随着V2X技术与人工智能技术快速发展，基于车路协同的公交信号优先系统是未来发展趋势，它能更好更完整构建控制输入、控制执行（输出）、控制策略（方法）、控制准则（优化目标），能更好的交通影响最小化，提升公交车辆通行效率和准点率，对于改善交通出行结构、缓解道路交通拥堵、降低城市能源消耗均有重大意义。

一、公交信号优先的定义

公交优先即公共交通的优先，是指从政策、规划、技术等多方面入手，在城市规划建设和交通管理中，把公共交通发展放在优先位置上，给予资金、政策、技术等支持，实现公交畅通、便捷、舒适的大众服务。

公交优先的具体发展体现在三个方面：

（1）政策和资金上的优先，例如通过政府补贴降低公交乘坐费用、合理的公交线路路网规划、公交线路车辆运力增加等；

（2）“空间”资源的优先：即对公交车道路通行空间上的优先，如设置公交专用车道、进口专用车道和高架专用车道等，减少公交车的交通行驶干扰。

（3）“时间”资源的优先：即对公交车道路通行时间上的优先，如在交叉口为公交车辆提供信号优先，减少公交车的停车等待延误。

公交信号优先是公交优先策略中的一种，即上述（3）中“时间”资源上的优先，是指城市交叉路口的信号控制系统通过调整红绿灯信号配时方案，保障公交车在到达路口时，可以绿灯通行或者减少红灯等待时间，从而降低公交车行程时间，提升公交车辆通行效率和准点率。

二、公交信号优先的发展历史

公交信号优先作为公交优先的重要一环，最早于1970年在美国洛杉矶开始实施，最初应用与轨道交通的信号优先相似，偏向于强制信号优先，即当公交车到达路口时，信号灯强制转换为绿灯通行，当公交车通过后再转换为原有信号控制。

后续经过不断的研究和测试，公交信号优先逐渐从最初的强制信号优先概念中区分开来，美国国家运输ITS通信协议NTCIP 1202中对上述二者进行了明确区分：

强制信号优先（Priority And Preemption）是将交通信号从正常控制模式强制转换到特殊控制模式，以保证轨道交通、执勤特种车辆、紧急救援车辆等顺利通行，也称为“信号抢占”；

公交信号优先（Transit Signal Priority）是指在城市信号控制交叉口，在不对原有信号配时方案和控制模式造成较大影响的前提下，为某一种优先级别较高的车辆（如公交车、应急车等）提供信号优先功能，保障该类型车辆优先通过，这类优先不会导致信号机脱离正常的信号运行状态。

进入2000年开始，日本、欧洲、美国等国家和地区的城市开始在交叉口信号控制中引入公交优先控制策略。

例如芝加哥的PACE公交通过公交信号优先，平均运行时间节约了15%，而洛杉矶通过公交信号优先其公交车辆的运行时间最大可减少25%。

2012年12月，国务院出台《关于城市公共交通优先发展的指导意见》(国发(2012)64号)，再一次提出实施城市公共交通优先发展战略，明确了“公共交通占机动化出行比例达到60％左右”、“增加公共交通优先车道，扩大信号优先范围，逐步形成公共交通优先通行网络”、“按照智能化、综合化、人性化的要求，推进信息技术在城市公共交通运营管理、服务监 管和行业管理等方面的应用”等目标与要求。可见，“公交优先”尤其是路权优先已 全面提升为国家战略。

当前我国部分城市也在部分交叉口实施公交信号优先控制措施，2016年，武汉实现了快速公交BRT（Bus Rapid Transit）的智能化管理，在设置公交专用道的基础上实现了信号优先，当BRT运行至有信控的交叉路口，若遇到红灯，信号灯将自动转为绿灯，实现“一路畅通；

一些城市在交叉路口布设了大量的地磁传感器、RFID检测器、RFID接收机和卡口式电子警察检测器，可以高精度的识别过往车辆的车牌号及通过检测器的时间，主要用于交通运行状态的检测。

