基于RFID技術(shù)的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　快速公交系統(tǒng)作為一種新型的客運(yùn)模式，以其工程投資少、建設(shè)周期短、環(huán)境污染小、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是解決城市交通擁堵問題的有效方式之一，并在世界范圍內(nèi)得到成功地推廣和應(yīng)用。在世界諸多城市建設(shè)快速公交系統(tǒng)的大力影響和我國相關(guān)政策的有力推動(dòng)下，國內(nèi)交通界和各大城市開始把快速公交系統(tǒng)推到了緩解城市交通壓力的前臺(tái)，今后5年內(nèi)，國內(nèi)將有10座以上的城市建成快速公交系統(tǒng)，預(yù)計(jì)其總長度將達(dá)到300～500公里，日客流量達(dá)到200～400萬人次。

　　本文依托由中國土木工程學(xué)會(huì)城市公共交通學(xué)會(huì)主持的建設(shè)部2006年科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目：《巴士快速交通技術(shù)運(yùn)營研究》(06-K4-38)，對(duì)快速公交信號(hào)優(yōu)先控制技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，首先分析了國內(nèi)外有關(guān)公交信號(hào)優(yōu)先控制的策略，隨后對(duì)公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)的控制目標(biāo)和模式進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出了基于RFID技術(shù)的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，該方案可明顯減少快速公交車輛通過道路交叉口的時(shí)間，有效提高快速公交系統(tǒng)的運(yùn)管水平和服務(wù)質(zhì)量。 

　　一、 公交信號(hào)優(yōu)先控制概述 

　　對(duì)于公共交通系統(tǒng)而言，造成車輛運(yùn)營工作延誤的原因主要有兩種：站臺(tái)延誤和交叉口延誤。站臺(tái)延誤可通過站臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)化、車輛乘降優(yōu)化來減小；交叉口延誤一般采用交叉口公交車輛信號(hào)優(yōu)先來解決。在道路交叉口，公交信號(hào)優(yōu)先可為公交車輛（公共汽車、客運(yùn)車輛、有軌電車等）提供便捷的優(yōu)先通行服務(wù)，由此降低公交車輛的行程時(shí)間和排隊(duì)等候綠燈放行的時(shí)問，從而提高其準(zhǔn)點(diǎn)率和服務(wù)水平。公交信號(hào)優(yōu)先不僅要提升公交車輛交通的運(yùn)行效益，而且要盡量降低對(duì)其它車輛行人交通等產(chǎn)生的負(fù)面影響。目前，國內(nèi)外有關(guān)公交信號(hào)優(yōu)先控制的策略主要有： 

　　(1)實(shí)時(shí)控制 

　　系統(tǒng)依靠獲取的不斷變化的信息進(jìn)行決策控制，系統(tǒng)要求具有車輛位置、路口交通流狀態(tài)等信息的采集手段，以及在此基礎(chǔ)上合理的控制邏輯，有較好的適應(yīng)性與有效性。 

　　(2)固定配時(shí)控制 

　　系統(tǒng)依照給定區(qū)域內(nèi)的常規(guī)情況來進(jìn)行信號(hào)控制，不需要經(jīng)常性地進(jìn)行信息采集與更新，系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的方案進(jìn)行控制而不是時(shí)刻變化的交通信息。系統(tǒng)考慮的條件通常是分時(shí)段的路口交通流量情況以及公交車輛通過路口的需求； 

　　(3)運(yùn)營計(jì)劃控制 

　　優(yōu)先決策是依據(jù)公交車輛的運(yùn)行計(jì)劃執(zhí)行的，信號(hào)控制與運(yùn)營計(jì)劃結(jié)合的方式有多種，如參照靜態(tài)運(yùn)營計(jì)劃或動(dòng)態(tài)運(yùn)營計(jì)劃，需要信號(hào)控制系統(tǒng)與公交運(yùn)營企業(yè)建立可靠的通信手段保證計(jì)劃的及時(shí)傳輸；與實(shí)時(shí)控制的主要區(qū)別在于系統(tǒng)可以不關(guān)心具體的車輛位置，僅靠運(yùn)營計(jì)劃制定路口的相位控制方案。 

　　(4)車輛間隔控制 

　　以公交車輛通過路口的時(shí)間間隔為控制參考指標(biāo)，防止串車現(xiàn)象的發(fā)生，在客運(yùn)低峰期可以提高運(yùn)輸效率，比較適合交通狀況良好、公交運(yùn)輸需求不高的情況，具有一定的公交運(yùn)營管理的作用。 

　　二、 公交信號(hào)優(yōu)先控制需求 
  
　　1. 公交信號(hào)優(yōu)先控制目標(biāo) 

