基于RFID的公交信号优先控制系统

一、背景
　　随着无锡城市经济的飞速发展，机动车保有量急剧上升，交通需求迅速膨胀，而道路交通基础设施建设相对滞后，使得交通拥挤成为严重影响城市居民生活的问题之一，在城市道路上实施公交优先通行措施是城市交通管理的主要手段之一。公交优先的目的是通过减少公交车辆在路口红绿灯的延误，提高其行驶速度和运输效率，从而提高公交的吸引力，公交车辆延误主要由路段延误和交叉口延误构成，根据理论计算和调查分析，交叉口的延误所占比例远远大于路段。因此若能有效的减少交叉口的延误，即能降低公交车辆营运中的延误，提高其运输效率，真正实现公交优先。
　　交叉口公交优先方案，通常均采用“路权优先、信号优先”两类措施来实现，如果不在道路交叉路口信号控制策略中体现公交优先，即使有公交专用道路，公交车营运节省的时间也十分有限，因此研究有公交专用道条件下交通信号控制中的公交优先策略显得十分重要。本项目针对已经设置了公交车专用道，在路权优先上已经具备了其基本条件，研究灯控路口交通信号优先。
　　2018年9月，无锡市政府专门传达了无锡市政府办公室关于转发市公安局无锡市公交专用车道通行规定的通知，对无锡的公交专用道设置和规范使用做了专门的规定。2019年11月，公交信号优先项目全面铺开。
　　二、系统内容
　　（1）RFID技术简介
　　RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别卡，也被称为感应卡、电子标签、电子条码等。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，可工作于各种恶劣环境。
　　“物联网”是通过互联网把现实世界中的万“物”联系起来的物物相连的网络，“物”的感知和信息获取是建立“物联网”的关键技术，由于RFID能实现无线、自动、可靠、自动吸收能源工作等特点，RFID已被全世界公认为的“物”的感知的最佳技术选择，并已在零售、物流、交通和安防等领域得到广泛的应用验证。
　　无锡市在我国的物联网发展战略中具有非常重要的地位，是国家“感知信息中心”和国家“传感网建设示范基地”，积极推动基于RFID公交优先系统的建设，既可助推我市的公交优先战略的实施，又可带动我市在RFID及物联网相关产业的研究开发和产业化水平。
　　本项目采用有源RFID卡作为公交车辆感知的是“身份卡”， 采用2.4G/5.8G有源电子标签， 安装在每辆公交车辆前方车顶，识别距离2—300米可调，车速100 公里／小时以内，能够满足识别率、识别距离、车辆ID识别、最大车速等各种指标的要求：
　　· 识别率：对公交车辆的识别率大于95%
　　· 识别距离：在2-300米范围内连续可调。
　　· 车辆ID识别：能同时对多个车辆的ID进行识别
　　· 最大车速：能识别车速不低于100公里/小时的车辆。
　　如下产品图1：

图1、RFID卡及读卡器

　　（2）RFID技术与其他车辆定位技术的比较分析
　　根据交通调查分析，路口的停车延误是公交优先车辆的行程时间最为重要的影响因素之一。如果从路口通行时间资源合理分配的角度考虑，为保障公交车辆的快速通行，在公交优先的规划和设计阶段，应当充分考虑交通信号控制系统所起到的影响作用，设立公交车专用车道是实现对公交优先车辆的“空间优先”，而通过为公交优先车辆提供优先信号控制，则是实现对公交车辆的“时间优先”，使公交优先车辆通过道路交叉路口时享有更大的通行权，以提高公交专用道的效率。
为了感知公交车在道路上和交叉路口的行驶情况, 实现公交优先信号控制策略，通过对基于感应线圈的检测、基于光学的检测、基于声波的检测、基于射频（RFID）的检测、基于视频的检测和基于全球定位系统（GPS）的车辆检测，对比如下表1：

