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错纪
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1 第 14 卷第 2 期年 4 月沈阳工程学院学报 ( 自然科学版 ) Journal of Shenyang Institute of Engineering( Natural Science) Vol 14 No 2 Apr DOI: / j. cnki. jsie(ns) 基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统研究王慧 ꎬ 凤鹏飞 ( 安徽三联学院交通工程学院 ꎬ 安徽合肥 ) 摘要 : 提出一种以无线传感器网络为基础的 ꎬ 针对公交车辆信号优先控制的系统 ꎮ 该系统通过安装在道路两侧的固定单元不断发送数据包 ꎬ 由通过的公交车载终端接收后转发给 ZigBee 中继单元 ꎬ 经简单处理后发送给基站或者相邻的其他固定节点 ꎮ 当路口基站接收到数据包后 ꎬ 通过软件计算判断是否需要给予该公交车辆公交优先 ꎬ 如果需要 ꎬ 则修改路口交通灯参数 ꎬ 并反馈给公交车载终端 ꎮ 同时在公交控制后台 ꎬ 利用公交优先控制系统平台软件对多台信号控制机进行管理和控制 ꎮ 该软件可以编辑 ꎬ 管理公交优先控制线路 ꎬ 监控公交车辆的运行轨迹 ꎬ 设置相关参数和进行效益评估 ꎮ 该快速公交信号优先系统为地面公交车辆实现时间优先提供了一定的技术支持 ꎬ 并且响应了国家优先发展公交的政策 ꎮ 关键词 : 无线传感器网络 ꎻ 快速公交信号优先系统 ꎻ 物联网中图分类号 : TN399 文献标识码 : A 文章编号 : (2018) 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 ꎬ 以其他交通工具为辅的交通方式 ꎮ 它是一种交通发展策略 ꎬ 通常依靠工程上管理措施上以及相应政策法规的支持 ꎬ 为市民提供快速方便经济舒适安全的出行环境 [1] ꎮ 快速公交系统 (BRT) 是利用现代化大容量专用公共交通车辆 ꎬ 在专用道路空间快速运行的公共交通方式 ꎬ 它具有与轨道交通相同的运量大快捷安全等特性 ꎬ 但造价和运营成本相对低廉 [2] ꎮ 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 ꎮ 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 ꎻ 时间优先则体现在公交优先信号控制上 ꎮ 但是很多城市由于空间的限制 ꎬ 市区内道路较为拥挤 ꎬ 无法为快速公交车辆开辟专用车道 ( 专用路 )ꎬ 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 ꎬ 无法保证空间优先 ꎻ 同时市区内信号灯设置较为密集 ꎬ 且基本没有实行公交信号优先控制 ꎬ 无法实现时间优先 ꎬ 从而致使快速公交车辆的运行速度得不到体现 ꎮ 有统计数据表明 ꎬ 如果不在道路交叉口信号系统中体现公交优先策略 ꎬ 公交车运营所能节省的时间也只有 5% ~ 10% ꎮ 因此 ꎬ 开展快速公交系统信号优先控制方面的应用研究 ꎬ 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 ꎬ 具有重要的研究意义 ꎮ 目前常用的 BRT 信号控制系统主要有以下 3 种 [3] : 收稿日期 : 基金项目 : 安徽省教育厅自然科学重点项目 (KJ2016A890) 作者简介 : 王慧 ( )ꎬ 女 ꎬ 安徽合肥人 ꎬ 讲师 ꎮ

