李旭东，许雅兰

（1.西南交通大学 信息科学与技术学院，成都 611756；2.上海富欣智能交通控制有限公司，上海 201203）

近年来，城市轨道交通在我国发展迅速，以地铁、轻轨为代表的城市轨道交通改变了人们日常的出行方式与生活习惯。但在方便生活的同时，传统的城市轨道交通方式的建设周期长、投资巨大、噪声污染等问题也不容忽视。人们迫切的需要更加环保，更加舒适的出行方式，于是现代有轨电车迎来了一个大的发展潮流[1]。并且，低造价的有轨电车对于一些急需缓解交通压力又资金不足的中小城市是一个绝佳的选择方案。目前在我国沈阳、大连、上海、天津、成都等城市都有已建成或在建现代有轨电车的线路。

列车自动防护（ATP，Automatic Train Protection）系统作为一种保证列车行车安全的系统，在地铁上的运用已经比较成熟。国内外对于现代有轨电车的ATP系统运用的研究尚且处于起步阶段[2]，且有轨电车完整式的ATP造价大，不利于实现。但是ATP系统对于现代有轨电车来说却有着极其重要的意义，它不但能够保证有轨电车的行驶安全，还能够有效减轻有轨电车驾驶员的劳动强度[3]。

针对以上问题，本文分析设计一个适用于有轨电车的ATP系统。

三维视景仿真技术在交通运输、航空航天以及军事领域等得到了广泛的运用并且已经在相关的领域发挥了巨大的作用[4]。其中，基于视景仿真驾驶的列车司机培训系统在国内外高校及轨道交通相关企业得到了大量研究应用[5]。

1 有轨电车ATP技术分析

根据有轨电车在公共路面上的行驶特点[6]，结合地铁等城市轨道交通ATP系统的使用情况[7]，给出了以下有轨电车ATP系统的结构及功能。

1.1 ATP系统结构

ATP系统一般可以分为ATP车载设备和ATP地面设备[7]。有轨电车的ATP系统与地铁上的ATP系统结构上大体相同。ATP系统的结构如图1所示。

图1 ATP系统基本结构

（1）ATP车载设备

ATP车载设备主要有车载控制器、测速定位装置、人机界面以及地面信息接受单元。

车载控制器主要作用是根据从地面设备发送的线路信息、目标距离、线路限速等经过计算生成有轨电车的速度防护曲线；测速定位装置主要用来测定有轨电车当前的实时速度以及通过GNSS天线及接收器模块等车载设备实现有轨电车的定位；人机界面主要用来显示前方目标距离、限速、当前速度、列车准点信息、前方到站信息、时刻表或运行线的信息等；地面信息接受单元主要用于接收铺设在地面的感应环线或信标发送来的信息。

（2）ATP地面设备

ATP地面设备包括通信数据网、区域控制中心等，其主要的作用为获取道岔、信号机等设备的状态信息并与车载设备进行通信。

1.2 ATP系统作用

为了保证有轨电车行驶安全及适应道路交通复杂的行驶状况，现代有轨电车ATP系统应具有以下几个功能。

（1）测速定位

有轨电车自身的速度传感器测定当前的速度以及通过GNSS天线及接收器模块等车载设备实现卫星定位数据的信息采集。

（2）速度监督与超速防护

ATP系统为有轨电车计算并生成实时速度防护曲线，监督有轨电车的速度不超过当前的限制速度。当有轨电车的速度超过限制速度时，ATP向司机发出声光提示，提醒司机减速操作。当有轨电车速度超过限制速度一定值而司机没有进行任何减速操作时，ATP系统将自动输出紧急制动。

（3）车门防护

车载ATP为有轨电车的开启、关闭提供安全、可靠的信息。在有轨电车运行的过程中，禁止车门开启，只有当有轨电车停靠站台并且速度降为零的情况下，才允许车门的开启。并且只有当有轨电车车门完全关闭后，才允许有轨电车发车。

