CN202748942U - 一种保证公交优先的交叉口信号配时控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种保证公交优先的交叉口信号配时控制***，该***包括路口信号控制机和红绿灯，其特征是：还设有远距离公交车辆识别装置和公交优先控制器，公交优先控制器分别与远距离车辆识别装置和路口信号控制机连接，路口信号控制机直接控制红绿灯的相位运行时间。本实用新型解决了城市普通道路的公交优先模式，在确保交叉口车辆总体运行效率最高的基础上，实现公交车辆的优先通行，提高公交车辆的运行效率，而且建设成本低，实现方便，见效快，实现了公交优先与交叉口整体运行效率的双赢，从而降低公交车辆在城市交叉口的运行延误，确保公交车辆运行的准时性。

Description

一种保证公交优先的交叉口信号配时控制***

技术领域

本实用新型涉及公共交通优先通行设备，具体是一种保证公交优先的交叉口信号配时控制***。

背景技术

“公交优先”即公共交通优先，是指在城市发展和规划中，把公共交通的建设、管理放在优先的位置上，给予政策、资金、技术等方面的扶持，使其能以畅通的道路、良好的车况、纵横密集的线网站点，为公众出行提供更多、更好、更快的服务。公交优先，就是百姓优先，发展公交，就是发展民生。从我国人口密集、用地紧缺的国情出发，优先发展客运效率最高的公共交通是我国城市客运交通的主要发展方向，是解决城市交通问题的根本策略。公交优先是指城市客运交通以大容量、快速度的公交***为主，其它交通工具为辅，它是快速分流人群，方便市民出行，减轻道路压力，缓解城市交通拥挤的最佳途径。

目前，城市快速公交***（BRT）作为提高公共交通服务水平的一种新型公交方式，它是利用现代化公交技术配合智能交通和运营管理，开辟公交专用道路和建造新式公交车站，实现轨道交通运营服务，达到轻轨服务水准的一种独特的城市客运***。此种公交优先模式属“空间优先“模式，要开辟公交专用车道，在中小城市普通道路上不太容易实现，存在一定的困难，不适合用于城市普通道路上的公交优先。我国很多大城市都开辟了公交专用道，在部分公交线路确实取得了较为显著的效果，但是对于整个城市的公交***效果却并不理想。究其原因除了缺乏***有效的公交专用道规划外，最主要的是在交叉路口公交车辆无法优先通行。公交车辆在交叉路口的延误远大于路段延误，因此不实施交叉路口公交优先，就很难实现真正意义的公交优先。

公交优先有两种方式，空间优先和时间优先。所谓空间优先是指设立公交专用车道；所谓时间优先则体现在交叉口公交车辆的优先通行，为公交车提供优先通行信号。空间优先成本高、投入大，而且在中小城市不易实施，因此时间优先是目前国内公交优先领域的重要研究方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，而提供一种保证公交优先的交叉口信号配时控制***，该***可解决城市普通道路的公交优先模式，在确保交叉口车辆总体运行效率最高的基础上，实现公交车辆的优先通行，提高公交车辆的运行效率，而且结构简单，建设成本低，实现方便，见效快。

本实用新型的技术方案是：

一种保证公交优先的交叉口信号配时控制***，包括路口信号控制机和红绿灯，与现有技术不同的是：还包括有远距离公交车辆识别装置和公交优先控制器，公交优先控制器分别与远距离车辆识别装置和路口信号控制机连接，路口信号控制机直接控制红绿灯的相位运行时间。

所述的远距离车辆识别装置包括设置在路口的超高频RFID读写器、天线和设置在公交车上的车载电子标签，超高频RFID读写器与天线连接，天线与车载电子标签无线通信。

所述的公交优先控制器包括信号处理模块、触发和微控输出模块、接口模块、相位指示模块和电源模块，信号处理模块分别与触发和微控输出模块、相位指示模块、接口模块、显示模块连接，触发和微控输出模块与信号控制机连接，接口模块与远距离车辆识别装置连接。其中：

所述信号处理模块，用于完成公交车数据信息的接收存储、对数据信息进行公交优先运算处理和比对，发出控制指令信号等工作。

触发和微控输出模块，用于执行信号处理模块的处理结果和控制指令，控制继电器的通断时间，驱动继电器对路口信号控制机发出控制指令，以此控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换。