2 160 沈阳工程学院学报 ( 自然科学版 ) 第 14 卷 1) 被动信号技术在不设车辆检测器的情况下 ꎬ 根据历史数据 ꎬ 预先进行交叉口公交优先信号配时 ꎮ 2) 主动信号技术系统在检测到公交车后 ꎬ 立即调整信号时间 ꎬ 采取提前延迟增加或减少来适应公交车 ꎮ 3) 实时优先技术考虑网络中所有公交车辆 ꎬ 利用 GPS AVM 等装置 ꎬ 基于实时信息优化交叉口信号配时 [4] ꎮ 现代的智能交叉口信号控制模式 ꎬ 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 ꎬ 加强道路车辆和驾驶员三者之间的联系 ꎬ 使控制系统达到智能化 [5] ꎮ 以及路口基站主机 ( ZC)ꎮ ZR 包含固定单元和 ZigBee 中继单元两部分 ꎬ 固定单元按一定间隔安放在道路边 ꎬ 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 ꎬ 当公交车辆经过某一固定单元时 ꎬ 车载移动通讯终端接收数据包后转发给 Zig Bee 中继单元 ꎬ 该单元由于具有中继功能 ꎬ 对接收到的数据包进行简单的信息处理后 ꎬ 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 ꎮ 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 ꎬ 实现对路口交通参数检测车辆定位和无线通讯功能 ꎮ 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 ꎬ 系统识别需要给予信号优先的公交车辆 ꎬ 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 ꎬ 有针对性的实施公交信号优先控制 ꎬ 减少公交车辆在交叉口的等待时间 ꎬ 提高公交车辆的整体运行效率 ꎬ 减少对社会车辆的干扰 ꎬ 减少人均延误 ꎮ 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 ꎬ 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 ꎻ 并对公交优先的运行效益进行分析与评估 ꎬ 评价公交优先实施后带来的效果和影响 ꎮ 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 ꎮ 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 ꎮ 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) 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 ꎮ 路口设置的微波车辆检测器检测的交通流参数 ꎬ 传递给路口基站主机 ꎬ 同时路口基站主机接收 ZR 发送的公交车辆信息后 ꎬ 经计算判断是否需要给予公交优先 ꎬ 如果需要 ꎬ 则修改路口交通灯参数 ꎬ 并反馈回

3 第 2 期王慧 ꎬ 等 : 基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统研究 161 ZEꎮ 整个无线通讯网络工作流程如图 3 所示 ꎮ 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 ꎬRFID 车辆定位系统和 Zigbee 中继节点 ꎬ 主要的功能是用于实现车辆准确定位 ꎮ 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 ꎬ 分为车载路侧两部分 ꎬ 车载部分是 RFID 读卡器 ꎬ 路侧部分是有源电子标签 ꎮ 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 ꎬ 仅需要安装无需综合布线 ꎮ 采用主动式工作模式 ꎬ 主动发射信号供车载 RFID 读卡器捕获 ꎬ 其内部拥有高能电池 ꎬ 工作时每次发送信息消耗的功率仅为几个微瓦 ꎬ 工作可持续 3 ~ 5 年 ꎮ 2RFID 读卡器安装在公交车中 ꎬ 是被动式工作模式 ꎬ 当车辆以 0 ~ 100 km / h 速度范围内行驶期间 ꎬ 能够实时捕获到路侧有源电子标签发回的信息 ꎬ 并转发至车载终端处理 ꎮ 读卡器对电子标签的识别距离为 3 ~ 50 mꎬ 其天线接收范围为 180 扇面 ꎮ 经测试发现 ꎬ 在以公交车辆相邻的路侧电子标签为中心点 ꎬ 以平行于车道方向为底边 ꎬ 边长在 ± 5 mꎬ 以垂直车道方向 ( 即车道横截面 )15 m 的扇形范围内 ꎬ 识别准确率可达 99% 以上 ꎬ 保障了对公交车辆的精确定位 ꎮ 3 车辆定位系统采用全球开放的 ISM 微波频段 ꎬ 对人身无伤害 ꎬ 且具有高抗干扰性 ( 对现场各种干扰源无特殊要求 )ꎮ 2)Zigbee 中继节点 Zigbee 是一种基于 IEEE 标准的短距离低功耗的无线通信技术 ꎬ 有着广阔的应用 ꎮ 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 ꎮ 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 ꎬ 并汇集载波侦听自动重发技术 ꎬ 因而可以获得良好的抗干扰性 ꎻ 2 使用比 Zigbee Pro 更先进的网络协议 ꎬ 节点上电无顺序要求 ꎬ 任何节点都可以配置成无线终端 + 路由的双重模式 ꎬ 减少了多节点路由方面的广播风暴 ꎻ 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 ꎬ 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 ꎬ 使得该链路信号传输距离远传输可靠性高 ꎮ 2. 2 微波检测器路口交通参数检测采用微波检测器 ꎬ 每台设备可覆盖 6 个车道 ꎬ 微波检测器可检测的主要交通流

