基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合型道路快速公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

應(yīng)世杰，鳳鵬飛，梁子君

(1.北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 交通管理與信息工程系，北京 102600；2.安徽三聯(lián)學(xué)院 交通工程學(xué)院，合肥 230601；3.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，合肥 230088)

0 引言

快速公交系統(tǒng)(BRT)作為一種新型的公共交通方式，是一種介于快速軌道交通與常規(guī)公交之間的新型公共客運(yùn)系統(tǒng)，它具有建設(shè)周期短、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。在城市交通壓力越來越大的現(xiàn)實(shí)情況下，BRT作為解決交通壓力的第一選擇，已在我國四十余座城市建設(shè)了運(yùn)營系統(tǒng)，還有更多的城市正在規(guī)劃設(shè)計(jì)中。但是很多城市市區(qū)內(nèi)道路較為擁擠，無法為快速公交車輛開辟專用車道(專用路)，BRT車輛與其他車輛一起使用現(xiàn)有的道路，無法提供“空間優(yōu)先”；同時(shí)由于市區(qū)內(nèi)信號(hào)燈設(shè)置較為密集，且基本沒有實(shí)行公交信號(hào)優(yōu)先控制，無法實(shí)現(xiàn)“時(shí)間優(yōu)先”，致使快速公交車不能快速行駛[1]。針對(duì)混合型道路快速公交系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先控制問題，借鑒國外BRT成功運(yùn)行模式，結(jié)合我國城市交通發(fā)展實(shí)際現(xiàn)狀，建設(shè)具有我國特色的BRT，對(duì)于解決城市道路擁堵導(dǎo)致的出行難問題具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無限傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是IT領(lǐng)域一種新的信息收集、處理技術(shù)，它在很多方面得到應(yīng)用。在已有的交通設(shè)備中增加WSN技術(shù)，將可以提高道路交通工作效率，在一定程度上緩解交通壓力。智能交通系統(tǒng)(ITS)的突出特點(diǎn)是以交通信息的收集、傳遞、發(fā)布和應(yīng)用為主線，為公共交通提供多樣性服務(wù)的系統(tǒng)。WSN可以為交通信息的收集、傳遞提供一種高效手段，可用于采集車流量、車速等信息。

2 公交信號(hào)優(yōu)先控制理論

2.1 公交優(yōu)先控制策略

目前公交優(yōu)先采用的控制方式主要有被動(dòng)信號(hào)技術(shù)、主動(dòng)信號(hào)技術(shù)等[2]。

2.1.1 被動(dòng)信號(hào)技術(shù)

通過修改現(xiàn)有的交通信號(hào)系統(tǒng)，可以提高快速公交運(yùn)行速度，這主要適用于具有公交專用道路的系統(tǒng)。為了避免多相位控制，系統(tǒng)采用兩相位和較短的信號(hào)周期，以減少快速公交車輛的紅燈等待時(shí)間，提高車輛通過路口的效率。

2.1.2 主動(dòng)信號(hào)技術(shù)

當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)感知到快速公交駛臨路口時(shí)，主動(dòng)為車輛延長當(dāng)前綠燈時(shí)間或提前變換綠燈。主動(dòng)信號(hào)優(yōu)先可以進(jìn)一步減少快速公交車輛的運(yùn)行時(shí)間，它特別適合沒有專用公交車道的情況，也同樣適用有公交專用道的BRT車輛。

2.2 公交信號(hào)優(yōu)先措施[1，3]

公交信號(hào)優(yōu)先是指信號(hào)控制系統(tǒng)檢測(cè)到有公交車輛即將行駛至信號(hào)控制路口時(shí)，向信號(hào)控制系統(tǒng)發(fā)出公交優(yōu)先申請(qǐng)，控制信號(hào)使該公交車優(yōu)先通過路口。公交優(yōu)先的具體技術(shù)措施主要有信號(hào)提前、信號(hào)延時(shí)和插入相位等。

(1)信號(hào)提前。當(dāng)車輛在非綠燈時(shí)間到達(dá)路口時(shí)，系統(tǒng)盡量縮短其他方向信號(hào)燈時(shí)間，提前給綠燈信號(hào)。

