現代有軌電車一體化仿真系統設計與實現

滕 靖，潘煒維，王園園，徐紀康

（1. 同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2. 同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 201804；3. 上海工程技術大學城市軌道交通學院，上海 201600）

1 現代有軌電車概述

1.1 研究背景

現代有軌電車于20世紀90年代后期率先在法國發展起來，經過20多年的發展，目前世界上已有150多座城市建設了現代有軌電車。現代有軌電車在我國公共交通系統中的應用尚處于起步發展階段。目前，長春、大連、天津、上海、沈陽等地已陸續開通有軌電車線路，其中沈陽市渾南新區有軌電車已成網運行。還有許多城市正在規劃和建設有軌電車系統，如北京、上海、廣州、深圳、珠海、蘇州、武漢、佛山等城市。據統計，我國目前已經在建或規劃的現代有軌電車線路達50多條，規劃總里程超過2 000 km[1]。

現代有軌電車是由電氣牽引、輪軌導向的低地板式電動車輛，運行在專用軌道上，獨立路權的區段比例高，與道路交通多采用平面交叉形式。通常道路交叉口混合路權是影響現代有軌電車通過能力的主要因素，且由于現代有軌電車車站多結合交叉口設置，車組的轉向也在交叉口完成，因此對道路交叉口的設計及控制方案優化是有軌電車工程設計的難點之一。此外，有軌電車的折返形式影響列車交路的設置及折返能力，也需要進行專門評價。當多條有軌電車線路共線運行時，道岔轉換效率往往會影響過岔能力，且轉換過程還需要與交叉口信號切換相適應。由此可見上述方面均會影響有軌電車線路運輸能力，是工程設計論證的要點。

基于以上背景，筆者提出了有軌電車一體化仿真系統來評價規劃設計方案，其特點是將有軌電車自身運行和對道路交通（機動車、非機動車、行人交通）等的影響一并分析，既可輸出線路整體服務指標，也可輸出線路局部要素運行指標，從而有利地支持工程設計方案間的比選、設備的選型及運營組織方案的優化等決策工作。

1.2 相關研究綜述

在仿真評價方法和對象方面，國內外科研人員對有軌電車運行仿真評價方法進行了卓有成效的研究。王艷榮[2]著重對未運行有軌電車、運行有軌電車和設置有軌電車信號優先的3種交叉口狀態下社會車輛通行延誤進行仿真比較。施冰[3]以有軌電車平面交叉口延誤作為研究對象，探究了各因素對交叉口車輛及有軌電車延誤的影響大小，為交叉口規劃設計提供控制策略選取建議和參考。劉立龍[4]對有軌電車交叉口信號優先控制策略進行了設計，以固定配時信號控制為基礎，針對絕對優先、完全優先、部分優先3種優先策略，建立單點交叉口路網仿真模型，模擬探究各種情景下的最佳控制策略，為實際應用提供了參考和建議。章瑀[5]對有軌電車交叉口信號無優先、絕對優先、相對優先、單點平衡控制策略進行建模仿真，分析策略評價結果后得出單點平衡策略可以較好地平衡有軌電車的通行優先與交叉口車輛的排隊擁堵。吳勝權等[6]提出了一種分析有軌電車線路對城市道路交叉口影響的評價方法，通過仿真模型計算了交叉口內車輛延誤和排隊長度等參數。總的來說，現代有軌電車運行仿真研究重點集中于交叉口設計和控制方案的評價，相關理論成果已較為完備；但現有的研究成果多將有軌電車與常規地面交通車輛等同考慮，沒有將有軌電車動力學特征、車體要素特征、道岔轉換能力、車載信號安全要求等特征要素納入仿真過程。

在仿真系統研發方面，有軌電車的運行環境涉及軌道交通和道路交通兩個系統，在各自領域里相關的仿真方法和商用軟件均已成熟。其中軌道交通仿真的代表性軟件有Open track、Railsys等，能較好地模擬高鐵、地鐵等軌道交通的列車運行過程；道路交通仿真的代表性軟件有Vissim、AIMSUN等，Vissim具備了道路交通全模式仿真能力，其市場占有率和應用也最為廣泛。但是面向有軌電車運行特征，具備軌道列車和道路交通一體化混合仿真能力的軟件系統少有研發。

