基于實(shí)時(shí)位置追蹤的公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)

徐 棱， 華璟怡， 劉成生

(公安部交通管理科學(xué)研究所， 江蘇無(wú)錫 214151)

0 引言

公交信號(hào)優(yōu)先可分為被動(dòng)優(yōu)先、主動(dòng)優(yōu)先以及實(shí)時(shí)優(yōu)先。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)公交信號(hào)優(yōu)先已有大量研究，Yagar、Sunkari、馬萬(wàn)經(jīng)、楊曉光等的研究結(jié)果表明被動(dòng)優(yōu)先僅在公交車輛流量較大且車輛運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)有一定控制效果[1-3]。實(shí)際場(chǎng)景中公交車因干擾因素較多，難以達(dá)到固定時(shí)刻、間隔到達(dá)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。Elias對(duì)加州3.8 英里道路9 個(gè)信號(hào)控制交叉口的公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，公交車輛行程時(shí)間減少23%[4]。Vincent等通過(guò)建立微觀仿真模型研究了綠燈延長(zhǎng)、紅燈縮短及有無(wú)恢復(fù)算法組合成的5 種優(yōu)先控制策略[5]。李赫楠對(duì)單個(gè)交叉口的公交優(yōu)先信號(hào)控制的策略及配時(shí)優(yōu)化方法進(jìn)行了研究[6]。譚永朝研究了混合交通條件下公交信號(hào)實(shí)時(shí)優(yōu)先模式[7]。上述學(xué)者的研究結(jié)果表明主動(dòng)、實(shí)時(shí)優(yōu)先可在降低公交車延誤、減少行程時(shí)間的同時(shí)，兼顧考慮社會(huì)車輛的需求，取得較好的公交信號(hào)優(yōu)先控制效果。目前，北京、上海、廣州、深圳、杭州、昆明和武漢等都在大力發(fā)展快速公交系統(tǒng)，通過(guò)開辟公交車專用車道，在交叉口附近實(shí)時(shí)檢測(cè)公交車并采用公交信號(hào)優(yōu)先來(lái)保障公交車快速通過(guò)。其中，實(shí)施效果較好的常州快速BRT公交系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)施公交優(yōu)先使全線平均運(yùn)行速度達(dá)到25.64 km/h，人均出行時(shí)間減少15 min。南京建鄴區(qū)2014年在269個(gè)路口實(shí)施公交信號(hào)優(yōu)先控制，公交車輛的平均車速提高15%，停車次數(shù)降低30%，出行效率顯著提高。

主動(dòng)優(yōu)先與實(shí)時(shí)優(yōu)先都是利用數(shù)學(xué)模型算法進(jìn)行交通狀況數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)公交車輛位置、行駛速度結(jié)合信號(hào)配時(shí)方案等要素，對(duì)交通信號(hào)采取延長(zhǎng)、縮短或插入相位的調(diào)整方法來(lái)保障公交車輛優(yōu)先通行。其公交優(yōu)先策略、模型中公交車從檢測(cè)點(diǎn)到駛離停車線的時(shí)間作為非常重要的一個(gè)參數(shù)，是優(yōu)化公交信號(hào)優(yōu)先策略的基礎(chǔ)條件，也是影響優(yōu)先效益的關(guān)鍵因素，對(duì)優(yōu)先控制的實(shí)際效果影響重大?，F(xiàn)有研究及應(yīng)用中，公交車輛的主要使用基于固定點(diǎn)的單次檢測(cè)，交叉口無(wú)公交專用進(jìn)口車道時(shí)，公交車從檢測(cè)點(diǎn)到停車線的路程中，可能受到各種因素的干擾，導(dǎo)致預(yù)測(cè)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間偏離較大。本研究擬使用公交車輛的實(shí)時(shí)GPS信息，結(jié)合GIS道路數(shù)據(jù)糾偏來(lái)檢測(cè)車輛位置，通過(guò)4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連續(xù)傳輸，來(lái)實(shí)時(shí)追蹤并優(yōu)化計(jì)算其到達(dá)停車線的時(shí)間。