　　“公交優(yōu)先”的概念包括兩方面的含義，即對(duì)公共交通在通行“空間”和“時(shí)間”上給予優(yōu)先。所謂“空間優(yōu)先”是通過設(shè)立公交專用道來實(shí)現(xiàn)；所謂“時(shí)間優(yōu)先”則體現(xiàn)在為公交車提供優(yōu)先通行信號(hào)?？焖俟辉谕两ㄊ┕r(shí)設(shè)計(jì)了公交專用道，在“空間”上已保證公交車輛的優(yōu)先，因此，優(yōu)先信號(hào)最佳控制是提高快速公交系統(tǒng)運(yùn)營效率的有效措施?？焖俟卉嚨妮d客量顯然遠(yuǎn)大于社會(huì)車輛和一般公交車輛，是效率化的運(yùn)輸方式，因此，快速公交車通過道路交叉口時(shí)理應(yīng)享有更大的通行權(quán)。 

　　信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)并不僅要考慮公交車輛通過路口的需求，還要保證路口交通的正常秩序。因此，在兼顧以上兩種因素的基礎(chǔ)上，制定了以下的優(yōu)先控制目標(biāo)： 

　　(1)實(shí)現(xiàn)公交車輛識(shí)別，進(jìn)行有針對(duì)性車輛的路口優(yōu)先；
　　(2)制定完整的信號(hào)優(yōu)先方案，可以滿足不同情況下的公交優(yōu)先需求；
　　(3)選擇合適的優(yōu)先策略提高車輛路口通過率；
　　(4)實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)營計(jì)劃與交通信號(hào)的協(xié)調(diào)控制。 

　　2. 公交信號(hào)優(yōu)先控制方式 

　　根據(jù)國內(nèi)外信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施情況及交通流量實(shí)際情況，在進(jìn)行公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用以下技術(shù)路線： 

　　(1)信號(hào)優(yōu)先控制模式 

　　信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備多種模式工作的能力，主要應(yīng)具備的幾種模式為： 

　　系統(tǒng)控制下優(yōu)先 

　　這是信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)的最終目標(biāo)，但由于這種方式需要大量的分析、交通調(diào)查等準(zhǔn)備工作，并且在實(shí)施過程中要進(jìn)行不斷地調(diào)整，才能達(dá)到預(yù)期的效果，因此在項(xiàng)目建設(shè)期間該種方式的實(shí)現(xiàn)往往會(huì)滯后其他系統(tǒng)正式運(yùn)營；
  
　　系統(tǒng)監(jiān)視下的本地優(yōu)先 

　　在系統(tǒng)控制優(yōu)先未能實(shí)現(xiàn)的情況下，依靠此方式實(shí)現(xiàn)路口的優(yōu)先控制，為異常情況下人為介入信號(hào)控制提供支持。 

　　本地控制下優(yōu)先 

　　作為系統(tǒng)緊急情況下控制方案，例如在通信鏈路故障時(shí)，路口仍能夠行使信號(hào)優(yōu)先的控制職能。 

　　(2)信號(hào)優(yōu)先控制策略 

　　采用實(shí)時(shí)控制與運(yùn)營計(jì)劃控制相結(jié)合的方式，采用運(yùn)營計(jì)劃控制的思想確定沿線各路口的信號(hào)周期與相位次序。利用車輛識(shí)別系統(tǒng)對(duì)即將通過路口的車輛進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)的實(shí)時(shí)優(yōu)先申請(qǐng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)先決策。
在信號(hào)控制策略方面采用實(shí)時(shí)控制與運(yùn)營計(jì)劃控制相結(jié)合的方式：
  
　　在充分考慮線路車輛調(diào)度計(jì)劃以及社會(huì)交通流量的前提下，確定不同時(shí)段的配時(shí)方案。 

　　在車輛達(dá)到路口時(shí)使用實(shí)時(shí)控制策略，在獲得車輛的位置、速度信息基礎(chǔ)上（主要是位置信息），實(shí)行信號(hào)優(yōu)先分配。 

　　車輛檢測/識(shí)別是主動(dòng)優(yōu)先的必要組成部分，只有實(shí)現(xiàn)了精確的車輛檢測/識(shí)別才能有效地進(jìn)行信號(hào)優(yōu)先分配。由于線路運(yùn)營需要準(zhǔn)確及時(shí)地監(jiān)控車輛位置信息，因此，公交車輛進(jìn)出站臺(tái)、場站時(shí)都有必要進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測/識(shí)別。 

　　(3)信號(hào)控制方法 

　　以擴(kuò)展優(yōu)先、調(diào)用優(yōu)先為主要信號(hào)控制方式，因插入專用相位以及相位次序交換方法容易與人們的習(xí)慣相矛盾導(dǎo)致在使用中可能出現(xiàn)交通混亂現(xiàn)象而較少使用。 

　　三、 基于RFID技術(shù)的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng) 
 
　　隨著微波射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的發(fā)展和成熟，將其應(yīng)用于快速公交車輛檢測/識(shí)別將大大提高對(duì)車輛的管理和運(yùn)營效率。該方法由2.4G/5.8G有源電子標(biāo)簽和基站式讀寫器組成，該頻段設(shè)備通信具有良好的方向性，通過調(diào)節(jié)路側(cè)讀寫器的輸出功率及天線的方向，可以獲得不同的直線通信距離[5]。 

　　閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)將車輛ID信息通過標(biāo)簽內(nèi)置天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；后臺(tái)主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。 

