现代有轨电车交叉口安全保障系统

徐静仪　欧冬秀

(同济大学交通运输工程学院　上海　201804)

现代有轨电车交叉口安全保障系统

徐静仪欧冬秀

(同济大学交通运输工程学院上海201804)

摘要现代有轨电车制动距离长，运行速度较快，在交叉口会跟其他交通方式产生冲突，存在安全隐患。文中针对有轨电车在交叉口运行时的安全隐患，研究有轨电车交叉口安全保障系统。该系统可以实现4个主要功能：有轨电车交叉口信息提示、交叉口有轨电车驶入预警、交叉口障碍物实时监测、紧急救援和调度。重点研究了实现各个主要功能的关键技术，并结合有轨电车制动特性和其他交通方式运行参数，完成交叉口系统检测设备的布设。

关键词有轨电车交叉口信息提示预警障碍物监测紧急救援

现代有轨电车由于其运能大、速度较快、能耗低、低碳环保、美观舒适、投资小、建设周期短等优势，成为优化城市公共交通战略的重要手段之一。

现代有轨电车的路权形式主要有3种[1]：A级别路权，不允许有平面交叉口，即全封闭专用道，在形式上可以是隧道、高架桥或在地面上隔离出的通道；B级别路权，沿着其线路拥有与其他交通方式隔离的物理措施，但其与其他交通方式(机动车、非机动车、行人)有平面交叉；C级别路权，有轨电车在众多路段和平交道口均与其他交通方式混行。A级路权的有轨电车实质上属于轻轨级别，现代有轨电车一般采用B级或C级路权。采用C级路权的有轨电车,由于在路段与其他交通方式混行,交叉口的优先权相对较低或者没有优先，故在通过交叉口时的运行速度一般比较低，危险度较小。采用B级路权的有轨电车,由于在路段运行时与其他交通方式隔离,交叉口给予的优先通过权相对较高，运行速度较快，制动距离长，交叉口各种交通方式混合交织，再加上有轨电车的特殊性，这就加剧了B级路权下有轨电车交叉口的危险度。国外主要是通过驾驶员目测驾驶，并结合市民对有轨电车较好的认知以及对交通规则遵守良好的情况来保障安全行驶。但国内交通方式复杂，高峰时段交叉路口的人流数倍于国外,如果没有辅助的技术手段,安全隐患始终存在[2]。

基于这样的背景，本文研究一种有轨电车交叉口安全保障系统，以保障有轨电车在B级路权下以较快速度通过交叉口的安全性。

1交叉口有轨电车潜在冲突分析

当采用B级路权的有轨电车行驶到交叉口，交叉口给予有轨电车绝对优先时，理想条件下与有轨电车产生冲突的其他交通方式都被禁止进入交叉口区域。然而在交通流量大、交通情况复杂、人们未严格遵守交通规则的情况下，有轨电车会与其他交通方式产生潜在冲突，且由于在绝对优先的情况下有轨电车的速度比较快，因此一旦冲突发生容易造成严重的后果。在此，以路中布置形式的有轨电车线路在交叉口直行通过时的情况为例，分析其他交通方式(机动车、非机动车、行人)与有轨电车产生的潜在冲突，见图1。

图1　其他交通方式与有轨电车的潜在冲突点

由图1可见，可能与有轨电车产生冲突的主要是未遵守交通规则的直行行人和非机动车、左转机动车。

另一方面，当采用B级路权的有轨电车行驶到交叉口，交叉口给予有轨电车绝对优先时，与有轨电车不产生冲突的其他交通方式允许进入交叉口。如果当有违章的机动车、非机动和行人进入交叉口，也会与这些被允许进入的机动车、非机动车和行人产生冲突，一旦发生交通事故会影响有轨电车的运营。

2有轨电车交叉口安全保障系统功能

根据有轨电车交叉口安全保障系统的功能框架图(见图2)，可以把系统的主要功能分为4个部分：有轨电车交叉口信息提示、交叉口有轨电车驶入预警、交叉口障碍物实时监测、紧急救援和调度。这4个部分相互联系和影响，共同构成有轨电车交叉口安全保障系统。

