基于SCATS控制系統的快速公交信號主動優先控制方法及系統實現

馬軍

上海平可行智能科技有限公司 上海 200235

1 引言

公交優先指在信號控制交叉口給與公交車輛相對于其他車輛的優先權。出于現實的巨大需求，公交優先控制理論自創立開始，吸引了交通控制領域、公共交通領域等各領域研究者的注意力。公交優先主要包含主動優先和被動優先。被動優先指策略不考慮交叉口是否有公交車輛到達，同時不需要車輛檢測/優先申請生成系統；主動優先指為檢測到的特定車輛提供優先，包括綠燈延長、紅燈早斷、相位插入等多種方法[2]。

SCATS（以下統稱為SCATS控制系統）是“Sydney Coordinated Adaptive Traffic System”的英文名稱縮寫，是一種在國際上被普遍采用的商用自適應道路交通信號控制系統。該系統目前在國內應用于上海、廣州、杭州、沈陽等多個城市，其在城市日常道路交通管理中扮演著極為重要的角色[3]。SCATS控制系統支持分時段或感應式單點控制及協調控制，應用較為靈活。除此外，其還提供特殊車輛預設路線、公交信號優先等特殊控制功能。

國內基于SCATS控制系統進行快速公交信號優先工程實踐中，在確定SCATS控制系統外部干預信號的輸入時間窗口時，通常結合車輛的現場運行特征進行反復調試，缺乏科學的調控手段，不但影響工程的實際進展，對于公交信號的主動優先控制也并不理想[4]。為了彌補上述不足之處，本文著重基于SCATS控制系統設計一種公交信號優先控制系統，提出一種在設置公交專用道條件下的快速公交信號主動優先的控制方法，同時以臨港新片區中運量公交T2線工程為例進行實例驗證。其特征在于結合SCATS控制系統的外部信號干預原理，利用實車運行統計數據精細調控外部信號輸入的時機，從而有效干預SCATS控制系統控制策略的執行。

2 基于SCATS控制系統的主動優先控制機理

2.1 控制機理說明

實施公交主動優先策略，通常的做法是在交叉口上游布設檢測器以感知車輛的到達，通過預判公交車輛由檢測器位置到達交叉口進口停車線行駛時間，結合交叉口當前相位狀態在合適的時間點將優先申請信號發送至交叉口信號控制機。交叉口信號控制機在接收到優先申請信號后，會結合交叉口交通實際需求并在信號控制系統的總體控制下執行相應的控制方案。檢測器的布設位置如圖1所示[1]。

圖1 快速公交主動優先檢測器布設示意圖

檢測器用于判定公交車輛的到達。其設置在交叉口進口停車線上游處，與交叉口公交相位綠燈倒計時和最大綠燈延長時間相關。在具體實踐過程中，不同廠家的信號控制機或交通信號控制系統在接收優先申請信號及執行方案時均有所不同。本文主要基于SCATS控制系統進行有關主動公交優先控制的研究。

SCATS控制系統分兩個層次進行信號控制（定義為戰略控制和戰術控制），以適應交通流量的需求，特別是控制影響路口協調的周期、綠信比和相位差三個重要參數。戰略控制是以區域為基礎計算上述三個參數以決定信號網絡協調的高層控制，由區域控制計算機完成。戰術控制是以路口為基礎，在不違反區域控制計算機制定的戰略控制參數的條件下來滿足路口交通需求的變化，是低一級的控制，由信號控制機完成。中央管理計算機負責控制數據的輸入、采集、監測、分析以及系統的管理等工作。

SCATS控制系統通過戰略控制和戰術控制的結合提供公交信號優先控制功能。戰術控制提供外部優先申請觸發信號的輸入并向戰略控制傳達，根據戰略控制指令具體執行；戰略控制在接受戰術控制的申請后，依據預設的特殊控制先決條件及當前的信號進行邏輯計算，以此向戰術控制下達執行指令及目標控制參數，或下達拒絕指令。

