信號交叉口的公交優先控制方法研究

（東南大學交通學院，江蘇南京 210000）

0 引 言

公交優先發展模式符合當前我國人口密集，土地集約化利用、小汽車持有量日益增長的城市發展特征．研究道路交叉口公交優先控制策略能夠為公交優先導向的城市交通發展戰略提供技術保障，具有重要的理論價值和現實意義．公交優先的技術保障主要體現在公交車輛運行的路權優先，具體表現為空間優先和時間優先兩方面．隨著國家的對于公交優先的重視，不少城市都已經建設好了一些公交直行專用道，但由于信號周期與信號相位設置的不合理，公交車仍要遵守固定的紅綠燈信號，因而公交優先并沒有取得應有的效率．

本文主要針對在以保證空間優先的直通式公交專用道上的一種公交優先技術．即運用光傳感器作為信號檢測設備及信號開關，通過Class A藍牙進行設備傳輸，以及RS-232模塊的單片機作為信號處理設備來對信號相位進行處理以提高公交車通行效率．

1 方法簡介

一種針對直通式公交專用道的交通信號燈控制方法，通過光電信號發射接收裝置、信號處理器和藍牙模塊的綜合使用，完成信號燈控制，每輛公交車上裝有一樣的信號處理器，信號燈只與對應車道上1.5個標準公交車長距離內的公交車進行點對點的信號交流，公交車與相鄰的公交車通過點對點之間的交流，若紅燈或綠燈時間即將結束，信號燈開始工作，同時向后發送信號給下一輛公交，依次類推，直至第一輛車產生最終計數器的值，將該值發送給信號燈的處理器，若該值大于等于 3，則在紅燈時提前綠燈或綠燈即將結束時延長綠燈時間進行優化．本方法通過對信號燈的控制，減短了公交車等待紅燈的時間，在綠燈上給予公交車優先行使權．

2 技術領域及背景技術

本方法屬于交通信號裝置技術領域，為一種針對直通式公交專用道的交通信號燈控制方法．

隨著現代化的進程，各類汽車的數量持續增加，導致了部分城市嚴重的交通擁堵．而大力發展公共交通是解決這一現狀問題的最佳方案之一．而公交車優先行駛是其中投資少，見效快，綠色環保的方案．

隨著國家的對于公交優先的重視，不少城市都已經建設好了一些公交直行專用道，但由于信號周期與信號相位設置的不合理，公交車仍要遵守固定的紅綠燈信號，因而公交優先并沒有取得應有的效率．導致公交乘客的數量依舊未能增加，而私家車的持有量急劇上升，因而城市交通擁堵問題越發嚴重．伴隨著藍牙技術近十年發展迅速并已十分成熟，尤其在電子通訊及計算機硬件領域運用廣泛，由于藍牙抗干擾能力強，點對點連接，數據傳輸技術方便的特點，將藍牙技術應用于公交優先技術將有效緩解交通擁堵問題，提高公交車的運行效率．

因為傳統的公交車優先保證是針對單體的公交優先，保證了一輛公交在交叉口優先通行的同時，調整了信號燈燈相位，常常會影響其他車的通行，從對最大載客通行量保證的角度上看，不一定起到了最佳作用[1]．

然而此種設計，考慮到了公交車在交叉口載客量的加權．測試到這一方向上的公交車達到了3輛甚至以上時才會進行針對性的相位變換．

3 優先控制過程

本方法適用于大型城市中車流量，尤其是公交車流量較大的設有公交專用道的城市道路，針對車輛數大于等于3輛的直行方向公交車隊列，控制信號燈信號相位，使得公交車優先通過，如圖 1，其實現為：

3.1 裝置設備

在城市大型交叉口信號燈處安裝組合單片機的DSP數字信號處理設備，藍牙傳輸設備，光電信號發射接收裝置，由DSP數字信號處理系統調度控制信號燈相應配時程序的功能，路口各信號燈之間有線連接，相互傳遞信息．

3.2 公交間聯系

每輛公交車首尾安裝光電信號發射接收裝置，保證公交車與信號燈的光電信號發射接收裝置，以及公交間的光電信號發射接收裝置能夠完成信息聯系．

3.3 車載設備

公交車上還裝載藍牙傳輸設備和單片機，藍牙傳輸設備[2]等級class A，通過RS-232模塊連接單片機，藍牙傳輸設備用于信號燈與車，車與車間傳遞車輛數信息，還可以擴展到公交車間行駛狀況信息的相互傳遞，單片機具有計數功能，可采用51系列為核心的簡單計數系統，完成對車輛數信息的計數．

3.4 光電信號傳輸[3]