1 基于GPS與GIS的檢測(cè)方法

準(zhǔn)確的檢測(cè)公交車輛是公交信號(hào)優(yōu)先實(shí)施的基礎(chǔ)，現(xiàn)有公交車輛檢測(cè)方法主要包含以下幾種。交叉口設(shè)有公交專用進(jìn)口道，可通過(guò)布設(shè)地感線圈、地磁、視頻等常規(guī)檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)公交車輛；交叉口無(wú)公交專用進(jìn)口道，可通過(guò)基于圖像識(shí)別的視頻檢測(cè)間接識(shí)別，也可通過(guò)全球定位系統(tǒng) (GPS)或射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)直接識(shí)別。公交車密集運(yùn)行的城市道路交叉口空間資源非常有限，在作為道路交通瓶頸的交叉口增設(shè)公交專用道需要縮減其他流向機(jī)動(dòng)車道，對(duì)交叉口通行影響很大?；趫D像識(shí)別的方法對(duì)于包含多種目標(biāo)類別的信號(hào)交叉口路段公交車識(shí)別的魯棒性問(wèn)題，目前研究方法比較欠缺，存在檢測(cè)精度不高和運(yùn)算速度慢等問(wèn)題[8]。利用智能交通信息設(shè)備直接實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車的識(shí)別目前技術(shù)相對(duì)成熟，可靠性較高。射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)成本高，設(shè)備易損壞、維護(hù)工作量大，安裝條件與檢測(cè)范圍受限，難以獲取全面的道路交通狀態(tài)信息等缺點(diǎn)。

GPS以往在公交運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中使用較多，近幾年，隨著GPS及移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于GPS采集公交車信息并利用4G移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸信息來(lái)構(gòu)建公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。

基于公交車必然在道路行駛，且通常具有固定行駛線路的運(yùn)行特性，可通過(guò)電子地圖道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)對(duì)公交車GPS位置進(jìn)行糾偏處理，將車輛匹配到正確的道路路段。位置糾偏的主要流程見圖1，第1步：GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括建立緩沖存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史的位置、速度信息進(jìn)行漂移修正以及定位坐標(biāo)系到地圖坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等；第2步：道路定位，基于預(yù)先采集的公交車線路、路網(wǎng)道路信息，以及車輛的歷史軌跡進(jìn)行道路路段匹配；第3步：對(duì)GPS位置點(diǎn)向匹配到的臨近路段進(jìn)行投影，根據(jù)最短距離原則對(duì)比歷史位置點(diǎn)以及GIS道路信息確定在路段上的位置點(diǎn)坐標(biāo)，參見圖2。通過(guò)道路實(shí)驗(yàn)測(cè)試，糾偏后的位置點(diǎn)與時(shí)間觀測(cè)的位置點(diǎn)誤差約3～6 m，糾偏前后的對(duì)比見圖3。考慮公交車在交叉口的行駛速度一般在20～30 km/h，由此導(dǎo)致的時(shí)間誤差在1.5 s以內(nèi)，對(duì)優(yōu)先控制效果的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖1 GPS位置糾偏主要流程

圖2 GPS位置點(diǎn)路段投影示意圖

采用基于GPS的公交車檢測(cè)方案的公交優(yōu)先控制策略，控制參數(shù)全部位于中心系統(tǒng)，可在電子地圖中標(biāo)識(shí)出公交站臺(tái)的位置或路口通行條件，通過(guò)調(diào)整參數(shù)或控制方法來(lái)適應(yīng)后期交通渠化調(diào)整、通行條件改變、線路調(diào)整等情況，具有較高的靈活性和良好的適應(yīng)性。該檢測(cè)方法在交叉口有無(wú)公交專用道情況下都可適用，并且通過(guò)綠燈延長(zhǎng)后可進(jìn)一步跟蹤得知目標(biāo)公交車是否通過(guò)路口、評(píng)估優(yōu)先結(jié)果、優(yōu)化優(yōu)先參數(shù)，針對(duì)目標(biāo)車輛實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的優(yōu)先控制。