部分城市开始探索RFID在公交优先控制系统中的应用，南昌市利用RFID技术，通过在公交车上安装电子标签实现了公交信号优先，在公交车到达路口时向信号机发出优先请求，信号机执行相应的优先策略；2017年，南京通过在路侧安装RFID设备采集车辆数据，同时在公交车上安装定位设备上传车辆定位数据，信号机根据上述信息结合优先策略实现公交信号优先。

而近年来，随着智能网联通信技术、智能网联汽车产业蓬勃发展，为传统交通行业注入了很多活力，越来越多的人意识到利用智能网联通信技术可实现交通领域的技术革新，实现广域的信息共享和资源整合，提升整体交通效率和道路安全。

2019年，国务院印发《交通强国建设纲要》，明确提出要加强智能网联汽车（智能汽车、自动驾驶、车路协同）研发，加强城市交通拥堵综合治理，优先发展城市公共交通，构建便捷顺畅的城市交通网。

随着车路协同V2X技术快速发展，国内外开始研究基于V2X技术的公交信号优先，在车路协同环境下，将公交车和信号控制机之间的交互通信信息应用于实际信控交叉口。

2020年，长沙率先在市中心内交通流量大的区域开通了三条基于V2X的公交优先线路，经过一年多常态化运营数据分析，行程时间优化了10.1%-15.6%，车速提升了9.7%-17.2%，准点率提高了约50%。

通过在交叉口处适当给予公交车辆信号控制上的优先，在大多数情况下可以在不明显降低社会车辆运行效率的基础上大幅度地提高公交车辆的运行效率

图1 长沙基于车路协同公交优先线路

三、公交信号优先的技术现状

公交信号优先是一种路权分配运行策略，利用交叉口的信号控制改善公共交通车辆的运行状态，属于城市交通信号控制理论范畴。

很多人把公交信号优先理解为强制优先或者绝对优先，误以为技术实现简单，公交信号优先会像强制优先带来路口拥堵。

公交信号优先和强制优先的区别在于：

1）强制优先模式下，当车辆达到时，将立即切断正常的信号控制模式，强制进入特定的信号控制状态，不再考虑维持已有的信号配时方案以保证相邻交叉口交通信号之间的协调。在强制优先控制后需要有一个时间段（快则几十秒慢则几分钟）用来恢复至正常的信号灯配时与控制。因此，强制优先容易造成交叉口拥堵。

2）公交信号优先模式下，当车辆达到时，通过调整正常的信号配时来给与公交车辆一些优先服务的机会，策略目标是不会显著干扰其他的交通同时最小化对其他交通工具用户的影响，包括相冲突的私家车和行人。

从信号控制角度来看，一个控制系统主要有控制输入、控制执行（输出）、控制策略（方法）、控制准则（优化目标）。

一个完整的公交信号优先控制系统的控制输入应该包含：

1) 公交车运行时刻表

2) 公交车辆实时位置

3) 公交车运行速度

4) 公交车实时载客量

5) 在某公交车站上下车乘客的数据（历史的或实时的）

6) 同时到达交叉路口的多个公交车的优先请求

7) 交叉路口的实时交通流量

8) 交叉路口的车辆排队情况

9) 社会车辆的运行速度

10) 信号周期中公交相位的位置

在实施一个公交信号优先项目前，分单点公交信号优先还是干线公交信号优先。

控制准则也即优化目标可以根据不同的实际需求进行设定，一般为提高公交车辆准点率及舒适度，包括：

1) 最小特定交叉口的公交延误（总延误以及均延误）；

2) 最小特定干线的公交延误； 

3) 最小停车次数

4) 最小乘客人均延误

5) 最高公交行程时间预测精度

6) 最短公交排队长度

7) 最少尾气排放量

8) 最低无效公交绿灯间占比

9) 最小对绿波带影响

根据控制准则不同，可以有不同的控制策略。

比如，如果是按最小公交延误，则需要给与全部公交车辆以信号优先，如果是提高公交运行的规律性/准点性，最高公交行程时间预准精度，则按需给与公交车辆信号优先。

对于一条特定的公交线路，公交信号优先的应用会因运行的控制策略不同有所差异。常用的控制策略主要包括：

1) 基于运行时刻表。公交信号优先控制系统根据实时更新的公交运行时刻表以及车辆的实时位置，为落后于运行时刻表的公交车辆提供优先以使其保持与运行时刻表一致性。准点运行或超前运行的公交车则不提供优先服务。

