01  公交信號優(yōu)先的定義

公交優(yōu)先即公共交通的優(yōu)先，是指從政策、規(guī)劃、技術(shù)等多方面入手，在城市規(guī)劃建設(shè)和交通管理中，把公共交通發(fā)展放在優(yōu)先位置上，給予資金、政策、技術(shù)等支持，實現(xiàn)公交暢通、便捷、舒適的大眾服務(wù)。

公交優(yōu)先的具體發(fā)展體現(xiàn)在三個方面：

（1）政策和資金上的優(yōu)先，例如通過政府補(bǔ)貼降低公交乘坐費用、合理的公交線路路網(wǎng)規(guī)劃、公交線路車輛運力增加等；

（2）“空間”資源的優(yōu)先：即對公交車道路通行空間上的優(yōu)先，如設(shè)置公交專用車道、進(jìn)口轉(zhuǎn)用車道和高架專用車道等，減少公交車的交通行駛干擾。

（3）“時間”資源的優(yōu)先：即對公交車道路通行時間上的優(yōu)先，如在交叉口為公交車輛提供信號優(yōu)先，減少公交車的停車等待延誤。

公交信號優(yōu)先是公交優(yōu)先策略中的一種，即上述（3）中“時間”資源上的優(yōu)先，是指城市交叉路口的信號控制系統(tǒng)通過調(diào)整紅綠燈信號配時方案，保障公交車在到達(dá)路口時，可以綠燈通行或者減少紅燈等待時間，從而降低公交車行程時間，提升公交車輛通行效率和準(zhǔn)點率。

02  公交信號優(yōu)先的發(fā)展歷史

公交信號優(yōu)先作為公交優(yōu)先的重要一環(huán)，最早于1970年在美國洛杉磯開始實施，最初應(yīng)用與軌道交通的信號優(yōu)先相似，偏向于強(qiáng)制信號優(yōu)先，即當(dāng)公交車到達(dá)路口時，信號燈強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為綠燈通行，當(dāng)公交車通過后再轉(zhuǎn)換為原有信號控制。

后續(xù)經(jīng)過不斷的研究和測試，公交信號優(yōu)先逐漸從最初的強(qiáng)制信號優(yōu)先概念中區(qū)分開來，美國國家運輸ITS通信協(xié)議NTCIP 1202中對上述二者進(jìn)行了明確區(qū)分：

強(qiáng)制信號優(yōu)先（Priority And Preemption）是將交通信號從正常控制模式強(qiáng)制轉(zhuǎn)換到特殊控制模式，以保證軌道交通、執(zhí)勤特種車輛、緊急救援車輛等順利通行，也稱為“信號搶占”；

公交信號優(yōu)先（Transit Signal Priority）是指在城市信號控制交叉口，在不對原有信號配時方案和控制模式造成較大影響的前提下，為某一種優(yōu)先級別較高的車輛（如公交車、應(yīng)急車等）提供信號優(yōu)先功能，保障該類型車輛優(yōu)先通過，這類優(yōu)先不會導(dǎo)致信號機(jī)脫離正常的信號運行狀態(tài)。

進(jìn)入2000年開始，日本、歐洲、美國等國家和地區(qū)的城市開始在交叉口信號控制中引入公交優(yōu)先控制策略。

例如芝加哥的PACE公交通過公交信號優(yōu)先，平均運行時間節(jié)約了15%，而洛杉磯通過公交信號優(yōu)先其公交車輛的運行時間可減少25%。

2012年12月，出臺《關(guān)于城市公共交通優(yōu)先發(fā)展的指導(dǎo)意見》(國發(fā)(2012)64號)，再一次提出實施城市公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，明確了“公共交通占機(jī)動化出行比例達(dá)到60％左右”、“增加公共交通優(yōu)先車道，擴(kuò)大信號優(yōu)先范圍，逐步形成公共交通優(yōu)先通行網(wǎng)絡(luò)”、“按照智能化、綜合化、人性化的要求，推進(jìn)信息技術(shù)在城市公共交通運營管理、服務(wù)監(jiān) 管和行業(yè)管理等方面的應(yīng)用”等目標(biāo)與要求?？梢?，“公交優(yōu)先”尤其是路權(quán)優(yōu)先已 **提升為國家戰(zhàn)略。

當(dāng)前我國部分城市也在部分交叉口實施公交信號優(yōu)先控制措施，2016年，武漢實現(xiàn)了快速公交BRT（Bus Rapid Transit）的智能化管理，在設(shè)置公交專用道的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了信號優(yōu)先，當(dāng)BRT運行至有信控的交叉路口，若遇到紅燈，信號燈將自動轉(zhuǎn)為綠燈，實現(xiàn)“一路暢通；

