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

李建春，陶崇瑾

（酒泉職業(yè)技術學院，甘肅 酒泉 735000）

在城市交通中，交通擁擠是一個常常被人們詬病的話題。怎樣使人們的出行更加便利，成為一項重大的課題。在這樣的條件下，公交優(yōu)先話題應運而生。在城市交通系統(tǒng)中，由于公交系統(tǒng)具有較高的運載效率，公交優(yōu)先在提高公交運行效率的同時，也會給乘客提供便利，因此出行人群更愿意乘坐城市公交，進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，對城市公交系統(tǒng)中的交叉口公交優(yōu)先智能信號進行研究具有重要的現(xiàn)實意義，對目前我國交通網(wǎng)的不合理使用狀況進行了較大的改善。

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公共服務。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)先考慮公交的建設與管理，并通過政策、資金與技術的支持，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、交通擁堵和其他問題嚴重影響了人們的正常生活。以國內外城市交通建設的經(jīng)驗為基礎，公交優(yōu)先是解決交通問題的重要舉措。公交運能要比私人車多數(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)先智能信號控制策略

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

（1）被動優(yōu)先控制。這種方式主要是利用固定信號，減少公交車輛在交叉口的等待時間。首先，在交通流比較密集的交叉口上，通過對綠信燈的調節(jié)，使公交在交通流比較密集的道路上延長綠燈通行時間。其次，使信號燈周期變短、相時變短，使公共汽車等候時間變短，并使公共汽車的通行時間變長。最后，公交所處的綠燈交通流中，以維持循環(huán)長度與循環(huán)時間恒定為目標，通過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，使該路段的其他車輛無法通行。

（2）主動優(yōu)先控制。首先，通過實時動態(tài)調整信號設定，縮短交通流通行時間。在交通信號燈快要熄滅的時候，增加本相位的交通信號燈時長，以確保交通順暢。其次，縮短交通信號燈間隔。公交在交叉口遇到紅燈時，采用縮短當前等待狀態(tài)，使得下一階段的綠燈階段提早，以降低等候時間。最后，加入公共汽車相位。在等待紅燈期間，綠燈啟亮時間較長，則通過插公交通行相位方式，待公交車通過路口后將相位恢復。在交通流中加入相位將增加交通流的時間損耗，并使路口的交通容量下降，因此，在交通流中應該盡可能地減少加入相位。

（3）實時性優(yōu)先控制。實時性優(yōu)先控制是利用道路檢測、車輛定位技術等，獲得該地區(qū)的道路交通情況以及公交車輛的運行狀態(tài)，從而對信號進行實時控制，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、公共汽車的運營情況等。在此基礎上，結合多個路口的實際情況，在確保路網(wǎng)通暢的情況下，對路口的信號燈進行優(yōu)化，使其成為公車優(yōu)先的信號燈。

3 交叉口公交優(yōu)先智能信號控制系統(tǒng)搭建

（1）系統(tǒng)構成。對于公交優(yōu)先智能信號控制系統(tǒng)而言，在系統(tǒng)架構中主要包括公交車檢測系統(tǒng)、車輛檢測系統(tǒng)、控制中心系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、智能信號控制器等。公交車輛檢測和定位系統(tǒng)完成對公交車的流量進行檢測，并接收與之有關的優(yōu)先級信息，通過信號標尺定位法完成對公交車輛的定位。車輛檢測系統(tǒng)完成檢測所有車流量，通過環(huán)形線圈檢測器將信息發(fā)送到智能信號控制器。通信系統(tǒng)主要負責各分系統(tǒng)間的通信，根據(jù)用戶的需求，通信方式有很多種，如有線鏈路和無線鏈路。控制中心完成了各個子系統(tǒng)之間的相互連接與整合，還能夠將信息有機整合。智能信號控制器可以實現(xiàn)實時決策，并在此基礎上，根據(jù)各時間點的交通狀況和公共汽車的優(yōu)先等級信息，對下一時刻的信號狀態(tài)進行判斷，并進行信號燈的形式和時間進行控制。

