面向专用道的公交信号优先系统

　　 关键字：公交专用道，公交信号优先控制，多源数据，车路通信

　　1.背景概述

　　目前中国的城市规模不断扩大，居民机动化出行比例迅速上升，公交车辆与社会车辆混合行驶、相互干扰，使地面公交平均行程车速逐年下降，城市中心区域交通拥堵严重。为应对小汽车高速增长和交通拥堵，2011年交通运输部下发《关于开展公交都市建设示范工程有关事项的通知》（交运发〔2011〕635号），正式启动“公交都市”建设示范工程，并在2012年、2013年公布了两批共37个“公交都市”建设示范工程创建城市，包括北京、南京、深圳、上海、福州等。“公交都市”的考核目标涉及城市公共交通出行分担率、主城区公共电汽车500米上车、5分钟换乘、运行速度等多个指标。为推进创建“公交都市”，多地加大公交专用道建设力度，实现公共交通的空间优先。2014年全国已建公交专用车道6897.3公里，比上年末增加1006.7公里。

　　公交信息化系统与道路信号控制系统目前通常是两个互相独立的生产系统。公交信息化系统借助GPS平台和智能车载终端设备实现对营运车辆的实时监控和电子化运调业务管理。由于车辆GPS普遍存在定位精度误差和数据转发延时，基于GPS和公交时刻表的公交信号优先系统无法感知车辆和道路实际状态，优先效果较差。道路信号控制系统集计算机、通信和控制技术于一体，实现对路口交通信号的实时控制和优化调整，不具备对公交专用道的管控功能，只能提供简单的单点优先控制策略。公交运营调度系统与道路信号控系统策略的脱节降低了公交优先的整体效益。

　　针对专用道管理和优先控制效益，本文提出以技术支持和使用管理为导向的自适应公交信号优先系统，采用车联网集成多源车路信息作为优先策略的计算基础，并构建中心管理平台实现专用道运行监管和公交信息服务的需求。

　　2.系统设计理念

　　公交优先系统是一个复杂的控制系统，一个路口交通信号的调整将影响相邻路口的交通流，相邻路口交通信号的改变则会影响本路口的交通状况。为合理规划公交优先通行方案，本文采用协调控制与单点控制互补、信号控制与调度策略相协调的优先控制策略，由信号优先控制主机计算和发布基于车辆和道路信息的优先策略。

　　1、多源数据融合

　　多源数据是优先控制策略动态优化模型的主要输入参数，也是优先控制效益的评价基础。数据内容包含车辆信息（公交车信息如时刻表、GPS、客流信息和违章使用专用道的社会车辆信息）和道路信息（交叉口的上下游及横向道路交通流量和当前信号控制状态）。

　　2、车、路、中心多向联通

　　通信系统应承载车车、路路的平行交互，也能满足车路、设备与中心、公交营运系统与中心的交叉交互，使优先控制主机（路）能接收公交车状态、道路流量和中心下发的信息，生成实时公交信号优先感应策略，同时计算公交行驶最优车速并向公交车驾驶员发布对应车速引导信息。

　　3、中心协同管理

　　本系统采集的信息体量大且来源多，需要一个围绕各类信息汇聚、计算、调用、监控和管理的中心平台，以满足专用道状态监管和公交信息服务。

　　3.系统总体框架

　　作为一个自适应的优先控制系统，本系统检测车辆运行状态并结合实时道路流量，辅助信号优先控制主机计算合理的公交信号优先策略，最终改变信号机的交通控制方案，即不断重复测量、计算比较和执行的过程。

　　本系统由车载信息子系统、车道检测子系统、公交信号优先控制子系统和通信子系统共五个子系统组成。

　　图2系统总体框架

　　4.系统方案

　　4.1.车载信息子系统设计

　　车载信息子系统的主要功能是车辆定位和数据传输，是制定公交优先策略的数据基础之一。子系统定时向优先控制主机发送车辆运行状态信息如车辆经纬度值、速度、方向、时间、客流信息等。车载信息子系统包括：

　　1、车载一体机主机：提供车辆GPS信息，并在屏幕上显示系统下发的车速引导信息。

　　2、车车协同单元：内置Zigbee通信模块和车车协同调度模块，根据车内客流信息下发自主超车、辅助载客指令，实现车队车辆的自主调度和编组运行功能。

　　3、车路通信设备：采用Zigbee技术实现公交车辆和路侧优先控制主机的信息交换。

　　4.2.车道检测子系统设计

　　车道检测子系统采集道路流量信息和相交道路车辆排队长度信息，为公交优先控制提供数据支持，辅助判断路口信号优先对相交道路的影响。此外，子系统使用视频抓拍技术，以加强对违章使用专用道的的社会车辆的管理监控。车道检测子系统包括：

