王 慧，鳳鵬飛

(安徽三聯(lián)學(xué)院 交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

城市公共交通優(yōu)先是指大城市內(nèi)客運(yùn)交通以大容量、快速度的公共交通系統(tǒng)為主，以其他交通工具為輔的交通方式。它是一種交通發(fā)展策略，通常依靠工程上、管理措施上以及相應(yīng)政策、法規(guī)的支持，為市民提供快速、方便、經(jīng)濟(jì)、舒適、安全的出行環(huán)境[1]。

快速公交系統(tǒng)(BRT)是利用現(xiàn)代化大容量專用公共交通車輛，在專用道路空間快速運(yùn)行的公共交通方式，它具有與軌道交通相同的運(yùn)量大、快捷、安全等特性，但造價(jià)和運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)低廉[2]。

公交優(yōu)先概念包括兩方面含義：在通行空間和時(shí)間上給予公交車輛優(yōu)先?？臻g優(yōu)先是通過(guò)設(shè)立公交專用道路或各類專用進(jìn)口道加以實(shí)現(xiàn)；時(shí)間優(yōu)先則體現(xiàn)在公交優(yōu)先信號(hào)控制上。但是很多城市由于空間的限制，市區(qū)內(nèi)道路較為擁擠，無(wú)法為快速公交車輛開辟專用車道(專用路)，快速公交車輛只能與普通公交車輛和社會(huì)車輛共同使用現(xiàn)有的道路系統(tǒng)，無(wú)法保證“空間優(yōu)先”；同時(shí)市區(qū)內(nèi)信號(hào)燈設(shè)置較為密集，且基本沒(méi)有實(shí)行公交信號(hào)優(yōu)先控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“時(shí)間優(yōu)先”，從而致使快速公交車輛的運(yùn)行速度得不到體現(xiàn)。有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，如果不在道路交叉口信號(hào)系統(tǒng)中體現(xiàn)公交優(yōu)先策略，公交車運(yùn)營(yíng)所能節(jié)省的時(shí)間也只有5%～10%。因此，開展快速公交系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先控制方面的應(yīng)用研究，特別是針對(duì)混合型道路快速公交系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先控制方面的研究，具有重要的研究意義。

目前常用的BRT信號(hào)控制系統(tǒng)主要有以下3種[3]：

1)被動(dòng)信號(hào)技術(shù)

在不設(shè)車輛檢測(cè)器的情況下，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，預(yù)先進(jìn)行交叉口公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)。

2)主動(dòng)信號(hào)技術(shù)

系統(tǒng)在檢測(cè)到公交車后，立即調(diào)整信號(hào)時(shí)間，采取提前、延遲增加或減少來(lái)適應(yīng)公交車。

3)實(shí)時(shí)優(yōu)先技術(shù)

考慮網(wǎng)絡(luò)中所有公交車輛，利用GPS、AVM等裝置，基于實(shí)時(shí)信息優(yōu)化交叉口信號(hào)配時(shí)[4]。

現(xiàn)代的智能交叉口信號(hào)控制模式，是將人工智能方法、通信技術(shù)、定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等綜合應(yīng)用于交通系統(tǒng)，加強(qiáng)道路、車輛和駕駛員三者之間的聯(lián)系，使控制系統(tǒng)達(dá)到智能化[5]。

1 整體框架

該快速公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)是采用微波、RFID、ZigBee等多種傳感技術(shù)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路口交通參數(shù)檢測(cè)、車輛定位和無(wú)線通訊功能。然后通過(guò)車載移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)公交車輛與路口信號(hào)控制機(jī)之間的信息交互，系統(tǒng)識(shí)別需要給予信號(hào)優(yōu)先的公交車輛，根據(jù)路口的各個(gè)進(jìn)口方向車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)公交優(yōu)先控制進(jìn)行優(yōu)化處理，有針對(duì)性的實(shí)施公交信號(hào)優(yōu)先控制，減少公交車輛在交叉口的等待時(shí)間，提高公交車輛的整體運(yùn)行效率，減少對(duì)社會(huì)車輛的干擾，減少人均延誤。同時(shí)系統(tǒng)后臺(tái)控制中心給予公交運(yùn)營(yíng)中心與交警指揮中心分配不同管理功能權(quán)限，保障路口信號(hào)在安全正常運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)公交車輛的優(yōu)先；并對(duì)公交優(yōu)先的運(yùn)行效益進(jìn)行分析與評(píng)估，評(píng)價(jià)公交優(yōu)先實(shí)施后帶來(lái)的效果和影響。圖1是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)框圖。

