有轨电车运行控制技术：信号优先设计

有轨电车在共享路权方式下参与交通组织及协同控制，交叉口是交通组织最为复杂的环节之一，因此研究有轨电车在交叉口的信号优先控制是极为必要的。

1.有轨电车信号优先概述

结合目前的研究情况，有轨电车在交叉口处的信号优先控制策略的运用大体分为三类：①被动优先控制策略；②主动优先控制策略；③实时优先控制策略。其中，主动优先控制策略又可细分为绝对优先控制策略和条件优先控制策略。在条件优先控制策略中，按照其策略和原则的不同，还可将其进一步细分为完全优先控制策略和部分优先控制策略。

2.有轨电车信号优先策略

1）被动优先控制策略

被动优先控制策略的思路是：交叉口采用固定信号配时，在每个信号周期内增加有轨电车专用信号相位，结合交叉口渠化管理，减少与社会车流的潜在冲突，以达到优先控制的目的。被动优先控制策略由于无须设置车辆检测器，故成本较低。然而，并不是每个信号周期都有车辆通过，所以势必会浪费掉一些信号时间，从而造成交叉口整体延误的增加。因此，理论上被动优先控制策略在一定程度上可以提高现代有轨电车的运营效率，但是一般情况下不推荐。

2）主动优先控制策略

主动优先控制策略是指在交叉口设置车辆检测器，通过检测现代有轨电车的位置确定是否给予其优先信号，具体控制措施包括绿灯延长、红灯早断、相位插入等多种方法。根据其优先控制的条件可以细分为绝对优先控制策略和条件优先控制策略。

（1）绝对优先控制策略。在绝对优先控制中，当安装在交叉口上游的入口检测器检测到有轨电车到达时，交通信号控制器就会中断当前的信号相位，直接给予现代有轨电车通过信号；交叉路口下游的出口检测器检测到有轨电车已通过交叉口，再恢复原来的信号相位，其具体措施包括绿灯延长和红灯早断。

（2）条件优先控制策略。在条件优先控制中，需要考虑交叉口的总体效益，决定是否给予有轨电车优先通行权。条件优先控制策略可以进一步细分为完全优先控制策略和部分优先控制策略。

3）实时优先控制策略

在实时控制系统中，信号配时是根据实时交通数据进行调整的。这种控制方法能实现交通效益的最优化，在对公交车辆优先控制的同时，能将对其他车辆运行造成的影响降到最低。由于其控制机理较为复杂，对各方面的技术要求都较高，受条件限制，实施起来相对困难。目前，关于实时优先控制策略的研究大多集中在公交优先控制方面，关于有轨电车实时优先控制则可以借鉴这方面的成果。

3.有轨电车信号优先设计流程

有轨电车信号优先设计分为三个阶段：需求分析阶段、逻辑设计阶段和系统结构设计阶段。

1）需求分析

整个有轨电车交叉口信号优先控制系统的设计目标是通过检测有轨电车接近交叉口的位置，根据交叉口实时交通状况，为有轨电车选择合适的交叉口优先通行信号方案，并在实现有轨电车交叉口信号优先的同时，降低其优先信号方案对交叉口其他社会车辆的影响。

（1）功能需求分析

有轨电车交叉口信号优先控制系统按功能可以分为数据存储模块、无线通信模块、信号优先控制模块和交叉口优先状态监测上位机。根据该系统的设计目的，系统具体包括以下功能。

①数据存储模块功能：与主控芯片保持长时间的高速通信；可存储次数多；长时间的数据可靠存储。

②无线通信模块功能：长时间可靠通信；数据传输速率快。

③信号优先控制模块功能：根据交叉口信号协调后的配时方案准确地显示各相位的信号灯状态；根据有轨电车接近消息来估计其到达交叉口的时间，并判断此时的信号灯状态；根据当前社会车流量、整备数据和有轨电车接近消息为有轨电车选择合适的优先方案；控制信号灯优先信号。(www.xing528.com)