2 實(shí)時(shí)位置追蹤的優(yōu)先控制方法

公交信號(hào)主動(dòng)優(yōu)先控制一般包含以下3種控制方法，見圖4。(1)綠燈延長(zhǎng)。檢測(cè)公交車到達(dá)后，根據(jù)預(yù)測(cè)模型，計(jì)算其到達(dá)停車線所需時(shí)間Δt，在優(yōu)先相位(B相位)基礎(chǔ)綠燈之內(nèi)(t1～t2)到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的公交車，可通過(guò)交叉口不調(diào)整。在優(yōu)先相位基礎(chǔ)綠燈時(shí)間外到最大綠燈時(shí)間(t2～t3)到達(dá)，延長(zhǎng)

圖3 糾偏前后對(duì)比

綠燈時(shí)間使到達(dá)公交車通過(guò)。并以相位最大綠燈時(shí)間為約束，即t3時(shí)間點(diǎn)之后仍有公交車到達(dá)也不再進(jìn)行綠燈延長(zhǎng)；(2)紅燈縮短。當(dāng)公交車在t3～t5時(shí)刻到達(dá)，縮短公交車通行方向紅燈時(shí)間；(3)插入相位。公交車輛在紅燈期間到達(dá)，且需等待多個(gè)相位時(shí)(t3～t4)，在當(dāng)前相位結(jié)尾(圖4中C或D相位結(jié)束后)插入對(duì)應(yīng)公交通行相位(B相位)來(lái)使公交車盡快通過(guò)。

圖4 主動(dòng)優(yōu)先控制方法

主動(dòng)優(yōu)先控制中，優(yōu)先模塊通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)公交車抵達(dá)信號(hào)交叉口停車線的時(shí)刻來(lái)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，預(yù)測(cè)時(shí)間對(duì)優(yōu)先方法的選擇、優(yōu)先控制的效果影響很大。傳統(tǒng)固定點(diǎn)檢測(cè)在交叉口有前次未通過(guò)公交車滯留或混合通行的無(wú)公交專用進(jìn)口道情況下，預(yù)測(cè)時(shí)間的準(zhǔn)確率無(wú)法保證。

基于實(shí)時(shí)位置追蹤的優(yōu)先控制方法在公交車至停車線的行程時(shí)間預(yù)測(cè)上采用多次采樣修正，即通過(guò)增加檢測(cè)采樣頻率，變?cè)瓉?lái)的單次檢測(cè)并計(jì)算行程時(shí)間為對(duì)進(jìn)入優(yōu)先路口監(jiān)測(cè)路段的公交車連續(xù)采樣并計(jì)算，通過(guò)后一次的計(jì)算對(duì)前次檢測(cè)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行修正來(lái)提高預(yù)測(cè)時(shí)間的準(zhǔn)確率。其中優(yōu)先路口的監(jiān)測(cè)路段定義為公交站臺(tái)與公交路口停車線之間，且避開對(duì)公交車行駛干擾較大區(qū)域的路段，其長(zhǎng)度支持根據(jù)不同時(shí)段信號(hào)方案周期、最小綠、最大延長(zhǎng)綠等信號(hào)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。在交通信號(hào)的時(shí)間調(diào)整上采用小步幅逐漸逼近方法，即當(dāng)前時(shí)間到綠燈結(jié)束時(shí)間大于檢測(cè)時(shí)間間隔時(shí)，不做延長(zhǎng)；在其小于檢測(cè)時(shí)間間隔時(shí)，每次延長(zhǎng)一個(gè)大于或等于檢測(cè)時(shí)間間隔的單位時(shí)間，然后等待下一次計(jì)算修正的結(jié)果。實(shí)時(shí)位置追蹤的優(yōu)先控制方法主要控制流程如圖5所示。

