信号交叉口的公交优先控制方法研究

（东南大学交通学院，江苏南京 210000）

0 引 言

公交优先发展模式符合当前我国人口密集，土地集约化利用、小汽车持有量日益增长的城市发展特征．研究道路交叉口公交优先控制策略能够为公交优先导向的城市交通发展战略提供技术保障，具有重要的理论价值和现实意义．公交优先的技术保障主要体现在公交车辆运行的路权优先，具体表现为空间优先和时间优先两方面．随着国家的对于公交优先的重视，不少城市都已经建设好了一些公交直行专用道，但由于信号周期与信号相位设置的不合理，公交车仍要遵守固定的红绿灯信号，因而公交优先并没有取得应有的效率．

本文主要针对在以保证空间优先的直通式公交专用道上的一种公交优先技术．即运用光传感器作为信号检测设备及信号开关，通过Class A蓝牙进行设备传输，以及RS-232模块的单片机作为信号处理设备来对信号相位进行处理以提高公交车通行效率．

1 方法简介

一种针对直通式公交专用道的交通信号灯控制方法，通过光电信号发射接收装置、信号处理器和蓝牙模块的综合使用，完成信号灯控制，每辆公交车上装有一样的信号处理器，信号灯只与对应车道上1.5个标准公交车长距离内的公交车进行点对点的信号交流，公交车与相邻的公交车通过点对点之间的交流，若红灯或绿灯时间即将结束，信号灯开始工作，同时向后发送信号给下一辆公交，依次类推，直至第一辆车产生最终计数器的值，将该值发送给信号灯的处理器，若该值大于等于 3，则在红灯时提前绿灯或绿灯即将结束时延长绿灯时间进行优化．本方法通过对信号灯的控制，减短了公交车等待红灯的时间，在绿灯上给予公交车优先行使权．

2 技术领域及背景技术

本方法属于交通信号装置技术领域，为一种针对直通式公交专用道的交通信号灯控制方法．

随着现代化的进程，各类汽车的数量持续增加，导致了部分城市严重的交通拥堵．而大力发展公共交通是解决这一现状问题的最佳方案之一．而公交车优先行驶是其中投资少，见效快，绿色环保的方案．

随着国家的对于公交优先的重视，不少城市都已经建设好了一些公交直行专用道，但由于信号周期与信号相位设置的不合理，公交车仍要遵守固定的红绿灯信号，因而公交优先并没有取得应有的效率．导致公交乘客的数量依旧未能增加，而私家车的持有量急剧上升，因而城市交通拥堵问题越发严重．伴随着蓝牙技术近十年发展迅速并已十分成熟，尤其在电子通讯及计算机硬件领域运用广泛，由于蓝牙抗干扰能力强，点对点连接，数据传输技术方便的特点，将蓝牙技术应用于公交优先技术将有效缓解交通拥堵问题，提高公交车的运行效率．

因为传统的公交车优先保证是针对单体的公交优先，保证了一辆公交在交叉口优先通行的同时，调整了信号灯灯相位，常常会影响其他车的通行，从对最大载客通行量保证的角度上看，不一定起到了最佳作用[1]．

然而此种设计，考虑到了公交车在交叉口载客量的加权．测试到这一方向上的公交车达到了3辆甚至以上时才会进行针对性的相位变换．

3 优先控制过程

本方法适用于大型城市中车流量，尤其是公交车流量较大的设有公交专用道的城市道路，针对车辆数大于等于3辆的直行方向公交车队列，控制信号灯信号相位，使得公交车优先通过，如图 1，其实现为：

3.1 装置设备

在城市大型交叉口信号灯处安装组合单片机的DSP数字信号处理设备，蓝牙传输设备，光电信号发射接收装置，由DSP数字信号处理系统调度控制信号灯相应配时程序的功能，路口各信号灯之间有线连接，相互传递信息．

3.2 公交间联系

每辆公交车首尾安装光电信号发射接收装置，保证公交车与信号灯的光电信号发射接收装置，以及公交间的光电信号发射接收装置能够完成信息联系．

3.3 车载设备

公交车上还装载蓝牙传输设备和单片机，蓝牙传输设备[2]等级class A，通过RS-232模块连接单片机，蓝牙传输设备用于信号灯与车，车与车间传递车辆数信息，还可以扩展到公交车间行驶状况信息的相互传递，单片机具有计数功能，可采用51系列为核心的简单计数系统，完成对车辆数信息的计数．

3.4 光电信号传输[3]

利用光电信号直线传播的特点，信号灯光电信号发射接收装置的光电信号发射位置位于公交专用道停车线后1.5个车长处，当信号灯处于距离绿灯结束5秒，以及在红灯开始时启动信号灯光电信号发射接收装置，绿灯结束时及距红灯停止前10秒装置关闭信号灯的光电信号发射接收装置．

