面向快速公交的优先信号控制系统和方法

摘要

本发明公开了一种面向快速公交的优先信号控制系统和方法，该系统包括：中心管理平台，用于对整个系统进行远程管理、维护及对快速公交运行的实时监管；优先信号控制器，用于接收快速公交到达信息，经过相应的优先算法分析、处理，将优先信号输出给信号机，并将处理后的相关信息输出给中心管理平台；车辆身份识别设备，用于采集快速公交到达信息及车辆ID信息，并将该信息输出给优先信号控制器；信号机，根据当前正在运行的相位响应优先信号的请求，使快速公交快速通过路口。本发明的有益效果是拥有强大的管理、控制和统计能力，能提高对公交优先信号的处理效率，确保快速公交的准点性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种城市公共交通管理与控制技术，具体涉及一种面向快速公交的优先信号控制系统和方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，城市人口越来越密集，城市道路交通的拥堵问题日益突出，而这也成为影响人们生活水平的主要因素。以地铁、轻轨为主的城市快速轨道交通不仅建设费用高昂，而且建设一条轨道交通线并不能发挥较大的作用，而必须要有多条线路构成网络，并与常规公交、出租车、对外交通场站枢纽、私人交通等组合成一个客运交通有机整体才可能发挥出重大作用，因此一旦投入就需要耗巨资；而快速公交有容量大、快速、低费用、又具有常规公交灵活等优点，备受许多大、中城市的关注与倡导。目前提出的快速公交优先机制从形式上分为道路优先和信号优先，其中，道路优先是指为快速公交车辆规划专用的道路，供其优先通行，但由于目前道路已经比较拥挤，特别是市中心和一些老城区，如果规划专用道对整个道路的影响非常大。针对这种情况，提出了信号优先，信号优先是通过交通信号的控制，对快速公交车辆进行倾斜性的信号分配，提高快速公交在路口的通信效率。

现有的快速公交优先系统，功能普遍比较简单，且存在许多的不足：第一，许多优先系统缺少中心管理平台，不能对整个系统进行很好的管理和维护，灵活性较差；第二，系统很少生成与快速公交运行相关的统计报表，不便于对快速公交的运行进行评估和调整；第三，快速公交不仅要求快速，还要求准点，但目前市场上的系统很少考虑到快速公交的准点。如公开号为CN101145279的中国专利“实现公交信号优先申请的方法、系统及信号融合装置”，该系统就没有中心管理平台，不便于对整个系统的管理和维护，且不具有生成相关的统计报表的功能，无法对整个系统的运行进行评估，无法知道这个优先系统到底将快速公交的运行速度提高了多少，也没有体现出快速公交准点的理念。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种面向快速公交的优先信号控制系统和方法，能对整个系统进行很好的管理和维护，提高对公交优先信号的处理效率和快速公交的准点性。

为实现上述目的，本发明公开了一种面向快速公交的优先信号控制系统，该系统包括中心管理平台、优先信号控制器、车辆身份识别设备和信号机，其中，中心管理平台通过以太网和GPRS与路口的优先信号控制器相连，用于对整个系统进行远程管理、维护及对快速公交运行的实时监管，并生成一系列的统计报表，以便于公交公司根据这些报表对快速公交的运行进行评估、管理及调整；优先信号控制器，用于接收快速公交到达信息，经过相应的优先算法处理，将优先信号输出给信号机，并将处理后的相关信息输出给中心管理平台；车辆身份识别设备，包括车辆身份阅读器和车辆电子标签，车辆身份阅读器安装在路口，车辆电子标签安装在快速公交车上，车辆身份阅读器和车辆电子标签通过无线射频进行通讯，该设备用于采集快速公交到达信息及车辆ID信息，并将该信息输出给优先信号控制器；信号机，根据当前正在运行的相位响应优先信号的请求，使快速公交快速通过路口。

进一步的，所述中心管理平台包括用户权限管理模块、快速公交运行监管模块、快速公交运行历史记录回放模块、统计报表生成模块和优先信号控制器工作参数配置模块，其中：

用户权限管理模块，对用户划分了操作权限级别，有普通用户、高级用户和超级用户；

快速公交运行监管模块，用于实时监管快速公交的运行状态，包括快速公交当前的位置和运行速度；

快速公交运行历史记录回放模块，用于查看快速公交运行的历史信息，包括到达每个路口的时间、到达路口系统是否给予了优先信号、快速公交是否准点和指定路口与前一路口之间的平均运行速度；