(2)信號(hào)延時(shí)。當(dāng)公交車輛在綠燈即將結(jié)束時(shí)到達(dá)路口，控制系統(tǒng)根據(jù)公交車輛預(yù)計(jì)到達(dá)停止線的時(shí)間作為延長信號(hào)綠燈時(shí)間的依據(jù)，確保公交車輛在當(dāng)前綠燈段通過路口。

(3)插入相位。當(dāng)車輛在非綠燈時(shí)間到達(dá)路口時(shí)，且緊接著的相位仍不能放行，系統(tǒng)在當(dāng)前相位后插入一個(gè)相位放行公交車輛。

2.3 常用的BRT車輛偵測(cè)技術(shù)[1，3，4]

在信號(hào)控制路口，系統(tǒng)將通過各種偵測(cè)技術(shù)檢測(cè)BRT車輛，并將信息傳送到路口信號(hào)機(jī)，通過提前發(fā)出綠燈信號(hào)、延長綠燈時(shí)間、插入相位等方式實(shí)現(xiàn)公交車輛優(yōu)先。目前常用的車輛感知技術(shù)主要有線圈技術(shù)、GPS技術(shù)、射頻技術(shù)等。

(1)線圈技術(shù)。在道路交叉口附近布設(shè)線圈傳感器，當(dāng)車輛壓過傳感器時(shí)，信號(hào)機(jī)采集到傳感器信號(hào)，采取快速公交信號(hào)優(yōu)先控制策略。但應(yīng)用中傳感器無法區(qū)分哪些是快速公交車輛。

(2)GPS技術(shù)。利用移動(dòng)通訊技術(shù)實(shí)時(shí)將車輛位置信號(hào)傳輸給信號(hào)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)緯度判斷是否給快速公交優(yōu)先信號(hào)。但存在以下問題：GPS信號(hào)遮擋將導(dǎo)致系統(tǒng)無法判斷車輛位置；對(duì)于小間距路口，GPS精度無法保證；移動(dòng)通訊存在一定延遲，無法準(zhǔn)確判斷車輛到來。

(3)射頻技術(shù)。射頻技術(shù)是在信號(hào)系統(tǒng)中添加射頻讀卡器，當(dāng)安裝有射頻傳感器的車輛駛?cè)胪ㄓ嵎秶鷥?nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判斷出BRT車輛到達(dá)信號(hào)路口，給予信號(hào)優(yōu)先。射頻技術(shù)一定程度上解決了線圈技術(shù)、GPS技術(shù)存在問題，但射頻技術(shù)通訊距離偏短，在工程應(yīng)用中存在一定局限。

3 BRT信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)的組成

BRT信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)主要由BRT信號(hào)優(yōu)先控制管理和效益分析平臺(tái)、BRT車輛(含車載設(shè)備)、聯(lián)網(wǎng)型智能交通信號(hào)控制機(jī)、交通控制指揮中心、微波傳感器、射頻車載設(shè)備、BRT專用信號(hào)燈等組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.2 基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線短距通訊，由車載ZED和路側(cè)接收器(ZC，ZR兩種)組成。當(dāng)載有ZED的車輛駛近安裝在路口的ZigBee接收器時(shí)，接收器將接收到的信息傳輸給信號(hào)燈控制系統(tǒng)，對(duì)快速公交車輛進(jìn)行信號(hào)優(yōu)先放行。為了提高系統(tǒng)的可靠性，路口安裝有多個(gè)ZC，ZR。

3.3 RFID車輛定位系統(tǒng)

RFID車輛定位系統(tǒng)分為車載RFID辨識(shí)器和路邊有源電子標(biāo)簽，辨識(shí)器通訊距離通過軟件可調(diào)(3～50 m)。當(dāng)快公交車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，辨識(shí)器可以與路側(cè)標(biāo)簽通信，同時(shí)將信息發(fā)送給車載移動(dòng)終端。標(biāo)簽的安裝很簡單，僅需要安裝在BRT車道雙向隔離帶的金屬桿件上，無需綜合布線。

3.4 路口交通參數(shù)檢測(cè)

