有轨电车的智能控制系统及其交叉路口运行控制方法与流程

本发明属于有轨电车交通技术领域，具体涉及有轨电车的智能控制系统及其交叉路口运行控制方法。

背景技术：

随着我国城市化进程的不断推进，城市轨道交通也得到了极大地发展。在众多的城市轨道交通类型中，有轨电车因其建设周期短、建设成本低、设计难度低等优点，已经在越来越多的城市中开始推广和应用，得到了快速的发展。

与地铁等城市轨道交通不同，有轨电车的运行线路往往与现行城市车辆交通线路并非完全独立，两者的线路往往存在交叉，导致有轨电车的运行控制方式与地铁等独立路权的交通形式存在一定的差异，这尤其体现在有轨电车的交叉路口运行控制上。

目前，在有轨电车的交叉路口运行控制大多采用的是有轨电车信号优先系统，确保有轨电车能在交叉路口优先通过。其中，典型的有轨电车交叉路口通行技术为信号优先和绿波。前者主要通过动态协调有轨电车到达时间和交叉路口信号，为有轨电车提供优先通行权，使其不停车通过交叉路口的一种技术策略，即有轨电车行驶至距交叉路口一定距离时，发起信号优先申请，信号控制中心计算有轨电车到达交叉路口的时间，切断其他相位信号，为有轨电车安排绿灯并办理进路。后者主要用于有轨电车与部分道路车辆在不冲突的情形下同时通过交叉路口，将二者组合为一个信号相位，在不改变交叉路口各方向的有效通行效率的前提下，合理安排相邻交叉路口之间绿灯开放的时间差(相位差)，使上、下行两个方向有轨电车按预定计划行驶至各交叉路口时恰好赶上绿灯。

现有的上述控制方式虽然能一定程度上满足有轨电车在交叉路口的通行需求，但是也存在明显的缺陷。具体地，信号优先控制方式虽能给予有轨电车通行优先权，确保有轨电车通过平交路口时不受任何的延误，但对其冲突方向交通流影响很大，尤其当有轨电车班次密集时，对冲突方向交通流的延误十分明显，甚至可能造成严重的交通拥堵。而绿波虽然对各冲突方向的有效通过时间无明显影响，但只有当有轨电车时空轨迹位于绿波带宽内，才能保证有轨电车在交叉路口不停车通过，有轨电车一旦和运行图出现延误，就无法得到相应的优先，导致连环晚点，直接影响正常运营秩序，很难适应实时交通需求的变化，在实际应用中无法充分发挥出应有的交通效益。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了有轨电车的智能控制系统及其交叉路口运行控制方法，能在不影响或者少影响交叉路口处道路交通信号控制的基础上，实现有轨电车在交叉路口处的优先通行，提升有轨电车和道路车辆在交叉路口处的通行效率，减少交叉路口处的交通延误。

为实现上述目的，本发明的一个方面，提供一种有轨电车的智能控制系统，其包括用于有轨电车运行控制的有轨电车中心调度管理系统和用于道路交通灯控制的路口交通信号智能控制系统；

所述有轨电车中心调度管理系统与各有轨电车车辆上的列车控制系统通信连接，用于针对各有轨电车车辆制定列车运行计划和列车运行调整方案，并将所述列车运行计划和所述列车运行调整方案发送到对应有轨电车车辆的列车控制系统中；且

所述有轨电车中心调度管理系统与所述路口交通信号智能控制系统接口连接，使得所述有轨电车中心调度管理系统可提交路口信号调整需求到路口交通信号智能控制系统，且所述路口交通信号智能控制系统可将路口信号控制规则发送到所述有轨电车中心调度管理系统；以及

对应所述有轨电车中心调度管理系统设置有路口信号控制系统；所述路口信号控制系统分别与所述有轨电车中心调度管理系统和设置于交叉路口的路口信号机接口连接，用于向所述有轨电车中心调度管理系统反馈各路口信号机的状态数据，并从所述有轨电车中心调度管理系统中获取控制指令来控制对应的路口信号机进行状态切换。

作为本发明的进一步改进，还包括城市交通智能管理系统；

所述城市交通智能管理系统分别与所述有轨电车中心调度管理系统和所述路口交通信号智能控制系统接口连接，用于统筹监管所述有轨电车中心调度管理系统和所述路口交通信号智能控制系统。

作为本发明的进一步改进，所述路口交通信号智能控制系统下辖设置有多个交通灯区域信号控制系统；

所述路口交通信号智能控制系统与各所述交通灯区域信号控制系统分别接口连接，用于发送控制指令到对应的交通灯区域信号控制系统；且各交通灯区域信号控制系统分别连接有若干交通灯路口控制器，以实现不同位置交通灯的状态控制。

