基于智能信號(hào)控制系統(tǒng)的交叉口公交優(yōu)先實(shí)現(xiàn)路徑

李建春，陶崇瑾

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000）

在城市交通中，交通擁擠是一個(gè)常常被人們?cè)嵅〉脑掝}。怎樣使人們的出行更加便利，成為一項(xiàng)重大的課題。在這樣的條件下，公交優(yōu)先話題應(yīng)運(yùn)而生。在城市交通系統(tǒng)中，由于公交系統(tǒng)具有較高的運(yùn)載效率，公交優(yōu)先在提高公交運(yùn)行效率的同時(shí)，也會(huì)給乘客提供便利，因此出行人群更愿意乘坐城市公交，進(jìn)而減少道路上私家車的數(shù)量，有效緩解交通擁堵現(xiàn)象。所以，對(duì)城市公交系統(tǒng)中的交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)目前我國(guó)交通網(wǎng)的不合理使用狀況進(jìn)行了較大的改善。

1 公交優(yōu)先的提出背景

城市公交是一項(xiàng)以保障廣大市民出行，尤其是低收入人群的日常生活需要為目的的一項(xiàng)公共服務(wù)。公交是一種以人為單位的交通工具，它以其較低的人均占地面積、較大的運(yùn)量和較高的效率成為人們出行的首選。公交優(yōu)先就是在城市的發(fā)展與規(guī)劃中，優(yōu)先考慮公交的建設(shè)與管理，并通過(guò)政策、資金與技術(shù)的支持，使得公交能夠更好地為廣大市民提供快捷的交通工具。隨著城市的擴(kuò)張，城市交通供需矛盾日益凸顯，出行不便、交通擁堵和其他問(wèn)題嚴(yán)重影響了人們的正常生活。以國(guó)內(nèi)外城市交通建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，公交優(yōu)先是解決交通問(wèn)題的重要舉措。公交運(yùn)能要比私人車多數(shù)倍，可以有效地降低道路交通流量，不僅對(duì)控制交通需求有幫助，還可以節(jié)約道路資源，改善城市環(huán)境。

2 交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制策略

交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制對(duì)緩解交通擁堵具有重要意義，加快了交通系統(tǒng)的運(yùn)行速度。當(dāng)前，公共汽車的優(yōu)先信號(hào)控制方法有以下幾種形式。

（1）被動(dòng)優(yōu)先控制。這種方式主要是利用固定信號(hào)，減少公交車輛在交叉口的等待時(shí)間。首先，在交通流比較密集的交叉口上，通過(guò)對(duì)綠信燈的調(diào)節(jié)，使公交在交通流比較密集的道路上延長(zhǎng)綠燈通行時(shí)間。其次，使信號(hào)燈周期變短、相時(shí)變短，使公共汽車等候時(shí)間變短，并使公共汽車的通行時(shí)間變長(zhǎng)。最后，公交所處的綠燈交通流中，以維持循環(huán)長(zhǎng)度與循環(huán)時(shí)間恒定為目標(biāo)，通過(guò)將公交車輛所處路段的綠燈相分離，并以交叉路段的綠燈相為代價(jià)，使該路段的其他車輛無(wú)法通行。

（2）主動(dòng)優(yōu)先控制。首先，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)設(shè)定，縮短交通流通行時(shí)間。在交通信號(hào)燈快要熄滅的時(shí)候，增加本相位的交通信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)，以確保交通順暢。其次，縮短交通信號(hào)燈間隔。公交在交叉口遇到紅燈時(shí)，采用縮短當(dāng)前等待狀態(tài)，使得下一階段的綠燈階段提早，以降低等候時(shí)間。最后，加入公共汽車相位。在等待紅燈期間，綠燈啟亮?xí)r間較長(zhǎng)，則通過(guò)插公交通行相位方式，待公交車通過(guò)路口后將相位恢復(fù)。在交通流中加入相位將增加交通流的時(shí)間損耗，并使路口的交通容量下降，因此，在交通流中應(yīng)該盡可能地減少加入相位。