利用無(wú)線通信設(shè)備搭建的公交信號(hào)優(yōu)先控制的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)路口示意圖如圖2所示。

快速公交系統(tǒng)所用的ZigBee無(wú)線通訊設(shè)備包括車載移動(dòng)通訊終端(ZE)、固定單元及中繼(ZR)以及路口基站主機(jī)(ZC)。ZR包含固定單元和ZigBee中繼單元兩部分，固定單元按一定間隔安放在道路邊，按固定時(shí)間間隔自動(dòng)地不斷發(fā)射出包含多種信息的數(shù)據(jù)包，當(dāng)公交車輛經(jīng)過(guò)某一固定單元時(shí)，車載移動(dòng)通訊終端接收數(shù)據(jù)包后轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee中繼單元，該單元由于具有中繼功能，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡(jiǎn)單的信息處理后，可將處理后的數(shù)據(jù)包通過(guò)信鏈路發(fā)送給基站或者相鄰的其他固定節(jié)點(diǎn)。

圖1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)

圖2 無(wú)線組網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

路口基站是三種設(shè)備中最為復(fù)雜的一個(gè)。路口設(shè)置的微波車輛檢測(cè)器檢測(cè)的交通流參數(shù)，傳遞給路口基站主機(jī)，同時(shí)路口基站主機(jī)接收Z(yǔ)R發(fā)送的公交車輛信息后，經(jīng)計(jì)算判斷是否需要給予公交優(yōu)先，如果需要，則修改路口交通燈參數(shù)，并反饋回ZE。

整個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)工作流程如圖3所示。

圖3 無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)工作流程

2 系統(tǒng)各部分功能簡(jiǎn)介

2.1 固定單元及中繼(ZR)

該部分由兩部分組成，RFID車輛定位系統(tǒng)和Zigbee中繼節(jié)點(diǎn)，主要的功能是用于實(shí)現(xiàn)車輛準(zhǔn)確定位。

1)RFID車輛定位

RFID車輛定位系統(tǒng)是公交優(yōu)先系統(tǒng)的主要硬件單元，分為車載、路側(cè)兩部分，車載部分是RFID讀卡器，路側(cè)部分是有源電子標(biāo)簽。其主要功能特點(diǎn)如下：

①有源電子標(biāo)簽裝在車道雙向隔離帶的金屬桿件上，僅需要安裝無(wú)需綜合布線。采用“主動(dòng)式”工作模式，主動(dòng)發(fā)射信號(hào)供車載RFID讀卡器捕獲，其內(nèi)部擁有高能電池，工作時(shí)每次發(fā)送信息消耗的功率僅為幾個(gè)微瓦，工作可持續(xù)3～5年。

②RFID讀卡器安裝在公交車中，是“被動(dòng)式”工作模式，當(dāng)車輛以0～100 km/h速度范圍內(nèi)行駛期間，能夠?qū)崟r(shí)捕獲到路側(cè)有源電子標(biāo)簽發(fā)回的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)至車載終端處理。讀卡器對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別距離為3～50 m，其天線接收范圍為180°扇面。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在以公交車輛相鄰的路側(cè)電子標(biāo)簽為中心點(diǎn)，以平行于車道方向?yàn)榈走?，邊長(zhǎng)在±5 m，以垂直車道方向(即車道橫截面)15 m的扇形范圍內(nèi)，識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)99%以上，保障了對(duì)公交車輛的精確定位。

③車輛定位系統(tǒng)采用全球開放的ISM微波頻段，對(duì)人身無(wú)傷害，且具有高抗干擾性(對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾源無(wú)特殊要求)。

2)Zigbee中繼節(jié)點(diǎn)

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，有著廣闊的應(yīng)用。

該系統(tǒng)中的Zigbee中繼器采用新一代2.4 GHz ISM波段的高頻Zigbee短距通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線短距通訊。其功能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①其高頻傳輸幀具有字節(jié)CRC校驗(yàn)、幀CRC校驗(yàn)，并匯集載波偵聽自動(dòng)重發(fā)技術(shù)，因而可以獲得良好的抗干擾性；

②使用比Zigbee Pro更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，節(jié)點(diǎn)上電無(wú)順序要求，任何節(jié)點(diǎn)都可以配置成無(wú)線終端+路由的雙重模式，減少了多節(jié)點(diǎn)路由方面的廣播風(fēng)暴；