接口模块，用于完成与路口读写器的数据通信和与外部PC机进行数据交换，同时向信号处理模块传输被超高频RFID读写器解调和解码的车载电子标签信息。

显示模块，用于实时显示当前信号控制机运行相位、相位运行时间、剩余时间、相位优先时间及在各相位等候的公交车数量等信息。

电源模块，用于将外部的DC12V的供电电源转换为DC5V、DC3.3V电源向公交优先控制器的各模块供电。

相位指示模块，用于当前信号控制机相位运行状态指示。

工作中，由安装在路口各方向的超高频RFID读写器通过天线发送一定频率的射频信号，当车载电子标签进入天线工作区域时产生感应电流，车载电子标签获得能量被激活，车载电子标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，天线接收到从车载电子标签发送来的载波信号，经它的天线调节器传送到读写器，读写器对接收到的信号进行解调和解码，然后传送到公交优先控制器进行相关的信息处理，公交优先控制器根据公交优先算法逻辑运算判断该标签的车辆相位信息，针对公交车在路口的不同情况做出公交优先的处理和控制，并发出指令信号控制路口信号控制机动作，使之调整各相位红绿灯运行时间。

本实用新型的优点是：

（1）本***是一种基于“时间优先”的公交优先信号配时控制***，它解决了城市普通道路的公交优先模式，可在城市普通道路上实现公交优先，建设成本低，实现方便，见效快，不需大力投资建设公交专用车道，实现了公交优先与交叉口整体运行效率的双赢，从而降低公交车辆在城市交叉口的运行延误，确保公交车辆运行的准时性，可真正意义上实现公交优先通行；

（2）采用RFID技术获取车辆运行方向，比线圈检测、图像识别、GPS等更具有优越性、独特性，提高了路口各种车辆的通行效率；

（3）实现了与交叉口路口信号控制机的整体融合设计。

附图说明

图1是本实用新型的交通信号控制***结构示意图。

图2是本实用新型的公交优先控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步阐述。

参照图1，本实用新型的交通信号控制***主要包含超高频RFID读写器102、天线103、车载电子标签105、公交优先控制器101、路口信号控制机104和红绿灯106。公交优先控制器101用数据传输接口分别与超高频RFID读写器102和路口信号控制机104连接，读写器102与天线103连接，天线103与安装在公交车上的车载电子标签105无线通信，信号控制机104直接控制红绿灯106的相位运行时间。

所述的超高频RFID读写器102、天线103、车载电子标签105是***装置的前端数据采集部分，完成保证公交优先的交叉口信号配时控制方法的数据采集，其中：超高频RFID读写器102主要由控制模块、发射模块、接收模块、基带处理模块构成，发射模块受控制模块控制，为读写器提供载波信号，并对载波信号进行调制和功率放大后，通过发射模块的射频接口输出发射信号至电子标签，同时，射频接口接收电子标签返回的反射信号，输入到接收模块；接收模块将电子标签返回的反射信号进行零中频解调，实现双路正交解码，输出两路基带信号；基带处理模块对两路基带信号进行滤波、放大、整形，得到控制模块可处理的低频信号；控制模块同时接收和处理两路正交低频信号，将信号恢复为电子标签的原始信息。读写器采用了基于动态二进制树的防冲突算法，提高了***防冲突的能力，解决了读写器多标签的读取问题。

所述天线103和车载电子标签105为现有技术。

如图2所示，所述的公交优先控制器101，包括信号处理模块201、触发和微控输出模块202、接口模块203、显示模块204、电源模块205和相位指示模块206，是***的核心处理部分，完成保证公交优先的交叉口信号配时控制方法的信号处理、公交优先控制方法、输出控制信号、定配时等功能。其中：

信号处理模块201为嵌入式核心模块，它由ARM7处理器2011和C51处理器2012组成，两处理器独立运算，互不干扰，信号处理模块201用于完成公交车数据信息的接收存储、对数据信息进行公交优先运算处理和比对，发出控制指令信号等工作。

ARM7处理器2011为RISC架构的微处理芯片，芯片工作在32位模式，128位宽度的存储器接口，其独有的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下稳定运行，

在本实用新型中，ARM7处理器2011用于车载电子标签信息的采集、预先存储车载电子标签信息、路口相位信息，对路口公交车数进行识别统计和公交优先相位运算等。

各路口相位信息、车载电子标签信息预先通过设置软件写入ARM7处理器2011的FLASH数据库中，相位信息与标签信息、读写器地址信息实行绑定，数据写入通过接口模块203中的RS232接口与PC通信，RS232接口与RS485接口共用ARM7处理器2011的一个串口，通过选择开关进行选择。

ARM7处理器2011通过接口模块203的RS485接口循环向路口各读写器发送寻址信息，同时接收路口各读写器传来的应答信息和解码的车载电子标签信息，它与路口各读写器通信时采用主从通信模式。