④交叉口优先状态监测上位机功能：模拟社会车流量；显示有轨电车信号优先模式；显示有轨电车接近、进入和离开交叉口的状态。

（2）性能需求分析

交叉口信号优先控制系统应满足以下性能。

①可靠性：系统选用多个RFID标签位置作为位置检测点，实现多个节点的位置检测，防止位置检测时由于接收数据丢失而检测位置失败，能够提高位置检测的可靠性。

②实时性：在整个列车运行控制系统运行过程中，交叉口与其他设备之间的数据交互包括交叉口信号控制器和车载之间的通信、和服务器之间的通信、和监控中心之间的通信以及和上位机之间的通信。交叉口优先控制器必须对有轨电车的位置检测做出实时响应，才能保证有轨电车的优先通行，以及正确判断有轨电车是否进入和离开交叉口，并及时将状态发送给监控中心。

③稳定性：系统的数据传输采用技术成熟、稳定的串口和SPI，设计了电源保护电路，为主控芯片的稳定工作提供了技术保障。系统采用自动登录中端、服务器的模式且实时发送数据命令，防止路口优先控制器意外离线，从而提高整个系统运行的稳定性。

④安全性：保证路口行车安全是比较重要的，为了提高系统的安全性，设计相应的应答编码ACK，确保接收和发送消息的准确无误，只有在接收到正确消息之后才会执行相应的响应，故系统的安全性满足要求。

⑤可扩展性：在硬件层面上，系统设计的数据存储单元可为后续设计中的大量数据存储所利用，芯片程序可以通过地址下载器更改系统的内部程序，所以能够实现新功能的扩展，通信协议和设备支持都能够与其他设备兼容，使得系统具有可扩展性。

2）逻辑设计

现阶段对有轨电车交叉口优先信号控制主要是通过交叉感应环线获取有轨电车的接近信息，计算其需要优先的时刻，通过绿灯延长、绿灯提前或插入相位等方式使得有轨电车顺利通过交叉口，该系统的逻辑模型如图2－62所示。此方法存在以下问题：一是没有考虑路口社会车辆的运行状况，当冲突相位的车流量较大时，会使得交叉口的通行能力下降，产生拥堵和延误；二是单个交叉口信号优先不能将沿线的交叉口关联起来，由于城市相邻交叉口间距较近，有轨电车有可能在到达下一个交叉口时遇见红灯受阻，导致信号频繁改动，交叉口行车不通畅，降低整条线路的行车速度，造成延误的同时还可能导致交叉口通行能力下降。

图2－62　现阶段有轨电车交叉口信号优先系统逻辑模型

3）系统结构设计

有轨电车交叉口信号优先系统主要实现的功能包括车载及监控中心和控制器之间的数据传输、模拟并传输车流量以及控制交通信号灯。系统功能体系如图2－63所示。

整个系统以实现有轨电车在交叉口信号优先为目标，RFID标签分别贴在进入交叉口、离开交叉口和接近交叉口三个位置，RFID读写器装在有轨电车上，通过车载形式读取轨旁电子标签的信息，再通过串口将信息发送至车载控制器，控制器将收到的车辆接近消息通过无线网络传输至交叉口优先控制器；流量检测装置装在道路上用于检测车流量并将数据发送至交叉口优先控制器。交叉口优先控制器通过无线网络接收到有轨电车接近和社会车流量的信息之后，通过处理和判断，做出相应的决策，即能否为有轨电车提供信号优先方案并执行相应功能。

图2－63　系统功能体系

整个系统从总体上分为三块，分别是可模拟流量的交叉口上位机、交叉口信号优先控制单元和交叉口信号协调控制单元（图2－64），而接近位置检测模块主要由无线网络通信模块和RFID标签读写模块构成，用来获取有轨电车的位置信息。交叉口上位机主要包括车流量传输模块、信号优先状态显示模块和无线传输模块，用来传输交叉口的模拟车流量信息；信号灯控制模块也叫作路口优先控制器，用来处理由接近位置检测模块和流量上位机传输来的数据，并为发送接近消息的有轨电车选择合适的优先信号方案，控制路口信号灯做出相应的改变，实现有轨电车的路口信号优先。

图2－64　系统总体功能结构图