图2有轨电车交叉口安全保障系统功能框架图

2.1　有轨电车交叉口信息提示功能

有轨电车交叉口信息提示功能主要是在有轨电车到达交叉口停车线前L处，地面向列车传输可靠的交叉口固定信息和可变信息。

(1) 固定信息。固定信息主要有以下几种。

①定位信息。主要用于通知有轨电车驾驶员即将进入交叉口，提高驾驶员的安全意识和注意力，做好通过交叉口的准备。

②交叉口基本参数。主要包括交叉口所属区段、交叉口类型、 有轨电车线路行驶方向(直行、左转、右转)等。

③道岔信息。交叉口是否存在道岔及前方道岔侧向允许列车运行的速度。

④交叉口速度信息。主要是告知驾驶员即将到达的交叉口的最大允许速度，据此驾驶员及时调整驾驶速度。

⑤其他信息。交叉口固定障碍物信息、列车运行目标数据、链接数据等，其主要目的都是辅助驾驶员驾驶、提高有轨电车通过交叉口的效率和安全性。

(2) 可变信息。可变信息主要有以下几种。

①交叉口临时限速。当由于交叉口施工、交通事故、天气等原因引起的对有轨电车运行速度进行限制时，向有轨电车提供临时限速信息。

②交叉口交通流量。交叉口的其他交通方式的交通流量受时间影响波动大，随着交通流量的增加，交叉口的危险度也会增大[3]，需要驾驶员提高警惕。

③交叉口信号控制。在有轨电车交叉口不停车、优先通过的前提和技术保障下，主要为驾驶员显示信号灯是否正常。

2.2　交叉口有轨电车驶入预警功能

有轨电车交叉口信息提示功能主要是有轨电车到达交叉口停车线前L处时，交叉口的显示设备会通知机动车驾驶员、非机动车驾驶员、行人有轨电车即将到达，禁止通行。此时还未进入交叉口区域内的机动车、非机动车及行人禁止进入交叉口区域，已经进入交叉口区域内的机动车、非机动车及行人会给予一定的时间离开交叉口区域，保证经过时间t1后，有轨电车安全行驶区域内的障碍物(可以是会与有轨电车产生冲突的机动车、非机动车、行人)被“清空”。

2.3　交叉口障碍物实时监测功能

有轨电车交叉口障碍物实时监测功能主要是经过时间t1后，有轨电车在到达距离交叉口停车线前L1处，系统马上开启有轨电车安全行驶区域内的障碍物实时监测，若检测到有轨电车前方的安全行驶区内出现障碍物(可以是会与有轨电车产生冲突的机动车、非机动车、行人)，则有轨电车驾驶室内警报立刻响起，驾驶员可以在一段距离内及时做出制动或者减速反应，避免或减轻事故。

2.4　紧急救援和调度功能

有轨电车紧急救援和调度功能在有轨电车交叉口避险失败或者车辆发生故障时立即启用。当布设在距交叉口出口处L3的检测器在经过时间t2后，没有检测到有轨电车，则向控制中心发送紧急救援信息，控制中心与列车取得联系确认后，立即根据实际情况确定紧急救援方案，并通过逐级上报系统向调度中心汇报，调度中心立即根据实际情况进行调度调整[4]。这一功能保证了有轨电车在交叉口发生事故或者故障后控制中心和调度中心能够及时、快速、准确地做出反应，减少交通堵塞时间，将损失降到最小。

3有轨电车交叉口安全保障系统的技术实现

3.1　系统主要技术

根据有轨电车交叉口安全保障系统分成的4部分功能，分别采取不同的技术。

(1) 信息提示功能。有轨电车到达交叉口停车线前L处检测有轨电车的到达，并向有轨电车发送交叉口相关的固定信息和可变信息。根据这一功能需求，可选择DSRC技术来实现。

专用短程通信(DSRC)是基于长距离RFID的微波无线传输技术。DSRC系统主要由3部分组成：车载单元(on-board unit，OBU)、路侧单元(road-side unit，RSU)，以及专用短程通信协议。在有轨电车上安装OBU单元，轨旁安装RSU单元[5]。有轨电车行驶到靠近L处，RSU发射电磁信号，OBU被激活后进入通信状态，并以一种切换频率反向发送给RSU，两者建立通信后，OBU可以向RSU发送固定信息和可变信息。

(2) 预警功能。交叉口停车线前L处的RSU单元在检测到有轨电车的到达后，将转换后的信号通过信号传输设备发送给交叉口显示屏控制单元，在液晶显示屏上发布有轨电车即将到达，禁止通行的预警信息。

(3) 实时监测功能。交叉口停车线前L处的RSU单元在检测到有轨电车到达后，同时将转换后的信号通过传输设备发送给障碍物视频检测控制单元，设定经过t2后障碍物检测器启动。视频检测技术的优点有：安装方便，不破坏路面，施工时基本不受影响；探测器设置方便、灵活；可以实现大区域交通信息采集；系统采用模块化、结构化设计，可扩展性好、系统运行效率高；实时进行各种交通异常状况的采集和报警[6]。视频图像处理模块根据摄像机采集到的交叉口视频信号判断障碍物是否会跟有轨电车产生冲突，同时将转换后的信号通过传输设备发送给车载设备。

(4) 紧急救援和调度功能。当布设在距交叉口出口处L3的检测器在经过时间t2后，没有检测到有轨电车，则向控制中心发送紧急救援信息。系统采用RFID技术来实现这一功能需求。

RFID 系统设备由查询器(或阅读器)和应答器(或标签)组成，在有轨电车上装设电子标签，在交叉口出口处装设阅读器。当电车经过路口时，阅读器自动识别电车，完成有轨电车的检测。

交叉口出口处的阅读器、交叉口停车线前L处的RSU单元都连接到数据处理单元，根据通过交叉口的时间判定有轨电车是否避险失败或发生故障，该数据处理单元通过通信传输设备与控制中心连接。

当L3处的阅读器在t2内检测到有轨电车，则将转换后的信号通过传输设备发送给交叉口显示器控制单元和视频检测器控制单元，解除有轨电车驶入警示和有轨电车安全行驶区域障碍物检测。