③其通訊鏈路不僅具有源端、目的端信號(hào)傳輸雙保險(xiǎn)(自主選擇點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、智能路由轉(zhuǎn)發(fā))的特點(diǎn)，而且具有接收靈敏度高(達(dá)-98 dBm)、發(fā)射功率高(正常發(fā)射功率達(dá)+8 dBm)的特點(diǎn)，使得該鏈路信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸可靠性高。

2.2 微波檢測(cè)器

路口交通參數(shù)檢測(cè)采用微波檢測(cè)器，每臺(tái)設(shè)備可覆蓋6個(gè)車道，微波檢測(cè)器可檢測(cè)的主要交通流參數(shù)分即時(shí)性數(shù)據(jù)和周期統(tǒng)計(jì)性數(shù)據(jù)兩種。

1)即時(shí)數(shù)據(jù)

①車輛的二維坐標(biāo)，以(x，y)表示，方位角φ；

②車輛的即時(shí)行駛速度；

③車輛的車型分類(小車、大車、其他)；

④車輛的駛?cè)牒婉偝鲋付▍^(qū)域所得到的檢測(cè)信號(hào)；

⑤排隊(duì)長(zhǎng)度：車輛速度為零時(shí)，所排列的總長(zhǎng)度。

2)周期性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

①交通流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)路段某一斷面的車輛總數(shù)；

②車道占有率：車流占據(jù)道路的時(shí)間比率；

③平均速度：經(jīng)過(guò)道路斷面的所有車輛速度的平均值；

④車頭時(shí)距：指的是在同一車道上行駛的車輛隊(duì)列中，兩個(gè)連續(xù)車輛車頭端部通過(guò)某一斷面的時(shí)間間隔；車頭時(shí)距越大，交通密度越小；反之，車頭間距越小，交通密度越大。該參數(shù)可以微觀地反應(yīng)交通流狀況。

2.3 車載移動(dòng)終端

車載移動(dòng)終端設(shè)備包括GPS模塊、無(wú)線通信模塊、車輛進(jìn)出交叉口的定位模塊和顯示屏。車載移動(dòng)終端設(shè)備需要接入公交車輛的開關(guān)門信號(hào)，車載終端需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：一是發(fā)送車輛優(yōu)先請(qǐng)求信息；二是對(duì)車輛進(jìn)出交叉口進(jìn)行判定；三是接收信號(hào)控制機(jī)發(fā)送的紅綠燈時(shí)間信息并顯示。

車載終端設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主控模塊選用ARM7芯片作為主控CPU，主頻72 MHz，自帶48 kB SRAM，最多支持5個(gè)USART接口。

車載終端核心底板與各模塊間通過(guò)串行接口進(jìn)行有線通訊。路側(cè)電子標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)供車載終端讀卡模塊接收(車輛行駛速度在0～100 km范圍左右)，通過(guò)核心底板軟件處理后，再經(jīng)過(guò)終端ZigBee移動(dòng)節(jié)點(diǎn)模塊向路口ZigBee中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)信息，后者將信息轉(zhuǎn)發(fā)至主機(jī)，即該路口交通信號(hào)控制機(jī)通訊單元，在該單元響應(yīng)或處理的同時(shí)，將指令通過(guò)ZigBee主機(jī)模塊，經(jīng)ZigBee中繼回傳至車載終端，車載終端則依據(jù)收到的指令，將相關(guān)狀態(tài)通過(guò)車載顯示屏界面直觀顯示出來(lái)，供駕駛員參考。其硬件總體框架設(shè)計(jì)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖4 車載終端設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

綜上，車載移動(dòng)終端設(shè)備功能如下：

①基于有源RFID的公交車輛精確定位檢測(cè)；

②公交車輛與路口信號(hào)機(jī)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

③具備顯示屏顯示信號(hào)機(jī)處理的過(guò)程和結(jié)果；

④設(shè)備故障檢測(cè)功能；

⑤擴(kuò)展功能：通過(guò)在車載終端預(yù)留CAN總線接口與GPIO開關(guān)量輸入檢測(cè)接口，獲取車輛行駛過(guò)程中各種信息(如開關(guān)門、自動(dòng)報(bào)站，甚至車速、油耗等)。

車載顯示屏與主控器之間通過(guò)串口連接。車載顯示屏的具體功能包括：開機(jī)logo顯示、待機(jī)狀態(tài)顯示、公交優(yōu)先開始響應(yīng)的顯示、公交優(yōu)先執(zhí)行時(shí)的顯示、公交優(yōu)先控制結(jié)束的顯示。

