基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统研究

王 慧，凤鹏飞

(安徽三联学院 交通工程学院,安徽 合肥 230601)

城市公共交通优先是指大城市内客运交通以大容量、快速度的公共交通系统为主，以其他交通工具为辅的交通方式。它是一种交通发展策略，通常依靠工程上、管理措施上以及相应政策、法规的支持，为市民提供快速、方便、经济、舒适、安全的出行环境[1]。

快速公交系统(BRT)是利用现代化大容量专用公共交通车辆，在专用道路空间快速运行的公共交通方式，它具有与轨道交通相同的运量大、快捷、安全等特性，但造价和运营成本相对低廉[2]。

公交优先概念包括两方面含义：在通行空间和时间上给予公交车辆优先。空间优先是通过设立公交专用道路或各类专用进口道加以实现；时间优先则体现在公交优先信号控制上。但是很多城市由于空间的限制，市区内道路较为拥挤，无法为快速公交车辆开辟专用车道(专用路)，快速公交车辆只能与普通公交车辆和社会车辆共同使用现有的道路系统，无法保证“空间优先”；同时市区内信号灯设置较为密集，且基本没有实行公交信号优先控制，无法实现“时间优先”，从而致使快速公交车辆的运行速度得不到体现。有统计数据表明，如果不在道路交叉口信号系统中体现公交优先策略，公交车运营所能节省的时间也只有5%～10%。因此，开展快速公交系统信号优先控制方面的应用研究，特别是针对混合型道路快速公交系统信号优先控制方面的研究，具有重要的研究意义。

目前常用的BRT信号控制系统主要有以下3种[3]：

1)被动信号技术

在不设车辆检测器的情况下，根据历史数据，预先进行交叉口公交优先信号配时。

2)主动信号技术

系统在检测到公交车后，立即调整信号时间，采取提前、延迟增加或减少来适应公交车。

3)实时优先技术

考虑网络中所有公交车辆，利用GPS、AVM等装置，基于实时信息优化交叉口信号配时[4]。

现代的智能交叉口信号控制模式，是将人工智能方法、通信技术、定位技术、计算机网络技术、传感技术等综合应用于交通系统，加强道路、车辆和驾驶员三者之间的联系，使控制系统达到智能化[5]。

1 整体框架

该快速公交信号优先系统是采用微波、RFID、ZigBee等多种传感技术组成无线传感器网络，实现对路口交通参数检测、车辆定位和无线通讯功能。然后通过车载移动终端实现公交车辆与路口信号控制机之间的信息交互，系统识别需要给予信号优先的公交车辆，根据路口的各个进口方向车辆的排队长度对公交优先控制进行优化处理，有针对性的实施公交信号优先控制，减少公交车辆在交叉口的等待时间，提高公交车辆的整体运行效率，减少对社会车辆的干扰，减少人均延误。同时系统后台控制中心给予公交运营中心与交警指挥中心分配不同管理功能权限，保障路口信号在安全正常运行的前提下实现公交车辆的优先；并对公交优先的运行效益进行分析与评估，评价公交优先实施后带来的效果和影响。图1是基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统框图。

利用无线通信设备搭建的公交信号优先控制的无线传感网络路口示意图如图2所示。

快速公交系统所用的ZigBee无线通讯设备包括车载移动通讯终端(ZE)、固定单元及中继(ZR)以及路口基站主机(ZC)。ZR包含固定单元和ZigBee中继单元两部分，固定单元按一定间隔安放在道路边，按固定时间间隔自动地不断发射出包含多种信息的数据包，当公交车辆经过某一固定单元时，车载移动通讯终端接收数据包后转发给ZigBee中继单元，该单元由于具有中继功能，对接收到的数据包进行简单的信息处理后，可将处理后的数据包通过信链路发送给基站或者相邻的其他固定节点。