2) 基于车头时距。公交信号优先控制系统根据特定公交线路行驶公交车辆之间的时间间距是否一致性，来决定是否提供优先服务。当前位于某交叉口的特定公交线路车辆与通过该交叉口的该路线前一辆车之间的时间间距来作为控制策略依据。

3) 基于规则方法。公交信号优先控制系统针对不同的交通事件建立一系列逻辑规则， 根据实时采集的车辆到达信息和逻辑判断结果， 决定是否提供优先服务。这些逻辑规则包括：公交车晚点程度、先到先得服务、一个周期内只有一次优先、实际公交车头时距与运行时刻表上的车头时距差异、当没有优先请求时要给予非优先相位以绿灯补偿、固定的配时周期长等等。

4) 基于优化模型方法。公交信号优先控制系统通过选取车辆延误、 停车次数等指标（或其线性加权）建立目标函数， 根据实时采集的车辆到达信息进行在线优化计算来决定提供有条件的优先服务。模型常考虑的参数如下表：

公交信号优先控制执行方法有多种方式主要有被动优先、主动优先、实时自适应优先。

1) 被动优先。公交信号优先控制系统根据公交车辆历史到达数据，生成离线配时方案，利用专用公交车道和专用信号灯实现公交优先。

这种优先方式无需公交车检测系统，配置方便灵活。由于以历史的静态数据为依据，通常用于公交流量较大、运营状况稳定， 并且与公交运行冲突方向交通饱和度相对较低的交叉口。

缺点是由于通过假定公交车以固定时刻、固定间隔到达来实现公交优先，容易造成绿灯时间的空放，对非优先相位的绿灯通行时间进行挤占将损害社会车辆的通行效益，不利于交叉口整体通行效益的提高。

2) 主动优先。公交信号优先控制系统对公交车辆的到达进行检测，当检测到车辆到达路口时，通过调整配时方案来执行信号优先执行策略，保障公交车优先通过。

具体的执行策略包含：相位保持、绿灯延长、红灯截断、相位插入和相序跳动等。主动优先又分为无条件的主动优先和有条件的主动优先。

无条件的公交优先只需提供公交车的检入检出信号，即可实现公交车辆优先，如基于感应线圈、RFID技术公交信号优先，这种优先方式考虑的因素较少，易对路口交通造成较大影响；

有条件的公交优先更多地考虑了公交车当前运行状态（位置信息、行程时刻表延误、载客率等），从而决定是否给予公交车辆优先或者优先给予其他公交车辆优先，比如基于V2X车路协同技术公交信号优先。

3) 实时自适应优先。自适应优先是主动优先的升级，在交叉口给予公交车辆优先通行权时，不仅考虑公交车辆的当前运行状态，在获取实时交叉路口动态交通信息基础上，结合路口各个方向的通行效益，以一定的性能指标函数或者更复杂的优化逻辑规则对信号配时方案进行调整，从而实现整个路口优先效益的最大化，比如基于V2X与AI路侧感知相结合的公交信号优先。

四、新技术赋能公交信号优先的未来

随着V2X技术与人工智能技术快速发展，基于车路协同的公交信号优先系统是未来发展趋势，它能更好更完整构建前述控制输入、控制执行（输出）、控制策略（方法）、控制准则（优化目标），能更好的交通影响最小化，提升公交车辆通行效率和准点率，对于改善交通出行结构、缓解道路交通拥堵、降低城市能源消耗均有重大意义。

基于车路协同的公交信号优先技术利用C-V2X无线技术实现公交车辆与道路控制系统的实时信息交互，一方面公交车辆可获取交叉口控制模式、信号配时和相位状态等信息，另一方面道路控制系统可实时获取公交车辆状态信息如车辆位置、载客率、晚点率等信息，通过优化模型和算法规则实现高级别的主动公交优先，同时可结合路口智能感知设备提供的交通流状态，实现自适应公交优先和配时优化。