作为本发明的进一步改进，所述有轨电车中心调度管理系统针对各列车运行计划分别建立有列车计划运行模型，并结合对应列车的实际运行状态建立有列车实时运行模型，通过所述列车计划运行模型与所述列车实时运行模型的比对完成所述列车运行调整方案的制定。

本发明的另一个方面，提供一种有轨电车的交叉路口运行控制方法，其利用所述的有轨电车的智能控制系统来实现，包括如下过程：

(1)由所述有轨电车中心调度管理系统根据对应有轨电车线路运行的约束条件制定该线路上有轨电车的列车运行计划；

(2)由所述有轨电车中心调度管理系统将生成的列车运行计划发送至各运营车辆的列车控制系统，由列车控制系统结合对应的列车运行计划来进行对应车辆的运行控制；

(3)由列车控制系统实时监测列车运行过程中的实时运行数据，并将所述实时运行数据传输到所述有轨电车中心调度管理系统中，且所述有轨电车中心调度管理系统实时比对所述实时运行数据与列车运行计划；若两者出现偏差，则由所述有轨电车中心调度管理系统生成列车运行调整方案并发送到对应的列车控制系统中，确保列车实际运行状态与列车运行计划保持一致。

作为本发明的进一步改进，所述约束条件包括有轨电车线路沿线的交通灯控制计划、有轨电车的运营需求、有轨电车的动力学属性和有轨电车线路属性。

作为本发明的进一步改进，过程(3)中的列车运行调整方案包括控制车辆提速或者减速行驶、延长或者缩短停站时间和提高车辆在交叉路口的运行速度。

作为本发明的进一步改进，在过程(3)中，若有轨电车中心调度管理系统判定需要改变对应路口信号机的控制过程，则向所述路口交通信号智能控制系统发送路口信号调整需求，以在所述路口信号机控制状态切换的同时确保该路口信号机所处交叉路口的交通灯进行对应的状态切换。

作为本发明的进一步改进，在所述有轨电车中心调度管理系统中对应所述列车运行调整方案的生成建立有列车运行一体化调整的基础理论模型。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

(1)本发明的有轨电车的智能控制系统，其通过有轨电车中心调度管理系统、路口信号控制系统、路口信号机以及列车控制系统等的对应交互和配合，实现了对有轨电车运行状态的实时监控和准确控制，为有轨电车列车运行计划的生成与应用提供了基础，也为有轨电车运行调整方案的制定提供了保障，确保了有轨电车正常运行过程中“优先”通行权的同时，充分减少了对既有道路交通灯信号控制的影响，避免了道路车辆在交叉路口通行时与有轨电车的相互干涉，提升了有轨电车和道路车辆通行的效率，减少了城市的拥堵，提升了出行的质量；

(2)本发明的有轨电车的智能控制系统，其通过中央管理系统的协调控制，可以实时生成满足绿波的有轨电车相位，并使其与现行各路口的信号周期相匹配，以此确定有轨电车的列车运行计划，并在运行过程中实时通过计划自动调整来保证列车运行计划与实际运行状态的一致性，整个系统的控制简单，可靠性强，在不影响既有道路交通的情况下，有效确保了有轨电车在平交路口的“优先”通行权，实现了有轨电车在交叉路口的不停车运行，减少了有轨电车运行过程中的延误，提升了有轨电车的运行准点率和乘车体验；

(3)本发明的有轨电车的智能控制系统，能有效利用既有的有轨电车运行控制系统的系统架构和硬件设备组成，通过有轨电车列车运行计划的制定与实施，配合有轨电车运行调整方案的调整，能有效确保有轨电车的“优先”通行，减少有轨电车和道路车辆在交叉路口的停车等候时间，缩短了交叉路口的车辆延误时间，提升了城市交通通行的效率，充分释放了有轨电车的运载能力，具有较好的应用前景和推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例中有轨电车的智能控制系统的系统组成示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

请参阅图1，本发明优选实施例中的有轨电车的智能控制系统包括针对有轨电车运行的有轨电车中心调度管理系统、路口信号控制系统，针对公路交通运行的路口交通信号智能控制系统、交通灯区域信号控制系统，以及统管有轨电车交通运行和公路交通运行的城市交通智能管理系统。

具体地，优选实施例中的有轨电车中心调度管理系统用于进行各有轨电车线路上所有有轨电车车辆的调度和控制，并可实时采集各有轨电车的运行位置和运行状态，以及可生成控制指令到对应的有轨电车，以此控制对应的有轨电车完成相应的运行过程。同时，有轨电车中心调度管理系统与城市交通智能管理系统接口连接，可将各有轨电车线路的运行计划、运行状态以及路口信号调整需求等信息传递到城市交通智能管理系统中，由城市交通智能管理系统统筹规划有轨电车交通各线路的运行。