3 路口信號(hào)控制智能處理模塊

交叉路口附近的固定單元不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)包發(fā)送給路口基站。預(yù)處理模塊先對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)包中的信息進(jìn)行處理，得到一個(gè)智能處理模塊的輸入(相位優(yōu)先級(jí))；智能處理模塊通過(guò)比較不同相位的優(yōu)先級(jí)，同時(shí)綜合考慮其他車輛的流量信息，經(jīng)過(guò)智能決策確定出一種公交優(yōu)先的信號(hào)控制狀態(tài)；通過(guò)輸出模塊以信號(hào)燈的形式輸出結(jié)果。該處理模塊具有連接信號(hào)及BRT運(yùn)行服務(wù)器的功能。

圖5 車載移動(dòng)終端整體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

信號(hào)控制機(jī)除具備交通信號(hào)控制自主優(yōu)化和機(jī)柜電氣一體化功能等基本功能外，還應(yīng)具備與無(wú)線通訊設(shè)備通信的接口和在不同交通環(huán)境狀態(tài)下的公交優(yōu)先控制策略算法處理能力，并包含用于控制公交專用信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)板，主要具有以下功能：

1)公交(緊急車輛)優(yōu)先控制功能

借助短程車路通訊設(shè)備，與交叉口信號(hào)機(jī)組成物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，通過(guò)信號(hào)機(jī)內(nèi)部的公交優(yōu)先控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車等特殊車輛的優(yōu)先控制，同時(shí)不干擾其它社會(huì)車輛的正常通行。主要包括以下幾種控制方式：

①絕對(duì)優(yōu)先：可在任何相位進(jìn)行，能實(shí)現(xiàn)插入相位、早斷、延時(shí)。

②相對(duì)優(yōu)先：只在協(xié)調(diào)相位、協(xié)調(diào)相位的上一個(gè)相位進(jìn)行，只能實(shí)現(xiàn)早斷、延時(shí)。

③不優(yōu)先：功能屏蔽。

2)管制控制功能(VIP路線管控)

①遠(yuǎn)程控制：通過(guò)信號(hào)控制系統(tǒng)平臺(tái)在執(zhí)行完當(dāng)前相位最小綠燈時(shí)間或固定時(shí)間的前提下進(jìn)行指定相位鎖定。

②預(yù)設(shè)時(shí)間：設(shè)置相位鎖定的開始、結(jié)束時(shí)間(時(shí)間設(shè)置值包括時(shí)、分、秒)。須在開始時(shí)刻1分鐘以前設(shè)定。

③手動(dòng)控制：在某些特殊情況下，路口民警可以通過(guò)信號(hào)機(jī)的手動(dòng)開關(guān)或相應(yīng)的遙控裝置完成相位鎖定功能。

3)BUS信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)板

①信號(hào)燈開關(guān)控制：內(nèi)置12路信號(hào)燈的控制電路，可驅(qū)動(dòng)4組紅黃綠信號(hào)燈組，控制其亮滅。

②信號(hào)燈電壓檢測(cè)：12路信號(hào)燈電壓狀態(tài)檢測(cè)電路，可實(shí)時(shí)判斷紅黃綠信號(hào)燈的電壓狀態(tài)，用于故障判斷。

③信號(hào)燈電流檢測(cè)：4路信號(hào)燈電流檢測(cè)電路，可實(shí)時(shí)檢測(cè)紅燈的電流狀態(tài)，用于信號(hào)燈的故障判斷。

④故障判斷：根據(jù)驅(qū)動(dòng)命令及信號(hào)燈狀態(tài)檢測(cè)值，判斷信號(hào)燈的故障狀態(tài)并上報(bào)給主板。

智能處理模塊公交信號(hào)優(yōu)先措施具體流程如圖6所示。

圖6 公交信號(hào)優(yōu)先措施流程

4 公交優(yōu)先控制系統(tǒng)平臺(tái)軟件

公交優(yōu)先控制系統(tǒng)平臺(tái)軟件是位于后臺(tái)控制室，安裝在控制室控制計(jì)算機(jī)平臺(tái)中，通過(guò)該軟件可同時(shí)接入100臺(tái)信號(hào)控制機(jī)進(jìn)行管理和控制。公交優(yōu)先控制系統(tǒng)平臺(tái)軟件具備以下功能：