（4）后溜防护

车载ATP系统实时监控与有轨电车运行方向相反的非预期移动及后溜，当后溜的距离超过一定的限度时，ATP系统将立即输出制动使有轨电车停止。

（5）碰撞防护

由于有轨电车和其他的城市轨道交通所享有的路权不同，大多数有轨电车为混合路权且行车环境较为复杂。这就需要车载ATP系统拥有检测前方行人、社会车辆及其他障碍物的功能，防止有轨电车与闯入其轨道的行人、社会车辆或者障碍物发生碰撞。

2 系统设计

2.1 总体结构设计

根据对有轨电车ATP系统的机构功能分析，将仿真系统分为两个大的部分，分别为仿真主控界面和三维仿真界面。其中仿真主控界面可以实现对带有ATP防护功能的有轨电车进行模拟驾驶，三维仿真界面则是通过三维视景仿真对有轨电车的实时行驶状态进行模拟。根据有轨电车ATP系统的功能需求以及模拟驾驶的需求，可以将仿真系统总体结构划分为以下几个功能模块，如图2所示。

（1）显示模块：用于显示有轨电车实时速度、限制速度、目标距离、前方到站以及有轨电车的提示告警信息。

（2）有轨电车运动学模块：根据文献[8]中有轨电车相关运动学公式计算有轨电车当前的运行速度、距离并生成有轨电车速度-距离曲线。

（3）有轨电车运行控制模块：模拟司机对有轨电车的各种操作，其中包括使用速度操作杆对有轨电车的加、减速，制动缓解以及开关车门等操作。

（4）ATP防护模块：该模块也是仿真系统的核心模块。它根据线路参数、限制速度计算常用制动曲线和紧急制动曲线。当有轨电车速度超过限制速度时，ATP系统对有轨电车采取制动措施，达到防护的目的。

（5）通信模块：用于三维仿真界面和主控界面之间的通信。

（6）三维视景仿真模块：利用Unity3D引擎对有轨电车的模拟驾驶三维场景进行搭建，实现拥有三维视景功能的模拟驾驶仿真。

图2 仿真系统总体结构

2.2 主控界面

仿真主控界面基于Visual Studio中的WPF进行开发，该界面可用于对有轨电车的模拟驾驶操作、ATP防护曲线的显示以及有轨电车当前状态的显示。界面的功能分区如图3所示。

图3 仿真主控界面功能模块分区

ATP防护曲线计算方法主要有反算法、直接计算法和双向计算法[7]。反算法采用纯粹的数学方法计算并且在程序设计上更容易实现，因此本文采用反算法计算ATP防护曲线。反算法的计算原理如图4所示。

图4 ATP防护曲线计算原理

将目标距离划分为若干个等间隔的区段ΔS，从目标终点处开始进行反推计算，由物理运动学公式可得上一区段的终点速度为：

由此可以计算得到多个坐标点，将这些坐标点一一连接起来就得到完整的ATP防护曲线。且当ΔS的取值越小，ATP防护曲线就越精确。

2.3 三维视景

三维视景仿真界面基于Visual Studio中的WinForm进行开发。界面主要实现与主控界面进行通信、unity文件的加载、有轨电车的速度显示和三维仿真的显示等功能。三维视景仿真界面功能分区如图5所示。

图5 三维视景仿真界面

三维视景场景的搭建大致过程如下[9]：

（1）在Unity项目中创建地形、环境效果、灯光以及摄像机，再将各个三维模型放置于仿真场景合适位置。

（2）使用C#编写脚本程序实现对仿真场景中三维模型的控制。

（3）将Unity项目发布为.unity3d文件，该文件用于UnityWebPlayer加载使用。

三维仿真界面重点解决的问题在于怎样在WinForm窗口控制Unity中的各个三维模型的运动。本仿真程序利用Unity中UnityWebPlayerClass类下的SendMessage（string，string，object）方法函数实现WinForm窗口向Unity发送信息并控制Unity中有轨电车模型的运行。该方法具体用法为：SendMessage（3D模型对象名，脚本函数名，脚本函数的参数值）。同样的，使用axUnityWebPlayer1_OnExternalCall（）方法可以实现Unity向WinForm窗口发送信息。