表1：不同车辆感知方式对比表

　　在众多的检测方法中，基于射频（RFID）的车辆检测技术最为成熟、应用最为广泛。RFID智能公交优先系统解决方案及其设计理念，将人们的日常生活与电子化、智能化、信息化相结合，以实现社会的高科技人性化发展，同时也与国际上的ITS（智能交通）、BRT（快速公交系统）、E-bus（电子公交）等先进理念不谋而合。
　　（3）系统组成与结构
　　车载单元：射频卡（RFID标签）；采用2.4G/5.8G有源电子标签， 安装在每辆公交车辆前方车顶，识别距离2—300米可调，车速200 公里／小时以内。
　　路边单元：读卡器的定向天线是室外板状定向天线，具有增益高、前后辐射比大、三维尺寸小、结构紧凑等优点；
　　信号控制机：交通信号控制机（内置嵌入式优先处理模块）识别出将要通过路口的公交车后，根据一定信号优先策略，切换路口信号相位优先放行公交车辆。
　　通信设备：可选以太网方式进行定位信息的传输，也可以选用无线形式，如GPRS、CDMA和WLAN等。
　　公交调度通信服务器：调度系统对车辆进行实时监控，获取车辆的准点状况、调度状况以及满载情况，可以为信号优先的决策提供更为丰富的数据支持；
　　中心信号控制系统：交通信号控制中心软件系统，实现对交通信号机公交优先策略的配置和控制。

　　系统结构图如下图2：

图2、公交信号优先控制系统组成与结构图

　　（4）系统优先控制基本原理与算法
　　公交信号优先系统是通过安装在公交车上的“身份卡”和安装在路口的检测系统实现的。一旦公交车进入50至100米的检测区域内，检测设备就会将收到的“信号”，通过无线传送给路口信号灯的控制器，不到一秒，控制器就会选择出合适的优先放行办法。举例，如果公交车还有10秒才能到达路口，可只有5秒就要变成红灯，控制器会通过延长绿灯时间的办法来使公交车优先通过。但如果公交车到达路口正好是红灯，则压缩相交方向的绿灯时间。
　　如下公交信号优先系统示意图3：

图3、公交信号优先系统示意图

　　RFID有源标签设置在公交车辆上，RFID阅读器设置在路口。当公交车辆接近路口时，有源标签射频装置向路边的RFID阅读器发送公交车辆相关信息，包括：公交车辆的ID编号，出行线路、优先级别、出行方向、时间等。RFID阅读器经过识别、校验后将该信息传送给路口的信号优先申请接入设备。经过申请接入设备处理后，一方面通过2M宽带传输至信号管理平台的公交信号优先模块，由平台进行统计分析工作，另一方面，通过I/O接口将相关的信号优先申请传输至路口的信号控制器，再由信号控制器控制路口信号灯执行响应的公交优先动作。
　　（5）软件及模型
　　算法
　　公交车辆安装无线发射器，发射车辆信息（公交线路号、车牌号、优先级等），每个方向安装（1~2个）接收器，再通过有线把信息发送给信号机，信号机根据线路判断车辆左直右行驶，根据各个方向排队情况控制相位延长或其它相位缩短。
　　信号机增加参数设置以及通信
　　参数：公交优先时段，公交线路、及优先级、行驶方向，延长相位加权优先级（当前相位、下一相位），缩短相位加权优先级（当前相位、下一相位）。
　　通信：参数读取，通信板连接，读卡器连接，车辆通过信息，实时优化信息（相位长增加、减少，相位优先级）。模拟测试效果见图4。

图4模拟测试效果

　　控制参数
　　不同公交流量控制参数如图5所示

图5公交流量控制参数图

　　时段公交优先相位减少、增加最大比例如图6所示。

图6时段公交优先相位减少、增加最大比例

　　实时通过车辆见图7

图7实时通过车辆

　　实时公交优先控制
　　相位1有公交增加6秒时间
　　相位2、4减少3秒时间
　　相位3减少4秒时间

图8实时公交优先控制

　　相位1有公交

图9 相位图

　　三、实施效果
　　于2019年3月开始在我市多个交叉路口进行了六个月的实地公交车辆试点，装备了多条线路共计65辆公交车，通过公交车实地运行，比对实施前和实施后的测试数据。测试结果如下（优先控制幅度：对公交车通行方向的信号灯进行20%以内的限制调整，对其他方向进行15%以内的限制调整）：
　　1、公交车通过路口的平均时间：平峰时段从原来的34.4秒降为30秒，晚高峰期间从原来的52.3秒降为39.7秒；
　　2、全天有公交车时段，全路段运行平均时间开通前为6分31秒，开通后为6分09秒，提高了22秒，路程平均行驶时间有5%左右的提高；
　　3、晚高峰时段，全路段运行平均时间开通前为7分58秒，开通后为6分50秒，提高了68秒，路程平均行驶时间有15%左右的提高；
　　通过路口公交信号优先项目的研发和现场测试，路口公交信号优先确实可以提高无锡市公共交通运营部门的运营效率和服务水平，提高公交对公共交通的满意度，从而吸引更多的人选择公交出行方式，有益于我市交通秩序的改善、降低能源的消耗和环境质量的提高。

本文来源：江苏航天大为科技股份有限公司  徐庆