（東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京 210000）

0 引 言

公交優(yōu)先發(fā)展模式符合當(dāng)前我國(guó)人口密集，土地集約化利用、小汽車(chē)持有量日益增長(zhǎng)的城市發(fā)展特征．研究道路交叉口公交優(yōu)先控制策略能夠?yàn)楣粌?yōu)先導(dǎo)向的城市交通發(fā)展戰(zhàn)略提供技術(shù)保障，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義．公交優(yōu)先的技術(shù)保障主要體現(xiàn)在公交車(chē)輛運(yùn)行的路權(quán)優(yōu)先，具體表現(xiàn)為空間優(yōu)先和時(shí)間優(yōu)先兩方面．隨著國(guó)家的對(duì)于公交優(yōu)先的重視，不少城市都已經(jīng)建設(shè)好了一些公交直行專用道，但由于信號(hào)周期與信號(hào)相位設(shè)置的不合理，公交車(chē)仍要遵守固定的紅綠燈信號(hào)，因而公交優(yōu)先并沒(méi)有取得應(yīng)有的效率．

本文主要針對(duì)在以保證空間優(yōu)先的直通式公交專用道上的一種公交優(yōu)先技術(shù)．即運(yùn)用光傳感器作為信號(hào)檢測(cè)設(shè)備及信號(hào)開(kāi)關(guān)，通過(guò)Class A藍(lán)牙進(jìn)行設(shè)備傳輸，以及RS-232模塊的單片機(jī)作為信號(hào)處理設(shè)備來(lái)對(duì)信號(hào)相位進(jìn)行處理以提高公交車(chē)通行效率．

1 方法簡(jiǎn)介

一種針對(duì)直通式公交專用道的交通信號(hào)燈控制方法，通過(guò)光電信號(hào)發(fā)射接收裝置、信號(hào)處理器和藍(lán)牙模塊的綜合使用，完成信號(hào)燈控制，每輛公交車(chē)上裝有一樣的信號(hào)處理器，信號(hào)燈只與對(duì)應(yīng)車(chē)道上1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)公交車(chē)長(zhǎng)距離內(nèi)的公交車(chē)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)交流，公交車(chē)與相鄰的公交車(chē)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的交流，若紅燈或綠燈時(shí)間即將結(jié)束，信號(hào)燈開(kāi)始工作，同時(shí)向后發(fā)送信號(hào)給下一輛公交，依次類(lèi)推，直至第一輛車(chē)產(chǎn)生最終計(jì)數(shù)器的值，將該值發(fā)送給信號(hào)燈的處理器，若該值大于等于 3，則在紅燈時(shí)提前綠燈或綠燈即將結(jié)束時(shí)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化．本方法通過(guò)對(duì)信號(hào)燈的控制，減短了公交車(chē)等待紅燈的時(shí)間，在綠燈上給予公交車(chē)優(yōu)先行使權(quán)．

2 技術(shù)領(lǐng)域及背景技術(shù)

本方法屬于交通信號(hào)裝置技術(shù)領(lǐng)域，為一種針對(duì)直通式公交專用道的交通信號(hào)燈控制方法．

隨著現(xiàn)代化的進(jìn)程，各類(lèi)汽車(chē)的數(shù)量持續(xù)增加，導(dǎo)致了部分城市嚴(yán)重的交通擁堵．而大力發(fā)展公共交通是解決這一現(xiàn)狀問(wèn)題的最佳方案之一．而公交車(chē)優(yōu)先行駛是其中投資少，見(jiàn)效快，綠色環(huán)保的方案．

隨著國(guó)家的對(duì)于公交優(yōu)先的重視，不少城市都已經(jīng)建設(shè)好了一些公交直行專用道，但由于信號(hào)周期與信號(hào)相位設(shè)置的不合理，公交車(chē)仍要遵守固定的紅綠燈信號(hào)，因而公交優(yōu)先并沒(méi)有取得應(yīng)有的效率．導(dǎo)致公交乘客的數(shù)量依舊未能增加，而私家車(chē)的持有量急劇上升，因而城市交通擁堵問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重．伴隨著藍(lán)牙技術(shù)近十年發(fā)展迅速并已十分成熟，尤其在電子通訊及計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域運(yùn)用廣泛，由于藍(lán)牙抗干擾能力強(qiáng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方便的特點(diǎn)，將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于公交優(yōu)先技術(shù)將有效緩解交通擁堵問(wèn)題，提高公交車(chē)的運(yùn)行效率．

