信號交叉口的公交優(yōu)先控制方法研究

（東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京 210000）

0 引 言

公交優(yōu)先發(fā)展模式符合當(dāng)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(fā)展特征．研究道路交叉口公交優(yōu)先控制策略能夠為公交優(yōu)先導(dǎo)向的城市交通發(fā)展戰(zhàn)略提供技術(shù)保障，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義．公交優(yōu)先的技術(shù)保障主要體現(xiàn)在公交車輛運行的路權(quán)優(yōu)先，具體表現(xiàn)為空間優(yōu)先和時間優(yōu)先兩方面．隨著國家的對于公交優(yōu)先的重視，不少城市都已經(jīng)建設(shè)好了一些公交直行專用道，但由于信號周期與信號相位設(shè)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(yōu)先并沒有取得應(yīng)有的效率．

本文主要針對在以保證空間優(yōu)先的直通式公交專用道上的一種公交優(yōu)先技術(shù)．即運用光傳感器作為信號檢測設(shè)備及信號開關(guān)，通過Class A藍(lán)牙進行設(shè)備傳輸，以及RS-232模塊的單片機作為信號處理設(shè)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(fā)射接收裝置、信號處理器和藍(lán)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(yīng)車道上1.5個標(biāo)準(zhǔn)公交車長距離內(nèi)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(jié)束，信號燈開始工作，同時向后發(fā)送信號給下一輛公交，依次類推，直至第一輛車產(chǎn)生最終計數(shù)器的值，將該值發(fā)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(jié)束時延長綠燈時間進行優(yōu)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(yōu)先行使權(quán)．

2 技術(shù)領(lǐng)域及背景技術(shù)

本方法屬于交通信號裝置技術(shù)領(lǐng)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(xiàn)代化的進程，各類汽車的數(shù)量持續(xù)增加，導(dǎo)致了部分城市嚴(yán)重的交通擁堵．而大力發(fā)展公共交通是解決這一現(xiàn)狀問題的最佳方案之一．而公交車優(yōu)先行駛是其中投資少，見效快，綠色環(huán)保的方案．

隨著國家的對于公交優(yōu)先的重視，不少城市都已經(jīng)建設(shè)好了一些公交直行專用道，但由于信號周期與信號相位設(shè)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(yōu)先并沒有取得應(yīng)有的效率．導(dǎo)致公交乘客的數(shù)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(fā)嚴(yán)重．伴隨著藍(lán)牙技術(shù)近十年發(fā)展迅速并已十分成熟，尤其在電子通訊及計算機硬件領(lǐng)域運用廣泛，由于藍(lán)牙抗干擾能力強，點對點連接，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方便的特點，將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于公交優(yōu)先技術(shù)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(tǒng)的公交車優(yōu)先保證是針對單體的公交優(yōu)先，保證了一輛公交在交叉口優(yōu)先通行的同時，調(diào)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(shè)計，考慮到了公交車在交叉口載客量的加權(quán)．測試到這一方向上的公交車達(dá)到了3輛甚至以上時才會進行針對性的相位變換．

3 優(yōu)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(shè)有公交專用道的城市道路，針對車輛數(shù)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(yōu)先通過，如圖 1，其實現(xiàn)為：

3.1 裝置設(shè)備

在城市大型交叉口信號燈處安裝組合單片機的DSP數(shù)字信號處理設(shè)備，藍(lán)牙傳輸設(shè)備，光電信號發(fā)射接收裝置，由DSP數(shù)字信號處理系統(tǒng)調(diào)度控制信號燈相應(yīng)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(lián)系

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

3.3 車載設(shè)備

公交車上還裝載藍(lán)牙傳輸設(shè)備和單片機，藍(lán)牙傳輸設(shè)備[2]等級class A，通過RS-232模塊連接單片機，藍(lán)牙傳輸設(shè)備用于信號燈與車，車與車間傳遞車輛數(shù)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(shù)功能，可采用51系列為核心的簡單計數(shù)系統(tǒng)，完成對車輛數(shù)信息的計數(shù)．