圖5 主要控制流程

優(yōu)先路口車輛到達(dá)及排隊(duì)數(shù)據(jù)模型包含了優(yōu)先相位對(duì)應(yīng)的一到多個(gè)進(jìn)口流向數(shù)據(jù)，流向的到達(dá)車輛信息和排隊(duì)車輛信息。到達(dá)車輛信息包括：時(shí)間、速度、到路口距離及預(yù)測(cè)時(shí)間。排隊(duì)車輛信息包括：時(shí)間、速度、到路口距離、預(yù)測(cè)時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間及排隊(duì)數(shù)量等。優(yōu)先車輛歷史位置數(shù)據(jù)模型緩存了車輛一定數(shù)量的歷史信息，信息包括：位置、時(shí)間和速度。

上述控制方法在交叉口有公交專用進(jìn)口道的情況下可以使用，通過(guò)連續(xù)的位置追蹤及計(jì)算修正，也可以用于路口無(wú)公交專用進(jìn)口道的情況，適應(yīng)我國(guó)路口復(fù)雜多變的交通條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車實(shí)時(shí)、精確的信號(hào)優(yōu)先控制。

3 系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)

基于實(shí)時(shí)位置追蹤的公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)由三部分組成，包括：公交車上的可視化車載終端、控制中心的中心信號(hào)控制子系統(tǒng)及外場(chǎng)的信號(hào)機(jī)優(yōu)先信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)，總體架構(gòu)見圖6。車載終端實(shí)時(shí)采集車輛的GPS信息，通過(guò)移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心，中心進(jìn)行優(yōu)先決策后，把結(jié)果下發(fā)至路口信號(hào)機(jī)執(zhí)行，同時(shí)通知車載終端。

3.1.1 可視化車載終端及APP

可視化車載終端設(shè)計(jì)選擇支持GPS、4G移動(dòng)無(wú)線通信及支持觸摸顯示屏的工控平板電腦作為硬件平臺(tái)，使用Andriod軟件操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開發(fā)車載公交優(yōu)先App軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)車載端的功能。主要包括：參數(shù)配置、GPS數(shù)據(jù)處理、GIS顯示、數(shù)據(jù)通信、優(yōu)先信號(hào)顯示等，主要功能界面見圖7。

參數(shù)配置單元實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車輛參數(shù)、傳輸參數(shù)的配置。GPS數(shù)據(jù)處理及進(jìn)行符合NMEA0183協(xié)議的GPS數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理。GIS顯示單元主要負(fù)責(zé)把糾偏后的車輛實(shí)時(shí)位置顯示在電子地圖。數(shù)據(jù)通信單元通過(guò)4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與中心公交優(yōu)先服務(wù)模塊進(jìn)行通信，發(fā)送車輛編號(hào)、位置、速度信息至中心，接收中心下發(fā)的優(yōu)先控制結(jié)果及車輛前方即將到達(dá)路口的信號(hào)調(diào)整結(jié)果。優(yōu)先信息顯示單元用于顯示車輛即將到達(dá)的路口的公交信號(hào)燈燈色信息及剩余時(shí)間信息并輔助語(yǔ)音提示，為公交駕駛員實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確的交通信號(hào)和通行指引。

3.1.2 中心信號(hào)控制子系統(tǒng)

圖6 系統(tǒng)組成及總體架構(gòu)圖

圖7 車載終端APP主要功能界面

中心公交優(yōu)先參數(shù)配置與服務(wù)功能通過(guò)在現(xiàn)有信號(hào)控制系統(tǒng)主體架構(gòu)上擴(kuò)展公交優(yōu)先相關(guān)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括：優(yōu)先參數(shù)配置、運(yùn)行監(jiān)視、車輛位置信息接收與預(yù)處理、優(yōu)先決策及調(diào)度等。