（3）實(shí)時(shí)性優(yōu)先控制。實(shí)時(shí)性優(yōu)先控制是利用道路檢測(cè)、車輛定位技術(shù)等，獲得該地區(qū)的道路交通情況以及公交車輛的運(yùn)行狀態(tài)，從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以確保公交優(yōu)先。道路交通狀況，包含該地區(qū)車輛的平均車速、各路口的交通狀況、公共汽車的運(yùn)營(yíng)情況等。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多個(gè)路口的實(shí)際情況，在確保路網(wǎng)通暢的情況下，對(duì)路口的信號(hào)燈進(jìn)行優(yōu)化，使其成為公車優(yōu)先的信號(hào)燈。

3 交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制系統(tǒng)搭建

（1）系統(tǒng)構(gòu)成。對(duì)于公交優(yōu)先智能信號(hào)控制系統(tǒng)而言，在系統(tǒng)架構(gòu)中主要包括公交車檢測(cè)系統(tǒng)、車輛檢測(cè)系統(tǒng)、控制中心系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、智能信號(hào)控制器等。公交車輛檢測(cè)和定位系統(tǒng)完成對(duì)公交車的流量進(jìn)行檢測(cè)，并接收與之有關(guān)的優(yōu)先級(jí)信息，通過(guò)信號(hào)標(biāo)尺定位法完成對(duì)公交車輛的定位。車輛檢測(cè)系統(tǒng)完成檢測(cè)所有車流量，通過(guò)環(huán)形線圈檢測(cè)器將信息發(fā)送到智能信號(hào)控制器。通信系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各分系統(tǒng)間的通信，根據(jù)用戶的需求，通信方式有很多種，如有線鏈路和無(wú)線鏈路。控制中心完成了各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互連接與整合，還能夠?qū)⑿畔⒂袡C(jī)整合。智能信號(hào)控制器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策，并在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各時(shí)間點(diǎn)的交通狀況和公共汽車的優(yōu)先等級(jí)信息，對(duì)下一時(shí)刻的信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行判斷，并進(jìn)行信號(hào)燈的形式和時(shí)間進(jìn)行控制。

（2）公交優(yōu)先的實(shí)現(xiàn)。公交優(yōu)先智能信號(hào)控制系統(tǒng)接收到關(guān)于公交車的有關(guān)信息，在進(jìn)行處理后，將這些信息發(fā)送到智能信號(hào)控制器。同時(shí)，該系統(tǒng)還向信號(hào)控制系統(tǒng)傳輸了被檢測(cè)的各車輛的交通數(shù)據(jù)。信號(hào)控制器持續(xù)接收來(lái)自各個(gè)方向的車流和公共汽車的數(shù)據(jù)，當(dāng)要做出決定時(shí)，先由預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得相位的急切程度，然后將急切度和轉(zhuǎn)換度作為模糊推理系統(tǒng)的輸入，即確定下一時(shí)刻的信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)交通燈處于綠燈狀態(tài)時(shí)，為了使行駛中的公交能夠順利通行，又為非機(jī)動(dòng)車及行人提供充足的通行時(shí)間，控制器決定了一個(gè)最小的通行時(shí)間。當(dāng)最短的綠燈時(shí)間接近尾聲時(shí)，該智能信號(hào)控制裝置就會(huì)做出決定，以獲得下一個(gè)瞬間的加長(zhǎng)時(shí)間，或進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換。在此過(guò)程中，若所需的延長(zhǎng)時(shí)間已達(dá)最大值，則由信號(hào)控制裝置來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，避免其他紅燈所需的等候時(shí)間太長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)交通流的實(shí)時(shí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車輛通行權(quán)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。在優(yōu)先級(jí)的選擇中，根據(jù)公交的延誤情況以及公交上的載客量，對(duì)延誤時(shí)間較長(zhǎng)、載客量較大的公交選擇具有較高的優(yōu)先權(quán)。在優(yōu)先級(jí)高的公交需要穿越路口時(shí)，該智能交通控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)通行時(shí)間，盡可能地讓公交優(yōu)先穿過(guò)路口，以最短的候車時(shí)間，同時(shí)又不會(huì)造成其他交通工具的延誤，達(dá)到“群優(yōu)先”的目的。另外，當(dāng)某個(gè)時(shí)刻無(wú)公交車輛請(qǐng)求通過(guò)路口時(shí)，或在夜晚公交停運(yùn)后，該智能信號(hào)控制器可基于所探測(cè)到的全部車輛流量信息，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