一些城市在交叉路口布設(shè)了大量的地磁傳感器、RFID檢測器、RFID接收機(jī)和卡口式電子警察檢測器，可以高精度的識別過往車輛的車牌號及通過檢測器的時間，主要用于交通運行狀態(tài)的檢測。

部分城市開始探索RFID在公交優(yōu)先控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，南昌市利用RFID技術(shù)，通過在公交車上安裝電子標(biāo)簽實現(xiàn)了公交信號優(yōu)先，在公交車到達(dá)路口時向信號機(jī)發(fā)出優(yōu)先請求，信號機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的優(yōu)先策略；2017年，南京通過在路側(cè)安裝RFID設(shè)備采集車輛數(shù)據(jù)，同時在公交車上安裝定位設(shè)備上傳車輛定位數(shù)據(jù)，信號機(jī)根據(jù)上述信息結(jié)合優(yōu)先策略實現(xiàn)公交信號優(yōu)先。

而近年來，隨著智能網(wǎng)聯(lián)通信技術(shù)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，為傳統(tǒng)交通行業(yè)注入了很多活力，越來越多的人意識到利用智能網(wǎng)聯(lián)通信技術(shù)可實現(xiàn)交通領(lǐng)域的技術(shù)革新，實現(xiàn)廣域的信息共享和資源整合，提升整體交通效率和道路安全。

2019年，印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，明確提出要加強(qiáng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車（智能汽車、自動駕駛、車路協(xié)同）研發(fā)，加強(qiáng)城市交通擁堵綜合治理，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通，構(gòu)建便捷順暢的城市交通網(wǎng)。

隨著車路協(xié)同V2X技術(shù)快速發(fā)展，國內(nèi)外開始研究基于V2X技術(shù)的公交信號優(yōu)先，在車路協(xié)同環(huán)境下，將公交車和信號控制機(jī)之間的交互通信信息應(yīng)用于實際信控交叉口。

2020年，長沙率先在市中心內(nèi)交通流量大的區(qū)域開通了三條基于V2X的公交優(yōu)先線路，經(jīng)過一年多常態(tài)化運營數(shù)據(jù)分析，行程時間優(yōu)化了10.1%-15.6%，車速提升了9.7%-17.2%，準(zhǔn)點率提高了約50%。通過在交叉口處適當(dāng)給予公交車輛信號控制上的優(yōu)先，在大多數(shù)情況下可以在不明顯降低社會車輛運行效率的基礎(chǔ)上大幅度地提高公交車輛的運行效率。

圖1 長沙基于車路協(xié)同公交優(yōu)先線路

03  公交信號優(yōu)先的技術(shù)現(xiàn)狀

公交信號優(yōu)先是一種路權(quán)分配運行策略，利用交叉口的信號控制改善公共交通車輛的運行狀態(tài)，屬于城市交通信號控制理論范疇。

很多人把公交信號優(yōu)先理解為強(qiáng)制優(yōu)先或者絕對優(yōu)先，誤以為技術(shù)實現(xiàn)簡單，公交信號優(yōu)先會像強(qiáng)制優(yōu)先帶來路口擁堵。

1）強(qiáng)制優(yōu)先模式下，當(dāng)車輛達(dá)到時，將立即切斷正常的信號控制模式，強(qiáng)制進(jìn)入特定的信號控制狀態(tài)，不再考慮維持已有的信號配時方案以保證相鄰交叉口交通信號之間的協(xié)調(diào)。在強(qiáng)制優(yōu)先控制后需要有一個時間段（快則幾十秒慢則幾分鐘）用來恢復(fù)至正常的信號燈配時與控制。因此，強(qiáng)制優(yōu)先容易造成交叉口擁堵。

2）公交信號優(yōu)先模式下，當(dāng)車輛達(dá)到時，通過調(diào)整正常的信號配時來給與公交車輛一些優(yōu)先服務(wù)的機(jī)會，策略目標(biāo)是不會明顯干擾其他的交通同時最小化對其他交通工具用戶的影響，包括相**的私家車和行人。

從信號控制角度來看，一個控制系統(tǒng)主要有控制輸入、控制執(zhí)行（輸出）、控制策略（方法）、控制準(zhǔn)則（優(yōu)化目標(biāo)）。