ARM7处理器2011接收到由路口各读写器解码的车载电子标签信息后与存于FLASH中的标签信息进行逐条比较，最后给出公交优先相位信息，如果是无效卡或数据库中不存在此卡，则不给出优先相位信息，给出的公交优先相位信息通过另一串口传输至C51处理器2012。

在信号处理模块中，RAM7处理器2011与C51处理器2012的数据通信采用中断方式的串口通信模式，用以保证信息传输的实时性。

C51处理器2012采用P89V51RD2芯片，芯片基于80C51内核，该处理器用于处理ARM7处理器传送来的公交优先相位信息，并与相关模块进行信息交换；

C51处理器2012根据所接收的公交优先相位信息，路口当前相位状态和C51处理器FLASH中存储的定配时方案进行公交优先算法运算；并且

根据公交优先算法运算结果，发出相位触发信号，控制触发和微控输出模块各相位继电器的通断时间，进而调整各相位红绿灯运行时间，且红绿灯运行时间由C51处理器的定时器计算得出。

C51处理器2012进行公交优先算法运算时需要有关路口各种定配时的数据信息，它包括相位配置数量、过渡时间设置，各个相位的绿灯时间设置（包括正常通行时间、最小通行时间、最大通行时间、公交优先扩展时间）等，这些信息都预先写入C51处理器的FLASH中，数据写入由PC的设置软件进行。

各种定配时方案的数据写入使用接口模块203中的RS232接口与PC通信，RS232接口通过电平转换连接到ARM7处理器2011的串口，写入的数据先缓存于ARM7处理器2011中，再通过程序命令转发到C51处理器2012。

所述触发和微控输出模块202，主要由继电器及相位切换驱动电路组成，该模块202用于执行信号处理模块201的处理结果和控制指令，控制继电器的通断时间，驱动继电器对路口信号控制机发出控制指令，以此控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换；其中，

相位切换驱动电路使用PNP三极管与C51处理器2012的I/O口连接，采用灌电流模式，以解决C51处理器I/O口驱动电流较小的情况；继电器采用驱动电流小，具有隔离功能的无触点电子开关的固态继电器，用以实现公交优先控制器控制端与路口信号控制机负载端的隔离。

本实用新型的公交优先控制器的触发和微控输出模块202有触发输出模式和微控输出模式两种公交优先输出方案，分别对应于结合信号控制机的优先方案和可选择自主的优先方案；选择自主的优先方案时，触发和微控输出模块选择为微控输出模式，此时公交优先控制器基本取代信号控制机的配时功能，各相位的运行时间调整，通过信号处理模块进行公交优先算法运算实现，信号控制机只进行信号灯的驱动。要实行公交优先的，就按照算法结果进行调整相位运行时间，常规状态下不需要优先的，则运行基本配时模式，而相序循环状态不因此改变；选择结合信号控制机的优先方案时，触发和微控输模块则采用触发输出模式，公交优先控制器只根据检测到的公交车数，统计出每个相位到达路口的公交车数量，并只输出路口各相位的公交车辆信息，公交优先相位由信号控制机进行计算优化和调整相位运行时间。

所述接口模块203，主要由RS485接口芯片、RS232接口芯片和接口防雷电路2031及接口选择等组成，该模块用于完成与路口读写器的数据通信和与外部PC机进行数据交换，同时向信号处理模块201传输被超高频RFID读写器102解调和解码的车载电子标签信息。

RS485接口芯片用于与外部超高频RFID读写器进行数据通讯，采用具有瞬变电压抑制功能的差分收发器SN75LBC184，芯片内置有高能量瞬变噪声保护装置，可用以提高抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性，该接口芯片为与读写器连接提供了可靠的低成本直连数据线接口。

RS232接口芯片使用SP3232EB系列RS-232收发器件，用于与外部PC机进行数据交换，该芯片电荷泵电源只需要0.1μF电容器在3.3V电压下操作，这种电荷泵具有低功耗关断模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止功能。

RS232接口还用于对公交优先信号控制器预先进行参数设置，参数设置主要包括路口相位配置信息和车载电子标签配置信息，其中路口相位配置信息还包括：相位配置数量、过渡时间的设置，各个相位的绿灯时间设置（包括正常通行时间、最小通行时间、最大通行时间、公交优先扩展时间），读卡器相位配置等，车载电子标签配置信息包括标签ID号、标签对应的相位、公交线路、公交车牌等，标签可单张或批量写入信号处理模块的数据库。

由于公交优先控制器与超高频RFID读写器之间通信采用RS485接口，并且RS-485接口的网络拓扑采用终端匹配的总线型结构，该结构用一条总线将各个节点串接起来，处于室外的超高频RFID读写器在雷雨季节由雷电引发的瞬变干扰往往可导致传输线上的多个RS-485收发器件损坏，因此接口模块的防雷设计尤为重要。为此