4 162 沈阳工程学院学报 ( 自然科学版 ) 第 14 卷参数分即时性数据和周期统计性数据两种 ꎮ 1) 即时数据 1 车辆的二维坐标 ꎬ 以 (xꎬy) 表示 ꎬ 方位角 φꎻ 2 车辆的即时行驶速度 ꎻ 3 车辆的车型分类 ( 小车大车其他 )ꎻ 4 车辆的驶入和驶出指定区域所得到的检测信号 ꎻ 5 排队长度 : 车辆速度为零时 ꎬ 所排列的总长度 ꎮ 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 ꎻ 2 车道占有率 : 车流占据道路的时间比率 ꎻ 3 平均速度 : 经过道路断面的所有车辆速度的平均值 ꎻ 4 车头时距 : 指的是在同一车道上行驶的车辆队列中 ꎬ 两个连续车辆车头端部通过某一断面的时间间隔 ꎻ 车头时距越大 ꎬ 交通密度越小 ꎻ 反之 ꎬ 车头间距越小 ꎬ 交通密度越大 ꎮ 该参数可以微观地反应交通流状况 ꎮ 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 ꎮ 车载移动终端设备需要接入公交车辆的开关门信号 ꎬ 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 ꎻ 二是对车辆进出交叉口进行判定 ꎻ 三是接收信号控制机发送的红绿灯时间信息并显示 ꎮ 车载终端设备的硬件结构如图 4 所示 ꎬ 主控模块选用 ARM7 芯片作为主控 CPUꎬ 主频 72 MHzꎬ 自带 48 kb SRAMꎬ 最多支持 5 个 USART 接口 ꎮ 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 ꎮ 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 )ꎬ 通过核心底板软件处理后 ꎬ 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 ꎬ 后者将信息转发至主机 ꎬ 即该路口交通信号控制机通讯单元 ꎬ 在该单元响应或处理的同时 ꎬ 将指令通过 ZigBee 主机模块 ꎬ 经 ZigBee 中继回传至车载终端 ꎬ 车载终端则依据收到的指令 ꎬ 将相关状态通过车载显示屏界面直观显示出来 ꎬ 供驾驶员参考 ꎮ 其硬件总体框架设计拓扑图如图 5 所示 ꎮ 图 4 车载终端设备硬件结构综上 ꎬ 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 ꎻ 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 ꎻ 3 具备显示屏显示信号机处理的过程和结果 ꎻ 4 设备故障检测功能 ꎻ 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 ꎬ 获取车辆行驶过程中各种信息 ( 如开关门自动报站 ꎬ 甚至车速油耗等 )ꎮ 车载显示屏与主控器之间通过串口连接 ꎮ 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 ꎮ 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 ꎮ 预处理模块先对多个数据包中

5 第 2 期王慧 ꎬ 等 : 基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统研究 163 的信息进行处理 ꎬ 得到一个智能处理模块的输入 ( 相位优先级 )ꎻ 智能处理模块通过比较不同相位的优先级 ꎬ 同时综合考虑其他车辆的流量信息 ꎬ 经过智能决策确定出一种公交优先的信号控制状态 ꎻ 通过输出模块以信号灯的形式输出结果 ꎮ 该处理模块具有连接信号及 BRT 运行服务器的功能 ꎮ 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 ꎬ 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 ꎬ 并包含用于控制公交专用信号灯驱动板 ꎬ 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 ꎬ 与交叉口信号机组成物联网控制系统 ꎬ 通过信号机内部的公交优先控制策略 ꎬ 实现对公交车等特殊车辆的优先控制 ꎬ 同时不干扰其它社会车辆的正常通行 ꎮ 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 ꎬ 能实现插入相位早断延时 ꎮ 2 相对优先 : 只在协调相位协调相位的上一个相位进行 ꎬ 只能实现早断延时 ꎮ 3 不优先 : 功能屏蔽 ꎮ 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 ꎮ 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 )ꎮ 须在开始时刻 1 分钟以前设定 ꎮ 3 手动控制 : 在某些特殊情况下 ꎬ 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 ꎮ 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 ꎬ 可驱动 4 组红黄绿信号灯组 ꎬ 控制其亮灭 ꎮ 2 信号灯电压检测 :12 路信号灯电压状态检测电路 ꎬ 可实时判断红黄绿信号灯的电压状态 ꎬ 用于故障判断 ꎮ

