文：李國(guó)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(dòng)駕駛的概念、必要性及發(fā)展趨勢(shì)。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(dòng)駕駛系統(tǒng)，對(duì)有軌電車自動(dòng)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(shí)踐進(jìn)行介紹。在城市軌道交通數(shù)字化、自動(dòng)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(yùn)能系統(tǒng)發(fā)展，進(jìn)一步提升低運(yùn)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(yùn)能系統(tǒng)，具有線路固定、司機(jī)目視駕駛、混合路權(quán)運(yùn)營(yíng)的公共交通系統(tǒng)特征。在有軌電車運(yùn)控系統(tǒng)中運(yùn)用自動(dòng)駕駛技術(shù)，構(gòu)建自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有軌電車運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化、智能化、自主化，同時(shí)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(yùn)營(yíng)的安全性和效率，降低能耗，提高地面公交系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力，滿足人民群眾日益增長(zhǎng)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(jiǎn)稱“富欣智控”）近年來(lái)在軌道交通自主運(yùn)行列控系統(tǒng)（TACS）、智能化方面的研發(fā)情況，對(duì)有軌電車自動(dòng)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(shí)施進(jìn)行介紹，供行業(yè)參考。

一、有軌電車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的概念

有軌電車自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)構(gòu)建的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。有軌電車采用自動(dòng)控制技術(shù)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)裝備的自動(dòng)化程度，進(jìn)一步提升交通運(yùn)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(hào)設(shè)備在內(nèi)的軌道交通運(yùn)行系統(tǒng)中，同時(shí)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(dòng)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(huì)交通系統(tǒng)也可接納有軌電車作為其有機(jī)組成部分，充分發(fā)揮有軌電車運(yùn)量大、準(zhǔn)點(diǎn)高效的優(yōu)勢(shì)。

圖1 有軌電車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)概念

二、有軌電車自動(dòng)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(yùn)營(yíng)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(yùn)行路徑、路口信號(hào)優(yōu)先控制保障運(yùn)行效率、司機(jī)目視駕駛模式下依據(jù)“信號(hào)燈”顯示授權(quán)行車保障運(yùn)行安全和秩序、站到站運(yùn)輸。相比司機(jī)目視駕駛有軌電車系統(tǒng)，具有自動(dòng)駕駛能力的有軌電車是自主車輛的一種，其自動(dòng)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(yùn)行邏輯，因此有軌電車自動(dòng)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(dòng)駕駛車載子系統(tǒng)。其中具有自動(dòng)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(yùn)行決策和自動(dòng)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(shí)現(xiàn)以電車為核心的網(wǎng)聯(lián)化有軌電車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

圖2 自動(dòng)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(kāi)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(dòng)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(diǎn)介紹自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)車輛、行人等外部交通參與者進(jìn)行交互。整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)運(yùn)行于以固定軌道、開(kāi)放/半開(kāi)放路權(quán)為基本特征的線路環(huán)境中，整個(gè)線路環(huán)境（與自動(dòng)駕駛相關(guān)的要素）可被自動(dòng)駕駛車載子系統(tǒng)中的環(huán)境感知功能模塊所檢測(cè)和利用。

自動(dòng)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(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電車運(yùn)行線路及運(yùn)行環(huán)境，形成電車運(yùn)行態(tài)勢(shì)，識(shí)別環(huán)境中可能對(duì)電車安全自動(dòng)運(yùn)行構(gòu)成威脅的因素（如障礙物、錯(cuò)誤的信號(hào)狀態(tài)等），并及時(shí)向運(yùn)行決策功能報(bào)告。

單車運(yùn)行決策功能：運(yùn)行功能是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的“大腦”，通過(guò)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(lái)的調(diào)度指令、環(huán)境感知信息和電車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在保證安全、兼顧舒適的前提下，判定電車綜合運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算本車的實(shí)時(shí)運(yùn)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(dòng)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(yùn)行調(diào)度功能生成的電車邏輯運(yùn)行控制指令，轉(zhuǎn)換為可供實(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)有軌電車運(yùn)行的真正控制。同時(shí)，該功能接收電車反饋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)一步向運(yùn)行調(diào)度功能發(fā)送，以形成完整的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)包括牽引制動(dòng)、門控、空調(diào)等電車運(yùn)營(yíng)的基本能力。本文所述的電車控制功能，主要考慮在自動(dòng)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(guò)綜合利用數(shù)量不等的異構(gòu)傳感器、V2X 信息，實(shí)時(shí)獲取電車外部的運(yùn)行環(huán)境信息，從中抽提出對(duì)電車運(yùn)行有影響的環(huán)境要素和對(duì)象信息，發(fā)送給后端單車運(yùn)行決策和自動(dòng)電車控制功能模塊，以實(shí)現(xiàn)電車的持續(xù)可靠運(yùn)行。得益于目前汽車領(lǐng)域自動(dòng)駕駛和高級(jí)輔助駕駛的迅速發(fā)展，環(huán)境感知功能模塊的實(shí)現(xiàn)充分利用前者所積累的經(jīng)驗(yàn)、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(yùn)行特征，形成面向有軌電車自動(dòng)駕駛的專有環(huán)境感知功能，可進(jìn)一步分為以下三個(gè)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(shí)時(shí)位置的復(fù)合定位。有軌電車運(yùn)行在地面上，其運(yùn)行環(huán)境是地面交通與軌道交通的復(fù)合體，在自動(dòng)駕駛語(yǔ)義下對(duì)其進(jìn)行定位，需要同時(shí)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(yùn)載工具，其運(yùn)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)涞哪康模诙ㄎ簧弦残枰腴L(zhǎng)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(jī)、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(guò)合理結(jié)合后，形成對(duì)電車運(yùn)行環(huán)境的實(shí)時(shí)表示（特別是障礙物信息）。由于有軌電車是運(yùn)行在固定軌道上的公共交通工具，其運(yùn)行受到信控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與約束（如電車不能越過(guò)禁止態(tài)信號(hào)、電車行經(jīng)道岔反位、路口等區(qū)域時(shí)需要限速等），故面向有軌電車自動(dòng)駕駛的融合感知功能還包括對(duì)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(yùn)行態(tài)勢(shì)綜合。經(jīng)過(guò)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(yùn)行的實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)。運(yùn)行態(tài)勢(shì)綜合是判斷電車運(yùn)行前方整體狀況和行車風(fēng)險(xiǎn)的核心功能。