本实用新型在接口模块203的RS-485接口设有防雷电路2031，该电路采用初级和次级两级防雷电路结构，且带有由PTC自恢复保险构成的限流保护电路，可实现对RS-485接口的整体防雷击和过压保护。

显示模块204使用带触摸功能的中文液晶显示模块，该模块具备上、下、左、右整屏移动显示及整屏屏幕清除、光标显示、反白等操作功能。

显示模块用于实时显示当前信号控制机运行相位、相位运行时间、剩余时间、相位优先时间及在各相位等候的公交车数量等信息。

电源模块205使用DC12V，电流小于500mA的电源，电源经电源模块变换为DC5V、DC3.3V向控制器各模块供电，电源模块205采用电感和电容组合滤波电路，模拟电源与数字电源实行隔离设置，能有效地降低噪声，避免电源干扰，其中DC3.3V电源模块选用输出电流大，输出电压的精度和稳定性高的LDO芯片，芯片还具有电流限制和热保护功能。

相位指示模块206用于当前信号控制机相位运行状态指示，它由发光二极管和相位指示驱动电路构成，其中用于微控输出模式有4路相位状态指示，用于触发输出模式的有4路相位状态指示，相位指示模块206与C51处理器2012用I/O接口连接，由发光二极管指示C51处理器2012进行公交优先算法运算得出的公交优先相位信号。

所述路口信号控制机104为现有技术，是本***中的运行部分，完成交叉口信号灯的驱动、配时控制、运行模式选择等功能，并实现与公交优先控制器的同步。

路口信号控制机接收公交优先控制器的控制指令，驱动交叉口信号灯，实现交叉口信号灯运行时间的切换并实现与公交优先控制器控制指令的同步切换，从而实现保证公交优先的交叉口信号配时控制方法。

本***采用超高频RFID技术，实现远距离车载电子标签105信息的识别、采集和控制。超高频RFID读写器102通过天线103发送一定频率的射频信号，当车载电子标签105进入天线103工作区域时将车载电子标签105信息通过标签内置天线发送出去；天线接收到从车载电子标签发送来的载波信号，经天线103传送到超高频RFID读写器102，超高频RFID读写器102对接收到的信号进行解调和解码，然后送到公交优先控制器101进行相关处理；公交优先控制器101根据运算判断该车载电子标签105的车辆相位信息，针对不同的公交优先配时控制方法做出相应的处理和控制，发出指令信号控制路口信号控制机104动作，调整路口各相位红绿灯运行时间，实现保证公交优先的交叉口信号配时控制方法。

所述公交优先控制器，通过如下步骤实现公交优先的交叉口信号配时控制：

1）公交优先控制器获取车载电子标签信息后，与公交优先控制器数据库中的车载电子标签绑定信息进行比判处理，给出公交优先相位信息：

预先根据安装公交优先控制***的路口的实际情况进行相位信息分析及公交车辆运行路线分析，车载电子标签在安装到公交车辆之前，与公交车辆的相位信息、车牌号、公交线路进行绑定，车载电子标签信息与路口相位信息绑定后，装载到公交优先控制器数据库中；

公交优先控制器获取车载电子标签信息后，与数据库中的标签信息进行比判运算，通过计算给出公交优先相位信息，公交优先相位信息通过信号处理模块中的ARM7处理器传输至信号处理模块中的C51处理器；

2）信号处理模块中的C51处理器根据公交优先相位信息及当前运行相位信息、运行时间等进行优先算法；

信号处理模块中的C51处理器负责进行公交优先算法及各种定配时方案的运行，在运行之前，首先要装载交叉口信号定配时方案到C51处理器中，定配时方案包括路口相位配置信息：相位配置数量、过渡时间的设置，各个相位的绿灯时间设置（正常通行时间、最小通行时间、最大通行时间、公交优先扩展时间）等；