（3）車輛檢測(cè)系統(tǒng)。在公交管理中，第一個(gè)任務(wù)是對(duì)所有車輛進(jìn)行全面的監(jiān)控，并對(duì)公交進(jìn)行有效的定位。車輛檢測(cè)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)全部汽車的交通情況進(jìn)行探測(cè)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的汽車探測(cè)器有多種類型，如波頻檢測(cè)器、磁感應(yīng)檢測(cè)器和視頻檢測(cè)器等，按其安裝方法，又可分為埋地型和懸吊型。波頻檢測(cè)器指的是利用微波、超聲波和紅外線等形式，能產(chǎn)生交通工具發(fā)射的電磁波檢測(cè)，一般以懸掛式安裝。選用的微波檢測(cè)器（RTMS），是一種價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的交通檢測(cè)器，可以在城市道路上進(jìn)行交通信息的檢測(cè)。其工作原理為在一個(gè)扇形區(qū)域中，通過(guò)一個(gè)小范圍的、持續(xù)的RTMS系統(tǒng)發(fā)射微波。該系統(tǒng)每2m 為一個(gè)“層”，共分為32個(gè)層次。用戶可以以一個(gè)或更多個(gè)層次來(lái)限定檢測(cè)區(qū)，RTMS 系統(tǒng)利用被測(cè)物體的回聲信號(hào)，計(jì)算出物體的流量，并傳送到控制中心。RTMS 探測(cè)的基本思想是假設(shè)一定范圍內(nèi)的全部車型都具有一定的長(zhǎng)度，利用該長(zhǎng)度范圍內(nèi)的車輛進(jìn)出所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，進(jìn)行速度探測(cè)。一套R(shí)TMS系統(tǒng)可以在8 條車道上對(duì)車輛流量、占用率和車輛行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。RTMS 的測(cè)量方式，在車輛單一，車流穩(wěn)定的道路上，可以得到更高的準(zhǔn)確度，但是，在車輛眾多、車型分布不均衡的路段，由于被遮擋，會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。磁感應(yīng)檢測(cè)器作為傳統(tǒng)的車流檢測(cè)裝置，多為埋置，目前在國(guó)內(nèi)外使用最多的一種檢測(cè)設(shè)備就是環(huán)形線圈檢測(cè)設(shè)備，其檢測(cè)靈敏度高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。車輛經(jīng)過(guò)設(shè)置在路面下的環(huán)形線圈，會(huì)造成線圈磁場(chǎng)的改變，檢測(cè)器根據(jù)這些改變，可以計(jì)算出車輛的參數(shù)，并將這些參數(shù)上傳到信號(hào)控制器或控制中心，從而達(dá)到實(shí)時(shí)交通控制系統(tǒng)的要求。該方法具有技術(shù)上的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。但此種方式也存在以下不足，當(dāng)裝置維修時(shí)，需要路面開(kāi)挖，使車輛臨時(shí)受阻。埋設(shè)線圈的切口會(huì)使道路變得柔軟，極易對(duì)道路造成破壞，特別是在有信號(hào)燈的交叉路口，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)或剎車時(shí)，對(duì)道路的破壞會(huì)更大。在自然條件惡劣的情況下，如結(jié)冰、路基沉降、鹽堿等都會(huì)對(duì)電感線圈產(chǎn)生不利的作用。視頻檢測(cè)器就是將攝像頭作為傳感器，運(yùn)用圖像處理技術(shù)，在攝像頭的視野中，建立一個(gè)“檢測(cè)區(qū)”，當(dāng)汽車駛?cè)霗z測(cè)區(qū)的時(shí)候，背景的灰度就會(huì)改變，從而判斷出汽車的位置。交通視頻檢測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)的交通信息采集技術(shù)相比，能夠?yàn)橛脩籼峁?shí)時(shí)的視頻圖像，它的優(yōu)勢(shì)是直觀可靠、成本低等。但是它的不足之處在于很容易受到惡劣天氣、陰影等環(huán)境因素的影響。

