徐靜儀　歐冬秀

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院　上?！?01804)

現(xiàn)代有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)

徐靜儀歐冬秀

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院上海201804)

摘要現(xiàn)代有軌電車(chē)制動(dòng)距離長(zhǎng)，運(yùn)行速度較快，在交叉口會(huì)跟其他交通方式產(chǎn)生沖突，存在安全隱患。文中針對(duì)有軌電車(chē)在交叉口運(yùn)行時(shí)的安全隱患，研究有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)主要功能：有軌電車(chē)交叉口信息提示、交叉口有軌電車(chē)駛?cè)腩A(yù)警、交叉口障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、緊急救援和調(diào)度。重點(diǎn)研究了實(shí)現(xiàn)各個(gè)主要功能的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合有軌電車(chē)制動(dòng)特性和其他交通方式運(yùn)行參數(shù)，完成交叉口系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備的布設(shè)。

關(guān)鍵詞有軌電車(chē)交叉口信息提示預(yù)警障礙物監(jiān)測(cè)緊急救援

現(xiàn)代有軌電車(chē)由于其運(yùn)能大、速度較快、能耗低、低碳環(huán)保、美觀舒適、投資小、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)，成為優(yōu)化城市公共交通戰(zhàn)略的重要手段之一。

現(xiàn)代有軌電車(chē)的路權(quán)形式主要有3種[1]：A級(jí)別路權(quán)，不允許有平面交叉口，即全封閉專(zhuān)用道，在形式上可以是隧道、高架橋或在地面上隔離出的通道；B級(jí)別路權(quán)，沿著其線路擁有與其他交通方式隔離的物理措施，但其與其他交通方式(機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人)有平面交叉；C級(jí)別路權(quán)，有軌電車(chē)在眾多路段和平交道口均與其他交通方式混行。A級(jí)路權(quán)的有軌電車(chē)實(shí)質(zhì)上屬于輕軌級(jí)別，現(xiàn)代有軌電車(chē)一般采用B級(jí)或C級(jí)路權(quán)。采用C級(jí)路權(quán)的有軌電車(chē),由于在路段與其他交通方式混行,交叉口的優(yōu)先權(quán)相對(duì)較低或者沒(méi)有優(yōu)先，故在通過(guò)交叉口時(shí)的運(yùn)行速度一般比較低，危險(xiǎn)度較小。采用B級(jí)路權(quán)的有軌電車(chē),由于在路段運(yùn)行時(shí)與其他交通方式隔離,交叉口給予的優(yōu)先通過(guò)權(quán)相對(duì)較高，運(yùn)行速度較快，制動(dòng)距離長(zhǎng)，交叉口各種交通方式混合交織，再加上有軌電車(chē)的特殊性，這就加劇了B級(jí)路權(quán)下有軌電車(chē)交叉口的危險(xiǎn)度。國(guó)外主要是通過(guò)駕駛員目測(cè)駕駛，并結(jié)合市民對(duì)有軌電車(chē)較好的認(rèn)知以及對(duì)交通規(guī)則遵守良好的情況來(lái)保障安全行駛。但國(guó)內(nèi)交通方式復(fù)雜，高峰時(shí)段交叉路口的人流數(shù)倍于國(guó)外,如果沒(méi)有輔助的技術(shù)手段,安全隱患始終存在[2]。

基于這樣的背景，本文研究一種有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)，以保障有軌電車(chē)在B級(jí)路權(quán)下以較快速度通過(guò)交叉口的安全性。

1交叉口有軌電車(chē)潛在沖突分析

當(dāng)采用B級(jí)路權(quán)的有軌電車(chē)行駛到交叉口，交叉口給予有軌電車(chē)絕對(duì)優(yōu)先時(shí)，理想條件下與有軌電車(chē)產(chǎn)生沖突的其他交通方式都被禁止進(jìn)入交叉口區(qū)域。然而在交通流量大、交通情況復(fù)雜、人們未嚴(yán)格遵守交通規(guī)則的情況下，有軌電車(chē)會(huì)與其他交通方式產(chǎn)生潛在沖突，且由于在絕對(duì)優(yōu)先的情況下有軌電車(chē)的速度比較快，因此一旦沖突發(fā)生容易造成嚴(yán)重的后果。在此，以路中布置形式的有軌電車(chē)線路在交叉口直行通過(guò)時(shí)的情況為例，分析其他交通方式(機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人)與有軌電車(chē)產(chǎn)生的潛在沖突，見(jiàn)圖1。