信号处理模块中的C51处理器根据信号处理模块中的ARM7处理器传输过来的公交优先相位信息，结合当前运行相位信息、运行时间等进行优先控制算法，给出优先算法结果。

所述优先控制算法包括：

（1）基本控制规则：

A．如果公交相位为绿灯：

a）如果相位绿灯剩余时间足够公交车通过交叉口，则不改变信号配时；

b）如果相位绿灯剩余时间不足以使得公交车通过交叉口：

i.如果在规定的绿灯延长时间范围内，公交车能够通过交叉口，则延长相位绿灯时间；

ii如果在规定的绿灯延长时间范围内，公交车不能通过交叉口，则保持本相位绿灯时长不变，后续相位执行最小绿灯时间，使绿灯相位尽快返回公交相位；

B．如果公交相位为红灯：

a）如果当前绿灯相位运行时间已超过最小绿灯时间，立即切换绿灯相位，后续相位执行最小绿灯时间，使绿灯相位尽快返回公交相位；

b）如果当前绿灯相位运行时间未达到最小绿灯时间，则保持绿灯相位直到达到最小绿灯时间再进行相位切换，后续相位执行最小绿灯时间，使绿灯相位尽快返回公交相位；

（2）多相位同时到达控制规则：

当有多个相位同时有公交车辆到达时：

A．优先保证当前绿灯相位公交车辆的通行；

B．其他相位分别统计等候的公交车辆数量，选择公交车辆数量最多的相位作为优先相位；

C．后续相位执行最小绿灯时间，使绿灯尽快到达优先相位；

（3）相位最小绿灯时间g_imin的确定：

相位最小绿灯时间g_imin根据行人过街时间来确定，即要保证行人能够安全过街，计算公式为：

$g_{i\min }=7+\frac{l_p}{v_p}-I$

式中，l_p为人行横道有效长度，单位米（m）；v_p为行人过街速度，单位m/s；I为交叉口的绿灯间隔时间，单位秒（s）。

（4）公交相位最大绿灯延长时间g_max的确定：

公交相位最大绿灯延长时间g_max为公交相位最大绿灯时间G_lmax与初始分配绿灯时间G_ls之差，即g_max=G_lmax-G_ls，其中最大绿灯时间根据交叉口具体情况确定。

3）公交优先控制器根据优先控制算法结果，给出各相位红绿灯运行时间控制信号，信号传输至路口信号控制机，调整各相位红绿灯运行时间，实现公交优先通行：

信号处理模块中的C51处理器根据优先算法结果，给出各相位红绿灯运行时间控制信号，控制触发和微控输出模块中各相位继电器的通断，继电器输出信号传输至路口信号控制机，控制路口各相位信号灯的切换，从而调整各相位红绿灯运行时间，实现公交优先。如果没有公交优先信号，则信号处理模块中的C51处理器执行正常的配时方案，红绿灯运行时间按设定的正常通行时间运行。

红绿灯运行时间以秒计算，时间由信号处理模块中的C51处理器计算所得。C51处理器采用11.0592MHz的晶体振荡器，晶体振荡器采用了高稳定度的温度补偿式振荡器，保证了时间的准确性、稳定性。

本控制***经在南宁市试用实施，实现了公交车辆优先通过交叉口，从而降低公交车通过城市交叉口的运行时间，提高公交车的运行速度。实践证明，公交优先***的建设，达到了为公交车辆提供一个更畅通、更高效的运行环境，为公交乘客提供一个更安全、更快速、更便捷、更舒适的乘车环境的目标，具有重要的社会价值和经济效益。

Claims (3)

1.一种保证公交优先的交叉口信号配时控制***，包括路口信号控制机和红绿灯，其特征是：还包括远距离公交车辆识别装置和公交优先控制器，公交优先控制器分别与远距离车辆识别装置和路口信号控制机连接，路口信号控制机直接控制红绿灯的相位运行时间。

2.根据权利要求1所述的***，其特征是：所述的远距离车辆识别装置包括设置在路口的超高频RFID读写器、天线和设置在公交车上的车载电子标签，超高频RFID读写器与天线连接，天线与车载电子标签无线通信。

3.根据权利要求1所述的***，其特征是：所述的公交优先控制器包括:

信号处理模块，用于完成公交车数据信息的接收存储、对数据信息进行公交优先运算处理和比对，发出控制指令信号工作；

触发和微控输出模块，用于执行信号处理模块的处理结果和控制指令，控制继电器的通断时间，驱动继电器对路口信号控制机发出控制指令，以此控制路口信号灯相位运行时间，完成信号灯的相位切换；

接口模块，用于完成与路口读写器的数据通信和与外部PC机进行数据交换，同时向信号处理模块传输被超高频RFID读写器解调和解码的车载电子标签信息；

显示模块，用于实时显示当前信号控制机运行相位、相位运行时间、剩余时间、相位优先时间及在各相位等候的公交车数量信息；

电源模块，用于将外部的DC12V的供电电源转换为DC5V、DC3.3V电源向公交优先控制器的各模块供电；

相位指示模块，用于当前信号控制机相位运行状态指示；

信号处理模块分别与触发和微控输出模块、相位指示模块、接口模块、显示模块连接，触发和微控输出模块与信号控制机连接，接口模块与远距离车辆识别装置连接。

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