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基于RFID技术的快速公交信号优先控制系统设计
作者：陶瑞岩 贾琳 翟东伟
来源：中国智能卡网
日期：2009-04-22 09:05:19
摘要：快速公交系统作为一种新型的客运模式，以其工程投资少、建设周期短、环境污染小、运输效率高等优点而被认为是解决城市交通拥堵问题的有效方式之一，并在世界范围内得到成功地推广和应用。
快速公交系统作为一种新型的客运模式，以其工程投资少、建设周期短、环境污染小、运输效率高等优点而被认为是解决城市交通拥堵问题的有效方式之一，并在世界范围内得到成功地推广和应用。在世界诸多城市建设快速公交系统的大力影响和我国相关政策的有力推动下，国内交通界和各大城市开始把快速公交系统推到了缓解城市交通压力的前台，今后5年内，国内将有10座以上的城市建成快速公交系统，预计其总长度将达到300～500公里，日客流量达到200～400万人次。
本文依托由中国土木工程学会城市公共交通学会主持的建设部2006年科学技术项目：《巴士快速交通技术运营研究》(06-K4-38)，对快速公交信号优先控制技术进行了重点研究，首先分析了国内外有关公交信号优先控制的策略，随后对公交信号优先系统的控制目标和模式进行了研究，并在此基础上提出了基于RFID技术的快速公交信号优先控制系统的设计原理，该方案可明显减少快速公交车辆通过道路交叉口的时间，有效提高快速公交系统的运管水平和服务质量。
一、 公交信号优先控制概述
对于公共交通系统而言，造成车辆运营工作延误的原因主要有两种：站台延误和交叉口延误。站台延误可通过站台设计优化、车辆乘降优化来减小；交叉口延误一般采用交叉口公交车辆信号优先来解决。在道路交叉口，公交信号优先可为公交车辆（公共汽车、客运车辆、有轨电车等）提供便捷的优先通行服务，由此降低公交车辆的行程时间和排队等候绿灯放行的时问，从而提高其准点率和服务水平。公交信号优先不仅要提升公交车辆交通的运行效益，而且要尽量降低对其它车辆行人交通等产生的负面影响。目前，国内外有关公交信号优先控制的策略主要有：
(1)实时控制
系统依靠获取的不断变化的信息进行决策控制，系统要求具有车辆位置、路口交通流状态等信息的采集手段，以及在此基础上合理的控制逻辑，有较好的适应性与有效性。
(2)固定配时控制
系统依照给定区域内的常规情况来进行信号控制，不需要经常性地进行信息采集与更新，系统按照预设的方案进行控制而不是时刻变化的交通信息。系统考虑的条件通常是分时段的路口交通流量情况以及公交车辆通过路口的需求；
(3)运营计划控制
优先决策是依据公交车辆的运行计划执行的，信号控制与运营计划结合的方式有多种，如参照静态运营计划或动态运营计划，需要信号控制系统与公交运营企业建立可靠的通信手段保证计划的及时传输；与实时控制的主要区别在于系统可以不关心具体的车辆位置，仅靠运营计划制定路口的相位控制方案。
(4)车辆间隔控制
以公交车辆通过路口的时间间隔为控制参考指标，防止串车现象的发生，在客运低峰期可以提高运输效率，比较适合交通状况良好、公交运输需求不高的情况，具有一定的公交运营管理的作用。
二、 公交信号优先控制需求
1. 公交信号优先控制目标
“公交优先”的概念包括两方面的含义，即对公共交通在通行“空间”和“时间”上给予优先。所谓“空间优先”是通过设立公交专用道来实现；所谓“时间优先”则体现在为公交车提供优先通行信号。快速公交在土建施工时设计了公交专用道，在“空间”上已保证公交车辆的优先，因此，优先信号最佳控制是提高快速公交系统运营效率的有效措施。快速公交车的载客量显然远大于社会车辆和一般公交车辆，是效率化的运输方式，因此，快速公交车通过道路交叉口时理应享有更大的通行权。
信号优先系统并不仅要考虑公交车辆通过路口的需求，还要保证路口交通的正常秩序。因此，在兼顾以上两种因素的基础上，制定了以下的优先控制目标：
(1)实现公交车辆识别，进行有针对性车辆的路口优先；
(2)制定完整的信号优先方案，可以满足不同情况下的公交优先需求；
(3)选择合适的优先策略提高车辆路口通过率；
(4)实现车辆运营计划与交通信号的协调控制。
2. 公交信号优先控制方式
根据国内外信号优先系统的实施经验，针对交通基础设施情况及交通流量实际情况，在进行公交信号优先系统设计时，可采用以下技术路线：
(1)信号优先控制模式
信号优先系统应当具备多种模式工作的能力，主要应具备的几种模式为：