圖1　其他交通方式與有軌電車(chē)的潛在沖突點(diǎn)

由圖1可見(jiàn)，可能與有軌電車(chē)產(chǎn)生沖突的主要是未遵守交通規(guī)則的直行行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)、左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)。

另一方面，當(dāng)采用B級(jí)路權(quán)的有軌電車(chē)行駛到交叉口，交叉口給予有軌電車(chē)絕對(duì)優(yōu)先時(shí)，與有軌電車(chē)不產(chǎn)生沖突的其他交通方式允許進(jìn)入交叉口。如果當(dāng)有違章的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)和行人進(jìn)入交叉口，也會(huì)與這些被允許進(jìn)入的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人產(chǎn)生沖突，一旦發(fā)生交通事故會(huì)影響有軌電車(chē)的運(yùn)營(yíng)。

2有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)功能

根據(jù)有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)的功能框架圖(見(jiàn)圖2)，可以把系統(tǒng)的主要功能分為4個(gè)部分：有軌電車(chē)交叉口信息提示、交叉口有軌電車(chē)駛?cè)腩A(yù)警、交叉口障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、緊急救援和調(diào)度。這4個(gè)部分相互聯(lián)系和影響，共同構(gòu)成有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)。

圖2有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)功能框架圖

2.1　有軌電車(chē)交叉口信息提示功能

有軌電車(chē)交叉口信息提示功能主要是在有軌電車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線前L處，地面向列車(chē)傳輸可靠的交叉口固定信息和可變信息。

(1) 固定信息。固定信息主要有以下幾種。

①定位信息。主要用于通知有軌電車(chē)駕駛員即將進(jìn)入交叉口，提高駕駛員的安全意識(shí)和注意力，做好通過(guò)交叉口的準(zhǔn)備。

②交叉口基本參數(shù)。主要包括交叉口所屬區(qū)段、交叉口類(lèi)型、 有軌電車(chē)線路行駛方向(直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn))等。

③道岔信息。交叉口是否存在道岔及前方道岔側(cè)向允許列車(chē)運(yùn)行的速度。

④交叉口速度信息。主要是告知駕駛員即將到達(dá)的交叉口的最大允許速度，據(jù)此駕駛員及時(shí)調(diào)整駕駛速度。

⑤其他信息。交叉口固定障礙物信息、列車(chē)運(yùn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)、鏈接數(shù)據(jù)等，其主要目的都是輔助駕駛員駕駛、提高有軌電車(chē)通過(guò)交叉口的效率和安全性。

(2) 可變信息?？勺冃畔⒅饕幸韵聨追N。

①交叉口臨時(shí)限速。當(dāng)由于交叉口施工、交通事故、天氣等原因引起的對(duì)有軌電車(chē)運(yùn)行速度進(jìn)行限制時(shí)，向有軌電車(chē)提供臨時(shí)限速信息。

②交叉口交通流量。交叉口的其他交通方式的交通流量受時(shí)間影響波動(dòng)大，隨著交通流量的增加，交叉口的危險(xiǎn)度也會(huì)增大[3]，需要駕駛員提高警惕。

③交叉口信號(hào)控制。在有軌電車(chē)交叉口不停車(chē)、優(yōu)先通過(guò)的前提和技術(shù)保障下，主要為駕駛員顯示信號(hào)燈是否正常。

2.2　交叉口有軌電車(chē)駛?cè)腩A(yù)警功能

有軌電車(chē)交叉口信息提示功能主要是有軌電車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線前L處時(shí)，交叉口的顯示設(shè)備會(huì)通知機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員、非機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員、行人有軌電車(chē)即將到達(dá)，禁止通行。此時(shí)還未進(jìn)入交叉口區(qū)域內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)及行人禁止進(jìn)入交叉口區(qū)域，已經(jīng)進(jìn)入交叉口區(qū)域內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)及行人會(huì)給予一定的時(shí)間離開(kāi)交叉口區(qū)域，保證經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后，有軌電車(chē)安全行駛區(qū)域內(nèi)的障礙物(可以是會(huì)與有軌電車(chē)產(chǎn)生沖突的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人)被“清空”。

