列车制动距离时，考虑±15%的误差，则可能会由于采用最不利情况的制动减速导致计算的列车制动距离过长，降低列车制动效率。因此，既保证列车运行安全，又保证运营效率，是自动驾驶应用于有轨电车的又一关键技术。

通过对车辆的调研分析，发现有轨电车车辆在列车载荷不变的情况下，列车的制动率误差相对比较稳定。因此，文章提出在信号系统ATO系统中增加制动减速度误差计算功能以实时计算制动率误差，从而使得实际制动率与计算制动率的误差控制在±5%以内，既可以避免制动率不足引起的超速问题，又可以充分利用制动率保证运营效率。

4.3 其他关键技术

信号系统对于车载设备有限空间内的集成化、分散化安装设计和轨旁信号设备的适应性安装设计，也直接关系到自动驾驶技术在有轨电车应用的安全性、可靠性，还需要在实际工程中研究和验证。

5 工程应用

目前，现代有轨车的自动驾驶技术在昆明长水机场旅客捷运系统得以应用。该捷运系统应用场景虽类似地铁，但同时具备轨电车车辆、车站、轨道敷设等特征，及机场内特有的运营管理模式，因此自动驾驶技术在该工程有轨电车中的应用与常规地铁系统有较大差异。

信号系统针对有轨电车车辆的ATO自动调速控制，进行了适应性电气、机械接口研发及测试，车载ATO控制利用采集到的数据信息进行了适应性计算调整，已经过测试平台大量模拟仿真，实现车辆的自动驾驶，且停车精度可控制在±300mm以内。系统满足初期高峰小时发车间隔4.5min、远期高峰小时发车间隔2.5min的要求。列车在正线可实现150s的追踪间隔，平均旅行速度可达29.91km/h。

6 结束语

随着智能化控制技术的发展，国内多个城市如沈阳、天津、苏州、上海、南京、北京、淮安等地新建的有轨电车已通过地面装设转辙机、信号机、计轴、感应环线等轨旁设备，控制中心远程监控等技术措施，实现对车辆自动排列进路，车辆自动定位。通过设置路口信号优先系统，实现车辆在十字路口优先行车，提高了行车效率，但仍以司机目视行车为主。对于具备独立路权的有轨电车线路，仍采用司机人工驾驶模式，在运营效率、乘客舒适度等方面有较大影响。国内外不少厂家已在研发有轨电车的自动驾驶技术，西门子Combino自动电车在德国东部城市波茨坦的轨道上成功运行，中国四方电车车厂研发的自动驾驶有轨电车已在佛山南海试验运行。未来各种应用场景下有轨电车自动驾驶技术的实现，将成为有轨电车发展的趋势及研究方向之一。