3.2　系统构建

将实现各功能的主要技术模块进行整合，构建如图3所示的有轨电车交叉口安全保障系统。

图3有轨电车交叉口系统构成图

在A处的轨旁布设DSRC系统的RSU单元，系统启动有轨电车交叉口信息提示功能和驶入预警功能。经过t1的安全行驶区域的清空后，有轨电车行驶到B处，此时系统交叉口障碍物实时监测功能按照设定的程序自动开启。当检测到有轨电车前方的安全行驶区域内存在可能跟有轨电车产生冲突的障碍物时，通知有轨电车。有轨电车根据车载设备上显示的障碍物位置判断是否需要采取制动或者减速措施，B，C之间的距离保证有轨电车从B处完成判断、反应、制动一系列动作的行驶距离，当检测到的障碍物在靠近C处的人行道上时有轨电车也能及时制动，避免与障碍物相撞。当有轨电车在t2内到达E处，即E处的阅读器检测到有轨电车上的电子标签，解除有轨电车驶入警示和结束安全行驶区域障碍物检测。当有轨电车在t2未到达E处，则系统启动紧急救援功能 。

时间t1为清空交叉口有轨电车安全行驶区域的最长时间，按照显示屏预警后刚进入该区域的其他出行方式离开该区域的最长时间。t1的计算方法如下：

(1)

式中：tc为左转社会车辆通过安全行驶区域时间，s；tp为行人通过安全行驶区域人行道的时间，s；

L4为左转社会车辆通过安全行驶区域的最长轨迹，m；L5为安全行驶区域人行道长度，m；vc为左转社会车辆通过安全区域平均速度，km/h；vp为行人通过安全行驶区域人行道平均速度，km/h。

(2)

式中：L为第一个检测器到停车线距离，m，即AC段长度；L6安全行驶区域长度，m，即CD段长度；L3为最后一个检测到安全区边界距离，m，即DE段长度；vt为有轨电车行驶速度，km/h。

4有轨电车交叉口安全保障系统设备布设

4.1　交叉口有轨电车安全行驶区域

交叉口本身危险度较大，所以系统在交叉口内设定一个有轨电车安全行驶区域来保障有轨电车安全通过交叉口。理想条件是当有轨电车出行在这一区域内行驶时不会跟任何其他的交通方式产生冲突，能够又快又安全地通过，即使是出现障碍物，有轨电车也能通过及时减速或制动来及时避险。有轨电车安全行驶区域需要包括跟轨道线路相交的人行道，以防行人乱穿马路，故该安全区域以有轨电车两端停车线为边界围成长方形，宽度为L5，长度为L6。

4.2　检测设备布设位置

DSRC检测系统的RSU单元布设在A处轨旁，距离交叉口停车线C处的距离为L，这段长度主要由L1和L22部分组成。

L1为有轨电车在B处接收到障碍物警报经判断后采取正常制动行驶的距离。该距离保证有轨电车能够在最近的人行道上出现行人乱穿马路的情况下安全平稳地停在停车线前。L1的计算方法如下：

(3)

式中：tj为驾驶员判断时间，s，可取2 s；tr为驾驶员和机器的总反应时间，s，可取1.5 s；vt为有轨电车行驶速度，km/h；a为有轨电车紧急制动减速度，m/s2，可取2.8 m/s2。

L2为A处检测器检测到有轨电车后，用t1清空安全行驶区域内障碍物时有轨电车行驶的距离。L2的计算方法如下：

(4)

则DSRC系统的RSU单元布设位置距离停车线的距离L为

(5)

RFID 检测系统的阅读器布设在E处轨旁，距离安全行驶区域边界线D处的距离为L3。当有轨电车车尾离开安全行驶区域边界时，系统功能完成，故L3可以是有轨电车车身长度，或者对应有轨电车上的电子标签位置确定该长度。

5结语

有轨电车交叉口安全保障系统保障了有轨电车和其他交通出行方式的人身财产安全，减少了交叉口延误，有助于提高有轨电车的出行分担率，减少道路拥挤和城市污染，形成良性循环。

由于有轨电车的优势和适应于地铁和常规公交之间衔接的特点，目前国内外都在规划和建设有轨电车线路，其中B级路权的线路占很大比重，故此类安全保障系统的应用前景广泛。

参考文献

[1]王建.试论有轨电车与轻轨系统的相互关系[J].城市交通, 2004(3)：24-26.

[2]沈海峰,胡长辉,叶一彪,等.基于RFID、WIFI、GPS和红外监控技术的城市有轨电车安全保障系统[J].铁路节能环保与安全卫生,2014(3)：148-153.

[3]潘福全,陆键,项乔君,等.无信号平面交叉口安全服务水平计算模型[J].交通运输工程学报,2007(4)：104-111.

[4]景晓志,刘启钢.铁路平交道口防护一体化初探[J].铁道劳动安全卫生与环保,2006,33(2)：75-78.

[5]徐志荣,曾先光.有轨电车交叉路口的信号采集技术[J]. 都市快轨交通,2013,26(5)：18-20.

[6]欧冬秀.交通信息技术[M].上海:同济大学出版社,2007.