2.3　交叉口障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

有軌電車(chē)交叉口障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能主要是經(jīng)過(guò)時(shí)間t1后，有軌電車(chē)在到達(dá)距離交叉口停車(chē)線前L1處，系統(tǒng)馬上開(kāi)啟有軌電車(chē)安全行駛區(qū)域內(nèi)的障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若檢測(cè)到有軌電車(chē)前方的安全行駛區(qū)內(nèi)出現(xiàn)障礙物(可以是會(huì)與有軌電車(chē)產(chǎn)生沖突的機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)、行人)，則有軌電車(chē)駕駛室內(nèi)警報(bào)立刻響起，駕駛員可以在一段距離內(nèi)及時(shí)做出制動(dòng)或者減速反應(yīng)，避免或減輕事故。

2.4　緊急救援和調(diào)度功能

有軌電車(chē)緊急救援和調(diào)度功能在有軌電車(chē)交叉口避險(xiǎn)失敗或者車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)立即啟用。當(dāng)布設(shè)在距交叉口出口處L3的檢測(cè)器在經(jīng)過(guò)時(shí)間t2后，沒(méi)有檢測(cè)到有軌電車(chē)，則向控制中心發(fā)送緊急救援信息，控制中心與列車(chē)取得聯(lián)系確認(rèn)后，立即根據(jù)實(shí)際情況確定緊急救援方案，并通過(guò)逐級(jí)上報(bào)系統(tǒng)向調(diào)度中心匯報(bào)，調(diào)度中心立即根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度調(diào)整[4]。這一功能保證了有軌電車(chē)在交叉口發(fā)生事故或者故障后控制中心和調(diào)度中心能夠及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地做出反應(yīng)，減少交通堵塞時(shí)間，將損失降到最小。

3有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1　系統(tǒng)主要技術(shù)

根據(jù)有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)分成的4部分功能，分別采取不同的技術(shù)。

(1) 信息提示功能。有軌電車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線前L處檢測(cè)有軌電車(chē)的到達(dá)，并向有軌電車(chē)發(fā)送交叉口相關(guān)的固定信息和可變信息。根據(jù)這一功能需求，可選擇DSRC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

專(zhuān)用短程通信(DSRC)是基于長(zhǎng)距離RFID的微波無(wú)線傳輸技術(shù)。DSRC系統(tǒng)主要由3部分組成：車(chē)載單元(on-board unit，OBU)、路側(cè)單元(road-side unit，RSU)，以及專(zhuān)用短程通信協(xié)議。在有軌電車(chē)上安裝OBU單元，軌旁安裝RSU單元[5]。有軌電車(chē)行駛到靠近L處，RSU發(fā)射電磁信號(hào)，OBU被激活后進(jìn)入通信狀態(tài)，并以一種切換頻率反向發(fā)送給RSU，兩者建立通信后，OBU可以向RSU發(fā)送固定信息和可變信息。

(2) 預(yù)警功能。交叉口停車(chē)線前L處的RSU單元在檢測(cè)到有軌電車(chē)的到達(dá)后，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)信號(hào)傳輸設(shè)備發(fā)送給交叉口顯示屏控制單元，在液晶顯示屏上發(fā)布有軌電車(chē)即將到達(dá)，禁止通行的預(yù)警信息。

(3) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。交叉口停車(chē)線前L處的RSU單元在檢測(cè)到有軌電車(chē)到達(dá)后，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)傳輸設(shè)備發(fā)送給障礙物視頻檢測(cè)控制單元，設(shè)定經(jīng)過(guò)t2后障礙物檢測(cè)器啟動(dòng)。視頻檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：安裝方便，不破壞路面，施工時(shí)基本不受影響；探測(cè)器設(shè)置方便、靈活；可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)域交通信息采集；系統(tǒng)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性好、系統(tǒng)運(yùn)行效率高；實(shí)時(shí)進(jìn)行各種交通異常狀況的采集和報(bào)警[6]。視頻圖像處理模塊根據(jù)攝像機(jī)采集到的交叉口視頻信號(hào)判斷障礙物是否會(huì)跟有軌電車(chē)產(chǎn)生沖突，同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)傳輸設(shè)備發(fā)送給車(chē)載設(shè)備。