對于戰術控制提供外部優先申請觸發信號的輸入，須額外設計一套設施用于向交叉口信號控制主機發送優先申請信號。而SCATS控制系統路口信號控制機實際僅提供干觸點輸入通道，即僅支持采用開關量接口方式[2]接收公交優先通行請求。

2.2 信號優先控制系統構成

信號優先控制系統按照上述SCATS控制系統公交優先功能的實現方式進行設計。系統基本構成如圖2所示。

圖2 基于SCATS控制系統的快速公交信號主動優先控制系統基本構成示意圖

系統以優先控制主機為核心，輔以路側檢測器完成向SCATS控制系統申請優先通行。優先控制主機主要承擔向信號控制主機發送優先申請信號的任務，具體實現以下三方面功能：

①接收檢測器采集的數據進行車輛運行特征的計算，判斷車輛到達交叉口進口停車線的時間；

②實時采集交叉口交通控制方案的數據，判斷交叉口當前相位狀態及是否處于公交相位倒計時時間區段；

③在特定時刻通過路口信號控制機向SCATS控制系統發出優先申請信號，并接收申請反饋。

3 控制方法

以某一四相位交叉口為例，重點討論基于SCATS控制系統的快速公交交叉口優先通行控制中綠燈延長和紅燈縮短[3]兩種響應方式的控制方法。同時本文僅研究交叉口具有單一公交相位的情況，對于多公交相位的交叉口不在本文討論之列。

3.1 控制模型及關鍵參數分析

如圖3所示，Phase A、Phase B、Phase C及Phase D為交叉口的四個相位及相應相序，其中Phase A為公交相位。

圖3 相位相序示意圖

圖中：

T1— Phase A原綠燈時間開始時刻；

T2— Phase A原紅燈時間開始時刻；

T3— Phase D的綠燈時間開始時刻；

Ta— SCATS控制系統接收到優先請求通知的時刻，等同于優先控制主機發出優先請求時刻；

Tcd— Phase A綠燈時間的倒計時時間段；

Tapply—綠燈時間延長控制可響應時段；即SCATS控制系統僅支持Ta處于Tapply時段內并且收到綠燈延長指令時，才能在Phase A實施綠燈時間延長策略，其余時間區段發出綠燈延長指令則無效。其中，Tapply的結束時刻為Tcd的開始時刻，Tapply的開始時刻可記為Tapply(s)，其需要事先于SCATS控制系統中設定；

Toccupy1— Phase A啟用綠燈延長優先策略時，SCATS控制系統實際給予Phase A的綠燈延長時間，也即相應占用的Phase B的綠燈時間；

Toccupy2— Phase A啟用紅燈縮短優先策略時，SCATS控制系統實際給與Phase A的紅燈縮短時間，也即相應占用的Phase D的綠燈時間；

同時，定義如下參數：

T'1— Phase A啟用紅燈縮短優先策略后，下一周期Phase A綠燈時間的開始時刻；

T'2— Phase A啟用綠燈延長優先策略后，Phase A紅燈時間的開始時刻；

CL— 周期時長；

TL— 優先控制主機獲知車輛到達上游處檢測器的時刻；

ts— 車輛預計到達時間，即從TL時刻起至對象車輛到達交叉口停止線所經歷的時間；由優先控制主機根據相應規則計算；

3.2 控制模型參數計算

3.2.1 約束條件

受現有優先控制系統及工程條件的相關限制，將下列約束條件列為研究前提：

①SCATS控制系統在一個信號周期內至多響應1次優先通行請求；在一個信號周期內系統沒有其它特殊控制策略影響公交優先控制；

②優先控制主機無法實時精確獲知交叉口信號狀態的讀秒時刻，但能通過采集信號燈的燈色變化判斷當前時刻所處的相位狀態及是否處于當前相位綠燈的倒計時區段；

③Toccupy1、Toccupy1因分別受到Phase B、Phase D飽和度（于綠燈時間被占用后）及必要綠燈時間（如倒計時時間）等的限制而存在一個最大值，可分別記為Toccupy1(M)、Toccupy2(M)。其根據交叉口實際流量情況及交通管控需求事先約定。