3 系统实现

3.1 模拟驾驶功能实现

根据文献[10]中的有轨电车相关技术参数，仿真中设定有轨电车的最大牵引加速度为2.0 m/s2，常用制动减速度为1.2 m/s2，紧急制动减速度为2. 8 m/s2。

仿真系统运行后，主控界面的各项功能都能正常运行且都达到了预期效果，包括各种信息的显示、有轨电车速度-距离曲线的绘制等。仿真程序主控件界面如图6所示。

图6 有轨电车模拟驾驶仿真主控界面

3.2 ATP防护功能实现

有轨电车的常用制动触发如图7所示。其中，黄色线条表示常用制动曲线，防护速度为70 km/h；红色表示紧急制动曲线，防护速度为80 km/h；绿色则为当前有轨电车速度-距离曲线。由图中可以看出，当速度超过常用制动曲线时，ATP防护模块对有轨电车输出常用制动，制动减速度为1.2 m/s2。当速度小于缓解速度50 km/h时，停止输出制动，此时有轨电车处于惰行状态。

图7 有轨电车触发常用制动

有轨电车的紧急制动触发如图8所示。由图中可以看出，当速度超过紧急制动曲线时，ATP防护模块对有轨电车输出紧急制动，制动减速度为2.8 m/s2。当速度为零时允许司机缓解制动。

图8 有轨电车触发紧急制动

由以上结果可知，ATP防护模块满足模拟驾驶仿真系统对于ATP防护功能的需求。

3.3 三维视景实现

视景仿真界面通过TPC/IP通信协议与主控界面之间进行通信。其中，视景仿真界面作为服务端，主控界面作为客户端。当客户端与服务端之间建立通信连接后，客户端即主控界面将有轨电车当前的速度值发送给服务端。视景仿真界面通过得到的速度值驱动三维视景的有轨电车模型运动。在视景仿真界面左上部有5个视角切换按钮，可以通过切换按钮以不同视角查看有轨电车的实时运行状况。最终效果如图9～图13所示。

4 结束语

本仿真设计系统的最终测试结果满足基于ATP的有轨电车模拟驾驶仿真系统的各项功能需求。今后需进一步完善的工作如下：

（1）丰富有轨电车模拟驾驶场景。当前模拟驾驶场景较为简单，在后续的工作中可以增加有轨电车过道岔和进、出车辆段等多个模拟驾驶场景。

（2）增加相关的硬件设备，利用相关硬件设备实现对有轨电车的模拟驾驶。

（3）利用VR等技术，使模拟驾驶的三维场景更加的真实，给人身临其境的感觉。

图9 三维视景仿真侧面视角图

图10 三维视景仿真正面视角图

图11 三维视景仿真背面视角图

图12 三维视景仿真司机视角图

图13 三维视景仿真交叉路口视角图

参考文献：

[1] 秦国栋 ，苗彦英，张素燕.有轨电车的发展历程与思考[J].城市交通，2013，11（4）：6-12.

[2] 高 军，董 笠，王 晶.新型有轨电车自动防护系统的研究[J].科学技术与工程，2014，14（3）：246-250.

[3] 喻智宏，孙吉良，申大川.有轨电车通信信号技术与智能交通系统[J].城市交通，2013，11（4）：44-51.

[4] 陈晓宏.简易地铁模拟驾驶视景系统的研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[5] Costa, V., Rossetti, R. J. F. & Sousa, A. Autonomous driving simulator for educational purposes[C]//The 11th Iberian Conference on Information Systemsand Technologies. Spain,2016: 15-18.

[6] 薛洪峰.现代有轨电车信号控制关键技术研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[7] 朱吉敏.城市轨道交通ATP的研究与仿真[D].成都：西南交通大学，2015.

[8] 唐 涛.列车运行控制系统[M].中国铁道出版社.北京，2012.

[9] 古宏霞.Unity游戏开发入门经典[M].北京：人民邮电出版社，2015.

[10] 付稳超，黄烈威，孙加平，等.100%低地板现代有轨电车的研制[J].现代城市轨道交通，2014（1）：33-37.