利用光電信號直線傳播的特點，信號燈光電信號發射接收裝置的光電信號發射位置位于公交專用道停車線后1.5個車長處，當信號燈處于距離綠燈結束5秒，以及在紅燈開始時啟動信號燈光電信號發射接收裝置，綠燈結束時及距紅燈停止前10秒裝置關閉信號燈的光電信號發射接收裝置．

以第一個接收并且建立連接的公交車作為公交車隊的第一輛公交車，而此后的聯系建立于藍牙傳輸，車隊與信號燈的信息交流便建立在這第一輛公交車和信號燈上．

3.5 信號控制

當安裝有光電信號發射接收裝置的第一輛公交車進入路口信號燈的信號發射范圍時，由設置的路口信號燈光電信號發射接收裝置向此公交發射光電信號，公交接收到信號后啟動藍牙傳輸設備并與信號燈的藍牙傳輸設備進行點對點連接，同時向后車繼續發射信號，若其后有公交車，且公交車間距離小于等于一個公交車身長，則后車將啟動藍牙裝置，與前車建立點對點連接，并繼續向后發送信號，依此類推．

上一步的動作持續至某一輛公交后不再有公交，此時最后一輛公交計數器值將置為 1，利用已建立連接的藍牙傳輸向前傳遞車輛數信號，該車傳遞結束后藍牙關閉并計數器值清零，依次類推，每向前車傳遞一次數量信息，計數器值加 1，傳遞后該車藍牙關閉并計數器值清零，直到公交車隊列的第一輛車收到后面車傳遞的車數量信息，得到公交車隊列的車輛數n，將其用藍牙傳遞給信號燈上的DSP數字信號處理設備．

信號燈的DSP數字信號處理設備處理接收到的公交車數量信息n，并對其進行判斷，若車輛數小于3輛，則維持原信號燈的信號配時不變，若車輛數大于等于3輛，激發內部預先存儲好的相位模式[4]：

1）若此時公交車隊列的通行方向的信號燈為綠燈相位，則 DSP數字信號處理設備控制綠燈延時，綠燈延時時間[5]為：

T=[n×L+(n-1)×(D-l)]÷v+3

其中，D=0.09v2-0.67v+14.805

T：綠燈延時閃爍時間

n：公交車隊中公交車數

L：該城市公交車平均長度

D：連續行駛車流車頭間距

v：該路段公交車平均行駛速度

上述數據L、D、v由相關交通部門調查測量獲得，或者采用該市公交車平均行駛速度獲得；延時的同時通過藍牙傳輸設備傳輸延時信息，對路口其他信號燈進行相應的信號配時調整；

2）若此時公交車隊列的通行方向的信號燈為紅燈相位，則由DSP數字信號處理設備調整信號燈于10秒后紅燈提前結束，通過藍牙傳輸設備傳輸時間調整信息，其他方向的信號燈的DSP數字信號處理設備控制信號配時做相應調整．信號燈的時間調整處理配時完成后，各信號燈的DSP數字信號處理設備控制恢復原信號配時．

當相互交叉的通行方向的公交車隊列信息同時到達信號燈的DSP數字信號處理設備時，在車輛數都大于等于3的情況下，以綠燈相位信號優先，即若兩個交叉的交通方向的公交車隊列信號同時到達，并且兩個交通方向公交車數皆大于等于三輛，則優先讓5秒內綠燈方向的直行公交車隊優先直接通過，因為此方向公交車隊不需停車，可以有效增強信號交叉口車輛的運行效率．

本方法另一個功能是建立于藍牙傳輸系統上的，即公交車之間通過藍牙傳輸設備傳輸公交車的狀態信息．如果公交車隊中某一輛公交車行駛過程中，或者紅燈等待時發生意外，公交司機可以通過藍牙傳輸設備向車隊中前后車輛發出意外警告．以此保證公交車隊的行駛連貫性和安全性，同時利用公交間的聯絡使得公交間互相幫助，增強了路面間行駛安全．