一個完整的公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)的控制輸入應(yīng)該包含：

1) 公交車運行時刻表

2) 公交車輛實時位置

3) 公交車運行速度

4) 公交車實時載客量

5) 在某公交車站上下車乘客的數(shù)據(jù)（歷史的或?qū)崟r的）

6) 同時到達(dá)交叉路口的多個公交車的優(yōu)先請求

7) 交叉路口的實時交通流量

8) 交叉路口的車輛排隊情況

9) 社會車輛的運行速度

10) 信號周期中公交相位的位置

在實施一個公交信號優(yōu)先項目前，分單點公交信號優(yōu)先還是干線公交信號優(yōu)先。

控制準(zhǔn)則也即優(yōu)化目標(biāo)可以根據(jù)不同的實際需求進(jìn)行設(shè)定，一般為提高公交車輛準(zhǔn)點率及舒適度，包括：

1) 最小特定交叉口的公交延誤（總延誤以及均延誤）；

2) 最小特定干線的公交延誤； 

3) 最小停車次數(shù)

4) 最小乘客人均延誤

5) 最高公交行程時間預(yù)測精度

6) 最短公交排隊長度

7) 最少尾氣排放量

8) 最低無效公交綠燈間占比

9) 最小對綠波帶影響

根據(jù)控制準(zhǔn)則不同，可以有不同的控制策略。

比如，如果是按最小公交延誤，則需要給與全部公交車輛以信號優(yōu)先，如果是提高公交運行的規(guī)律性/準(zhǔn)點性，最高公交行程時間預(yù)準(zhǔn)精度，則按需給與公交車輛信號優(yōu)先。

對于一條特定的公交線路，公交信號優(yōu)先的應(yīng)用會因運行的控制策略不同有所差異。常用的控制策略主要包括：

1) 基于運行時刻表。公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)根據(jù)實時更新的公交運行時刻表以及車輛的實時位置，為落后于運行時刻表的公交車輛提供優(yōu)先以使其保持與運行時刻表一致性。準(zhǔn)點運行或超前運行的公交車則不提供優(yōu)先服務(wù)。

2) 基于車頭時距。公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)根據(jù)特定公交線路行駛公交車輛之間的時間間距是否一致性，來決定是否提供優(yōu)先服務(wù)。當(dāng)前位于某交叉口的特定公交線路車輛與通過該交叉口的該路線前一輛車之間的時間間距來作為控制策略依據(jù)。

3) 基于規(guī)則方法。公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)針對不同的交通事件建立一系列邏輯規(guī)則， 根據(jù)實時采集的車輛到達(dá)信息和邏輯判斷結(jié)果， 決定是否提供優(yōu)先服務(wù)。這些邏輯規(guī)則包括：公交車晚點程度、先到先得服務(wù)、一個周期內(nèi)只有一次優(yōu)先、實際公交車頭時距與運行時刻表上的車頭時距差異、當(dāng)沒有優(yōu)先請求時要給予非優(yōu)先相位以綠燈補(bǔ)償、固定的配時周期長等等。

4) 基于優(yōu)化模型方法。公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)通過選取車輛延誤、 停車次數(shù)等指標(biāo)（或其線性加權(quán)）建立目標(biāo)函數(shù)， 根據(jù)實時采集的車輛到達(dá)信息進(jìn)行在線優(yōu)化計算來決定提供有條件的優(yōu)先服務(wù)。模型?？紤]的參數(shù)如下表：

公交信號優(yōu)先控制執(zhí)行方法有多種方式主要有被動優(yōu)先、主動優(yōu)先、實時自適應(yīng)優(yōu)先。

1) 被動優(yōu)先。公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)根據(jù)公交車輛歷史到達(dá)數(shù)據(jù)，生成離線配時方案，利用專用公交車道和專用信號燈實現(xiàn)公交優(yōu)先。

這種優(yōu)先方式無需公交車檢測系統(tǒng)，配置方便靈活。由于以歷史的靜態(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通常用于公交流量較大、運營狀況穩(wěn)定， 并且與公交運行沖突方向交通飽和度相對較低的交叉口。

缺點是由于通過假定公交車以固定時刻、固定間隔到達(dá)來實現(xiàn)公交優(yōu)先，容易造成綠燈時間的空放，對非優(yōu)先相位的綠燈通行時間進(jìn)行擠占將損害社會車輛的通行效益，不利于交叉口整體通行效益的提高。

2) 主動優(yōu)先。公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)對公交車輛的到達(dá)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到車輛到達(dá)路口時，通過調(diào)整配時方案來執(zhí)行信號優(yōu)先執(zhí)行策略，保障公交車優(yōu)先通過

具體的執(zhí)行策略包含：相位保持、綠燈延長、紅燈截斷、相位插入和相序跳動等。主動優(yōu)先又分為無條件的主動優(yōu)先和有條件的主動優(yōu)先。