公交優(yōu)先參數(shù)配置與運(yùn)行監(jiān)視模塊可實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先線路、優(yōu)先控制策略與方法、相位最小綠、延長(zhǎng)綠等參數(shù)的圖形化配置與監(jiān)視。車輛位置信息收與預(yù)處理服務(wù)模塊根據(jù)公交優(yōu)先線路、公交車輛實(shí)時(shí)位置等信息，建立各交叉口公交車排隊(duì)和到達(dá)模型。該模塊設(shè)計(jì)采用分布式架構(gòu)，支持多實(shí)例運(yùn)行，單個(gè)實(shí)例可接入并處理500輛公交車數(shù)據(jù)，可配置多個(gè)實(shí)例數(shù)來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用規(guī)模。優(yōu)先決策及調(diào)度模塊根據(jù)交叉口的優(yōu)先控制參數(shù)、公交車排隊(duì)和達(dá)到信息，決策當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)是否需要對(duì)相位進(jìn)行信號(hào)優(yōu)先干預(yù)控制，并實(shí)時(shí)執(zhí)行。

3.1.3 信號(hào)機(jī)優(yōu)先信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)

信號(hào)機(jī)的優(yōu)先信號(hào)執(zhí)行子系統(tǒng)包括公交優(yōu)先參數(shù)解析與傳輸，優(yōu)先控制干預(yù)指令執(zhí)行等模塊。主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，接收公交優(yōu)先參數(shù)讀寫、優(yōu)先相位時(shí)間調(diào)整、插入優(yōu)先相位等控制指令，進(jìn)行參數(shù)的完整性校驗(yàn)、指令的安全校驗(yàn)、執(zhí)行指令并返回執(zhí)行結(jié)果等。

3.2 測(cè)試驗(yàn)證

選擇在江蘇省無(wú)錫市錢榮路由北向南錢胡路至大池路段、貢湖大道由北向南錫南路至觀山路段2條主干道上共8個(gè)路口進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，通過(guò)車載終端準(zhǔn)確的檢測(cè)公交車位置與行駛情況并對(duì)交叉口發(fā)送優(yōu)先控制指令調(diào)整交通信號(hào)對(duì)其優(yōu)先放行。系統(tǒng)實(shí)施前后對(duì)比可見啟用公交信號(hào)優(yōu)先后公交車的延誤得到很大改善，在路口停車率降低。以貢湖大道部分路段為例，貢湖大道是連接無(wú)錫中心城區(qū)與副中心城區(qū)(太湖新城)最便捷、直接的主干道之一，全長(zhǎng)8.95 km。其錫南路至觀山路段全線雙向6車道，南北向?yàn)榻煌ㄖ髁飨?，也是主要的公交線路通道(見下圖8)，有7、59、105、133、135等多條公交線路通行。

排除轉(zhuǎn)彎路口觀山路，選擇錫南路到高浪路4個(gè)無(wú)公交專用進(jìn)口車道交叉口實(shí)施公交優(yōu)先前后的交通數(shù)據(jù)對(duì)比，公交車通過(guò)的平均速度由20.7 km/h提升至25.3 km/h，提高22%，平均旅行時(shí)間由5.33 min秒減少至4.37 min，縮短18%，控制效果良好。

圖8 貢湖大路路段交叉口及公交線路

4 總結(jié)

本文對(duì)公交信號(hào)優(yōu)先控制展開了研究，介紹了基于實(shí)時(shí)GPS位置追蹤及GIS修正的公交檢測(cè)模式，及基于該檢測(cè)模式的公交信號(hào)優(yōu)先控制方法，設(shè)計(jì)了一種基于實(shí)時(shí)位置追蹤的公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)，給出了具體的系統(tǒng)構(gòu)架以及設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)際道路應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性、有效性，為新的檢測(cè)、通信技術(shù)條件下公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)的建設(shè)提供新的思路與方法。

本研究還存在一些不足之處。受實(shí)驗(yàn)條件限制，僅在部分道路路口進(jìn)行了測(cè)試應(yīng)用，測(cè)試車輛數(shù)量和路網(wǎng)規(guī)模有限。下一步還需要結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)一步開展大容量、大范圍應(yīng)用測(cè)試并完善，可對(duì)接公交運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛載客率及準(zhǔn)點(diǎn)情況進(jìn)一步優(yōu)化車輛優(yōu)先參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的優(yōu)先控制。