3.2.2 控制方法核心要素及關鍵參數求解

首先定義優先控制主機和路口信號控制機間至少有2路開關量通路連接。優先控制主機通過該2路通道單向通知路口信號控制機：開關量1代表綠燈延長；開關量2代表紅燈縮短。

預設SCATS控制系統的Tapply（s），可令Tapply=toccupy1（M），則有

由優先控制主機確定Ta，則有

由優先控制主機進行判斷并發出優先請求：

SCATS控制系統同步于Ta時刻收到優先控制主機發出的開關量后，進行如下判斷及回復：

當收到開關量1，且Ta處于Tapply區段，即時，Phase A啟用綠燈延長優先策略，此時有：，由公式（1）和公式（2），得到：

當收到開關量1，而Ta不在Tapply區段時，優先請求失敗；

當次車輛ts的計算，由于受到車輛工況、駕駛行為、道路條件、L0位置等多個因素的影響，較難精準計算。國內大多設定車輛以近似勻速運行的條件進行L0、ts的相關研究。本文給出ts的基于車輛運行統計數據的一種迭代確定的工程方法，可應用于優先控制主機主程序的自主運算。

首先可設計檢測器采用RFID[4]方式檢測識別車輛。通過車載電子標簽及安裝于路側的閱讀器實現數據通信，能夠采集車輛當前身份、運行速度等重要數據，其中運行速度對于求解ts至關重要。

在圖1基礎上再增加一組檢測器2，如圖4所示，檢測器2位于停車線處，優先控制主機用于標識車輛到達停車線的時刻T'L。

圖4 用于標識到達交叉口時刻的快速公交優先檢測器布設示意圖

其次確定L0，由于公交車輛行駛的不確定性，在工程條件允許的情況下，L0需要根據實際情況確定，可利用優先控制主機算法控制延長優先申請呼叫時刻，從而綜合考慮L0的取值。這里假設車輛由檢測器位置行駛至下游交叉口停車線的平均速度為(可綜合調查實際項目中運營車輛運行情況或目標速度確定其取值）。于是可令[5]。

定義車輛經過L0時的瞬時速度為（由RFID閱讀器采集得到，單位精確到0.1米/秒），實際存在j個不同的v值，以步進制表，設計表 1如下所示。

表1 v-ts映射統計表

tij（i、j取正整數）表示車輛以速度vj第i次通過RFID檢測器1后，到達停車線的時間，有

填入表 1；

于是，當時，可近似得到：

由優先控制主機維護表 1，持續記錄tij并迭代ts。設定當時公式（6）演進為：

3.2.3 交叉口進口道有公交站臺的處理

實際的快速公交線路中，交叉口進口道附近設置有公交站臺的情況普遍存在。由于車輛在站臺?？繒r間的不確定性，L0及ts的取值將受到較大影響，上述控制方法需要進行優化。

在圖1基礎上再增加1組RFID檢測器3，布設如圖5所示。

圖5 進口道設有公交站臺的快速公交優先檢測器布設示意圖

RFID檢測器3設置在站臺頭部。L1依賴于站臺建設的位置和幾何尺寸。RFID檢測器3可用于判定公交車輛的到達和優先申請呼叫時刻的參照，利用優先控制主機算法控制延長優先申請呼叫時刻，從而模擬無站臺情況下，車輛到達L0的近似場景。