2 現代有軌電車仿真系統架構和功能

2.1 仿真系統架構

在現代有軌電車項目設計、建設和管理決策過程中，一體化評價的需求是突出特點，如：有軌電車的運行分析需要體現道路交通控制對軌道列車運行過程的影響；有軌電車自身運行特點對道路交通控制帶來的影響，例如最小綠燈時間、綠燈間隔、信號優先需求等需要結合軌道列車的動力特點和幾何特點進行分析；有軌電車成網后的運營特征需要一體化的環境進行整體分析，例如互聯互通的道岔與道路信號控制的組合，多線路共用折返站的調度協同等。

筆者所提出的一體化仿真系統將道路、交通車輛、行人以及道路交通控制設施和軌道列車、道岔、信號控制等放在一個仿真環境中進行模擬。仿真系統由有軌電車仿真系統和道路交通仿真系統兩部分組成，其中有軌電車仿真系統（EasyTram）的主要功能是提供軌道列車的牽引計算、道岔和信號狀態的反饋、停站和折返的計算；道路交通仿真系統直接采用了Vissim，主要為有軌電車提供道路交通的運行環境以及交叉口信號控制方案。EasyTram與Vissim之間通過通信模塊進行實時通信，即EasyTram從Vissim中獲取車輛位置坐標和信號狀態等信息，然后通過有軌電車運行過程控制模塊控制Vissim中相應車輛的駕駛行為。仿真的步長時鐘由 EasyTram控制，具體的系統架構如圖1所示。

圖1 有軌電車一體化仿真系統的整體結構Fig. 1 Overall structure of the tram integrated simulation system

當仿真周期為i時刻時，EasyTram的所有邏輯計算完成后，EasyTram驅動有軌電車仿真進入i+1周期中。同時，Vissim收到EasyTram的驅動信息后，也進入i+1周期中，并將i+1周期中的道路交通車輛和信號信息發送給EasyTram，然后進入下一周期的仿真，保證了EasyTram和Vissim的仿真時鐘周期的同步。

EasyTram由通信接口模塊、有軌電車運行過程邏輯計算模塊、界面顯示模塊以及與外部其他硬件通信的擴展模塊4部分組成。4個模塊之間的相互數據流關系如圖2所示，這種模塊設計的耦合性較低，便于以后的平臺擴展。

2.1.1 Vissim的通信接口模塊

為了有效展示 EasyTram的控制效果，需要每個仿真步長將 EasyTram控制的有軌電車位置、瞬時速度等信息輸出到Vissim中同步顯示，所以，該模塊對于通信的實時性和效率有一定的要求。該模塊也是EasyTram系統集成的核心之一。

2.1.2 有軌電車運行過程邏輯計算模塊

為了體現有軌電車的車輛動力性能特征，本模塊基于牽引計算理論來自動控制有軌電車的整個運行過程，但同時也將車輛信息、外部的信號控制、車站信息、道岔信息、有軌電車跟車信息等考慮到牽引力計算過程中，以體現有軌電車運行過程受道路交通設施影響的隨機性。

圖2 EasyTram系統的模塊設計Fig. 2 EasyTram system module design

2.1.3 界面顯示模塊

顯示功能可以實時根據當前仿真步長輸出每個有軌電車的運行曲線（速度—距離曲線，速度—時間曲線等）以及有軌電車的狀態（加減速、制動、跟車、自由行駛、遇到紅綠燈等）。同時，還可以實時顯示有軌電車線路中部分關鍵道岔的整個變化過程。輸出功能可以輸出仿真過程中所有有軌電車的全過程信息，包括實時的速度、位置、狀態等。

2.1.4 與外部其他硬件通信的擴展模塊

本模塊主要是為了實現外部信號控制信號優先功能，支持外部的設備控制算法等控制Vissim中的信號顯示以及 EasyTram中的有軌電車信號控制。通過對EasyTram中各個信號控制車道以及有軌電車信號控制的信號燈組與外部信號控制設備一一對應，同時根據外部信號控制算法的檢測要求，在系統中設置虛擬的車輛檢測信息以及有軌電車優先信號請求發送信息傳送給外部信號控制器，經外部信號控制器計算完成并反饋得到信號控制方案后返回給 EasyTram系統，對仿真的社會車輛和有軌電車形成控制效果。

