基于智能信号控制系统的交叉口公交优先实现路径

李建春，陶崇瑾

（酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉 735000）

在城市交通中，交通拥挤是一个常常被人们诟病的话题。怎样使人们的出行更加便利，成为一项重大的课题。在这样的条件下，公交优先话题应运而生。在城市交通系统中，由于公交系统具有较高的运载效率，公交优先在提高公交运行效率的同时，也会给乘客提供便利，因此出行人群更愿意乘坐城市公交，进而减少道路上私家车的数量，有效缓解交通拥堵现象。所以，对城市公交系统中的交叉口公交优先智能信号进行研究具有重要的现实意义，对目前我国交通网的不合理使用状况进行了较大的改善。

1 公交优先的提出背景

城市公交是一项以保障广大市民出行，尤其是低收入人群的日常生活需要为目的的一项公共服务。公交是一种以人为单位的交通工具，它以其较低的人均占地面积、较大的运量和较高的效率成为人们出行的首选。公交优先就是在城市的发展与规划中，优先考虑公交的建设与管理，并通过政策、资金与技术的支持，使得公交能够更好地为广大市民提供快捷的交通工具。随着城市的扩张，城市交通供需矛盾日益凸显，出行不便、交通拥堵和其他问题严重影响了人们的正常生活。以国内外城市交通建设的经验为基础，公交优先是解决交通问题的重要举措。公交运能要比私人车多数倍，可以有效地降低道路交通流量，不仅对控制交通需求有帮助，还可以节约道路资源，改善城市环境。

2 交叉口公交优先智能信号控制策略

交叉口公交优先智能信号控制对缓解交通拥堵具有重要意义，加快了交通系统的运行速度。当前，公共汽车的优先信号控制方法有以下几种形式。

（1）被动优先控制。这种方式主要是利用固定信号，减少公交车辆在交叉口的等待时间。首先，在交通流比较密集的交叉口上，通过对绿信灯的调节，使公交在交通流比较密集的道路上延长绿灯通行时间。其次，使信号灯周期变短、相时变短，使公共汽车等候时间变短，并使公共汽车的通行时间变长。最后，公交所处的绿灯交通流中，以维持循环长度与循环时间恒定为目标，通过将公交车辆所处路段的绿灯相分离，并以交叉路段的绿灯相为代价，使该路段的其他车辆无法通行。

（2）主动优先控制。首先，通过实时动态调整信号设定，缩短交通流通行时间。在交通信号灯快要熄灭的时候，增加本相位的交通信号灯时长，以确保交通顺畅。其次，缩短交通信号灯间隔。公交在交叉口遇到红灯时，采用缩短当前等待状态，使得下一阶段的绿灯阶段提早，以降低等候时间。最后，加入公共汽车相位。在等待红灯期间，绿灯启亮时间较长，则通过插公交通行相位方式，待公交车通过路口后将相位恢复。在交通流中加入相位将增加交通流的时间损耗，并使路口的交通容量下降，因此，在交通流中应该尽可能地减少加入相位。

（3）实时性优先控制。实时性优先控制是利用道路检测、车辆定位技术等，获得该地区的道路交通情况以及公交车辆的运行状态，从而对信号进行实时控制，以确保公交优先。道路交通状况，包含该地区车辆的平均车速、各路口的交通状况、公共汽车的运营情况等。在此基础上，结合多个路口的实际情况，在确保路网通畅的情况下，对路口的信号灯进行优化，使其成为公车优先的信号灯。

3 交叉口公交优先智能信号控制系统搭建

（1）系统构成。对于公交优先智能信号控制系统而言，在系统架构中主要包括公交车检测系统、车辆检测系统、控制中心系统、通信系统、智能信号控制器等。公交车辆检测和定位系统完成对公交车的流量进行检测，并接收与之有关的优先级信息，通过信号标尺定位法完成对公交车辆的定位。车辆检测系统完成检测所有车流量，通过环形线圈检测器将信息发送到智能信号控制器。通信系统主要负责各分系统间的通信，根据用户的需求，通信方式有很多种，如有线链路和无线链路。控制中心完成了各个子系统之间的相互连接与整合，还能够将信息有机整合。智能信号控制器可以实现实时决策，并在此基础上，根据各时间点的交通状况和公共汽车的优先等级信息，对下一时刻的信号状态进行判断，并进行信号灯的形式和时间进行控制。