同时，路口交通信号智能控制系统也与城市交通智能管理系统接口连接，使得城市交通智能管理系统可制定相应的交通信号控制规则并传输到路口交通信号智能控制系统中，且路口交通信号智能控制系统可将各道路上的交通灯信号控制状态传递到城市交通智能管理系统中，确保城市交通智能管理系统可以实时监控所有道路上的交通灯状态。

进一步地，有轨电车的有轨电车中心调度管理系统与路口交通信号智能控制系统接口连接，使得两者之间可进行信息交互。具体而言，有轨电车中心调度管理系统可将其路口信号调整需求发送到路口交通信号智能控制系统中，由其生成相应的交通灯控制指令，进而控制对应路口处的交通灯状态，从而配合对应有轨电车线路上相应路口信号机的控制，实现有轨电车在对应交叉路口处的正常通行。

可以理解，在实际设置时，有轨电车的设置线路至少为两条，即往返运行的两条有轨电车线路，此时，路口信号控制系统可以针对每条有轨电车线路单独设置，即路口信号控制系统包括多个子系统。当然，多条有轨电车线路也可由同一个路口信号控制系统来控制，或者同一个路口信号控制系统控制一组往返的有轨电车线路。

在道路交通与有轨电车交通的交叉路口位置，路口信号机往往设置为两个(往返线路的两个方向)，且优选实施例中的路口信号机优选设置在运行线路的右侧，主要包含绿、红、黄三色显示标记，分别表示进路开通、禁止越过、进路即将开通，用于引导有轨电车车辆司机进行交叉路口通行状态的确认。

此外，在每一个交叉路口处，对应设置于交叉路口的路口信号机设置有路口控制箱，其与对应的路口信号控制系统连接，且在路口控制箱中设置有路口控制单元和列车定位单元，前者用于对应路口信号机的控制，后者用于实现有轨电车车辆在路口的定位功能和车辆与路口的距离确定功能。优选地，各路口控制箱具备在线实时自检功能，能对路口信号机的运行状态进行检测并对故障进行报警，且将检测结果实时/定期发回到对应的路口信号控制系统中。

进一步地，对于优选实施例中的路口交通信号智能控制系统而言，其下辖管理着多个交通灯区域信号控制系统，各交通灯区域信号控制系统用于控制不同地区的交通灯状态，且各交通灯区域信号控制系统中往往控制有多个交通灯路口控制器。对于城市道路与有轨电车线路的交叉路口而言，其往往存在至少一个路口信号机(或者路口控制箱)与至少一个交通灯路口控制器配合设置，组合引导交叉路口处的道路车辆和有轨电车车辆通行。

对于优选实施例中的有轨电车智能控制系统而言，其最大的特点是不需要改变现有的有轨电车运行控制系统，也无需过多干扰现行路口交通信号智能控制系统，最大程度地减少有轨电车在交叉路口通行时对道路社会车辆通行的影响。

具体而言，利用上述有轨电车智能控制系统来进行有轨电车交叉路口运行控制的过程如下：

(1)由有轨电车中心调度管理系统根据有轨电车线路运行的约束条件制定该线路上有轨电车的运行计划。

在实际操作时，有轨电车线路运行的约束条件包括有轨电车线路沿线的交通灯控制计划、有轨电车的运营需求、有轨电车的动力学属性和有轨电车线路属性等。

其中，有轨电车线路沿线的交通灯控制计划主要指的是各路口的信号控制及变化周期，这在日常运营过程中往往是固定的。通过将有轨电车的运行计划与交通灯控制计划相匹配，可以避免因有轨电车在交叉路口通行时的停车等待，也能避免对道路交通交叉路口通行计划的影响。

有轨电车的运营需求往往包括线路上有轨电车的运营数量、各时段车辆间隔、各车站站停时间、列车平均运行速度、有轨电车在各路口的相位时间(包括最大的允许调整窗口)等。

有轨电车的动力学属性包括有轨电车的车辆牵引加速度、制动加速度、车辆固定限速等，表征的是车辆在线路上的运行能力。

有轨电车线路属性通常指线路坡度、曲线、长度、车站位置及长度、路口位置、信号设备位置、线路固定限速、路口限速等因素。

(2)由有轨电车中心调度管理系统将生成的车辆运行计划发送至各运营车辆的列车控制系统，由车辆司机结合列车控制系统来进行对应车辆的精确控制。实现有轨电车的准点发车、按推荐速度区间运行、按时按规定速度到达路口等。

(3)在列车的运行过程中，由列车控制系统实时发送其运行位置、运行速度等参数到有轨电车中心调度管理系统中，并由有轨电车中心调度管理系统实时判定有轨电车车辆是否偏离预定运行计划。