系统控制下优先
这是信号优先系统的最终目标，但由于这种方式需要大量的分析、交通调查等准备工作，并且在实施过程中要进行不断地调整，才能达到预期的效果，因此在项目建设期间该种方式的实现往往会滞后其他系统正式运营；
系统监视下的本地优先
在系统控制优先未能实现的情况下，依靠此方式实现路口的优先控制，为异常情况下人为介入信号控制提供支持。
本地控制下优先
作为系统紧急情况下控制方案，例如在通信链路故障时，路口仍能够行使信号优先的控制职能。
(2)信号优先控制策略
采用实时控制与运营计划控制相结合的方式，采用运营计划控制的思想确定沿线各路口的信号周期与相位次序。利用车辆识别系统对即将通过路口的车辆进行检测，从而实现主动的实时优先申请，并在此基础上进行优先决策。
在信号控制策略方面采用实时控制与运营计划控制相结合的方式：
在充分考虑线路车辆调度计划以及社会交通流量的前提下，确定不同时段的配时方案。
在车辆达到路口时使用实时控制策略，在获得车辆的位置、速度信息基础上（主要是位置信息），实行信号优先分配。
车辆检测/识别是主动优先的必要组成部分，只有实现了精确的车辆检测/识别才能有效地进行信号优先分配。由于线路运营需要准确及时地监控车辆位置信息，因此，公交车辆进出站台、场站时都有必要进行准确地检测/识别。
(3)信号控制方法
以扩展优先、调用优先为主要信号控制方式，因插入专用相位以及相位次序交换方法容易与人们的习惯相矛盾导致在使用中可能出现交通混乱现象而较少使用。
三、 基于RFID技术的快速公交信号优先控制系统
随着微波射频识别（RFID）技术的发展和成熟，将其应用于快速公交车辆检测/识别将大大提高对车辆的管理和运营效率。该方法由2.4G/5.8G有源电子标签和基站式读写器组成，该频段设备通信具有良好的方向性，通过调节路侧读写器的输出功率及天线的方向，可以获得不同的直线通信距离[5]。
阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时将车辆ID信息通过标签内置天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理；后台主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。
1. 信号优先控制原理
信号优先控制系统是指交通信号系统对BRT车辆在“时间”上给予的优先，它主要体现在：当BRT车辆行驶到十字路口附近时，交通信号系统识别到车辆并判断车辆的运行方向，为公共汽车提供优先通行信号。
信号优先系统主要包含有源电子标签和基站式读写器。有源电子标签可通过无线通讯方式来与基站式读写器信息交互，提供车辆位置、方向等信息，基站式读写器通过对该信息的处理和优化，向信号控制机发出请求优先信号，并由信号控制机对信号灯相位进行控制，以实现对公交车辆的信号优先，其原理如图3-1所示。
基于RFID的快速公交信号优先控制系统由主要由4部分构成，其结构如图3-2所示。
(2) 路边单元：读写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，是一种高质量的室外通信天线；
(3) 信号控制系统：中心信号控制机（内置嵌入式优先处理模块）为信号优先请求的处理部分；系统采用嵌入式的请求处理模块，通过条件判断是否给予优先通行的权力，对路口信号控制机发出指令，用以控制信号灯相位；BRT信号优先控制流程见图3-3。
(4) 通信设备：可选以太网方式进行车辆定位信息的传输，也可以选用无线形式，如GPRS、CDMA和WLAN等。
当车辆到达交叉口，RFID读卡器读到标签，获取车辆信息；通过与智能调度系统交互获取车辆实时调度状态，包括是否晚点、是否快车调度以及满载率等，根据车辆实时状态，生成请求；之后信号优先系统向交通管理部门提出优先申请，交管部门系统在原有的计划信息，实时调度信息的基础上，对请求进行处理，最后给出优先结果；在车辆离开定位区域之后，信号控制系统进入信号状态恢复状态，直到信号状态恢复，完成信号优先调度过程。
四、 结论及建议
1、公交信号优先系统在具体实施的时候，将会有到多方面的实际问题，因此在设计和实施时需要注意以下问题：
根据地区的具体实际制订公交信号优先方案， 要符合地区的交通需求与特点；
建立起以交管部门为主导，公交部门为辅助的信号优先实施小组，在保证交通正常秩序的情况下实施信号优先；