2.2 仿真系統功能

整合軌道交通系統仿真或道路交通系統仿真的能力，形成有軌電車自成體系的仿真功能。

2.2.1 基于牽引計算的列車運行控制

以牽引計算為理論基礎，考慮有軌電車的車輛特性、乘客的舒適度、線路的坡度、限速等條件因素以及其他的約束（信號、道岔、車站、跟車等），有軌電車在道岔區域按照聯鎖的規則來控制，在區間按照閉塞的安全間隔距離來追蹤，從而實現有軌電車的全過程運行控制。同時，將每個仿真步長的有軌電車控制結果同步實時顯示在Vissim中。

2.2.2 基于運行圖的運行過程實現

根據定義的車輛數、運行任務、時刻表、發車間隔、交路等要求，基于全日運行圖來完成全線路運行仿真，可以生成每一列車每一班次運營任務的距離—速度曲線等數據信息，進行整體綜合評估，并能直觀展現影響有軌電車通過能力的瓶頸環節，輸出定量指標。

2.2.3 信號控制策略的評價

當列車經過路口時，通過仿真有軌電車通過路口的具體情況來設計信號優先功能（采取絕對優先還是相對優先的方案），或者接入外部信號優先控制機的控制邏輯，可以在設計階段對有軌電車在信號優先路口的反應時間、通行效率、檢測器的埋設位置設計等進行優化，評價該信號控制方案的實際可行性[7-10]。Vissim中有軌電車信號優先仿真界面如圖3所示。

2.2.4 線路通過能力計算及影響因素評價

仿真從有軌電車出段進入正線運行開始，直至整個運營過程結束。定量地評價有軌電車線路的折返能力、通過能力以及各個區間的運行時分等具體指標，找出影響線路通過能力的薄弱環節。

圖3 Vissim中有軌電車信號優先仿真界面Fig. 3 VISSIM simulation interface for the tram signal priority

圖4 有軌電車全過程運行曲線（距離—速度曲線和距離—加速度曲線）Fig. 4 Running curve of the whole tram process (distance-speed curve and distance-acceleration curve)

2.2.5 專題仿真

對線路上影響通過能力的瓶頸段進行專題仿真。如仿真有軌電車在折返區段的運行過程，充分體現有軌電車的動力特征以及折返區段的控制行為，評價某折返站的折返能力。開展針對有軌電車首末站、大小交路轉換等場景的專題仿真。在開展列車運行過程微觀仿真的基礎上，系統可對有軌電車的能耗指標進行專題評估。

2.3 仿真系統的特色

從功能和應用場景上看，本文所設計的仿真系統相對于目前主流的道路交通仿真和軌道交通仿真系統來說具有以下5方面特色。

2.3.1 混合交通環境仿真模式

考慮了軌道交通和道路交通各自的交通特征，有軌電車列車有著確定的實時速度，特別是在獨立路權的區間行駛時間穩定，可預測列車受到外部信號控制和道岔控制的影響。道路交通的車流特征具有較強的隨機性，車輛對信號控制的反映存在差異性。對有軌電車和社會車輛在交叉口沖突點，需要進行時空上的分離。混合的交通環境能夠反映不確定性的道路信號和交通條件對有軌電車的影響，同時也能反映有軌電車帶來的道路信號控制系統的參數變化對各類社會交通的影響。本仿真系統集成了上述場景過程。

2.3.2 運行圖與交叉口信號方案協調性分析

傳統的軌道列車運行圖不能反映道路信號控制帶來的影響，本系統將仿真過程中有軌電車線路上相關的道路信號控制狀態與有軌電車的運行圖進行了整合，將仿真過程中的信號影響完整反映到運行圖上，從而為有軌電車運行全過程的分析提供了較好的背景條件，如圖5所示。

圖5 混合環境下有軌電車運行圖Fig. 5 Schedule for the tram running in a mixed environment

2.3.3 實現多交路及成網運行仿真

由于線路間交叉聯系的道岔和折返過程的完整性，通過不同的有軌電車路徑指派，本系統可以同時完整模擬有軌電車線路所有交路車輛的運行過程。除了常規的信號、道岔和車站的影響外，在軌道列車牽引力行為模型中加入了軌道列車跟車模型，可以模擬多列有軌電車并線運行以及在交叉口不同方向有軌電車的排隊過程。