無條件的公交優(yōu)先只需提供公交車的檢入檢出信號，即可實現(xiàn)公交車輛優(yōu)先，如基于感應(yīng)線圈、RFID技術(shù)公交信號優(yōu)先，這種優(yōu)先方式考慮的因素較少，易對路**通造成較大影響；

有條件的公交優(yōu)先更多地考慮了公交車當(dāng)前運行狀態(tài)（位置信息、行程時刻表延誤、載客率等），從而決定是否給予公交車輛優(yōu)先或者優(yōu)先給予其他公交車輛優(yōu)先，比如基于V2X車路協(xié)同技術(shù)公交信號優(yōu)先。

3) 實時自適應(yīng)優(yōu)先。自適應(yīng)優(yōu)先是主動優(yōu)先的升級，在交叉口給予公交車輛優(yōu)先通行權(quán)時，不僅考慮公交車輛的當(dāng)前運行狀態(tài)，在獲取實時交叉路口動態(tài)交通信息基礎(chǔ)上，結(jié)合路口各個方向的通行效益，以一定的性能指標(biāo)函數(shù)或者更復(fù)雜的優(yōu)化邏輯規(guī)則對信號配時方案進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)整個路口優(yōu)先效益的最大化，比如基于V2X與AI路側(cè)感知相結(jié)合的公交信號優(yōu)先。

04  新技術(shù)賦能公交信號優(yōu)先的未來

隨著V2X技術(shù)與人工智能技術(shù)快速發(fā)展，基于車路協(xié)同的公交信號優(yōu)先系統(tǒng)是未來發(fā)展趨勢，它能更好更完整構(gòu)建前述控制輸入、控制執(zhí)行（輸出）、控制策略（方法）、控制準(zhǔn)則（優(yōu)化目標(biāo)），能更好的交通影響最小化，提升公交車輛通行效率和準(zhǔn)點率，對于改善交通出行結(jié)構(gòu)、緩解道路交通擁堵、降低城市能源消耗均有重大意義。

基于車路協(xié)同的公交信號優(yōu)先技術(shù)利用C-V2X無線技術(shù)實現(xiàn)公交車輛與道路控制系統(tǒng)的實時信息交互，一方面公交車輛可獲取交叉口控制模式、信號配時和相位狀態(tài)等信息，另一方面道路控制系統(tǒng)可實時獲取公交車輛狀態(tài)信息如車輛位置、載客率、晚點率等信息，通過優(yōu)化模型和算法規(guī)則實現(xiàn)高級別的主動公交優(yōu)先，同時可結(jié)合路口智能感知設(shè)備提供的交通流狀態(tài)，實現(xiàn)自適應(yīng)公交優(yōu)先和配時優(yōu)化。

圖2 基于車路協(xié)同的公交信號優(yōu)先系統(tǒng)

車載OBU和路側(cè)RSU實現(xiàn)C-V2X無線通信，將自身客流設(shè)備感知的客流數(shù)據(jù)和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至路側(cè)，經(jīng)由路側(cè)RSU生成優(yōu)先請求發(fā)送至信號控制機(jī)，信號控制機(jī)結(jié)合公交車輛狀態(tài)和交通流檢測數(shù)據(jù)，優(yōu)化信號配時方案，將控制方案上傳至中心信號控制平臺并接收平臺宏觀調(diào)控指令進(jìn)行方案調(diào)整。

此外，利用C-V2X無線通信的雙向性，車載OBU可實時接收信號燈狀態(tài)和優(yōu)先執(zhí)行信息來實現(xiàn)車端內(nèi)信息顯示。

相比較傳統(tǒng)的主動公交優(yōu)先技術(shù)（感應(yīng)線圈和RFID）具備以下幾點明顯優(yōu)勢：

1) 布設(shè)簡單，無需設(shè)置公交專用車道，無需大規(guī)模的土建施工；只需在公交車后裝智能車載OBU、客流儀等設(shè)備，在路側(cè)安裝智能路側(cè)RSU設(shè)備并與信號控制機(jī)接入即可實現(xiàn)信息交互。

2) 信息傳輸距離遠(yuǎn)、時延低、可靠性強(qiáng)；C-V2X技術(shù)利用專有通信頻段，可實現(xiàn)車與車、車與路之間的直連通訊，從而保證毫秒級的數(shù)據(jù)延遲，并且通訊范圍最大可達(dá)800米以上，充分保障了數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，為多種控制策略算法實踐與解算提供了充足的時間窗口。