1)公交優(yōu)先控制線路的編輯、管理

①新增、刪除和修改公交優(yōu)先的線路，其中包括線路中包含的站點(diǎn)的編輯和線路中經(jīng)過(guò)的交叉口各個(gè)行駛方向所對(duì)應(yīng)檢測(cè)器編號(hào)的編輯。

②新增、刪除和修改公交優(yōu)先線路中對(duì)應(yīng)的車輛ID編號(hào)，公交行駛線路發(fā)生變化時(shí)通過(guò)后臺(tái)進(jìn)行編輯，保證線路變化不會(huì)影響到公交優(yōu)先信號(hào)控制的運(yùn)行。

2)公交車輛的運(yùn)行軌跡監(jiān)控

平臺(tái)通過(guò)公交車輛的GPS信息監(jiān)控公交車輛的行駛軌跡。使用單獨(dú)界面實(shí)時(shí)顯示各條線路的車輛位置，每個(gè)線路根據(jù)車輛行駛路線顯示，路線上顯示站臺(tái)和交叉口。同時(shí)可以根據(jù)時(shí)間點(diǎn)查詢公交車輛的歷史位置以及回放歷史軌跡。

3)公交優(yōu)先控制相關(guān)參數(shù)設(shè)置

通過(guò)后臺(tái)軟件可以進(jìn)行信號(hào)控制機(jī)中公交優(yōu)先控制功能中信標(biāo)時(shí)距、通過(guò)時(shí)間、最小綠燈時(shí)間以及協(xié)調(diào)相位等參數(shù)設(shè)置。

4)公交運(yùn)行的效益評(píng)估

①公交優(yōu)先通行的效率評(píng)估

計(jì)算公交車輛在各個(gè)交叉口的行車延誤和停車次數(shù)，并對(duì)比沒(méi)有優(yōu)先車輛的運(yùn)行時(shí)間，對(duì)公交車輛優(yōu)先通行的效率進(jìn)行評(píng)估。

②對(duì)其他方向交通運(yùn)行影響的評(píng)估

計(jì)算非優(yōu)先相位的流量、飽和度和延誤等參數(shù)，對(duì)比歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5 快速公交系統(tǒng)其它輔助設(shè)施

為保證快速公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，系統(tǒng)還包括其他輔助設(shè)施，可以根據(jù)實(shí)際情況考慮配備與否。

1)觸發(fā)式倒計(jì)時(shí)器

由于實(shí)施公交信號(hào)優(yōu)先控制后，原有的自學(xué)習(xí)式倒計(jì)時(shí)器已無(wú)法正確顯示紅綠燈的剩余時(shí)間，容易給社會(huì)車輛造成誤解?？梢栽诼房诓捎糜|發(fā)式倒計(jì)時(shí)器，即在當(dāng)前相位綠閃和黃燈這一時(shí)段顯示倒計(jì)時(shí)(10 s)，其它方向的倒計(jì)時(shí)在紅燈剩余10 s時(shí)顯示。以此來(lái)保障路口車輛的安全通行。

2)BRT專用信號(hào)燈

通過(guò)公交信號(hào)燈與社會(huì)車輛信號(hào)燈分開管控，保障公交車輛優(yōu)先通過(guò)路口的同時(shí)減少給路口其他方向車輛帶來(lái)的影響。同時(shí)還可以滿足路口進(jìn)行多種優(yōu)先控制方式的實(shí)施條件，實(shí)現(xiàn)真正的公交優(yōu)先通行，提升公交車輛的運(yùn)行效率和準(zhǔn)點(diǎn)率。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著城市道路交通擁堵問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，目前，大力發(fā)展公共交通事業(yè)被認(rèn)為是解決城市交通問(wèn)題的有效途徑之一。其中，公交信號(hào)優(yōu)先作為實(shí)現(xiàn)城市公交優(yōu)先的重要手段，為保證城市公交優(yōu)先策略的高效實(shí)施發(fā)揮了積極的作用。提出的公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)軟件自動(dòng)判斷是否給予公交車輛優(yōu)先。在下一步的工作中，需要開發(fā)具備基于行人、非機(jī)動(dòng)車、小汽車、公交車、特種車輛及有軌電車等不同交通流的自主優(yōu)化實(shí)時(shí)控制算法，能夠?qū)Ω鞣N類型交叉口的不同交通流進(jìn)行最優(yōu)的精細(xì)化燈組控制。特別是在滿足小汽車通行控制的前提下，能夠有效實(shí)現(xiàn)公交車、特種車輛以及有軌電車的信號(hào)優(yōu)先控制應(yīng)用需求。

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