L0的取值沿用上述控制方法不變。通過RFID檢測器1可獲取車輛身份信息，能夠用于判定車輛是否為跨站運營。如果是，則控制方法不變。如果不是，則有如下方法：

重新定義TL— 優先控制主機獲知車輛到達RFID檢測器3的時刻；T'1則不發生變化，于是，公式（1）、（2）、（3）、（4）均成立。

設ti（i為整數）表示車輛第i次通過RFID檢測器3且停站后，到達停車線所經過的時間，設計表 2如下所示。

表2 ti統計表

有

填入表 2于是，可近似得到：

由優先控制主機維護表2，持續記錄ti并迭代ts。設定當時，公式（9）演進為：

4 控制方法的系統實現

參照圖2及上述控制方法，設計如圖6優先控制系統：

圖6 優先控制系統設計示意圖

優先控制主機與3組RFID檢測器以千兆以太網組網，后臺配套設計1套公交信號優先管理系統，用于提供信號狀態展示，數據統計分析等輔助功能。

梳理控制方法的主要業務流程如下：

第一步，車輛到達RFID檢測器1位置，車載標簽與路側閱讀器進行數據交互，閱讀器采集車輛身份、速度等數據，確認車輛到達；

第二步，閱讀器通過計算機網絡將采集數據發送至優先控制主機，觸發優先控制主機主程序；主程序首先根據當前車輛身份判定車輛是否停站及車輛在交叉口的通行相位并記錄；

第三步，優先控制主機主程序依據是否停站選擇開始公交信號優先策略計算及確定向路口信號控制機發起優先申請呼叫的時刻（以車輛到達RFID檢測器1位置或車輛到達RFID檢測器3作為參照），依據該時刻進入主程序后續控制流程；

第四步，優先控制主機主程序以輸出開關量信號方式觸發路口信號控制機（發起優先申請）；

第五步，路口信號控制機接收到開關量信號后，按照“2.1控制機理說明”章節描述的基于SCATS控制系統戰略控制和戰術控制的公交信號優先功能機理完成整個業務流程。

實現上述控制方法的核心業務流程如圖7所示。

圖7 控制方法實現的核心業務流程

5 案例分析

上海臨港新片區中運量公交T2線是設置公交專用道的快速公交線路，列車采用膠輪低地板數字軌道導向電車（DRT）。工程線路總長度為8.7km，途經16個信號控制交叉口，均采用SCATS控制系統，工程對其中13個交叉口實施了主動優先控制策略。本文利用列車運行調度控制系統提供的列車定位數據計算列車全線的旅行時間，對比實施主動優先控制策略前后的運行情況，驗證基于SCATS控制系統的快速公交信號主動優先控制方法及系統的實現效果。

分別選取2022年10月16日～2022年10月30日（實施主動優先控制策略前），2022年12月30日～2023年1月13日兩個時間片段（實施主動優先控制策略后）的早高峰（7:00-9:00），晚高峰（17:00-19:00），平峰（15:00:00-17:00）及低峰（22:00-24:00）時段，分別對列車的平均旅行時間進行分析計算，實施主動優先控制策略前后的對比效果如表3所示。

表3 實施主動優先控制策略前后效果對比分析

通過表3可以看出，在采用了主動優先控制方法，實施了優先控制策略后，能有效降低列車的平均旅行時間。其中，早晚高峰時段上行線路平均節省約13.6%和12.8%，下行線路平均節省約21.9%和16.6%；平峰時段上行線路平均節省約12.7%，下行線路平均節省約17.9%；低峰時段上行線路平均節省約5.4%，下行線路平均節省約9.9%。

6 結論

本文結合SCATS控制系統進行公交信號優先控制的工作機理，針對國內在利用SCATS控制系統進行快速公交信號優先工程實踐中偏重于經驗調試的現狀，提出一種公交信號優先控制方法，并在該方法基礎上設計了一套控制系統。系統彌補了在檢測到目標車輛到來后無法科學確定外部信號干預SCATS控制系統最佳時間窗口的不足，尤其對進口道附近設置有公交站臺的情況做了相應優化。系統依托上海臨港新片區中運量公交T2線工程進行了實踐，并利用列車定位數據進行分析計算，結果表明該系統完全適用于公交專用道場景下公交信號優先控制的工程實施，對提升公交專用道車輛運行速度效果顯著。