（4）公共汽車識(shí)別和定位系統(tǒng)。汽車定位技術(shù)的目標(biāo)是找到汽車在某一時(shí)刻所處的位置，將其應(yīng)用于城市公交的管理，可以有效地推動(dòng)公交優(yōu)先的發(fā)展。目前，在公交系統(tǒng)中，應(yīng)急救援系統(tǒng)、交警部門，甚至是一般的公交企業(yè)，都在逐步應(yīng)用車載定位系統(tǒng)。車輛定位系統(tǒng)同樣也是智能交通系統(tǒng)（ITS）中的一個(gè)基本工程，它利用精確的定位系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)字地圖和通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的道路引導(dǎo)，避免擁堵路段。當(dāng)前，公共汽車的定位技術(shù)有兩種：一種是利用GPS 導(dǎo)航、航位推演等手段來(lái)獲取在一定空間的定位；另一種是利用地面特性來(lái)獲取汽車相對(duì)于道路、交叉口等地面特性的定位，該方法的實(shí)施離不開(kāi)地圖。

（5）智能信號(hào)控制器。智能信號(hào)控制器能夠完成實(shí)時(shí)決策，并在這個(gè)前提下，根據(jù)不同時(shí)刻的車流量信息和公交車優(yōu)先級(jí)信息，來(lái)對(duì)下一刻的信號(hào)狀況進(jìn)行判定，或者是更改相位，或者是延長(zhǎng)目前的紅燈時(shí)間。交通信號(hào)控制系統(tǒng)主要接收以下方面的信息：交通流、公共汽車與交通流的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位信息的動(dòng)態(tài)更新。預(yù)處理模塊，首先將接收的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，可以獲得紅燈和綠燈的相位值。紅燈階段的緊迫性表明公交在紅燈交通階段中。

智能決策模塊是一個(gè)模糊推斷系統(tǒng)，它的最大模糊輸入是紅燈的急切度和綠燈的轉(zhuǎn)換度，以預(yù)先建立的模糊規(guī)則為依據(jù)，得到一個(gè)模糊輸出，通過(guò)反模糊化后，得到相位延長(zhǎng)時(shí)間。在獲得綠燈延遲后，信號(hào)輸出模塊對(duì)綠燈信號(hào)進(jìn)行加長(zhǎng)，最后經(jīng)控制線以指示燈的方式進(jìn)行輸出。如果推論得到的延時(shí)很短，則在延時(shí)之后，信號(hào)控制器將直接執(zhí)行相位開(kāi)關(guān)。當(dāng)這一階段的總延長(zhǎng)時(shí)間到達(dá)最長(zhǎng)的綠燈光時(shí)，信號(hào)控制裝置會(huì)強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換階段。當(dāng)交通燈處于綠燈狀態(tài)時(shí)，為了使行駛中的汽車能夠順利通行，又為非機(jī)動(dòng)車及行人提供充足的通行時(shí)間，控制器決定了一個(gè)最小的通行時(shí)間。每隔一段時(shí)間，就會(huì)有一次延長(zhǎng)的時(shí)間，然后進(jìn)行下一次的模糊推斷，這是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程。相位的開(kāi)關(guān)發(fā)生在以下兩種情形：當(dāng)綠延時(shí)很短時(shí)，表明在下一瞬間，不再需要持續(xù)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間，因此，當(dāng)綠燈延時(shí)少于某個(gè)值時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的操作；在綠燈延遲達(dá)到最大間隔時(shí)，為了避免其他紅色間隔的車輛等得太久，需要強(qiáng)行進(jìn)行換相。在實(shí)際應(yīng)用中，要依據(jù)不同的交通狀況，分別選擇最小的綠燈通道和最長(zhǎng)的綠燈通道。一般情況下，綠燈信號(hào)的最小持續(xù)時(shí)間不得小于10 ～15s，綠燈信號(hào)的最大持續(xù)時(shí)間不得超過(guò)60s。由于判斷結(jié)果是持續(xù)更新的，而且綠燈時(shí)間又是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的數(shù)值，因此無(wú)法用倒數(shù)的方式來(lái)表示信號(hào)燈的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于時(shí)間序列的交通流預(yù)測(cè)算法。智能信號(hào)處理器連續(xù)地進(jìn)行上述動(dòng)作，連續(xù)地延伸或開(kāi)關(guān)綠燈的相位，根據(jù)相序，將路口的綠燈通同行權(quán)，動(dòng)態(tài)地分配到各相位，從而滿足不斷改變的車流和不同優(yōu)先級(jí)的公交車。