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(fā)射接收裝置的光電信號發(fā)射位置位于公交專用道停車線后1.5個車長處，當(dāng)信號燈處于距離綠燈結(jié)束5秒，以及在紅燈開始時啟動信號燈光電信號發(fā)射接收裝置，綠燈結(jié)束時及距紅燈停止前10秒裝置關(guān)閉信號燈的光電信號發(fā)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(lián)系建立于藍(lán)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(dāng)安裝有光電信號發(fā)射接收裝置的第一輛公交車進入路口信號燈的信號發(fā)射范圍時，由設(shè)置的路口信號燈光電信號發(fā)射接收裝置向此公交發(fā)射光電信號，公交接收到信號后啟動藍(lán)牙傳輸設(shè)備并與信號燈的藍(lán)牙傳輸設(shè)備進行點對點連接，同時向后車?yán)^續(xù)發(fā)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(lán)牙裝置，與前車建立點對點連接，并繼續(xù)向后發(fā)送信號，依此類推．

上一步的動作持續(xù)至某一輛公交后不再有公交，此時最后一輛公交計數(shù)器值將置為 1，利用已建立連接的藍(lán)牙傳輸向前傳遞車輛數(shù)信號，該車傳遞結(jié)束后藍(lán)牙關(guān)閉并計數(shù)器值清零，依次類推，每向前車傳遞一次數(shù)量信息，計數(shù)器值加 1，傳遞后該車藍(lán)牙關(guān)閉并計數(shù)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(shù)量信息，得到公交車隊列的車輛數(shù)n，將其用藍(lán)牙傳遞給信號燈上的DSP數(shù)字信號處理設(shè)備．

信號燈的DSP數(shù)字信號處理設(shè)備處理接收到的公交車數(shù)量信息n，并對其進行判斷，若車輛數(shù)小于3輛，則維持原信號燈的信號配時不變，若車輛數(shù)大于等于3輛，激發(fā)內(nèi)部預(yù)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(shù)字信號處理設(shè)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(shù)

L：該城市公交車平均長度

D：連續(xù)行駛車流車頭間距

v：該路段公交車平均行駛速度

上述數(shù)據(jù)L、D、v由相關(guān)交通部門調(diào)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(lán)牙傳輸設(shè)備傳輸延時信息，對路口其他信號燈進行相應(yīng)的信號配時調(diào)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(shù)字信號處理設(shè)備調(diào)整信號燈于10秒后紅燈提前結(jié)束，通過藍(lán)牙傳輸設(shè)備傳輸時間調(diào)整信息，其他方向的信號燈的DSP數(shù)字信號處理設(shè)備控制信號配時做相應(yīng)調(diào)整．信號燈的時間調(diào)整處理配時完成后，各信號燈的DSP數(shù)字信號處理設(shè)備控制恢復(fù)原信號配時．

當(dāng)相互交叉的通行方向的公交車隊列信息同時到達(dá)信號燈的DSP數(shù)字信號處理設(shè)備時，在車輛數(shù)都大于等于3的情況下，以綠燈相位信號優(yōu)先，即若兩個交叉的交通方向的公交車隊列信號同時到達(dá)，并且兩個交通方向公交車數(shù)皆大于等于三輛，則優(yōu)先讓5秒內(nèi)綠燈方向的直行公交車隊優(yōu)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(lán)牙傳輸系統(tǒng)上的，即公交車之間通過藍(lán)牙傳輸設(shè)備傳輸公交車的狀態(tài)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(fā)生意外，公交司機可以通過藍(lán)牙傳輸設(shè)備向車隊中前后車輛發(fā)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(lián)絡(luò)使得公交間互相幫助，增強了路面間行駛安全．

圖1 公交優(yōu)先控制原理示意圖

下面結(jié)合圖 2～3對本方法的方法作進一步詳細(xì)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(tài)．