图1 基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统

图2 无线组网系统示意图

路口基站是三种设备中最为复杂的一个。路口设置的微波车辆检测器检测的交通流参数，传递给路口基站主机，同时路口基站主机接收ZR发送的公交车辆信息后，经计算判断是否需要给予公交优先，如果需要，则修改路口交通灯参数，并反馈回ZE。

整个无线通讯网络工作流程如图3所示。

图3 无线通讯网络工作流程

2 系统各部分功能简介

2.1 固定单元及中继(ZR)

该部分由两部分组成，RFID车辆定位系统和Zigbee中继节点，主要的功能是用于实现车辆准确定位。

1)RFID车辆定位

RFID车辆定位系统是公交优先系统的主要硬件单元，分为车载、路侧两部分，车载部分是RFID读卡器，路侧部分是有源电子标签。其主要功能特点如下：

①有源电子标签装在车道双向隔离带的金属杆件上，仅需要安装无需综合布线。采用“主动式”工作模式，主动发射信号供车载RFID读卡器捕获，其内部拥有高能电池，工作时每次发送信息消耗的功率仅为几个微瓦，工作可持续3～5年。

②RFID读卡器安装在公交车中，是“被动式”工作模式，当车辆以0～100 km/h速度范围内行驶期间，能够实时捕获到路侧有源电子标签发回的信息，并转发至车载终端处理。读卡器对电子标签的识别距离为3～50 m，其天线接收范围为180°扇面。经测试发现，在以公交车辆相邻的路侧电子标签为中心点，以平行于车道方向为底边，边长在±5 m，以垂直车道方向(即车道横截面)15 m的扇形范围内，识别准确率可达99%以上，保障了对公交车辆的精确定位。

③车辆定位系统采用全球开放的ISM微波频段，对人身无伤害，且具有高抗干扰性(对现场各种干扰源无特殊要求)。

2)Zigbee中继节点

Zigbee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗的无线通信技术，有着广阔的应用。

该系统中的Zigbee中继器采用新一代2.4 GHz ISM波段的高频Zigbee短距通讯技术实现无线短距通讯。其功能特点主要表现在以下几个方面：

①其高频传输帧具有字节CRC校验、帧CRC校验，并汇集载波侦听自动重发技术，因而可以获得良好的抗干扰性；

②使用比Zigbee Pro更先进的网络协议，节点上电无顺序要求，任何节点都可以配置成无线终端+路由的双重模式，减少了多节点路由方面的广播风暴；

③其通讯链路不仅具有源端、目的端信号传输双保险(自主选择点对点、智能路由转发)的特点，而且具有接收灵敏度高(达-98 dBm)、发射功率高(正常发射功率达+8 dBm)的特点，使得该链路信号传输距离远、传输可靠性高。

2.2 微波检测器

路口交通参数检测采用微波检测器，每台设备可覆盖6个车道，微波检测器可检测的主要交通流参数分即时性数据和周期统计性数据两种。

1)即时数据

①车辆的二维坐标，以(x，y)表示，方位角φ；

②车辆的即时行驶速度；

③车辆的车型分类(小车、大车、其他)；

④车辆的驶入和驶出指定区域所得到的检测信号；

⑤排队长度：车辆速度为零时，所排列的总长度。

2)周期性统计数据

①交通流量：单位时间内经过路段某一断面的车辆总数；

②车道占有率：车流占据道路的时间比率；

③平均速度：经过道路断面的所有车辆速度的平均值；

④车头时距：指的是在同一车道上行驶的车辆队列中，两个连续车辆车头端部通过某一断面的时间间隔；车头时距越大，交通密度越小；反之，车头间距越小，交通密度越大。该参数可以微观地反应交通流状况。

2.3 车载移动终端

车载移动终端设备包括GPS模块、无线通信模块、车辆进出交叉口的定位模块和显示屏。车载移动终端设备需要接入公交车辆的开关门信号，车载终端需要实现的功能主要有：一是发送车辆优先请求信息；二是对车辆进出交叉口进行判定；三是接收信号控制机发送的红绿灯时间信息并显示。