3) 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，信息源豐富；C-V2X技術(shù)利用精準(zhǔn)差分定位可達(dá)到厘米級的定位精度，同時利用專有標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議實現(xiàn)諸如載客率、晚點率等關(guān)鍵信息傳輸，有助于公交車輛優(yōu)先級判定和多車沖突優(yōu)先請求等場景下的算法實現(xiàn)。

4) 通過感應(yīng)線圈和RFID并不能實時地檢測快速公交的動態(tài)位置，因而不能準(zhǔn)確地預(yù)測快速公交到達(dá)交叉路口停止線的時間，導(dǎo)致后續(xù)的公交優(yōu)先策略的實施效果具有較大的不確定性。比如最壞的情況是采用綠燈時間延長公交優(yōu)先策略時，在延長的綠燈時間范圍內(nèi)快速公交不能到達(dá)交叉路口停止線，一方面會導(dǎo)致延長的綠燈時間浪費，另一方面延長其他運行方向車輛的等待時間，加劇了交叉路口的擁堵。

5) 數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用覆蓋面廣；C-V2X技術(shù)可實現(xiàn)車-路（即OBU-RSU-信號機(jī)）的雙向通信，公交車載OBU可通過路側(cè)RSU設(shè)備接收到信號機(jī)發(fā)出的信號燈態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)車內(nèi)屏和尾屏的紅綠燈狀態(tài)顯示，對公交車駕駛員和后方社會車輛進(jìn)行提示，降低安全風(fēng)險。同時，C-V2X通信范圍較廣，位于區(qū)域內(nèi)的路側(cè)RSU和其他車載OBU均可進(jìn)行數(shù)據(jù)互通和信息共享，從而實現(xiàn)諸多安全類和效率類功能應(yīng)用，輔助駕駛員智慧出行。

以長沙315智慧公交為例，全線途徑26個交叉路口，全程約14公里，實行基于車路協(xié)同公交信號優(yōu)先后，行程時間和車速均有明顯優(yōu)化，綜合得出：行程時間平均優(yōu)化約12%，行程速度平均提升約13%。

圖3 長沙公交優(yōu)先315線路

圖4 315路公交行程時間-優(yōu)化對比圖

圖5 315路公交行程車路-優(yōu)化對比圖

各站點的平均到站準(zhǔn)點率明顯提升，優(yōu)化率可達(dá)50%。

根據(jù)對近年公交優(yōu)先和車路協(xié)同方面發(fā)展可看出，國內(nèi)外對交叉口如何提高公交車運行效率進(jìn)行了較為深入的研究，且取得了豐富的理論成果與一定的實踐成效。

以下幾點需要值得我們關(guān)注與進(jìn)一步探索：

1) 更多的公交信號優(yōu)先控制策略綜合應(yīng)用研究實踐與評估。

2) 車路協(xié)同與車車協(xié)同環(huán)境下，多路公交信號優(yōu)先請求信號沖突控制問題。

3) 公共信號優(yōu)先與主干路綠波帶控制之間的沖突與協(xié)調(diào)。如何將兩種控制方式進(jìn)行權(quán)重衡量分析，選擇對道路交通更為實際的優(yōu)化方案。

4) 停靠溢流情況下的公交信號優(yōu)先控制方法。對于公交線路較多和發(fā)車頻率較大的道路，當(dāng)大量的公交車輛因為公交信號優(yōu)先通過交叉口時，可能出現(xiàn)這些車輛聚集在下游?？空咎幍却？康那闆r，從而 導(dǎo)致停靠溢流現(xiàn)象。這種現(xiàn)象將使得公交車輛在上游交叉口處因公交信號優(yōu)先所獲得的效益在下游停靠站處被浪費掉了。

5)  在“車-站-路”協(xié)同環(huán)境下，實行公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制下 的站點位置優(yōu)化研究。

6) 在“車-路-站-云”協(xié)同環(huán)境下，干線級及路網(wǎng)級公交信號

7) 公交優(yōu)先政策對城市交通系統(tǒng)的影響效應(yīng)研究。現(xiàn)階段的公交優(yōu)先大多數(shù)專注于提高公車運行效率，如何評估交叉口其余車輛的通行權(quán)益受損問題。

作者簡介：張長隆，博士 副教授（長沙智能駕駛研究院副總經(jīng)理），首創(chuàng)“三模式”（LTE、LTE-V、DSRC）自適應(yīng)智能網(wǎng)聯(lián)V2X設(shè)備與系統(tǒng)；全國首個長沙開放道路智慧公交車路云協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計者；全國首個長沙開放高速道路路側(cè)全息感知與車路協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計者；全國首個大規(guī)模車路協(xié)同公交優(yōu)先系統(tǒng)設(shè)計者；中國首個智能網(wǎng)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《合作式智能運輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)筆人之一

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