2.3.4 多評價指標的輸出

系統能夠詳細記錄有軌電車每個仿真步長的各種狀態指標，同時將道路交通信號、道岔狀態等全部記錄下來，加上Vissim自身對道路交通系統的評價功能，可以根據不同需求對軌道專業、道路交通專業提供詳細的評估指標（例如平均旅行速度、速度曲線、能耗、延誤等）。

2.3.5 可擴展的接口

系統架構預留了硬件通信接口，能夠將需要測試的相關硬件，例如軌旁設備、道岔、信號控制機、車輛等硬件參數化或實體化接入仿真環境，能輕松實現硬件在環或者車路通信等仿真功能。

3 案例應用

3.1 案例簡介

下面以實際工程中某省會城市有軌電車項目一期包含3條交路的有軌電車線網為例，使用本系統進行仿真分析后得到結論。該案例包含2條有軌電車軌道，運行有3條交路，其中3號線與1號線、2號線分別有并線部分，各自共用一個折返站，1號線與2號線有交叉。線網拓撲關系如圖6所示。

圖6 案例的線網拓撲Fig. 6 Topological structure of the tram lines in the case

3.2 速度指標分析

基于12 h的仿真過程數據進行統計分析可見，網絡上的車輛平均旅行速度在16～18 km/h。如圖7所示，可以看出有軌電車在既有信號配時方案下的平均旅行速度分布區間較大，以1號線上行方向為例，最低旅行速度為16.8 km/h，最高旅行速度為20.1 km/h。

圖7 固定配時條件下有軌電車仿真平均旅行速度Fig. 7 Average travel speed of the tram under fixed time conditions

即便在開通初期發車密度較低的條件下，由于線路并線運行，隨機延誤的累積也會帶來軌道列車跟車的現象，加上信號交叉口延誤，導致有軌電車運行速度不穩定，中間站的車輛到達間隔波動較大，降低了網絡系統服務水平和運輸能力。

3.3 信號方案評價

選取線路上連續的兩個相鄰交叉口進行信號控制方案改善，如圖8所示。

圖8 有軌電車信號控制案例Fig. 8 A case of tram signal control

這兩個路口的有軌電車運行方向的進口道均設置了左轉專用車道，信號控制方案采用常規四相位信號控制，如圖9所示。

圖9 有軌電車信號優先控制相位Fig. 9 Phase of the signal priority control for the tram

采取的有軌電車信號優先控制邏輯設置為：當系統檢測到有軌電車進入或者位于交叉口檢測范圍時，如果當前相位階段為第一相位階段，則第一相位階段綠燈時長持續到有軌電車離開交叉口并且達到最小綠燈時間，再切換到第二相位階段；如果當前相位階段為其他相位階段，有軌電車不能通過，則在當前相位階段綠燈時間達到或大于最小綠燈時間后切換進入下一相位階段。當系統沒有檢測到或者系統內沒有有軌電車時，每個相位階段按各自最大綠燈時間進行切換[11]。

選取仿真過程中同一輛由西向東的有軌電車在通過分析的兩個信號交叉口區段沒有信號優先和有信號優先條件下車輛的距離—速度曲線，如圖10所示，可以看到信號優先減少了有軌電車停車次數，降低能耗并提高了有軌電車行駛的平穩性和旅行速度。

圖10 信號控制方案優化前后的速度曲線對比Fig. 10 Comparison among the velocity curves before and after signal control scheme optimization

3.4 折返能力分析

系統折返模型根據實際的有軌電車牽引力以及道岔轉折時間和停站時間等條件進行計算，完整的折返過程如圖11所示，仿真得到的有軌電車站后折返各作業流程時序如圖12所示。仿真結果顯示前后車的最小折返間隔時間是92 s，該站的折返能力最大是39對/h。

4 結語

圖11 有軌電車站后折返示意Fig. 11 Turning back of the tram

圖12 有軌電車站后折返各作業流程時序Fig. 12 The operation sequence of the tram turning back

綜上所述，EasyTram是一個以軌道車輛動力學特征為基礎的有軌電車運行仿真系統，建立了與道路交通仿真平臺Vissim的互控關系，共同形成一種現代有軌電車一體化仿真系統。該系統能為有軌電車規劃設計方案的全面評估提供量化支持。目前該系統已經在上海、浙江、湖北、四川等多個省市的有軌電車項目中得到應用。下一步將結合決策需求完善輸出指標和展示界面，實現更加友好的決策支持。