圖1 公交優先控制原理示意圖

下面結合圖 2～3對本方法的方法作進一步詳細的說明．

本方法的基本思路：

a：交叉口信號燈DSP處理器和公交車單片機裝置待機時均處于初始化狀態．

b：信號燈光電傳感器在紅燈期間且剩余紅燈時間不少于10s，以及綠燈剩余時間少于5s時不斷發射信號判斷該道路上的有效距離內有無公交車進入．

c：當公交車在該路段進入有效距離即離停車線1.5個公交車車身長度內時，公交車光電信號發射接收裝置接收到信號燈光電信號發射接收裝置發出的識別信息．

d：若當前狀態處于紅燈期間且剩余紅燈時間不少于10s，則執行步驟e，若處于綠燈剩余時間少于5秒狀態，如圖2，執行步驟i．

圖2 紅綠燈控制示意

e：程序圖，該圖包括 e，g，h，b，m 在內的步驟．圖2顯示的是紅燈狀態，第一輛公交車的光傳感器接收到由信號燈光傳感器發出的信號，做出以下動作：

圖3 光電信號傳輸的原理圖

f：信號燈光傳感器接收到第一輛公交車的反饋信息后停止信號發射，即建立與第一輛公交車的單獨交流．

g：利用不同公交車class A藍牙之間的聯系確定公交車隊車輛數，原理如下：第一輛公交車，下面簡稱公交 1，將光電信號向后傳遞，當其后的公交車進入公交車之間信號傳輸距離即一個標準公交車長時，前后公交車進行信號交流，同時建立點對點的藍牙交流．公交車單片機計數器初始值為n=0，傳遞方向先由前往后直至最后一輛公交車，在此過程中公交車計數器參量值n均為0，不產生計數效果，當最后一輛公交車向后發射信號而無回應時，最后一輛公交車的計數器n值變為1，并且用藍牙設備開始向前傳遞參數n，傳遞參數器后計數器初始化，藍牙設備重新變為待機狀態．每通過一輛公交車，即一個信號接收器，實行n=n+1算法，直至公交1，此時的n值即為公交車隊的車輛數，借助于公交 1與信號燈處信息處理系統之間的單獨交流，將n值傳輸給信號燈信息處理系統后，公交1的信號處理器也初始化．

h：信號燈信息處理系統完成對綠燈提前亮燈的系統判斷和執行．具體操作如下：上述步驟g已經完成車輛數的計算，信號燈信息處理系統對接受到的數據n進行判斷，若n大于等于3時，判斷完畢，則使紅燈再執行10秒即變為綠燈提前放行公交車隊，而后信號燈計數器n值初始化．若n小于3，則執行步驟 b，重新判斷有無新公交車進入信號覆蓋范圍．

i：如邏輯圖，該圖包括i，j，b，k，l，m在內的步驟．邏輯圖顯示的是當前狀態為綠燈剩余時間小于等于5秒時，采用中的f，g操作建立公交車1與信號燈之間的單獨聯系，此時可計算出公交車車隊的車輛數n．

j：信號燈信息處理系統完成對綠燈延長的系統判斷和執行．具體操作如下：信號燈信息處理系統對n值進行判斷，若n大于等于3，則執行步驟k；若小于3，則執行步驟b．

k：根據車輛數n，計算綠燈延長時間，綠燈延長時間值比理論延長值多三秒，也就是前述公式中的“+3”，綠燈后為三秒黃燈，此 6秒用于保證每輛公交車通過停車線；

l：根據計算所得的綠燈延長時間進行延長，同時信號燈計數器初始化，藍牙待機．

m：在進行以上步驟的過程中，情況 i的執行優先級大于情況d的優先級．即若在交叉口的兩個方向同時在情況i與情況d上出現公交車，并通過以上步驟判斷得車隊中車輛數量均滿足公交優先通行的要求，即都大于等于3輛，則優先保證當前綠燈方向的情況執行本方法的控制方法．這里也就是保證在任何情況下，不中斷有達到或超過3輛公交車的車隊的通行方向上的綠燈[7]．

n：如圖3，為本方法光電信號進行數據傳輸的原理圖，光電傳感器的大體原理如下：采用數字調制方式，通過傳感器將電信號轉換為光信號向外發射，光信號發射器的調制光工作在紅外光譜區，波長可取 880mm，這樣可大大減少周圍環境光的干擾．光接收機主要由光電探測器、前置放大器、主放大器、解調器、自動增益控制電路等部分組成．在信號發射的時候，命令輸入光電連結器，進而進入調節器，同時校準器處輸入一個校準電壓，在調節器中整合調節，讓傳輸的命令數據搭載上光信號進入發射器發射，對于公交車隊列，這里傳輸的命令為前一輛公交車發出的信息．光信號接收的過程中，接收到光信號后，通過前置放大器放大，隨后進一步放大并進行檢波、在增益控制器的控制下完成搭載信息的采取，最后轉化成電信號命令，對于公交車隊列，這里的電信號命令作為輸入命令向后一輛公交車發送．

4 邏輯控制

說明：邏輯圖1展示的是公交到達交叉口時位于綠燈相位時的相位控制．

邏輯圖2展示的是公交到達交叉口時位于紅燈相位時的相位控制．

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邏輯圖1

邏輯圖2