若有轨电车中心调度管理系统判定车辆存在偏离运行计划的情况，则及时制定调整预案并发送到列车控制系统中，通过使车辆提速行驶、减速行驶、延长或者缩短停站时间、提高交叉路口运行速度等调整方式，使得车辆可以调整到与运行计划相匹配的状态。

相应地，若列车控制系统或者路口控制箱判定车辆在通过交叉路口时的相位时间不足，且车辆在交叉路口处的运行速度已达最大时，则可通过有轨电车中心调度管理系统向路口交通信号智能控制系统提出绿灯延长申请，确保有轨电车可以准确通过对应交叉路口。此后，车辆在下一个运行区间内通过上述调整方式中的一种或者多种调整回车辆运行计划，且该交叉路口的交通灯控制在下一次控制过程中红切回正常的控制计划。如此，不仅可以保证有轨电车在交叉路口的“优先”通行，也可以充分减少有轨电车“优先”通行对道路交叉路口通行的交通灯控制计划的影响。

为了保证有轨电车在实际运营过程中的准确进行，在优选实施例中，针对有轨电车运行过程中需要进行监测的状态数据和调整方案，制定了相应的具体措施，并建立了列车运行一体化调整的基础理论模型。

首先，针对列车运行状态的调整，结合有轨电车的运行控制系统结构以及列车运行调整基本原理提出基于离散时空状态网络(discretestate-space-timenetworkmodelling)的列车运行图与速度曲线一体化调整建模方法，考虑宏观层面的列车运行图、微观层面的列车运行速度曲线以及路口信号时空变化过程，生成基于系统优化的路口信号、列车运行图、速度曲线调整方案，以此来为车辆的运行调整制定准确的方案。在理论模型的基础上进一步探讨自适应动态规划(adaptivedynamicprogramming，adp)算法应用的技术路线，以解决实际路口信号与有轨电车运行一体化调整问题。

同时，针对列车出现轻微延误、但不影响后续列车运行和路口信号调整的情况，研究了单列车的一体化调整方法。通过分析和推导列车延误传播机理，建立了基于随机马尔科夫决策过程(markovdecisionprocess，mdp)的列车运行调整模型。

其次，还设计了基于专家系统(expertsystem)和近似动态规划q学习(q-learning)的路口信号、单列车到发时分与速度曲线一体化调整算法，以列车全周转准点率和运行总能耗为优化目标，动态调整列车在各个区间、各路口、各车站的运行时分以及相应的运行速度曲线，使列车实际全周转时间尽量接近计划全周转时间。仿真实例结果说明，该方法可以在运营高峰时段显著提高列车全周转准点率和路口通过率，降低延误对于列车运行和路口信号的影响。

另外，优选实施例中针对实际运营中突发故障影响多辆列车和路口信号的情况，还制定了多列车的运行图与速度曲线、路口信号相位的一体化调整方案，使延误列车尽快恢复至计划运行图，尽量降低延误对全局运行图造成的负面影响。建立了基于非齐次泊松分布(non-homogeneouspoissondistribution)的动态路口信号模型以及基于随机整数规划(stochasticintegerprogramming)的多列车协同调整模型，为同一线路上多辆列车的运营计划调整提供依据。相应地，优选实施例中设计基于前向搜索的近似动态规划算法(look-aheadpolicybasedadp)用于模型求解，并为进一步提高计算速度以满足有轨电车运行调整的实际需求，设计了基于线性分段值函数逼近的近似动态规划算法(valuefunctionapproximationbasedadp)，进而可在短时间内得到高质量的列车和路口信号一体化调整方案，使列车尽快恢复至初始运行图，并降低路口延误的等待时间、通行时间和列车运行总能耗。

最后，针对实际运营中故障导致线路列车运行秩序紊乱、路口滞留的情况，进一步制定了列车数量变化条件下的运行调整方案。为了快速求解列车运行一体化调整的基础理论模型，进一步引入了三个模型,分别使用大m方法(big-mmethod)、引入冗余变量(redundantvariables)和约束的方式将原模型转化为可以有效求解的混合整数线性规划模型(mixed-integerlinearprogramming)，并且给出了模型转化等效性的严格数学证明。

本发明中的有轨电车的智能控制系统，其能有效利用既有的有轨电车运行控制系统的系统架构和硬件设备组成，通过增加对路口信号相位的运行计划协同调整，能有效实现有轨电车在交叉路口的快速通行，保证有轨电车准点性和乘坐体验的同时，有效减少了有轨电车在交叉路口通行时对道路交通灯控制计划的过多干扰，确保交叉路口处道路车辆的正常运行，减少道路车辆的通行延误，缓解交叉路口的交通拥堵，提升城市交通通行的效率，具有较好的应用前景和推广价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。