统计报表生成模块，生成与快速公交运行相关的统计报表，包括一天当中快速公交不同时刻的平均速度、不同路段的平均速度、一天当中不同时段快速公交从始发站到终点站所用的时间、快速公交在各个路段运行的准点率、一天当中各个路口的优先次数、一段时期内快速公交每天运行的平均速度、一段时期内快速公交每天不同时段运行的平均速度；

优先信号控制器工作参数配置模块，用于对优先信号控制器相关参数的配置，配置项目包括非优先时段的设置、是否优先路口、是否需要时刻表管理、时刻表、网络通讯参数的设置和系统时间的设置。

所述优先信号控制器主要包括RS485数据接收模块、信号隔离输出模块、CPU中央处理模块和通讯模块，其中：

RS485数据接收模块，包括四路RS485数据接收通道，可以同时接收一个路口四个方向的快速公交到达信息和快速公交ID信息，并将该信息输出给优先信号控制器；

信号隔离输出模块，包括四路信号隔离输出通道，用于向信号机输出一个路口四个方向的优先信号；

通讯模块，用于与中心管理平台进行通讯，该模块包括以太网通讯单元和GPRS通讯单元，其中以太网通讯单元是主通讯通道，GPRS通讯单元是副通讯通道，当主通讯通道无法完成正常通讯时系统启用副通讯通道进行通讯；

CPU中央处理模块，用于处理接收到的快速公交到达信息和快速公交ID信息，输出优先信号，并将处理后的相关信息输出给中心管理平台。该模块进一步包括历史数据存储单元、优先算法和工作参数，其中：

历史数据存储单元存储的信息包括快速公交到达路口的时间、快速公交车辆的ID、快速公交行驶的方向和是否给予了优先信号，这些信息不仅在优先信号控制器本地存储，而且通过通讯模块同步上传到中心管理平台；

工作参数包括非优先时段、是否优先路口、是否需要时刻表管理、时刻表、网络通讯参数和系统时间，其中网络通讯参数包括本机IP地址、本机MAC地址、服务器IP地址、服务器端口号和网关；

优先算法是对非优先时段、是否优先路口、是否需要时刻表管理、时刻表等参数和系统最近优先情况等要素进行综合分析从而输出优先信号的一种方法；

本发明的另一目的还公开了一种面向快速公交的优先信号控制方法，它包括以下步骤：

A.通过中心管理平台对路口的优先信号控制器进行工作参数的配置，配置项目包括非优先时段的设置、是否优先路口、是否需要时刻表管理、时刻表、网络通讯参数的设置和系统时间的设置；

B.采集车辆到达路口信息及车辆ID信息，并将该信息进行处理再发送给优先信号控制器；

C.优先信号控制器将收到的信息通过优先算法处理，并将通过优先算法处理的优先信号发送给信号机；

D.信号机收到优先信号后，根据信号机优先相位设计原则，控制信号灯，对快速公交给予优先。

其中，步骤C中所述的优先算法为：

a)判断当前路口是否为优先路口，如果是优先路口，则执行步骤b，如果不是优先路口，则直接执行步骤g；

b)判断当前是否处在非优先时段，如果不处在非优先时段，则执行步骤c，如果在非优先时段，则直接执行步骤g；

c)判断是否启用时刻表功能，如果启用了时刻表功能，则执行步骤d，如果未启用时刻表功能，则直接执行步骤e；

d)将快速公交车辆到达路口的时间与时刻表进行比对，如果晚点则执行步骤e，如果准点或者早到则直接执行步骤g；

e)判断优先信号控制器最近两分钟内是否有优先信号输出，如果最近两分钟内没有优先信号输出，则执行步骤f，如果最近两分钟内已经有优先信号输出，则直接执行步骤g；

f)输出优先信号；

g)不输出优先信号。

步骤D中所述的信号机优先相位设计原则为：当信号机接收到优先信号时，如果当前正在运行快速公交通行相位，则延长该相位时间，缩短其他相位的时间；如果信号机当前未运行在快速公交通行相位，则缩短快速公交通行相位之前的所有其他相位时间，提前开启快速公交通行相位，缩短的时间是从其他相位平均分配而来，不管是延长还是提前开启快速公交通行相位时间，信号机的相位周期始终保持不变。

本发明所公开的面向快速公交的优先信号控制系统和方法，拥有强大的管理、控制和统计能力，能够实时监管快速公交的运行，能够根据不同路段、不同时段设置不同的优先方案，保证快速公交优先通行，并且对原有的交通不会造成比较大的影响。另外，由于在系统中引入时刻表功能，不仅保证了快速公交的快速，还保证了快速公交的准点。