（2）公交优先的实现。公交优先智能信号控制系统接收到关于公交车的有关信息，在进行处理后，将这些信息发送到智能信号控制器。同时，该系统还向信号控制系统传输了被检测的各车辆的交通数据。信号控制器持续接收来自各个方向的车流和公共汽车的数据，当要做出决定时，先由预处理模块对数据进行处理，获得相位的急切程度，然后将急切度和转换度作为模糊推理系统的输入，即确定下一时刻的信号状态。当交通灯处于绿灯状态时，为了使行驶中的公交能够顺利通行，又为非机动车及行人提供充足的通行时间，控制器决定了一个最小的通行时间。当最短的绿灯时间接近尾声时，该智能信号控制装置就会做出决定，以获得下一个瞬间的加长时间，或进行相位转换。在此过程中，若所需的延长时间已达最大值，则由信号控制装置来执行转换，避免其他红灯所需的等候时间太长。通过对交通流的实时调控，实现对公交车辆通行权的动态优化。在优先级的选择中，根据公交的延误情况以及公交上的载客量，对延误时间较长、载客量较大的公交选择具有较高的优先权。在优先级高的公交需要穿越路口时，该智能交通控制系统能够自动调节通行时间，尽可能地让公交优先穿过路口，以最短的候车时间，同时又不会造成其他交通工具的延误，达到“群优先”的目的。另外，当某个时刻无公交车辆请求通过路口时，或在夜晚公交停运后，该智能信号控制器可基于所探测到的全部车辆流量信息，对其进行实时调节。

（3）车辆检测系统。在公交管理中，第一个任务是对所有车辆进行全面的监控，并对公交进行有效的定位。车辆检测系统主要负责对全部汽车的交通情况进行探测，现在被广泛应用的汽车探测器有多种类型，如波频检测器、磁感应检测器和视频检测器等，按其安装方法，又可分为埋地型和悬吊型。波频检测器指的是利用微波、超声波和红外线等形式，能产生交通工具发射的电磁波检测，一般以悬挂式安装。选用的微波检测器（RTMS），是一种价格低廉、性能优异的交通检测器，可以在城市道路上进行交通信息的检测。其工作原理为在一个扇形区域中，通过一个小范围的、持续的RTMS系统发射微波。该系统每2m 为一个“层”，共分为32个层次。用户可以以一个或更多个层次来限定检测区，RTMS 系统利用被测物体的回声信号，计算出物体的流量，并传送到控制中心。RTMS 探测的基本思想是假设一定范围内的全部车型都具有一定的长度，利用该长度范围内的车辆进出所经过的时间，进行速度探测。一套RTMS系统可以在8 条车道上对车辆流量、占用率和车辆行驶速度进行实时监测。RTMS 的测量方式，在车辆单一，车流稳定的道路上，可以得到更高的准确度，但是，在车辆众多、车型分布不均衡的路段，由于被遮挡，会影响测量的准确度。磁感应检测器作为传统的车流检测装置，多为埋置，目前在国内外使用最多的一种检测设备就是环形线圈检测设备，其检测灵敏度高、数据准确可靠。车辆经过设置在路面下的环形线圈，会造成线圈磁场的改变，检测器根据这些改变，可以计算出车辆的参数，并将这些参数上传到信号控制器或控制中心，从而达到实时交通控制系统的要求。该方法具有技术上的先进性和经济性等特点。但此种方式也存在以下不足，当装置维修时，需要路面开挖，使车辆临时受阻。埋设线圈的切口会使道路变得柔软，极易对道路造成破坏，特别是在有信号灯的交叉路口，当汽车发动或刹车时，对道路的破坏会更大。在自然条件恶劣的情况下，如结冰、路基沉降、盐碱等都会对电感线圈产生不利的作用。视频检测器就是将摄像头作为传感器，运用图像处理技术，在摄像头的视野中，建立一个“检测区”，当汽车驶入检测区的时候，背景的灰度就会改变，从而判断出汽车的位置。交通视频检测技术与传统的交通信息采集技术相比，能够为用户提供实时的视频图像，它的优势是直观可靠、成本低等。但是它的不足之处在于很容易受到恶劣天气、阴影等环境因素的影响。

（4）公共汽车识别和定位系统。汽车定位技术的目标是找到汽车在某一时刻所处的位置，将其应用于城市公交的管理，可以有效地推动公交优先的发展。目前，在公交系统中，应急救援系统、交警部门，甚至是一般的公交企业，都在逐步应用车载定位系统。车辆定位系统同样也是智能交通系统（ITS）中的一个基本工程，它利用精确的定位系统，结合数字地图和通信技术进行实时的道路引导，避免拥堵路段。当前，公共汽车的定位技术有两种：一种是利用GPS 导航、航位推演等手段来获取在一定空间的定位；另一种是利用地面特性来获取汽车相对于道路、交叉口等地面特性的定位，该方法的实施离不开地图。