(4) 緊急救援和調(diào)度功能。當(dāng)布設(shè)在距交叉口出口處L3的檢測(cè)器在經(jīng)過(guò)時(shí)間t2后，沒(méi)有檢測(cè)到有軌電車(chē)，則向控制中心發(fā)送緊急救援信息。系統(tǒng)采用RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能需求。

RFID 系統(tǒng)設(shè)備由查詢(xún)器(或閱讀器)和應(yīng)答器(或標(biāo)簽)組成，在有軌電車(chē)上裝設(shè)電子標(biāo)簽，在交叉口出口處裝設(shè)閱讀器。當(dāng)電車(chē)經(jīng)過(guò)路口時(shí)，閱讀器自動(dòng)識(shí)別電車(chē)，完成有軌電車(chē)的檢測(cè)。

交叉口出口處的閱讀器、交叉口停車(chē)線前L處的RSU單元都連接到數(shù)據(jù)處理單元，根據(jù)通過(guò)交叉口的時(shí)間判定有軌電車(chē)是否避險(xiǎn)失敗或發(fā)生故障，該數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)通信傳輸設(shè)備與控制中心連接。

當(dāng)L3處的閱讀器在t2內(nèi)檢測(cè)到有軌電車(chē)，則將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)傳輸設(shè)備發(fā)送給交叉口顯示器控制單元和視頻檢測(cè)器控制單元，解除有軌電車(chē)駛?cè)刖竞陀熊夒娷?chē)安全行駛區(qū)域障礙物檢測(cè)。

3.2　系統(tǒng)構(gòu)建

將實(shí)現(xiàn)各功能的主要技術(shù)模塊進(jìn)行整合，構(gòu)建如圖3所示的有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)。

圖3有軌電車(chē)交叉口系統(tǒng)構(gòu)成圖

在A處的軌旁布設(shè)DSRC系統(tǒng)的RSU單元，系統(tǒng)啟動(dòng)有軌電車(chē)交叉口信息提示功能和駛?cè)腩A(yù)警功能。經(jīng)過(guò)t1的安全行駛區(qū)域的清空后，有軌電車(chē)行駛到B處，此時(shí)系統(tǒng)交叉口障礙物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能按照設(shè)定的程序自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)檢測(cè)到有軌電車(chē)前方的安全行駛區(qū)域內(nèi)存在可能跟有軌電車(chē)產(chǎn)生沖突的障礙物時(shí)，通知有軌電車(chē)。有軌電車(chē)根據(jù)車(chē)載設(shè)備上顯示的障礙物位置判斷是否需要采取制動(dòng)或者減速措施，B，C之間的距離保證有軌電車(chē)從B處完成判斷、反應(yīng)、制動(dòng)一系列動(dòng)作的行駛距離，當(dāng)檢測(cè)到的障礙物在靠近C處的人行道上時(shí)有軌電車(chē)也能及時(shí)制動(dòng)，避免與障礙物相撞。當(dāng)有軌電車(chē)在t2內(nèi)到達(dá)E處，即E處的閱讀器檢測(cè)到有軌電車(chē)上的電子標(biāo)簽，解除有軌電車(chē)駛?cè)刖竞徒Y(jié)束安全行駛區(qū)域障礙物檢測(cè)。當(dāng)有軌電車(chē)在t2未到達(dá)E處，則系統(tǒng)啟動(dòng)緊急救援功能 。

時(shí)間t1為清空交叉口有軌電車(chē)安全行駛區(qū)域的最長(zhǎng)時(shí)間，按照顯示屏預(yù)警后剛進(jìn)入該區(qū)域的其他出行方式離開(kāi)該區(qū)域的最長(zhǎng)時(shí)間。t1的計(jì)算方法如下：

(1)

式中：tc為左轉(zhuǎn)社會(huì)車(chē)輛通過(guò)安全行駛區(qū)域時(shí)間，s；tp為行人通過(guò)安全行駛區(qū)域人行道的時(shí)間，s；

L4為左轉(zhuǎn)社會(huì)車(chē)輛通過(guò)安全行駛區(qū)域的最長(zhǎng)軌跡，m；L5為安全行駛區(qū)域人行道長(zhǎng)度，m；vc為左轉(zhuǎn)社會(huì)車(chē)輛通過(guò)安全區(qū)域平均速度，km/h；vp為行人通過(guò)安全行駛區(qū)域人行道平均速度，km/h。