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(fā)射信號判斷該道路上的有效距離內(nèi)有無公交車進入．

c：當(dāng)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(nèi)時，公交車光電信號發(fā)射接收裝置接收到信號燈光電信號發(fā)射接收裝置發(fā)出的識別信息．

d：若當(dāng)前狀態(tài)處于紅燈期間且剩余紅燈時間不少于10s，則執(zhí)行步驟e，若處于綠燈剩余時間少于5秒狀態(tài)，如圖2，執(zhí)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(nèi)的步驟．圖2顯示的是紅燈狀態(tài)，第一輛公交車的光傳感器接收到由信號燈光傳感器發(fā)出的信號，做出以下動作：

圖3 光電信號傳輸?shù)脑韴D

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(fā)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(lán)牙之間的聯(lián)系確定公交車隊車輛數(shù)，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(dāng)其后的公交車進入公交車之間信號傳輸距離即一個標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙交流．公交車單片機計數(shù)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(shù)器參量值n均為0，不產(chǎn)生計數(shù)效果，當(dāng)最后一輛公交車向后發(fā)射信號而無回應(yīng)時，最后一輛公交車的計數(shù)器n值變?yōu)?，并且用藍(lán)牙設(shè)備開始向前傳遞參數(shù)n，傳遞參數(shù)器后計數(shù)器初始化，藍(lán)牙設(shè)備重新變?yōu)榇龣C狀態(tài)．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(shù)，借助于公交 1與信號燈處信息處理系統(tǒng)之間的單獨交流，將n值傳輸給信號燈信息處理系統(tǒng)后，公交1的信號處理器也初始化．

h：信號燈信息處理系統(tǒng)完成對綠燈提前亮燈的系統(tǒng)判斷和執(zhí)行．具體操作如下：上述步驟g已經(jīng)完成車輛數(shù)的計算，信號燈信息處理系統(tǒng)對接受到的數(shù)據(jù)n進行判斷，若n大于等于3時，判斷完畢，則使紅燈再執(zhí)行10秒即變?yōu)榫G燈提前放行公交車隊，而后信號燈計數(shù)器n值初始化．若n小于3，則執(zhí)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(nèi)的步驟．邏輯圖顯示的是當(dāng)前狀態(tài)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(lián)系，此時可計算出公交車車隊的車輛數(shù)n．

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

k：根據(jù)車輛數(shù)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(jù)計算所得的綠燈延長時間進行延長，同時信號燈計數(shù)器初始化，藍(lán)牙待機．

m：在進行以上步驟的過程中，情況 i的執(zhí)行優(yōu)先級大于情況d的優(yōu)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(xiàn)公交車，并通過以上步驟判斷得車隊中車輛數(shù)量均滿足公交優(yōu)先通行的要求，即都大于等于3輛，則優(yōu)先保證當(dāng)前綠燈方向的情況執(zhí)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(dá)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(shù)據(jù)傳輸?shù)脑韴D，光電傳感器的大體原理如下：采用數(shù)字調(diào)制方式，通過傳感器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號向外發(fā)射，光信號發(fā)射器的調(diào)制光工作在紅外光譜區(qū)，波長可取 880mm，這樣可大大減少周圍環(huán)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(diào)器、自動增益控制電路等部分組成．在信號發(fā)射的時候，命令輸入光電連結(jié)器，進而進入調(diào)節(jié)器，同時校準(zhǔn)器處輸入一個校準(zhǔn)電壓，在調(diào)節(jié)器中整合調(diào)節(jié)，讓傳輸?shù)拿顢?shù)據(jù)搭載上光信號進入發(fā)射器發(fā)射，對于公交車隊列，這里傳輸?shù)拿顬榍耙惠v公交車發(fā)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(zhuǎn)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(fā)送．

4 邏輯控制

說明：邏輯圖1展示的是公交到達(dá)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(dá)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