以第一个接收并且建立连接的公交车作为公交车队的第一辆公交车，而此后的联系建立于蓝牙传输，车队与信号灯的信息交流便建立在这第一辆公交车和信号灯上．

3.5 信号控制

当安装有光电信号发射接收装置的第一辆公交车进入路口信号灯的信号发射范围时，由设置的路口信号灯光电信号发射接收装置向此公交发射光电信号，公交接收到信号后启动蓝牙传输设备并与信号灯的蓝牙传输设备进行点对点连接，同时向后车继续发射信号，若其后有公交车，且公交车间距离小于等于一个公交车身长，则后车将启动蓝牙装置，与前车建立点对点连接，并继续向后发送信号，依此类推．

上一步的动作持续至某一辆公交后不再有公交，此时最后一辆公交计数器值将置为 1，利用已建立连接的蓝牙传输向前传递车辆数信号，该车传递结束后蓝牙关闭并计数器值清零，依次类推，每向前车传递一次数量信息，计数器值加 1，传递后该车蓝牙关闭并计数器值清零，直到公交车队列的第一辆车收到后面车传递的车数量信息，得到公交车队列的车辆数n，将其用蓝牙传递给信号灯上的DSP数字信号处理设备．

信号灯的DSP数字信号处理设备处理接收到的公交车数量信息n，并对其进行判断，若车辆数小于3辆，则维持原信号灯的信号配时不变，若车辆数大于等于3辆，激发内部预先存储好的相位模式[4]：

1）若此时公交车队列的通行方向的信号灯为绿灯相位，则 DSP数字信号处理设备控制绿灯延时，绿灯延时时间[5]为：

T=[n×L+(n-1)×(D-l)]÷v+3

其中，D=0.09v2-0.67v+14.805

T：绿灯延时闪烁时间

n：公交车队中公交车数

L：该城市公交车平均长度

D：连续行驶车流车头间距

v：该路段公交车平均行驶速度

上述数据L、D、v由相关交通部门调查测量获得，或者采用该市公交车平均行驶速度获得；延时的同时通过蓝牙传输设备传输延时信息，对路口其他信号灯进行相应的信号配时调整；

2）若此时公交车队列的通行方向的信号灯为红灯相位，则由DSP数字信号处理设备调整信号灯于10秒后红灯提前结束，通过蓝牙传输设备传输时间调整信息，其他方向的信号灯的DSP数字信号处理设备控制信号配时做相应调整．信号灯的时间调整处理配时完成后，各信号灯的DSP数字信号处理设备控制恢复原信号配时．

当相互交叉的通行方向的公交车队列信息同时到达信号灯的DSP数字信号处理设备时，在车辆数都大于等于3的情况下，以绿灯相位信号优先，即若两个交叉的交通方向的公交车队列信号同时到达，并且两个交通方向公交车数皆大于等于三辆，则优先让5秒内绿灯方向的直行公交车队优先直接通过，因为此方向公交车队不需停车，可以有效增强信号交叉口车辆的运行效率．

本方法另一个功能是建立于蓝牙传输系统上的，即公交车之间通过蓝牙传输设备传输公交车的状态信息．如果公交车队中某一辆公交车行驶过程中，或者红灯等待时发生意外，公交司机可以通过蓝牙传输设备向车队中前后车辆发出意外警告．以此保证公交车队的行驶连贯性和安全性，同时利用公交间的联络使得公交间互相帮助，增强了路面间行驶安全．