（二）單車運(yùn)行決策功能

單車運(yùn)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(yùn)行態(tài)勢(shì)，根據(jù)本車特性和運(yùn)行狀態(tài)，在確保運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上形成對(duì)本車的運(yùn)行控制指令，以滿足運(yùn)營(yíng)要求，兼顧運(yùn)行舒適性。該功能是自動(dòng)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(gè)子功能。

一是感知移動(dòng)授權(quán)計(jì)算。用于根據(jù)環(huán)境感知功能提供的電車位置信息、運(yùn)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(dòng)授權(quán)”。感知移動(dòng)授權(quán)為實(shí)時(shí)計(jì)算，且同時(shí)受電車狀態(tài)的約束和控制安全性計(jì)算的監(jiān)督。

二是控制安全性計(jì)算。用于判定計(jì)算出的感知移動(dòng)授權(quán)是否滿足電車運(yùn)行的安全要求?？刂瓢踩杂?jì)算同時(shí)考慮電車的物理和電氣特性、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能、運(yùn)行狀態(tài)/故障情況和運(yùn)營(yíng)規(guī)則，對(duì)感知移動(dòng)授權(quán)進(jìn)行確認(rèn)，將確認(rèn)后的移動(dòng)授權(quán)送至控制舒適性計(jì)算，以生成漸進(jìn)控制指令。感知移動(dòng)授權(quán)不滿足安全要求時(shí)給出安全防護(hù)制動(dòng)指令。

三是運(yùn)營(yíng)規(guī)則計(jì)算。該功能接收中央行車調(diào)度發(fā)給本車的運(yùn)營(yíng)指令（如運(yùn)營(yíng)計(jì)劃調(diào)整、停站、開(kāi)關(guān)門等），結(jié)合運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，判定如何在實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)指令的情況下持續(xù)實(shí)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(yùn)營(yíng)目標(biāo)。

四是運(yùn)行舒適性計(jì)算。該功能用于實(shí)現(xiàn)以乘客舒適性指標(biāo)為導(dǎo)向的移動(dòng)授權(quán)。運(yùn)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(shí)考慮電車作為復(fù)雜系統(tǒng)和大時(shí)滯對(duì)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(dòng)控制指令，發(fā)送給電車控制功能以實(shí)施控制。同時(shí)監(jiān)督司機(jī)控制指令，完成司機(jī)監(jiān)督下駕駛。

（三）自動(dòng)電車控制功能

電車控制功能的主要作用是將運(yùn)行調(diào)度功能發(fā)送來(lái)的運(yùn)行控制指令，通過(guò)信號(hào)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(shí)現(xiàn)包括牽引制動(dòng)、車門控制、聲光信號(hào)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(dòng)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(wèn)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(dòng)駕駛系統(tǒng)涉及大量傳感器數(shù)據(jù)的辨識(shí)、學(xué)習(xí)和信息提取，在特定場(chǎng)景中人工智能甚至是唯一具有實(shí)際意義的技術(shù)手段，如圖像識(shí)別（圖4）。在有軌電車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用人工智能，主要解決以下問(wèn)題：一是識(shí)別軌旁信號(hào)設(shè)備及其狀態(tài)（如信號(hào)機(jī)燈色、軌道等）；二是獲取交通參與者的語(yǔ)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(duì)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(hào)機(jī)識(shí)別（左）和軌上行人識(shí)別（右）

（二）車路協(xié)同

如前所述，有軌電車需要大范圍的運(yùn)行規(guī)劃以改善行駛的全局優(yōu)化能力和運(yùn)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(jī)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(duì)線路狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判。車路協(xié)同機(jī)制可以在下列兩方面改善有軌電車自動(dòng)駕駛能力。

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

二是旅行速度的全局優(yōu)化。單獨(dú)依賴自車感知的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，無(wú)法獲取線路更大范圍的狀態(tài)以及線路上其它電車的運(yùn)行情況，不利于整體運(yùn)營(yíng)的改善。在車-車通信和車地通信鏈路支持下，可以在整個(gè)線路范圍內(nèi)對(duì)電車的運(yùn)營(yíng)進(jìn)行整體調(diào)配，同時(shí)電車自身也可以根據(jù)其前后車的運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身運(yùn)行計(jì)劃，達(dá)到局部規(guī)劃和整體規(guī)劃的統(tǒng)一。

五、方案實(shí)踐

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

圖5 自動(dòng)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(yùn)能系統(tǒng)的主要運(yùn)載制式，本文設(shè)計(jì)了特定于有軌電車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，通過(guò)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(dòng)駕駛能力。實(shí)踐結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的有軌電車自主駕駛系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)景下的各項(xiàng)運(yùn)營(yíng)功能，能夠減輕了司機(jī)勞動(dòng)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。