因?yàn)閭鹘y(tǒng)的公交車(chē)優(yōu)先保證是針對(duì)單體的公交優(yōu)先，保證了一輛公交在交叉口優(yōu)先通行的同時(shí)，調(diào)整了信號(hào)燈燈相位，常常會(huì)影響其他車(chē)的通行，從對(duì)最大載客通行量保證的角度上看，不一定起到了最佳作用[1]．

然而此種設(shè)計(jì)，考慮到了公交車(chē)在交叉口載客量的加權(quán)．測(cè)試到這一方向上的公交車(chē)達(dá)到了3輛甚至以上時(shí)才會(huì)進(jìn)行針對(duì)性的相位變換．

3 優(yōu)先控制過(guò)程

本方法適用于大型城市中車(chē)流量，尤其是公交車(chē)流量較大的設(shè)有公交專用道的城市道路，針對(duì)車(chē)輛數(shù)大于等于3輛的直行方向公交車(chē)隊(duì)列，控制信號(hào)燈信號(hào)相位，使得公交車(chē)優(yōu)先通過(guò)，如圖 1，其實(shí)現(xiàn)為：

3.1 裝置設(shè)備

在城市大型交叉口信號(hào)燈處安裝組合單片機(jī)的DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備，藍(lán)牙傳輸設(shè)備，光電信號(hào)發(fā)射接收裝置，由DSP數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)調(diào)度控制信號(hào)燈相應(yīng)配時(shí)程序的功能，路口各信號(hào)燈之間有線連接，相互傳遞信息．

3.2 公交間聯(lián)系

每輛公交車(chē)首尾安裝光電信號(hào)發(fā)射接收裝置，保證公交車(chē)與信號(hào)燈的光電信號(hào)發(fā)射接收裝置，以及公交間的光電信號(hào)發(fā)射接收裝置能夠完成信息聯(lián)系．

3.3 車(chē)載設(shè)備

公交車(chē)上還裝載藍(lán)牙傳輸設(shè)備和單片機(jī)，藍(lán)牙傳輸設(shè)備[2]等級(jí)class A，通過(guò)RS-232模塊連接單片機(jī)，藍(lán)牙傳輸設(shè)備用于信號(hào)燈與車(chē)，車(chē)與車(chē)間傳遞車(chē)輛數(shù)信息，還可以擴(kuò)展到公交車(chē)間行駛狀況信息的相互傳遞，單片機(jī)具有計(jì)數(shù)功能，可采用51系列為核心的簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)系統(tǒng)，完成對(duì)車(chē)輛數(shù)信息的計(jì)數(shù)．

3.4 光電信號(hào)傳輸[3]

利用光電信號(hào)直線傳播的特點(diǎn)，信號(hào)燈光電信號(hào)發(fā)射接收裝置的光電信號(hào)發(fā)射位置位于公交專用道停車(chē)線后1.5個(gè)車(chē)長(zhǎng)處，當(dāng)信號(hào)燈處于距離綠燈結(jié)束5秒，以及在紅燈開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)信號(hào)燈光電信號(hào)發(fā)射接收裝置，綠燈結(jié)束時(shí)及距紅燈停止前10秒裝置關(guān)閉信號(hào)燈的光電信號(hào)發(fā)射接收裝置．

以第一個(gè)接收并且建立連接的公交車(chē)作為公交車(chē)隊(duì)的第一輛公交車(chē)，而此后的聯(lián)系建立于藍(lán)牙傳輸，車(chē)隊(duì)與信號(hào)燈的信息交流便建立在這第一輛公交車(chē)和信號(hào)燈上．

3.5 信號(hào)控制

當(dāng)安裝有光電信號(hào)發(fā)射接收裝置的第一輛公交車(chē)進(jìn)入路口信號(hào)燈的信號(hào)發(fā)射范圍時(shí)，由設(shè)置的路口信號(hào)燈光電信號(hào)發(fā)射接收裝置向此公交發(fā)射光電信號(hào)，公交接收到信號(hào)后啟動(dòng)藍(lán)牙傳輸設(shè)備并與信號(hào)燈的藍(lán)牙傳輸設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，同時(shí)向后車(chē)?yán)^續(xù)發(fā)射信號(hào)，若其后有公交車(chē)，且公交車(chē)間距離小于等于一個(gè)公交車(chē)身長(zhǎng)，則后車(chē)將啟動(dòng)藍(lán)牙裝置，與前車(chē)建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，并繼續(xù)向后發(fā)送信號(hào)，依此類(lèi)推．