附图说明

图1为本发明一种实施例的系统组成结构示意图；

图2为本发明一种实施例的中心管理平台结构示意图；

图3为本发明一种实施例的优先信号控制器原理框图；

图4为本发明一种实施例的优先信号控制方法流程图；

图5为本发明一种实施例的优先算法流程图；

图6为本发明一种实施例的信号灯四相位方案设计图。

具体实施方式

下面，结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步的阐述。

本发明设计的面向快速公交的优先信号控制系统的组成结构如图1所示，包括中心管理平台、优先信号控制器、车辆身份识别设备和信号机。其中：

中心管理平台，用于对整个系统进行远程管理、维护及对快速公交运行的实时监管，并生成相关的统计报表，以便于公交公司根据这些报表对快速公交的运行进行评估、管理及调整；

优先信号控制器，用于接收快速公交到达信息，经过相应的优先算法处理，将优先信号输出给信号机，并将处理后的相关信息输出给中心管理平台；

车辆身份识别设备，包括车辆身份阅读器和车辆电子标签，车辆身份阅读器与优先信号控制器相连，车辆身份阅读器和车辆电子标签通过无线射频进行通讯，该设备用于采集快速公交到达信息及车辆ID信息，并将该信息输出给优先信号控制器；

信号机，根据当前正在运行的相位响应优先信号的请求，使快速公交快速通过路口。

下面，对该系统各个模块的主要功能及具体实现过程做详细的介绍。

1、中心管理平台，显示界面友好，可操作性强。图2为中心管理平台结构示意图，主要包括用户权限管理模块、快速公交运行监管模块、快速公交运行历史记录回放模块、统计报表生成模块和优先信号控制器工作参数配置模块，各个模块的主要功能及实现过程为：

1)用户权限管理模块，用户要想对中心管理平台进行操作，必须使用用户名登陆中心管理平台，输入用户名和用户密码，如果用户名和用户密码都正确，则可以顺利登陆。不同的用户具有不同的操作权限，普通用户的权限最低，只能对运行的快速公交进行监管，浏览和打印生成的相关统计报表，查阅系统相关的配置参数等，高级用户的权限比较高，出了有普通用户的权限外，还可以对一些设备的工作参数进行配置和修改，超级用户的权限最高，可以增加或者删除设备，可以远程管理和维护路口的设备。

2)快速公交运行监管模块，当顺利登陆中心管理平台以后，显示界面可以显示快速公交的运行情况，包括快速公交的当前位置和运行速度，当鼠标选中某一辆快速车时，还可以在该车旁边显示车牌号、发车时间、运行的下一路口名、运行速度等信息。

3)快速公交运行历史记录回放模块，选中一辆快速公交车辆，选定要查看的时间段，则可以显示出该车辆在该时间段内到达每个路口的时间、到达路口系统是否给予了优先信号、快速公交是否准点和指定路口与前一路口之间的平均运行速度。

4)统计报表生成模块，该模块包括统计的项目、统计的时间范围和查看按钮，选中需要查看的统计项目和统计的时间范围，点击查看按钮，系统会自动生成相关的统计报表，统计的项目包括一天当中快速公交不同时刻的平均速度、不同路段的平均速度、一天当中不同时段快速公交从始发站到终点站所用的时间、快速公交在各个路段运行的准点率、一天当中各个路口的优先次数、一段时期内快速公交每天运行的平均速度、一段时期内快速公交每天不同时段运行的平均速度等。公交公司可以根据这些统计报表对快速公交的运行进行评估、管理及调整。

5)优先信号控制器工作参数配置模块，点击工作参数配置选项，可以对优先信号控制器工作参数进行配置，相关配置参数设置完成后点击下发按钮，这些配置参数就下发到优先信号控制器。配置的优先信号控制器工作参数包括非优先时段的设置、是否优先路口、是否需要时刻表管理、时刻表、网络通讯参数的设置和系统时间的设置。

2、优先信号控制器，原理框图如图3所示，是整个系统的核心部分，用于接收快速公交到达信息及车辆ID信息，经过相应的优先算法处理，将优先信号输出给信号机，并将处理后的相关信息输出给中心管理平台。优先信号控制器主要包括RS485数据接收模块、信号隔离输出模块、CPU中央处理模块和通讯模块，各个模块的主要功能及实现过程为：

1)RS485数据接收模块，包括四路RS485数据接收通道，可以同时接收一个路口四个方向的快速公交到达信息和快速公交ID信息，并将该信息输出给优先信号控制器。该模块有防雷设计，有效保护了系统设备的安全，由于该接收模块采用差分传输方式，不仅抗干扰能力强，而且可靠通讯距离远。