（2）公交優(yōu)先的實現(xiàn)。公交優(yōu)先智能信號控制系統(tǒng)接收到關于公交車的有關信息，在進行處理后，將這些信息發(fā)送到智能信號控制器。同時，該系統(tǒng)還向信號控制系統(tǒng)傳輸了被檢測的各車輛的交通數(shù)據(jù)。信號控制器持續(xù)接收來自各個方向的車流和公共汽車的數(shù)據(jù)，當要做出決定時，先由預處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理，獲得相位的急切程度，然后將急切度和轉換度作為模糊推理系統(tǒng)的輸入，即確定下一時刻的信號狀態(tài)。當交通燈處于綠燈狀態(tài)時，為了使行駛中的公交能夠順利通行，又為非機動車及行人提供充足的通行時間，控制器決定了一個最小的通行時間。當最短的綠燈時間接近尾聲時，該智能信號控制裝置就會做出決定，以獲得下一個瞬間的加長時間，或進行相位轉換。在此過程中，若所需的延長時間已達最大值，則由信號控制裝置來執(zhí)行轉換，避免其他紅燈所需的等候時間太長。通過對交通流的實時調控，實現(xiàn)對公交車輛通行權的動態(tài)優(yōu)化。在優(yōu)先級的選擇中，根據(jù)公交的延誤情況以及公交上的載客量，對延誤時間較長、載客量較大的公交選擇具有較高的優(yōu)先權。在優(yōu)先級高的公交需要穿越路口時，該智能交通控制系統(tǒng)能夠自動調節(jié)通行時間，盡可能地讓公交優(yōu)先穿過路口，以最短的候車時間，同時又不會造成其他交通工具的延誤，達到“群優(yōu)先”的目的。另外，當某個時刻無公交車輛請求通過路口時，或在夜晚公交停運后，該智能信號控制器可基于所探測到的全部車輛流量信息，對其進行實時調節(jié)。

（3）車輛檢測系統(tǒng)。在公交管理中，第一個任務是對所有車輛進行全面的監(jiān)控，并對公交進行有效的定位。車輛檢測系統(tǒng)主要負責對全部汽車的交通情況進行探測，現(xiàn)在被廣泛應用的汽車探測器有多種類型，如波頻檢測器、磁感應檢測器和視頻檢測器等，按其安裝方法，又可分為埋地型和懸吊型。波頻檢測器指的是利用微波、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，一般以懸掛式安裝。選用的微波檢測器（RTMS），是一種價格低廉、性能優(yōu)異的交通檢測器，可以在城市道路上進行交通信息的檢測。其工作原理為在一個扇形區(qū)域中，通過一個小范圍的、持續(xù)的RTMS系統(tǒng)發(fā)射微波。該系統(tǒng)每2m 為一個“層”，共分為32個層次。用戶可以以一個或更多個層次來限定檢測區(qū)，RTMS 系統(tǒng)利用被測物體的回聲信號，計算出物體的流量，并傳送到控制中心。RTMS 探測的基本思想是假設一定范圍內的全部車型都具有一定的長度，利用該長度范圍內的車輛進出所經(jīng)過的時間，進行速度探測。一套RTMS系統(tǒng)可以在8 條車道上對車輛流量、占用率和車輛行駛速度進行實時監(jiān)測。RTMS 的測量方式，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，會影響測量的準確度。磁感應檢測器作為傳統(tǒng)的車流檢測裝置，多為埋置，目前在國內外使用最多的一種檢測設備就是環(huán)形線圈檢測設備，其檢測靈敏度高、數(shù)據(jù)準確可靠。車輛經(jīng)過設置在路面下的環(huán)形線圈，會造成線圈磁場的改變，檢測器根據(jù)這些改變，可以計算出車輛的參數(shù)，并將這些參數(shù)上傳到信號控制器或控制中心，從而達到實時交通控制系統(tǒng)的要求。該方法具有技術上的先進性和經(jīng)濟性等特點。但此種方式也存在以下不足，當裝置維修時，需要路面開挖，使車輛臨時受阻。埋設線圈的切口會使道路變得柔軟，極易對道路造成破壞，特別是在有信號燈的交叉路口，當汽車發(fā)動或剎車時，對道路的破壞會更大。在自然條件惡劣的情況下，如結冰、路基沉降、鹽堿等都會對電感線圈產(chǎn)生不利的作用。視頻檢測器就是將攝像頭作為傳感器，運用圖像處理技術，在攝像頭的視野中，建立一個“檢測區(qū)”，當汽車駛入檢測區(qū)的時候，背景的灰度就會改變，從而判斷出汽車的位置。交通視頻檢測技術與傳統(tǒng)的交通信息采集技術相比，能夠為用戶提供實時的視頻圖像，它的優(yōu)勢是直觀可靠、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）公共汽車識別和定位系統(tǒng)。汽車定位技術的目標是找到汽車在某一時刻所處的位置，將其應用于城市公交的管理，可以有效地推動公交優(yōu)先的發(fā)展。目前，在公交系統(tǒng)中，應急救援系統(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）中的一個基本工程，它利用精確的定位系統(tǒng)，結合數(shù)字地圖和通信技術進行實時的道路引導，避免擁堵路段。當前，公共汽車的定位技術有兩種：一種是利用GPS 導航、航位推演等手段來獲取在一定空間的定位；另一種是利用地面特性來獲取汽車相對于道路、交叉口等地面特性的定位，該方法的實施離不開地圖。