建立起完善的高素质实施和维护队伍，便于系统的安全运营；
综合考虑经济因素，避免多余和重复投资。
2、基于RFID技术的快速公交信号优先控制方案克服了传统车辆检测器的应用不足，降低了公交车辆的延误，能够有效提高快速公交系统的运管水平和服务质量。
（文/中兴智能交通系统（北京）有限公司 ITS技术研究院 陶瑞岩 贾琳 翟东伟）
本文依托由中国土木工程学会城市公共交通学会主持的建设部2006年科学技术项目：《巴士快速交通技术运营研究》(06-K4-38)，对快速公交信号优先控制技术进行了重点研究，首先分析了国内外有关公交信号优先控制的策略，随后对公交信号优先系统的控制目标和模式进行了研究，并在此基础上提出了基于RFID技术的快速公交信号优先控制系统的设计原理，该方案可明显减少快速公交车辆通过道路交叉口的时间，有效提高快速公交系统的运管水平和服务质量。
一、 公交信号优先控制概述
对于公共交通系统而言，造成车辆运营工作延误的原因主要有两种：站台延误和交叉口延误。站台延误可通过站台设计优化、车辆乘降优化来减小；交叉口延误一般采用交叉口公交车辆信号优先来解决。在道路交叉口，公交信号优先可为公交车辆（公共汽车、客运车辆、有轨电车等）提供便捷的优先通行服务，由此降低公交车辆的行程时间和排队等候绿灯放行的时问，从而提高其准点率和服务水平。公交信号优先不仅要提升公交车辆交通的运行效益，而且要尽量降低对其它车辆行人交通等产生的负面影响。目前，国内外有关公交信号优先控制的策略主要有：
(1)实时控制
系统依靠获取的不断变化的信息进行决策控制，系统要求具有车辆位置、路口交通流状态等信息的采集手段，以及在此基础上合理的控制逻辑，有较好的适应性与有效性。
(2)固定配时控制
系统依照给定区域内的常规情况来进行信号控制，不需要经常性地进行信息采集与更新，系统按照预设的方案进行控制而不是时刻变化的交通信息。系统考虑的条件通常是分时段的路口交通流量情况以及公交车辆通过路口的需求；
(3)运营计划控制
优先决策是依据公交车辆的运行计划执行的，信号控制与运营计划结合的方式有多种，如参照静态运营计划或动态运营计划，需要信号控制系统与公交运营企业建立可靠的通信手段保证计划的及时传输；与实时控制的主要区别在于系统可以不关心具体的车辆位置，仅靠运营计划制定路口的相位控制方案。
(4)车辆间隔控制
以公交车辆通过路口的时间间隔为控制参考指标，防止串车现象的发生，在客运低峰期可以提高运输效率，比较适合交通状况良好、公交运输需求不高的情况，具有一定的公交运营管理的作用。
二、 公交信号优先控制需求
1. 公交信号优先控制目标
“公交优先”的概念包括两方面的含义，即对公共交通在通行“空间”和“时间”上给予优先。所谓“空间优先”是通过设立公交专用道来实现；所谓“时间优先”则体现在为公交车提供优先通行信号。快速公交在土建施工时设计了公交专用道，在“空间”上已保证公交车辆的优先，因此，优先信号最佳控制是提高快速公交系统运营效率的有效措施。快速公交车的载客量显然远大于社会车辆和一般公交车辆，是效率化的运输方式，因此，快速公交车通过道路交叉口时理应享有更大的通行权。
信号优先系统并不仅要考虑公交车辆通过路口的需求，还要保证路口交通的正常秩序。因此，在兼顾以上两种因素的基础上，制定了以下的优先控制目标：
(1)实现公交车辆识别，进行有针对性车辆的路口优先；
(2)制定完整的信号优先方案，可以满足不同情况下的公交优先需求；
(3)选择合适的优先策略提高车辆路口通过率；
(4)实现车辆运营计划与交通信号的协调控制。
2. 公交信号优先控制方式
根据国内外信号优先系统的实施经验，针对交通基础设施情况及交通流量实际情况，在进行公交信号优先系统设计时，可采用以下技术路线：
(1)信号优先控制模式
信号优先系统应当具备多种模式工作的能力，主要应具备的几种模式为：
系统控制下优先
这是信号优先系统的最终目标，但由于这种方式需要大量的分析、交通调查等准备工作，并且在实施过程中要进行不断地调整，才能达到预期的效果，因此在项目建设期间该种方式的实现往往会滞后其他系统正式运营；
系统监视下的本地优先
在系统控制优先未能实现的情况下，依靠此方式实现路口的优先控制，为异常情况下人为介入信号控制提供支持。
本地控制下优先
作为系统紧急情况下控制方案，例如在通信链路故障时，路口仍能够行使信号优先的控制职能。
(2)信号优先控制策略