6 164 沈阳工程学院学报 ( 自然科学版 ) 第 14 卷 3 信号灯电流检测 :4 路信号灯电流检测电路 ꎬ 可实时检测红灯的电流状态 ꎬ 用于信号灯的故障判断 ꎮ 4 故障判断 : 根据驱动命令及信号灯状态检测值 ꎬ 判断信号灯的故障状态并上报给主板 ꎮ 智能处理模块公交信号优先措施具体流程如图 6 所示 ꎮ 2 新增删除和修改公交优先线路中对应的车辆 ID 编号 ꎬ 公交行驶线路发生变化时通过后台进行编辑 ꎬ 保证线路变化不会影响到公交优先信号控制的运行 ꎮ 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 ꎮ 使用单独界面实时显示各条线路的车辆位置 ꎬ 每个线路根据车辆行驶路线显示 ꎬ 路线上显示站台和交叉口 ꎮ 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 ꎮ 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 ꎮ 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 ꎬ 并对比没有优先车辆的运行时间 ꎬ 对公交车辆优先通行的效率进行评估 ꎮ 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 ꎬ 对比历史数据进行分析 ꎮ 5 快速公交系统其它辅助设施图 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 ꎬ 安装在控制室控制计算机平台中 ꎬ 通过该软件可同时接入 100 台信号控制机进行管理和控制 ꎮ 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 ꎬ 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 ꎮ 为保证快速公交信号优先系统安全可靠地运行 ꎬ 系统还包括其他辅助设施 ꎬ 可以根据实际情况考虑配备与否 ꎮ 1) 触发式倒计时器由于实施公交信号优先控制后 ꎬ 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 ꎬ 容易给社会车辆造成误解 ꎮ 可以在路口采用触发式倒计时器 ꎬ 即在当前相位绿闪和黄灯这一时段显示倒计时 (10 s)ꎬ 其它方向的倒计时在红灯剩余 10 s 时显示 ꎮ 以此来保障路口车辆的安全通行 ꎮ 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 ꎬ

7 第 2 期王慧 ꎬ 等 : 基于无线传感器网络的快速公交信号优先系统研究 165 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 ꎮ 同时还可以满足路口进行多种优先控制方式的实施条件 ꎬ 实现真正的公交优先通行 ꎬ 提升公交车辆的运行效率和准点率 ꎮ 6 结语随着城市道路交通拥堵问题越来越严重 ꎬ 目前 ꎬ 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 ꎮ 其中 ꎬ 公交信号优先作为实现城市公交优先的重要手段 ꎬ 为保证城市公交优先策略的高效实施发挥了积极的作用 ꎮ 提出的公交信号优先系统是基于无线传感器网络 ꎬ 通过软件自动判断是否给予公交车辆优先 ꎮ 在下一步的工作中 ꎬ 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 ꎬ 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 ꎮ 特别是在满足小汽车通行控制的前提下 ꎬ 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 ꎮ 参考文献 [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 ꎬ2001(04): [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 ꎬ2015ꎬ32 (06): [4] 张卫华 ꎬ 陆化普 ꎬ 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 ꎬ2004 (6): [5] 周玮 ꎬ 董全德 ꎬ 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 ꎬ2017ꎬ13(4): [6] 周彤梅 ꎬ 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 ꎬ2002 (6): BRT Signal Priority System Based on Wireless Sensor Networks WANG HuiꎬFENG Peng fei ( Traffic Engineering CollegeꎬAnhui Sanlian UniversityꎬHefei ꎬAnhui Province) Abstract: In this paperꎬa bus signal priority control system based on wireless sensor network is proposed. The unit is mounted on either side of the road keeps sending packetsꎬand the bus terminal receives the packet and forwards it to the ZigBee repeater. The ZigBee repeater simply processes the packet and sends it to the base sta tion or other adjacent fixed nodes. When the intersection base station receives the packetꎬthe software calculates whether to give priority to the bus. If it's necessaryꎬthe traffic lights at the junction will be modified and return it to the bus terminal. At the same timeꎬthe platform software of bus priority control system is used to manage and control multiple signal control machines in the bus control background. The software can edit and manage bus priority control linesꎬmonitor the running track of the busꎬset relevant parameters and evaluate the bene fits. The rapid transit signal priority system provides some technical support for the time priority of the buses in the groundꎬand further responds to the policy of national priority development bus. Key words: Wireless sensor networkꎻ BRT signal priority systemꎻ Internet of things ( 责任编辑魏静敏校对张凯 )

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