（5）智能信號控制器。智能信號控制器能夠完成實時決策，并在這個前提下，根據(jù)不同時刻的車流量信息和公交車優(yōu)先級信息，來對下一刻的信號狀況進行判定，或者是更改相位，或者是延長目前的紅燈時間。交通信號控制系統(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系，最終實現(xiàn)了對相位信息的動態(tài)更新。預處理模塊，首先將接收的信號進行預處理，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換度，以預先建立的模糊規(guī)則為依據(jù)，得到一個模糊輸出，通過反模糊化后，得到相位延長時間。在獲得綠燈延遲后，信號輸出模塊對綠燈信號進行加長，最后經(jīng)控制線以指示燈的方式進行輸出。如果推論得到的延時很短，則在延時之后，信號控制器將直接執(zhí)行相位開關。當這一階段的總延長時間到達最長的綠燈光時，信號控制裝置會強迫轉換階段。當交通燈處于綠燈狀態(tài)時，為了使行駛中的汽車能夠順利通行，又為非機動車及行人提供充足的通行時間，控制器決定了一個最小的通行時間。每隔一段時間，就會有一次延長的時間，然后進行下一次的模糊推斷，這是一個反復的過程。相位的開關發(fā)生在以下兩種情形：當綠延時很短時，表明在下一瞬間，不再需要持續(xù)延長綠燈時間，因此，當綠燈延時少于某個值時，就可以實現(xiàn)對相位的操作；在綠燈延遲達到最大間隔時，為了避免其他紅色間隔的車輛等得太久，需要強行進行換相。在實際應用中，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的綠燈通道。一般情況下，綠燈信號的最小持續(xù)時間不得小于10 ～15s，綠燈信號的最大持續(xù)時間不得超過60s。由于判斷結果是持續(xù)更新的，而且綠燈時間又是一個動態(tài)變化的數(shù)值，因此無法用倒數(shù)的方式來表示信號燈的時間。在此基礎上，提出了一種基于時間序列的交通流預測算法。智能信號處理器連續(xù)地進行上述動作，連續(xù)地延伸或開關綠燈的相位，根據(jù)相序，將路口的綠燈通同行權，動態(tài)地分配到各相位，從而滿足不斷改變的車流和不同優(yōu)先級的公交車。

（6）通信子系統(tǒng)。通信系統(tǒng)主要實現(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行。在公共汽車優(yōu)先信號燈控制系統(tǒng)中，各節(jié)點間的通信主要包括：公共汽車的探測定位系統(tǒng)與智能信號控制系統(tǒng)的通信、車輛探測子系統(tǒng)與交通信號控制器的通信、控制中心與智能信號控制裝置的通信、公共汽車探測定位與監(jiān)控子系統(tǒng)的通信。在車輛檢測系統(tǒng)與智能信號控制器的通信比較容易實現(xiàn)，它是由一個環(huán)形線圈檢波器將信息傳送給智能信號控制器，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。

公共汽車探測和定位系統(tǒng)包括移動裝置和固定裝置，移動裝置和固定裝置可以使用無線或者紅外線通信技術，通過車載移動裝置，向固定裝置發(fā)出信息，實現(xiàn)單向通信。所傳送的信息包括車牌號、發(fā)車起點、公交線路、行駛時間、載客量和行駛速度等。在此標準的固定式設備與智能的信號控制設備通訊時，固定裝置向該智能信號控制器發(fā)出信息，需傳送的信息有固定裝置的辨識信息、公交車有關的信息。在信號固定裝置和控制中心間的通信中，既可以采用有線鏈路，也可以采用無線鏈路，固定裝置向控制中心發(fā)出信息時所傳送的信息，經(jīng)過相應的顯示過程，即可完成電子站牌的各項工作。控制中心與信號控制器之間的通信，既可以通過有線鏈路，也可以通過無線鏈路，通過信號控制器向控制中心傳送路口的交通流量、信號相位控制等信息。控制中心可以執(zhí)行信號控制器的數(shù)據(jù)更新，并由控制中心對信號控制器進行遙控。

4 結語

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