2)信号隔离输出模块，包括四路信号隔离输出通道，用于向信号机输出优先信号，四路信号隔离输出通道分别代表一个路口四个方向的优先信号，该信号经过光耦隔离，不仅有效避免了不同设备间的干扰，而且提高了不同电平信号间的兼容特性。

3)CPU中央处理模块，用于处理接收到的快速公交到达信息和快速公交ID信息，输出优先信号，并将处理后的相关信息输出给中心管理平台。该CPU中央处理模块包括历史数据存储单元、优先算法模块和工作参数。其中：

历史数据存储单元存储的信息包括快速公交到达路口的时间、快速公交车辆的ID、快速公交行驶的方向和是否给予了优先信号。这些信息数据同步上传到中心管理平台，在优先信号控制器中最少保存了最近一个月的历史运行信息，并且中心管理平台可以访问保存在控制器中的历史运行信息，这样有效避免了由于通讯网络出现故障导致历史运行信息丢失的现象发生。

优先算法模块是综合考虑时刻表、最近两分钟的优先情况和工作参数等信息，给出最合理的优先方式。

工作参数包括非优先时段、是否优先路口、是否需要时刻表管理、网络通讯参数的设置和系统时间的设置等。其中非优先时段可设置多个，因为一般情况下早、中和晚高峰道路上车流量比较大，在有些路段为了避免由于快速公交的优先导致交通拥堵，采用早、中和晚高峰不予优先，而早、中和晚高峰的不优先就是通过设置非优先时段实现的，这些工作参数都有一个默认值，其默认值为：非优先时段都是零点到零点，即没有非优先时段；默认都为优先路口；默认不需要时刻表管理；时刻表默认情况下只有车牌号，没有班次和发车时间；网络通讯参数中本机IP地址默认为192.168.1.3、本机MAC地址默认为0-11-22-33-44-55、服务器IP地址默认为为192.168.1.2、服务器端口号默认为8000和网关默认为192.168.1.1；系统时间默认为2000年1月1日0时0分0秒，该时间是控制器出厂时的时间。

4)通讯模块，用于与中心管理平台进行通讯，该模块包括以太网通讯单元和GPRS通讯单元，其中以太网通讯单元是主通讯通道，GPRS通讯单元是副通讯通道，当主通讯通道无法完成正常通讯时系统启用副通讯通道进行通讯。优先信号控制器与中心管理平台是通过以太网TCP/IP协议进行通讯，并且该系统有心跳检测机制，心跳包由中心管理平台发出，如果优先信号控制器两分钟收不到心跳包，则断开原来的TCP连接，重新发起TCP连接请求，如果请求多次仍无法建立连接，则启动GPRS通讯单元进行通讯，并且降低TCP连接请求的频率，一旦以太网TCP连接建立，则重新启动以太网通讯，关闭GPRS通讯。这样即有效保证了系统通讯的可靠性，又节省了通讯费用。

3、车辆身份识别设备，包括车辆身份阅读器和车辆电子标签，车辆身份阅读器安装在路口，车辆电子标签安装在快速公交车上，车辆身份阅读器和车辆电子标签通过无线射频进行通讯，当快速公交车到达距路口约100米的地方时，车辆身份阅读器检测到车辆电子标签信息，即车辆ID信息，并将该信息输出给优先信号控制器。车辆身份阅读器是无线射频接收模式，车辆电子标签是无线射频发送模式，由于车辆电子标签电池寿命有限，为了延长车辆电子标签的使用寿命，车辆电子标签1秒钟发送一次数据。

4、信号机，是优先信号的执行设备，当信号机接收到优先信号时，根据信号机优先相位设计原则，控制信号灯，对快速公交给予优先。

所述的信号机优先相位设计原则为：当信号机接收到优先信号时，如果当前正在运行快速公交通行相位，则延长该相位时间，缩短其他相位的时间；如果信号机当前未运行在快速公交通行相位，则缩短快速公交通行相位之前的所有其他相位时间，提前开启快速公交通行相位，缩短的时间是从其他相位平均分配而来，不管是延长还是提前开启快速公交通行相位时间，信号机的相位周期始终保持不变。