采用实时控制与运营计划控制相结合的方式，采用运营计划控制的思想确定沿线各路口的信号周期与相位次序。利用车辆识别系统对即将通过路口的车辆进行检测，从而实现主动的实时优先申请，并在此基础上进行优先决策。
在信号控制策略方面采用实时控制与运营计划控制相结合的方式：
在充分考虑线路车辆调度计划以及社会交通流量的前提下，确定不同时段的配时方案。
在车辆达到路口时使用实时控制策略，在获得车辆的位置、速度信息基础上（主要是位置信息），实行信号优先分配。
车辆检测/识别是主动优先的必要组成部分，只有实现了精确的车辆检测/识别才能有效地进行信号优先分配。由于线路运营需要准确及时地监控车辆位置信息，因此，公交车辆进出站台、场站时都有必要进行准确地检测/识别。
(3)信号控制方法
以扩展优先、调用优先为主要信号控制方式，因插入专用相位以及相位次序交换方法容易与人们的习惯相矛盾导致在使用中可能出现交通混乱现象而较少使用。
三、 基于RFID技术的快速公交信号优先控制系统
随着微波射频识别（RFID）技术的发展和成熟，将其应用于快速公交车辆检测/识别将大大提高对车辆的管理和运营效率。该方法由2.4G/5.8G有源电子标签和基站式读写器组成，该频段设备通信具有良好的方向性，通过调节路侧读写器的输出功率及天线的方向，可以获得不同的直线通信距离[5]。
阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时将车辆ID信息通过标签内置天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理；后台主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。
1. 信号优先控制原理
信号优先控制系统是指交通信号系统对BRT车辆在“时间”上给予的优先，它主要体现在：当BRT车辆行驶到十字路口附近时，交通信号系统识别到车辆并判断车辆的运行方向，为公共汽车提供优先通行信号。
信号优先系统主要包含有源电子标签和基站式读写器。有源电子标签可通过无线通讯方式来与基站式读写器信息交互，提供车辆位置、方向等信息，基站式读写器通过对该信息的处理和优化，向信号控制机发出请求优先信号，并由信号控制机对信号灯相位进行控制，以实现对公交车辆的信号优先，其原理如图3-1所示。
图 3- 1 信号优先控制原理图
基于RFID的快速公交信号优先控制系统由主要由4部分构成，其结构如图3-2所示。
图 3- 2 基于RFID的信号优先控制系统结构
(2) 路边单元：读写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，是一种高质量的室外通信天线；
(3) 信号控制系统：中心信号控制机（内置嵌入式优先处理模块）为信号优先请求的处理部分；系统采用嵌入式的请求处理模块，通过条件判断是否给予优先通行的权力，对路口信号控制机发出指令，用以控制信号灯相位；BRT信号优先控制流程见图3-3。
(4) 通信设备：可选以太网方式进行车辆定位信息的传输，也可以选用无线形式，如GPRS、CDMA和WLAN等。
图 3- 3 快速公交信号优先控制流程
图 3- 4 基于RFID的快速公交信号优先控制应用框架
当车辆到达交叉口，RFID读卡器读到标签，获取车辆信息；通过与智能调度系统交互获取车辆实时调度状态，包括是否晚点、是否快车调度以及满载率等，根据车辆实时状态，生成请求；之后信号优先系统向交通管理部门提出优先申请，交管部门系统在原有的计划信息，实时调度信息的基础上，对请求进行处理，最后给出优先结果；在车辆离开定位区域之后，信号控制系统进入信号状态恢复状态，直到信号状态恢复，完成信号优先调度过程。
四、 结论及建议
1、公交信号优先系统在具体实施的时候，将会有到多方面的实际问题，因此在设计和实施时需要注意以下问题：
根据地区的具体实际制订公交信号优先方案， 要符合地区的交通需求与特点；
建立起以交管部门为主导，公交部门为辅助的信号优先实施小组，在保证交通正常秩序的情况下实施信号优先；
建立起完善的高素质实施和维护队伍，便于系统的安全运营；
综合考虑经济因素，避免多余和重复投资。
2、基于RFID技术的快速公交信号优先控制方案克服了传统车辆检测器的应用不足，降低了公交车辆的延误，能够有效提高快速公交系统的运管水平和服务质量。
（文/中兴智能交通系统（北京）有限公司 ITS技术研究院 陶瑞岩 贾琳 翟东伟）