　　1. 信號(hào)優(yōu)先控制原理 

　　信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)是指交通信號(hào)系統(tǒng)對(duì)BRT車輛在“時(shí)間”上給予的優(yōu)先，它主要體現(xiàn)在：當(dāng)BRT車輛行駛到十字路口附近時(shí)，交通信號(hào)系統(tǒng)識(shí)別到車輛并判斷車輛的運(yùn)行方向，為公共汽車提供優(yōu)先通行信號(hào)。 

　　信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)主要包含有源電子標(biāo)簽和基站式讀寫器。有源電子標(biāo)簽可通過無線通訊方式來與基站式讀寫器信息交互，提供車輛位置、方向等信息，基站式讀寫器通過對(duì)該信息的處理和優(yōu)化，向信號(hào)控制機(jī)發(fā)出請(qǐng)求優(yōu)先信號(hào)，并由信號(hào)控制機(jī)對(duì)信號(hào)燈相位進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車輛的信號(hào)優(yōu)先，其原理如圖3-1所示。 

    

圖 3- 1  信號(hào)優(yōu)先控制原理圖 

　　2. 信號(hào)優(yōu)先控制方案設(shè)計(jì) 

　　基于RFID的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)由主要由4部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 

    

圖 3- 2  基于RFID的信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　(1) 車載單元：射頻卡（RF標(biāo)簽）；采用2.4G/5.8G頻段，安裝在每輛 BRT車輛前方車頂，識(shí)別距離為2—200米可調(diào)，識(shí)別速度在200 公里／小時(shí)，可同時(shí)識(shí)別200張卡，ID全球唯一，使用壽命可以達(dá)到5年（有源），且不易損壞； 

　　(2) 路邊單元：讀寫器的定向天線是室外板狀定向天線，具有增益高、前后輻射比大、三維尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，是一種高質(zhì)量的室外通信天線； 

　　(3) 信號(hào)控制系統(tǒng)：中心信號(hào)控制機(jī)（內(nèi)置嵌入式優(yōu)先處理模塊）為信號(hào)優(yōu)先請(qǐng)求的處理部分；系統(tǒng)采用嵌入式的請(qǐng)求處理模塊，通過條件判斷是否給予優(yōu)先通行的權(quán)力，對(duì)路口信號(hào)控制機(jī)發(fā)出指令，用以控制信號(hào)燈相位；BRT信號(hào)優(yōu)先控制流程見圖3-3。 

　　(4) 通信設(shè)備：可選以太網(wǎng)方式進(jìn)行車輛定位信息的傳輸，也可以選用無線形式，如GPRS、CDMA和WLAN等。 
  

    

圖 3- 3  快速公交信號(hào)優(yōu)先控制流程 

　　3. 信號(hào)優(yōu)先控制系統(tǒng)的應(yīng)用 

圖 3- 4  基于RFID的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制應(yīng)用框架 

　　基于RFID的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制功能框架如圖3-4所示。它對(duì)交通管理的應(yīng)用如下所述： 

　　當(dāng)車輛到達(dá)交叉口，RFID讀卡器讀到標(biāo)簽，獲取車輛信息；通過與智能調(diào)度系統(tǒng)交互獲取車輛實(shí)時(shí)調(diào)度狀態(tài)，包括是否晚點(diǎn)、是否快車調(diào)度以及滿載率等，根據(jù)車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)，生成請(qǐng)求；之后信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)向交通管理部門提出優(yōu)先申請(qǐng)，交管部門系統(tǒng)在原有的計(jì)劃信息，實(shí)時(shí)調(diào)度信息的基礎(chǔ)上，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行處理，最后給出優(yōu)先結(jié)果；在車輛離開定位區(qū)域之后，信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)入信號(hào)狀態(tài)恢復(fù)狀態(tài)，直到信號(hào)狀態(tài)恢復(fù)，完成信號(hào)優(yōu)先調(diào)度過程。 

　　四、 結(jié)論及建議 

　　1、公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)在具體實(shí)施的時(shí)候，將會(huì)有到多方面的實(shí)際問題，因此在設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)需要注意以下問題： 

　　根據(jù)地區(qū)的具體實(shí)際制訂公交信號(hào)優(yōu)先方案， 要符合地區(qū)的交通需求與特點(diǎn)；
  
　　建立起以交管部門為主導(dǎo)，公交部門為輔助的信號(hào)優(yōu)先實(shí)施小組，在保證交通正常秩序的情況下實(shí)施信號(hào)優(yōu)先； 
  
　　建立起完善的高素質(zhì)實(shí)施和維護(hù)隊(duì)伍，便于系統(tǒng)的安全運(yùn)營； 

　　綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，避免多余和重復(fù)投資。 

　　2、基于RFID技術(shù)的快速公交信號(hào)優(yōu)先控制方案克服了傳統(tǒng)車輛檢測器的應(yīng)用不足，降低了公交車輛的延誤，能夠有效提高快速公交系統(tǒng)的運(yùn)管水平和服務(wù)質(zhì)量。

　?。ㄎ?中興智能交通系統(tǒng)（北京）有限公司 ITS技術(shù)研究院 陶瑞巖 賈琳 翟東偉）