上一步的動(dòng)作持續(xù)至某一輛公交后不再有公交，此時(shí)最后一輛公交計(jì)數(shù)器值將置為 1，利用已建立連接的藍(lán)牙傳輸向前傳遞車(chē)輛數(shù)信號(hào)，該車(chē)傳遞結(jié)束后藍(lán)牙關(guān)閉并計(jì)數(shù)器值清零，依次類(lèi)推，每向前車(chē)傳遞一次數(shù)量信息，計(jì)數(shù)器值加 1，傳遞后該車(chē)藍(lán)牙關(guān)閉并計(jì)數(shù)器值清零，直到公交車(chē)隊(duì)列的第一輛車(chē)收到后面車(chē)傳遞的車(chē)數(shù)量信息，得到公交車(chē)隊(duì)列的車(chē)輛數(shù)n，將其用藍(lán)牙傳遞給信號(hào)燈上的DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備．

信號(hào)燈的DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備處理接收到的公交車(chē)數(shù)量信息n，并對(duì)其進(jìn)行判斷，若車(chē)輛數(shù)小于3輛，則維持原信號(hào)燈的信號(hào)配時(shí)不變，若車(chē)輛數(shù)大于等于3輛，激發(fā)內(nèi)部預(yù)先存儲(chǔ)好的相位模式[4]：

1）若此時(shí)公交車(chē)隊(duì)列的通行方向的信號(hào)燈為綠燈相位，則 DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備控制綠燈延時(shí)，綠燈延時(shí)時(shí)間[5]為：

T=[n×L+(n-1)×(D-l)]÷v+3

其中，D=0.09v2-0.67v+14.805

T：綠燈延時(shí)閃爍時(shí)間

n：公交車(chē)隊(duì)中公交車(chē)數(shù)

L：該城市公交車(chē)平均長(zhǎng)度

D：連續(xù)行駛車(chē)流車(chē)頭間距

v：該路段公交車(chē)平均行駛速度

上述數(shù)據(jù)L、D、v由相關(guān)交通部門(mén)調(diào)查測(cè)量獲得，或者采用該市公交車(chē)平均行駛速度獲得；延時(shí)的同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙傳輸設(shè)備傳輸延時(shí)信息，對(duì)路口其他信號(hào)燈進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)配時(shí)調(diào)整；

2）若此時(shí)公交車(chē)隊(duì)列的通行方向的信號(hào)燈為紅燈相位，則由DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備調(diào)整信號(hào)燈于10秒后紅燈提前結(jié)束，通過(guò)藍(lán)牙傳輸設(shè)備傳輸時(shí)間調(diào)整信息，其他方向的信號(hào)燈的DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備控制信號(hào)配時(shí)做相應(yīng)調(diào)整．信號(hào)燈的時(shí)間調(diào)整處理配時(shí)完成后，各信號(hào)燈的DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備控制恢復(fù)原信號(hào)配時(shí)．

當(dāng)相互交叉的通行方向的公交車(chē)隊(duì)列信息同時(shí)到達(dá)信號(hào)燈的DSP數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備時(shí)，在車(chē)輛數(shù)都大于等于3的情況下，以綠燈相位信號(hào)優(yōu)先，即若兩個(gè)交叉的交通方向的公交車(chē)隊(duì)列信號(hào)同時(shí)到達(dá)，并且兩個(gè)交通方向公交車(chē)數(shù)皆大于等于三輛，則優(yōu)先讓5秒內(nèi)綠燈方向的直行公交車(chē)隊(duì)優(yōu)先直接通過(guò)，因?yàn)榇朔较蚬卉?chē)隊(duì)不需停車(chē)，可以有效增強(qiáng)信號(hào)交叉口車(chē)輛的運(yùn)行效率．

本方法另一個(gè)功能是建立于藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)上的，即公交車(chē)之間通過(guò)藍(lán)牙傳輸設(shè)備傳輸公交車(chē)的狀態(tài)信息．如果公交車(chē)隊(duì)中某一輛公交車(chē)行駛過(guò)程中，或者紅燈等待時(shí)發(fā)生意外，公交司機(jī)可以通過(guò)藍(lán)牙傳輸設(shè)備向車(chē)隊(duì)中前后車(chē)輛發(fā)出意外警告．以此保證公交車(chē)隊(duì)的行駛連貫性和安全性，同時(shí)利用公交間的聯(lián)絡(luò)使得公交間互相幫助，增強(qiáng)了路面間行駛安全．