（6）通信子系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了各分系統(tǒng)之間的通信，可以按照不同的需求以各種形式進(jìn)行。在公共汽車優(yōu)先信號(hào)燈控制系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)間的通信主要包括：公共汽車的探測(cè)定位系統(tǒng)與智能信號(hào)控制系統(tǒng)的通信、車輛探測(cè)子系統(tǒng)與交通信號(hào)控制器的通信、控制中心與智能信號(hào)控制裝置的通信、公共汽車探測(cè)定位與監(jiān)控子系統(tǒng)的通信。在車輛檢測(cè)系統(tǒng)與智能信號(hào)控制器的通信比較容易實(shí)現(xiàn)，它是由一個(gè)環(huán)形線圈檢波器將信息傳送給智能信號(hào)控制器，這是一種雙向的通信方式，傳送的數(shù)據(jù)包含全部的交通信息，具有電纜連接、串行接口的通信介質(zhì)。

公共汽車探測(cè)和定位系統(tǒng)包括移動(dòng)裝置和固定裝置，移動(dòng)裝置和固定裝置可以使用無(wú)線或者紅外線通信技術(shù)，通過(guò)車載移動(dòng)裝置，向固定裝置發(fā)出信息，實(shí)現(xiàn)單向通信。所傳送的信息包括車牌號(hào)、發(fā)車起點(diǎn)、公交線路、行駛時(shí)間、載客量和行駛速度等。在此標(biāo)準(zhǔn)的固定式設(shè)備與智能的信號(hào)控制設(shè)備通訊時(shí)，固定裝置向該智能信號(hào)控制器發(fā)出信息，需傳送的信息有固定裝置的辨識(shí)信息、公交車有關(guān)的信息。在信號(hào)固定裝置和控制中心間的通信中，既可以采用有線鏈路，也可以采用無(wú)線鏈路，固定裝置向控制中心發(fā)出信息時(shí)所傳送的信息，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的顯示過(guò)程，即可完成電子站牌的各項(xiàng)工作。控制中心與信號(hào)控制器之間的通信，既可以通過(guò)有線鏈路，也可以通過(guò)無(wú)線鏈路，通過(guò)信號(hào)控制器向控制中心傳送路口的交通流量、信號(hào)相位控制等信息。控制中心可以執(zhí)行信號(hào)控制器的數(shù)據(jù)更新，并由控制中心對(duì)信號(hào)控制器進(jìn)行遙控。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，公交優(yōu)先是一種有效緩解交通壓力的方式，可以設(shè)置公共汽車專用道，也可以在公共汽車上設(shè)置空間優(yōu)先通行權(quán)。而交叉口智能信號(hào)控制可以實(shí)現(xiàn)在空間和時(shí)間上的優(yōu)先權(quán)，最大限度地提高公交在道路上的通過(guò)性，這樣就可以引導(dǎo)市民選擇公交，減少路上私家車的數(shù)量，在道路資源有限的情況下，使交通效率達(dá)到最大化。