　　1、地面道路交通状态采集模块：采用地磁检测器以采集道路交通流状态。

　　2、相交道路交通状态采集模块：采用道路专用高清摄像机以采集路口相交道路的出口道车辆排队长度。

　　3、公交专用道违章抓拍模块：采用高清一体化摄像机抓拍非法占用公交专用道的社会车辆。

　　4.3.公交信号优先子系统设计

　　公交信号优先子系统采集交叉口信号控制状态，检测路口公交车辆并判断是否晚点，同时结合道路流量信息、下游公交车站交通状态及车辆行车计划、平均运营车速等公交调度信息，生成公交干线协同优先控制方案或单点公交信号优先控制方案。公交信号优先子系统包括：

　　1、公交优先控制主机：采集信号机实时控制状态如信号周期、绿信比等信息，通过3G模块与中心管理系统通信，根据需求实现公交干线协同优先控制或单点公交信号优先控制。

　　2、车路通信设备：采用Zigbee技术实现路侧优先控制主机和公交车辆的信息交换。

　　4.4.通信子系统设计

　　通信子系统由车路通信网络和外场设备接入网络组成。前者采用短距离、低功耗的zigbee技术；后者由于城市老城区光纤资源有限，不一定能满足项目实际需求，同时光纤及管道铺设成本较高，因此采用3G无线通信。终端设备上传的数据和图片信息经VPDN专线接入用户内网，保证数据传输的安全性。

　　4.5.中心管理子系统设计

　　中心管理子系统集成信息资源，集监管和评估于一体。子系统可根据用户需求，设置GIS管理模块、信息分析模块、公交优先集成展示模块和设备运维模块等功能模块。

　　5.系统关键技术

　　5.1.公交车联网技术

　　公交车联网通过无线通信技术实现车路和车车通信数据的交互。目前常见的车联网通信技术包括DSRC、Zigbee、UWB和NFC等，我国通常采用基于传统GPS+GPRS的组合应用，缺乏对车/人/路/网的深层感知和泛在通讯。Zigbee具有网络结构灵活、节点容量和接入速度较高等优点，使用Zigbee自组个域网能相对独立和高效地实现车车、车路的一体化联网需求。本文综合考虑多种短程无线通讯技术的优缺点，选定Zigbee作为本系统的车路通信技术，实现公交信号优先控制主机－车路通信设备－车载一体机的设备对接功能。

　　5.2.公交专用道信号优先系统关键技术

　　本文公交专用道信号优先系统的特点在于采用三种方式灵活组合的城市公交信号优先策略，包括被动干线绿波协同、多级感应主动优先和实时车速引导。

　　对于公交车辆运行状况稳定、发车频率较高、背景交通流量较低（不经常出现过饱和、堵塞交通状态）的情况，采用被动干线绿波协同。干线绿波协同以公交车的发车时刻表、平均运行速度和停靠站时间为参考，将公交车的通行需求嵌入到道路交通绿波方案中，实现公交车辆在干线任意两个站点之间的多个交叉口的“绿波通行”。

　　为预知交叉口的公交车到达情况，采用实时车速引导，结合公交实际行驶情况和道路情况，计算并发布各公交车辆的最佳行驶车速。

　　当检测到即将通过路口的公交车辆无法通过或有应急请求时，采用多级感应主动优先，依据公交车运行与运营计划的偏离程度生成不同的主动优先方案和车辆运营调度建议，保障公交车运营可靠性。

　　5.3.中心管理子系统关键技术

　　中心管理子系统的特点在于采用通用化的消息服务总线中间件和基于大数据技术的决策支持系统。其中，消息服务总线（SSMQ）具备实时、高效、可靠的，并能跨越不同网络环境、不同应用软件、不同数据库环境和不同开发语言的消息传送服务能力。大数据结构融合关系数据库、HADOOP和SPARK内存数据库三种数据管理技术，能够实现各种类型的大数据相关业务应用。

　　6.参考文献

　　[1]马万经,杨晓光.公交信号优先控制策略研究综述[J].城市交通,2010,8(6):70-78

　　[2]邵俊.公共汽车交通专用道（路）系统设计与评价方法研究[D].上海:同济大学,2010.

　　[3]张卫华,陆化普.公交优先的预信号控制交叉口车辆延误分析[J].中国公路学报,2005,18(5):78-82

　　作者简介

　　陈云：上海电科智能系统股份有限公司

　　摘要：交通拥挤问题是影响公众出行质量的重要问题，优先发展公共交通被认为是缓解交通问题并提高城市公共交通服务的有效途径。我国城市公交系统服务于数量庞大的出行者，具有线路大、流量大、可靠性较差的特点，相对吸引力和竞争力存在不足。在大力建设公交专用道等公交优先基础设施的背景下，本文设计面向公交优先专用道的信号优先系统，基于多源传感数据融合和公交车联网技术实现公交干线协同优先控制和单点公交信号优先控制功能。