(2)

式中：L為第一個(gè)檢測(cè)器到停車(chē)線距離，m，即AC段長(zhǎng)度；L6安全行駛區(qū)域長(zhǎng)度，m，即CD段長(zhǎng)度；L3為最后一個(gè)檢測(cè)到安全區(qū)邊界距離，m，即DE段長(zhǎng)度；vt為有軌電車(chē)行駛速度，km/h。

4有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)設(shè)備布設(shè)

4.1　交叉口有軌電車(chē)安全行駛區(qū)域

交叉口本身危險(xiǎn)度較大，所以系統(tǒng)在交叉口內(nèi)設(shè)定一個(gè)有軌電車(chē)安全行駛區(qū)域來(lái)保障有軌電車(chē)安全通過(guò)交叉口。理想條件是當(dāng)有軌電車(chē)出行在這一區(qū)域內(nèi)行駛時(shí)不會(huì)跟任何其他的交通方式產(chǎn)生沖突，能夠又快又安全地通過(guò)，即使是出現(xiàn)障礙物，有軌電車(chē)也能通過(guò)及時(shí)減速或制動(dòng)來(lái)及時(shí)避險(xiǎn)。有軌電車(chē)安全行駛區(qū)域需要包括跟軌道線路相交的人行道，以防行人亂穿馬路，故該安全區(qū)域以有軌電車(chē)兩端停車(chē)線為邊界圍成長(zhǎng)方形，寬度為L(zhǎng)5，長(zhǎng)度為L(zhǎng)6。

4.2　檢測(cè)設(shè)備布設(shè)位置

DSRC檢測(cè)系統(tǒng)的RSU單元布設(shè)在A處軌旁，距離交叉口停車(chē)線C處的距離為L(zhǎng)，這段長(zhǎng)度主要由L1和L22部分組成。

L1為有軌電車(chē)在B處接收到障礙物警報(bào)經(jīng)判斷后采取正常制動(dòng)行駛的距離。該距離保證有軌電車(chē)能夠在最近的人行道上出現(xiàn)行人亂穿馬路的情況下安全平穩(wěn)地停在停車(chē)線前。L1的計(jì)算方法如下：

(3)

式中：tj為駕駛員判斷時(shí)間，s，可取2 s；tr為駕駛員和機(jī)器的總反應(yīng)時(shí)間，s，可取1.5 s；vt為有軌電車(chē)行駛速度，km/h；a為有軌電車(chē)緊急制動(dòng)減速度，m/s2，可取2.8 m/s2。

L2為A處檢測(cè)器檢測(cè)到有軌電車(chē)后，用t1清空安全行駛區(qū)域內(nèi)障礙物時(shí)有軌電車(chē)行駛的距離。L2的計(jì)算方法如下：

(4)

則DSRC系統(tǒng)的RSU單元布設(shè)位置距離停車(chē)線的距離L為

(5)

RFID 檢測(cè)系統(tǒng)的閱讀器布設(shè)在E處軌旁，距離安全行駛區(qū)域邊界線D處的距離為L(zhǎng)3。當(dāng)有軌電車(chē)車(chē)尾離開(kāi)安全行駛區(qū)域邊界時(shí)，系統(tǒng)功能完成，故L3可以是有軌電車(chē)車(chē)身長(zhǎng)度，或者對(duì)應(yīng)有軌電車(chē)上的電子標(biāo)簽位置確定該長(zhǎng)度。

5結(jié)語(yǔ)

有軌電車(chē)交叉口安全保障系統(tǒng)保障了有軌電車(chē)和其他交通出行方式的人身財(cái)產(chǎn)安全，減少了交叉口延誤，有助于提高有軌電車(chē)的出行分擔(dān)率，減少道路擁擠和城市污染，形成良性循環(huán)。

由于有軌電車(chē)的優(yōu)勢(shì)和適應(yīng)于地鐵和常規(guī)公交之間銜接的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外都在規(guī)劃和建設(shè)有軌電車(chē)線路，其中B級(jí)路權(quán)的線路占很大比重，故此類(lèi)安全保障系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣泛。

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