车载终端设备的硬件结构如图4所示，主控模块选用ARM7芯片作为主控CPU，主频72 MHz，自带48 kB SRAM，最多支持5个USART接口。

车载终端核心底板与各模块间通过串行接口进行有线通讯。路侧电子标签发送信号供车载终端读卡模块接收(车辆行驶速度在0～100 km范围左右)，通过核心底板软件处理后，再经过终端ZigBee移动节点模块向路口ZigBee中继节点发送相关信息，后者将信息转发至主机，即该路口交通信号控制机通讯单元，在该单元响应或处理的同时，将指令通过ZigBee主机模块，经ZigBee中继回传至车载终端，车载终端则依据收到的指令，将相关状态通过车载显示屏界面直观显示出来，供驾驶员参考。其硬件总体框架设计拓扑图如图5所示。

图4 车载终端设备硬件结构

综上，车载移动终端设备功能如下：

①基于有源RFID的公交车辆精确定位检测；

②公交车辆与路口信号机通过ZigBee无线传感网络进行数据交互；

③具备显示屏显示信号机处理的过程和结果；

④设备故障检测功能；

⑤扩展功能：通过在车载终端预留CAN总线接口与GPIO开关量输入检测接口，获取车辆行驶过程中各种信息(如开关门、自动报站，甚至车速、油耗等)。

车载显示屏与主控器之间通过串口连接。车载显示屏的具体功能包括：开机logo显示、待机状态显示、公交优先开始响应的显示、公交优先执行时的显示、公交优先控制结束的显示。

3 路口信号控制智能处理模块

交叉路口附近的固定单元不断地发送数据包发送给路口基站。预处理模块先对多个数据包中的信息进行处理，得到一个智能处理模块的输入(相位优先级)；智能处理模块通过比较不同相位的优先级，同时综合考虑其他车辆的流量信息，经过智能决策确定出一种公交优先的信号控制状态；通过输出模块以信号灯的形式输出结果。该处理模块具有连接信号及BRT运行服务器的功能。

图5 车载移动终端整体结构拓扑图

信号控制机除具备交通信号控制自主优化和机柜电气一体化功能等基本功能外，还应具备与无线通讯设备通信的接口和在不同交通环境状态下的公交优先控制策略算法处理能力，并包含用于控制公交专用信号灯驱动板，主要具有以下功能：

1)公交(紧急车辆)优先控制功能

借助短程车路通讯设备，与交叉口信号机组成物联网控制系统，通过信号机内部的公交优先控制策略，实现对公交车等特殊车辆的优先控制，同时不干扰其它社会车辆的正常通行。主要包括以下几种控制方式：

①绝对优先：可在任何相位进行，能实现插入相位、早断、延时。

②相对优先：只在协调相位、协调相位的上一个相位进行，只能实现早断、延时。

③不优先：功能屏蔽。

2)管制控制功能(VIP路线管控)

①远程控制：通过信号控制系统平台在执行完当前相位最小绿灯时间或固定时间的前提下进行指定相位锁定。

②预设时间：设置相位锁定的开始、结束时间(时间设置值包括时、分、秒)。须在开始时刻1分钟以前设定。

③手动控制：在某些特殊情况下，路口民警可以通过信号机的手动开关或相应的遥控装置完成相位锁定功能。

3)BUS信号灯驱动板

①信号灯开关控制：内置12路信号灯的控制电路，可驱动4组红黄绿信号灯组，控制其亮灭。

②信号灯电压检测：12路信号灯电压状态检测电路，可实时判断红黄绿信号灯的电压状态，用于故障判断。

③信号灯电流检测：4路信号灯电流检测电路，可实时检测红灯的电流状态，用于信号灯的故障判断。

④故障判断：根据驱动命令及信号灯状态检测值，判断信号灯的故障状态并上报给主板。

智能处理模块公交信号优先措施具体流程如图6所示。

图6 公交信号优先措施流程

4 公交优先控制系统平台软件

公交优先控制系统平台软件是位于后台控制室，安装在控制室控制计算机平台中，通过该软件可同时接入100台信号控制机进行管理和控制。公交优先控制系统平台软件具备以下功能：