為了讓系統(tǒng)更好地服務(wù)于道路交叉口的通行車輛，在各入口安裝微波檢測(cè)器，對(duì)交通流、排隊(duì)長度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，微觀地反映交通流狀況。

3.5 車載移動(dòng)終端

車載移動(dòng)終端設(shè)備包括GPS模塊/BDS(中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))模塊、無線通信模塊、車輛進(jìn)出路口的定位模塊和顯示屏，并需要接入公交車輛的開關(guān)門信號(hào)。車載移動(dòng)終端需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：一是發(fā)送車輛優(yōu)先請(qǐng)求信息，二是對(duì)車輛進(jìn)出站和進(jìn)出路口進(jìn)行判定，三是接收并顯示信號(hào)機(jī)的紅綠燈時(shí)間信息。車載移動(dòng)終端主控模塊選用ARM7芯片作為主控CPU，主頻72 MHz，自帶48 KB SRAM，最多支持5個(gè)USART接口，車載移動(dòng)終端電路結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2，圖3所示。

圖2 車載移動(dòng)終端電路結(jié)構(gòu)

圖3 車載移動(dòng)終端結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

3.6 路口信號(hào)控制智能處理模塊及控制策略[5]

路口信號(hào)控制智能處理模塊結(jié)合路口實(shí)時(shí)排隊(duì)長度等交通流量數(shù)據(jù)，優(yōu)化組合出公交優(yōu)先的信號(hào)控制方案，控制程序流程如圖4所示。

圖4 路口信號(hào)控制程序流程圖

信號(hào)控制機(jī)除具備交通信號(hào)控制自主優(yōu)化和機(jī)柜電氣一體化等基本功能外，還具備與無線通訊設(shè)備通信的接口和在不同交通環(huán)境狀態(tài)下的公交優(yōu)先控制策略算法處理能力，同時(shí)包含用于控制快速公交專用信號(hào)燈的驅(qū)動(dòng)板。

系統(tǒng)采用主動(dòng)優(yōu)先控制模式，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知到快速公交車輛到達(dá)時(shí)，以路口交通流狀況和BRT車輛運(yùn)行狀態(tài)為主要依據(jù)，通過信號(hào)提前、信號(hào)延時(shí)、插入專用相位三種方式，給予BRT車輛信號(hào)優(yōu)先。

4 試驗(yàn)應(yīng)用及效果分析

徽州大道快速公交1號(hào)線是合肥市的第一條大容量快速公交線路，它的始發(fā)站在濱湖公交站，終點(diǎn)站在市府廣場(chǎng)，全程約13 km，共設(shè)11座公交站，平均站距1 180 m。試驗(yàn)公交線路如圖5所示，試驗(yàn)設(shè)備安裝如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)公交線路圖

圖6 試驗(yàn)設(shè)備安裝圖

目前將徽州大道與黃山路、太湖路、望江路、錦繡大道、紫玉路5個(gè)交叉路口作為試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)試公交優(yōu)先控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果?？焖俟?號(hào)線上的5輛車進(jìn)行了為期一個(gè)月的試運(yùn)行。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，BRT車輛行駛到路口遇見非綠燈幾率為68%。應(yīng)用公交優(yōu)先控制系統(tǒng)前，單個(gè)路口的平均等待時(shí)間約為38 s，應(yīng)用公交優(yōu)先控制系統(tǒng)后單個(gè)路口的平均等待時(shí)間約為26 s，等待時(shí)間減少了約30%。應(yīng)用公交優(yōu)先控制系統(tǒng)后，公交車輛在試驗(yàn)路段(黃山路-望江路、紫云路-錦繡大道)的運(yùn)行時(shí)間縮短了約36 s和24 s。

5 結(jié)論與展望

道路交叉口是城市交通的結(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是公交車輛運(yùn)行是否暢通的關(guān)鍵點(diǎn)，公交優(yōu)先控制系統(tǒng)為解決公交車輛通過交叉口的難題提供了重要技術(shù)手段。本項(xiàng)目采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)公交車輛精確定位檢測(cè)、車輛與交叉口的信息交互，最終達(dá)到了提高公交的運(yùn)行速度的目的，取得了良好的社會(huì)效益，具有很好的推廣價(jià)值。