下面，举一个具体的例子对该优先相位设计原则作进一步描述，图6为一个普通的信号灯四相位方案设计图，一共有A、B、C和D四个相位，相位次序为A-B-C-D。假设A相位的东西向为快速公交的通行相位，当在信号机运行在A相位时快速公交到达，则延长A相位的时间，缩短B、C和D相位的时间；如果在B相位快速公交到达，则缩短B、C和D相位的时间，提前开启A相位；如果在C相位快速公交到达，则缩短C和D相位的时间，提前开启A相位；如果在D相位快速公交到达，则缩短D相位的时间，提前开启A相位。不管是延长还是提前开启A相位，信号机的相位周期始终保持不变。

为了使优先信号控制器与中心管理平台之间进行正常的通讯，制定了一个通讯协议，该协议比较灵活，扩展性强。通讯协议格式为：

  消息指示头  操作码  功能码  数据长度  字节流

其中：

消息指示头：有请求和响应两种，即表示这包数据是请求访问对方还是响应回答对方；

操作码：有读设备信息、写设备信息、复位设备、心跳和查询记录等功能；

功能码：有基本工作参数配置、系统时间配置、快速公交实时到达记录、快速公交历史到达记录和访问出错等；

数据长度：发送的有效数据长度，超过该长度的数据不进行解析；

字节流：发送的有效数据。

本发明所设计的面向快速公交的优先信号控制方法，使输出的优先信号，有效的提高了快速公交的运行速度，也保证了快速公交的准点，并且不会对原有的交通造成比较大的影响。如图4所示，优先信号控制方法包括以下四个步骤：

A.通过中心管理平台对路口的优先信号控制器进行工作参数的配置，配置项目包括非优先时段的设置、是否优先路口、是否需要时刻表管理、时刻表、网络通讯参数的设置和系统时间的设置，如果刚开始不对这些参数进行配置，系统采用默认的参数进行工作。其中网络通讯参数配置比较特殊，必须到路口单独进行配置，如果所有优先信号控制器的网络参数不配置就连到中心管理平台，不仅本机IP地址冲出，而且MAC地址也重复，也无法正常通讯；

B.采集车辆到达路口信息及车辆ID信息，当快速公交到达距路口约100的地方时，车辆身份阅读器就会收到车辆电子标签发送的车辆ID信息，车辆身份阅读器将该信息进行处理再发送给优先信号控制器，车辆电子标签发送几次数据，车辆身份阅读器也就向优先信号控制器发送几次车辆到达信息及车辆ID信息；

C.优先信号控制器将收到的信息先进行简单的滤波处理，滤除偶尔收到的快速公交车辆到达信息，再进行32位冗余校验，这样有效去除了错误的数据包，最后通过优先算法处理，并将通过优先算法处理的优先信号发送给信号机；

D.信号机收到优先信号后，根据信号机优先相位设计原则，控制信号灯，对快速公交给予优先。

其中，步骤C中所述的优先算法是面向快速公交的优先信号控制方法的核心，算法的好坏决定着整个系统的运行性能。由于快速公交到达路口时，车辆身份识别设备会向优先信号控制器发送多个相同的信息，直到该快速公交离开这个路口，如果不采用这个优先算法，系统会连续给出几个优先信号，特别是如果快速公交由于抛锚等原因一直停在路口处，这样势必浪费许多时间，会对原有的交通造成大的影响。有些路段，比如老城区、或者比较繁忙的路段，道路车流量经常处在饱和状态，如果一天24小时始终给予信号优先，也会对整个道路的交通产生比较大的影响，所以在优先算法里有是否优先路口和非优先时段设置，对一些通行压力大的路口实行早、中、晚高峰不予优先或者全天不予优先，可以有效避免由于快速公交的优先对这些繁忙路段造成交通的影响；通过在优先算法里引入时刻表，对晚点的快速公交给予优先，准点或者早到的快速公交不予优先，即保证了快速公交的快速通行，也保证了快速公交的准点。下面就优先算法做一个详细的叙述，图5为优先算法流程图，包括如下步骤：

a)判断当前路口是否为优先路口，如果是优先路口，则执行步骤b，如果不是优先路口，则直接执行步骤g；

b)判断当前是否处在非优先时段，如果不处在非优先时段，则执行步骤c，如果在非优先时段，则直接执行步骤g；

c)判断是否启用的时刻表功能，如果启用了时刻表功能，则执行步骤d，如果未启用时刻表功能，则直接执行步骤e；

d)将车辆到达路口的时间与时刻表进行比对，如果晚点则执行步骤e，如果准点或者早到则直接执行步骤g；

e)判断优先信号控制器最近两分钟内是否有优先信号输出，如果最近两分钟内没有优先信号输出，则执行步骤f，如果最近两分钟内已经有优先信号输出，则直接执行步骤g；

f)输出优先信号；

g)不输出优先信号。