圖1 公交優(yōu)先控制原理示意圖

下面結(jié)合圖 2～3對(duì)本方法的方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明．

本方法的基本思路：

a：交叉口信號(hào)燈DSP處理器和公交車(chē)單片機(jī)裝置待機(jī)時(shí)均處于初始化狀態(tài)．

b：信號(hào)燈光電傳感器在紅燈期間且剩余紅燈時(shí)間不少于10s，以及綠燈剩余時(shí)間少于5s時(shí)不斷發(fā)射信號(hào)判斷該道路上的有效距離內(nèi)有無(wú)公交車(chē)進(jìn)入．

c：當(dāng)公交車(chē)在該路段進(jìn)入有效距離即離停車(chē)線1.5個(gè)公交車(chē)車(chē)身長(zhǎng)度內(nèi)時(shí)，公交車(chē)光電信號(hào)發(fā)射接收裝置接收到信號(hào)燈光電信號(hào)發(fā)射接收裝置發(fā)出的識(shí)別信息．

d：若當(dāng)前狀態(tài)處于紅燈期間且剩余紅燈時(shí)間不少于10s，則執(zhí)行步驟e，若處于綠燈剩余時(shí)間少于5秒狀態(tài)，如圖2，執(zhí)行步驟i．

圖2 紅綠燈控制示意

e：程序圖，該圖包括 e，g，h，b，m 在內(nèi)的步驟．圖2顯示的是紅燈狀態(tài)，第一輛公交車(chē)的光傳感器接收到由信號(hào)燈光傳感器發(fā)出的信號(hào)，做出以下動(dòng)作：

圖3 光電信號(hào)傳輸?shù)脑韴D

f：信號(hào)燈光傳感器接收到第一輛公交車(chē)的反饋信息后停止信號(hào)發(fā)射，即建立與第一輛公交車(chē)的單獨(dú)交流．

g：利用不同公交車(chē)class A藍(lán)牙之間的聯(lián)系確定公交車(chē)隊(duì)車(chē)輛數(shù)，原理如下：第一輛公交車(chē)，下面簡(jiǎn)稱公交 1，將光電信號(hào)向后傳遞，當(dāng)其后的公交車(chē)進(jìn)入公交車(chē)之間信號(hào)傳輸距離即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)公交車(chē)長(zhǎng)時(shí)，前后公交車(chē)進(jìn)行信號(hào)交流，同時(shí)建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的藍(lán)牙交流．公交車(chē)單片機(jī)計(jì)數(shù)器初始值為n=0，傳遞方向先由前往后直至最后一輛公交車(chē)，在此過(guò)程中公交車(chē)計(jì)數(shù)器參量值n均為0，不產(chǎn)生計(jì)數(shù)效果，當(dāng)最后一輛公交車(chē)向后發(fā)射信號(hào)而無(wú)回應(yīng)時(shí)，最后一輛公交車(chē)的計(jì)數(shù)器n值變?yōu)?，并且用藍(lán)牙設(shè)備開(kāi)始向前傳遞參數(shù)n，傳遞參數(shù)器后計(jì)數(shù)器初始化，藍(lán)牙設(shè)備重新變?yōu)榇龣C(jī)狀態(tài)．每通過(guò)一輛公交車(chē)，即一個(gè)信號(hào)接收器，實(shí)行n=n+1算法，直至公交1，此時(shí)的n值即為公交車(chē)隊(duì)的車(chē)輛數(shù)，借助于公交 1與信號(hào)燈處信息處理系統(tǒng)之間的單獨(dú)交流，將n值傳輸給信號(hào)燈信息處理系統(tǒng)后，公交1的信號(hào)處理器也初始化．

h：信號(hào)燈信息處理系統(tǒng)完成對(duì)綠燈提前亮燈的系統(tǒng)判斷和執(zhí)行．具體操作如下：上述步驟g已經(jīng)完成車(chē)輛數(shù)的計(jì)算，信號(hào)燈信息處理系統(tǒng)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)n進(jìn)行判斷，若n大于等于3時(shí)，判斷完畢，則使紅燈再執(zhí)行10秒即變?yōu)榫G燈提前放行公交車(chē)隊(duì)，而后信號(hào)燈計(jì)數(shù)器n值初始化．若n小于3，則執(zhí)行步驟 b，重新判斷有無(wú)新公交車(chē)進(jìn)入信號(hào)覆蓋范圍．