图1 公交优先控制原理示意图

下面结合图 2～3对本方法的方法作进一步详细的说明．

本方法的基本思路：

a：交叉口信号灯DSP处理器和公交车单片机装置待机时均处于初始化状态．

b：信号灯光电传感器在红灯期间且剩余红灯时间不少于10s，以及绿灯剩余时间少于5s时不断发射信号判断该道路上的有效距离内有无公交车进入．

c：当公交车在该路段进入有效距离即离停车线1.5个公交车车身长度内时，公交车光电信号发射接收装置接收到信号灯光电信号发射接收装置发出的识别信息．

d：若当前状态处于红灯期间且剩余红灯时间不少于10s，则执行步骤e，若处于绿灯剩余时间少于5秒状态，如图2，执行步骤i．

图2 红绿灯控制示意

e：程序图，该图包括 e，g，h，b，m 在内的步骤．图2显示的是红灯状态，第一辆公交车的光传感器接收到由信号灯光传感器发出的信号，做出以下动作：

图3 光电信号传输的原理图

f：信号灯光传感器接收到第一辆公交车的反馈信息后停止信号发射，即建立与第一辆公交车的单独交流．

g：利用不同公交车class A蓝牙之间的联系确定公交车队车辆数，原理如下：第一辆公交车，下面简称公交 1，将光电信号向后传递，当其后的公交车进入公交车之间信号传输距离即一个标准公交车长时，前后公交车进行信号交流，同时建立点对点的蓝牙交流．公交车单片机计数器初始值为n=0，传递方向先由前往后直至最后一辆公交车，在此过程中公交车计数器参量值n均为0，不产生计数效果，当最后一辆公交车向后发射信号而无回应时，最后一辆公交车的计数器n值变为1，并且用蓝牙设备开始向前传递参数n，传递参数器后计数器初始化，蓝牙设备重新变为待机状态．每通过一辆公交车，即一个信号接收器，实行n=n+1算法，直至公交1，此时的n值即为公交车队的车辆数，借助于公交 1与信号灯处信息处理系统之间的单独交流，将n值传输给信号灯信息处理系统后，公交1的信号处理器也初始化．

h：信号灯信息处理系统完成对绿灯提前亮灯的系统判断和执行．具体操作如下：上述步骤g已经完成车辆数的计算，信号灯信息处理系统对接受到的数据n进行判断，若n大于等于3时，判断完毕，则使红灯再执行10秒即变为绿灯提前放行公交车队，而后信号灯计数器n值初始化．若n小于3，则执行步骤 b，重新判断有无新公交车进入信号覆盖范围．

i：如逻辑图，该图包括i，j，b，k，l，m在内的步骤．逻辑图显示的是当前状态为绿灯剩余时间小于等于5秒时，采用中的f，g操作建立公交车1与信号灯之间的单独联系，此时可计算出公交车车队的车辆数n．

j：信号灯信息处理系统完成对绿灯延长的系统判断和执行．具体操作如下：信号灯信息处理系统对n值进行判断，若n大于等于3，则执行步骤k；若小于3，则执行步骤b．

k：根据车辆数n，计算绿灯延长时间，绿灯延长时间值比理论延长值多三秒，也就是前述公式中的“+3”，绿灯后为三秒黄灯，此 6秒用于保证每辆公交车通过停车线；

l：根据计算所得的绿灯延长时间进行延长，同时信号灯计数器初始化，蓝牙待机．

m：在进行以上步骤的过程中，情况 i的执行优先级大于情况d的优先级．即若在交叉口的两个方向同时在情况i与情况d上出现公交车，并通过以上步骤判断得车队中车辆数量均满足公交优先通行的要求，即都大于等于3辆，则优先保证当前绿灯方向的情况执行本方法的控制方法．这里也就是保证在任何情况下，不中断有达到或超过3辆公交车的车队的通行方向上的绿灯[7]．

n：如图3，为本方法光电信号进行数据传输的原理图，光电传感器的大体原理如下：采用数字调制方式，通过传感器将电信号转换为光信号向外发射，光信号发射器的调制光工作在红外光谱区，波长可取 880mm，这样可大大减少周围环境光的干扰．光接收机主要由光电探测器、前置放大器、主放大器、解调器、自动增益控制电路等部分组成．在信号发射的时候，命令输入光电连结器，进而进入调节器，同时校准器处输入一个校准电压，在调节器中整合调节，让传输的命令数据搭载上光信号进入发射器发射，对于公交车队列，这里传输的命令为前一辆公交车发出的信息．光信号接收的过程中，接收到光信号后，通过前置放大器放大，随后进一步放大并进行检波、在增益控制器的控制下完成搭载信息的采取，最后转化成电信号命令，对于公交车队列，这里的电信号命令作为输入命令向后一辆公交车发送．

4 逻辑控制

说明：逻辑图1展示的是公交到达交叉口时位于绿灯相位时的相位控制．

逻辑图2展示的是公交到达交叉口时位于红灯相位时的相位控制．

[1]季彦婕，邓卫.交叉口公交优先技术研究现状及发展综述[J].交通运输系统工程与信息，2004（2）.

[2]严紫建，刘元安.Bluetooth蓝牙技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[3]高晓蓉.高低电压隔离光电信号传输技术及应用[J].光电工程，1999（12）.

[4]季彦婕，等.基于公交优先通行的交叉口相位设计方法研究[J].公路交通科技，2004（12）.

[5]张智勇，等.稳定跟车状态车头间距分析方法[J].北京工业大学学报，2010（2）.

[6]李淑庆，王志远.无信号交叉口支路车道通行能力建模与仿真[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2012（6）.

[7]何小兵，韩雪琴，文亚星.基于GIS/GPRS的城市交通决策指挥系统模型研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2005（2）.

逻辑图1

逻辑图2