（5）智能信号控制器。智能信号控制器能够完成实时决策，并在这个前提下，根据不同时刻的车流量信息和公交车优先级信息，来对下一刻的信号状况进行判定，或者是更改相位，或者是延长目前的红灯时间。交通信号控制系统主要接收以下方面的信息：交通流、公共汽车与交通流的关系，最终实现了对相位信息的动态更新。预处理模块，首先将接收的信号进行预处理，可以获得红灯和绿灯的相位值。红灯阶段的紧迫性表明公交在红灯交通阶段中。

智能决策模块是一个模糊推断系统，它的最大模糊输入是红灯的急切度和绿灯的转换度，以预先建立的模糊规则为依据，得到一个模糊输出，通过反模糊化后，得到相位延长时间。在获得绿灯延迟后，信号输出模块对绿灯信号进行加长，最后经控制线以指示灯的方式进行输出。如果推论得到的延时很短，则在延时之后，信号控制器将直接执行相位开关。当这一阶段的总延长时间到达最长的绿灯光时，信号控制装置会强迫转换阶段。当交通灯处于绿灯状态时，为了使行驶中的汽车能够顺利通行，又为非机动车及行人提供充足的通行时间，控制器决定了一个最小的通行时间。每隔一段时间，就会有一次延长的时间，然后进行下一次的模糊推断，这是一个反复的过程。相位的开关发生在以下两种情形：当绿延时很短时，表明在下一瞬间，不再需要持续延长绿灯时间，因此，当绿灯延时少于某个值时，就可以实现对相位的操作；在绿灯延迟达到最大间隔时，为了避免其他红色间隔的车辆等得太久，需要强行进行换相。在实际应用中，要依据不同的交通状况，分别选择最小的绿灯通道和最长的绿灯通道。一般情况下，绿灯信号的最小持续时间不得小于10 ～15s，绿灯信号的最大持续时间不得超过60s。由于判断结果是持续更新的，而且绿灯时间又是一个动态变化的数值，因此无法用倒数的方式来表示信号灯的时间。在此基础上，提出了一种基于时间序列的交通流预测算法。智能信号处理器连续地进行上述动作，连续地延伸或开关绿灯的相位，根据相序，将路口的绿灯通同行权，动态地分配到各相位，从而满足不断改变的车流和不同优先级的公交车。

（6）通信子系统。通信系统主要实现了各分系统之间的通信，可以按照不同的需求以各种形式进行。在公共汽车优先信号灯控制系统中，各节点间的通信主要包括：公共汽车的探测定位系统与智能信号控制系统的通信、车辆探测子系统与交通信号控制器的通信、控制中心与智能信号控制装置的通信、公共汽车探测定位与监控子系统的通信。在车辆检测系统与智能信号控制器的通信比较容易实现，它是由一个环形线圈检波器将信息传送给智能信号控制器，这是一种双向的通信方式，传送的数据包含全部的交通信息，具有电缆连接、串行接口的通信介质。

公共汽车探测和定位系统包括移动装置和固定装置，移动装置和固定装置可以使用无线或者红外线通信技术，通过车载移动装置，向固定装置发出信息，实现单向通信。所传送的信息包括车牌号、发车起点、公交线路、行驶时间、载客量和行驶速度等。在此标准的固定式设备与智能的信号控制设备通讯时，固定装置向该智能信号控制器发出信息，需传送的信息有固定装置的辨识信息、公交车有关的信息。在信号固定装置和控制中心间的通信中，既可以采用有线链路，也可以采用无线链路，固定装置向控制中心发出信息时所传送的信息，经过相应的显示过程，即可完成电子站牌的各项工作。控制中心与信号控制器之间的通信，既可以通过有线链路，也可以通过无线链路，通过信号控制器向控制中心传送路口的交通流量、信号相位控制等信息。控制中心可以执行信号控制器的数据更新，并由控制中心对信号控制器进行遥控。

4 结语

综上所述，公交优先是一种有效缓解交通压力的方式，可以设置公共汽车专用道，也可以在公共汽车上设置空间优先通行权。而交叉口智能信号控制可以实现在空间和时间上的优先权，最大限度地提高公交在道路上的通过性，这样就可以引导市民选择公交，减少路上私家车的数量，在道路资源有限的情况下，使交通效率达到最大化。