i：如邏輯圖，該圖包括i，j，b，k，l，m在內(nèi)的步驟．邏輯圖顯示的是當(dāng)前狀態(tài)為綠燈剩余時(shí)間小于等于5秒時(shí)，采用中的f，g操作建立公交車(chē)1與信號(hào)燈之間的單獨(dú)聯(lián)系，此時(shí)可計(jì)算出公交車(chē)車(chē)隊(duì)的車(chē)輛數(shù)n．

j：信號(hào)燈信息處理系統(tǒng)完成對(duì)綠燈延長(zhǎng)的系統(tǒng)判斷和執(zhí)行．具體操作如下：信號(hào)燈信息處理系統(tǒng)對(duì)n值進(jìn)行判斷，若n大于等于3，則執(zhí)行步驟k；若小于3，則執(zhí)行步驟b．

k：根據(jù)車(chē)輛數(shù)n，計(jì)算綠燈延長(zhǎng)時(shí)間，綠燈延長(zhǎng)時(shí)間值比理論延長(zhǎng)值多三秒，也就是前述公式中的“+3”，綠燈后為三秒黃燈，此 6秒用于保證每輛公交車(chē)通過(guò)停車(chē)線；

l：根據(jù)計(jì)算所得的綠燈延長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)，同時(shí)信號(hào)燈計(jì)數(shù)器初始化，藍(lán)牙待機(jī)．

m：在進(jìn)行以上步驟的過(guò)程中，情況 i的執(zhí)行優(yōu)先級(jí)大于情況d的優(yōu)先級(jí)．即若在交叉口的兩個(gè)方向同時(shí)在情況i與情況d上出現(xiàn)公交車(chē)，并通過(guò)以上步驟判斷得車(chē)隊(duì)中車(chē)輛數(shù)量均滿足公交優(yōu)先通行的要求，即都大于等于3輛，則優(yōu)先保證當(dāng)前綠燈方向的情況執(zhí)行本方法的控制方法．這里也就是保證在任何情況下，不中斷有達(dá)到或超過(guò)3輛公交車(chē)的車(chē)隊(duì)的通行方向上的綠燈[7]．

n：如圖3，為本方法光電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑韴D，光電傳感器的大體原理如下：采用數(shù)字調(diào)制方式，通過(guò)傳感器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)向外發(fā)射，光信號(hào)發(fā)射器的調(diào)制光工作在紅外光譜區(qū)，波長(zhǎng)可取 880mm，這樣可大大減少周?chē)h(huán)境光的干擾．光接收機(jī)主要由光電探測(cè)器、前置放大器、主放大器、解調(diào)器、自動(dòng)增益控制電路等部分組成．在信號(hào)發(fā)射的時(shí)候，命令輸入光電連結(jié)器，進(jìn)而進(jìn)入調(diào)節(jié)器，同時(shí)校準(zhǔn)器處輸入一個(gè)校準(zhǔn)電壓，在調(diào)節(jié)器中整合調(diào)節(jié)，讓傳輸?shù)拿顢?shù)據(jù)搭載上光信號(hào)進(jìn)入發(fā)射器發(fā)射，對(duì)于公交車(chē)隊(duì)列，這里傳輸?shù)拿顬榍耙惠v公交車(chē)發(fā)出的信息．光信號(hào)接收的過(guò)程中，接收到光信號(hào)后，通過(guò)前置放大器放大，隨后進(jìn)一步放大并進(jìn)行檢波、在增益控制器的控制下完成搭載信息的采取，最后轉(zhuǎn)化成電信號(hào)命令，對(duì)于公交車(chē)隊(duì)列，這里的電信號(hào)命令作為輸入命令向后一輛公交車(chē)發(fā)送．

4 邏輯控制

說(shuō)明：邏輯圖1展示的是公交到達(dá)交叉口時(shí)位于綠燈相位時(shí)的相位控制．

邏輯圖2展示的是公交到達(dá)交叉口時(shí)位于紅燈相位時(shí)的相位控制．

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邏輯圖1

邏輯圖2