1)公交优先控制线路的编辑、管理

①新增、删除和修改公交优先的线路，其中包括线路中包含的站点的编辑和线路中经过的交叉口各个行驶方向所对应检测器编号的编辑。

②新增、删除和修改公交优先线路中对应的车辆ID编号，公交行驶线路发生变化时通过后台进行编辑，保证线路变化不会影响到公交优先信号控制的运行。

2)公交车辆的运行轨迹监控

平台通过公交车辆的GPS信息监控公交车辆的行驶轨迹。使用单独界面实时显示各条线路的车辆位置，每个线路根据车辆行驶路线显示，路线上显示站台和交叉口。同时可以根据时间点查询公交车辆的历史位置以及回放历史轨迹。

3)公交优先控制相关参数设置

通过后台软件可以进行信号控制机中公交优先控制功能中信标时距、通过时间、最小绿灯时间以及协调相位等参数设置。

4)公交运行的效益评估

①公交优先通行的效率评估

计算公交车辆在各个交叉口的行车延误和停车次数，并对比没有优先车辆的运行时间，对公交车辆优先通行的效率进行评估。

②对其他方向交通运行影响的评估

计算非优先相位的流量、饱和度和延误等参数，对比历史数据进行分析。

5 快速公交系统其它辅助设施

为保证快速公交信号优先系统安全可靠地运行，系统还包括其他辅助设施，可以根据实际情况考虑配备与否。

1)触发式倒计时器

由于实施公交信号优先控制后，原有的自学习式倒计时器已无法正确显示红绿灯的剩余时间，容易给社会车辆造成误解。可以在路口采用触发式倒计时器，即在当前相位绿闪和黄灯这一时段显示倒计时(10 s)，其它方向的倒计时在红灯剩余10 s时显示。以此来保障路口车辆的安全通行。

2)BRT专用信号灯

通过公交信号灯与社会车辆信号灯分开管控，保障公交车辆优先通过路口的同时减少给路口其他方向车辆带来的影响。同时还可以满足路口进行多种优先控制方式的实施条件，实现真正的公交优先通行，提升公交车辆的运行效率和准点率。

6 结 语

随着城市道路交通拥堵问题越来越严重，目前，大力发展公共交通事业被认为是解决城市交通问题的有效途径之一。其中，公交信号优先作为实现城市公交优先的重要手段，为保证城市公交优先策略的高效实施发挥了积极的作用。提出的公交信号优先系统是基于无线传感器网络，通过软件自动判断是否给予公交车辆优先。在下一步的工作中，需要开发具备基于行人、非机动车、小汽车、公交车、特种车辆及有轨电车等不同交通流的自主优化实时控制算法，能够对各种类型交叉口的不同交通流进行最优的精细化灯组控制。特别是在满足小汽车通行控制的前提下，能够有效实现公交车、特种车辆以及有轨电车的信号优先控制应用需求。

[1] 陈林菁.公交优先!现代城市交通的选择[J].城市道桥与防洪,2001(04):52-54.

[2] 建设部.关于优先发展城市公共交通的意见[Z].北京：建城[2004]38号文.

[3] 王 西.公交优先策略下城市交通交叉口信号配时方法研究[J].吉林建筑大学学报,2015,32(06):22-25.

[4] 张卫华，陆化普，刘 强.实施城市快速公交(BRT)的平面交叉口处理技术[J].交通科技,2004(6):85-87.

[5] 周 玮，董全德，宋启祥.基于STM32的物联网底层平台研究与测试[J].沈阳工程学院学报：自然科学版,2017,13(4):370-375.

[6] 周彤梅，冶文斌.道路交通控制的发展趋势研究[J].公安大学学报：自然科学版,2002 (6):49-53.