图2 基于车路协同的公交信号优先系统

车载OBU和路侧RSU实现C-V2X无线通信，将自身客流设备感知的客流数据和车辆状态数据转发至路侧，经由路侧RSU生成优先请求发送至信号控制机，信号控制机结合公交车辆状态和交通流检测数据，优化信号配时方案，将控制方案上传至中心信号控制平台并接收平台宏观调控指令进行方案调整。

此外，利用C-V2X无线通信的双向性，车载OBU可实时接收信号灯状态和优先执行信息来实现车端内信息显示。

相比较传统的主动公交优先技术（感应线圈和RFID）具备以下几点明显优势：

1) 布设简单，无需设置公交专用车道，无需大规模的土建施工；只需在公交车后装智能车载OBU、客流仪等设备，在路侧安装智能路侧RSU设备并与信号控制机接入即可实现信息交互。

2) 信息传输距离远、时延低、可靠性强；C-V2X技术利用专有通信频段，可实现车与车、车与路之间的直连通讯，从而保证毫秒级的数据延迟，并且通讯范围最大可达800米以上，充分保障了数据的实时性和可靠性，为多种控制策略算法实践与解算提供了充足的时间窗口。

3) 数据精准，信息源丰富；C-V2X技术利用精准差分定位可达到厘米级的定位精度，同时利用专有标准通信协议实现诸如载客率、晚点率等关键信息传输，有助于公交车辆优先级判定和多车冲突优先请求等场景下的算法实现。

4) 通过感应线圈和RFID并不能实时地检测快速公交的动态位置，因而不能准确地预测快速公交到达交叉路口停止线的时间，导致后续的公交优先策略的实施效果具有较大的不确定性。比如最坏的情况是采用绿灯时间延长公交优先策略时，在延长的绿灯时间范围内快速公交不能到达交叉路口停止线，一方面会导致延长的绿灯时间浪费，另一方面延长其他运行方向车辆的等待时间，加剧了交叉路口的拥堵。

5) 数据交互，应用覆盖面广；C-V2X技术可实现车-路（即OBU-RSU-信号机）的双向通信，公交车载OBU可通过路侧RSU设备接收到信号机发出的信号灯态数据，实现车内屏和尾屏的红绿灯状态显示，对公交车驾驶员和后方社会车辆进行提示，降低安全风险。同时，C-V2X通信范围较广，位于区域内的路侧RSU和其他车载OBU均可进行数据互通和信息共享，从而实现诸多安全类和效率类功能应用，辅助驾驶员智慧出行。

以长沙315智慧公交为例，全线途径26个交叉路口，全程约14公里，实行基于车路协同公交信号优先后，行程时间和车速均有明显优化，综合得出：行程时间平均优化约12%，行程速度平均提升约13%。 

图3 长沙公交优先315线路

图4 315路公交行程时间-优化对比图

图5 315路公交行程车路-优化对比图

各站点的平均到站准点率明显提升，优化率可达50%。

图6 315路公交各站点到站准点分布图

根据对近年公交优先和车路协同方面发展可看出，国内外对交叉口如何提高公交车运行效率进行了较为深入的研究，且取得了丰富的理论成果与一定的实践成效。

以下几点需要值得我们关注与进一步探索：

1) 更多的公交信号优先控制策略综合应用研究实践与评估。

2) 车路协同与车车协同环境下，多路公交信号优先请求信号冲突控制问题。

3) 公共信号优先与主干路绿波带控制之间的冲突与协调。如何将两种控制方式进行权重衡量分析，选择对道路交通更为实际的优化方案。

4) 停靠溢流情况下的公交信号优先控制方法。对于公交线路较多和发车频率较大的道路，当大量的公交车辆因为公交信号优先通过交叉口时，可能出现这些车辆聚集在下游停靠站处等待停靠的情况，从而 导致停靠溢流现象。这种现象将使得公交车辆在上游交叉口处因公交信号优先所获得的效益在下游停靠站处被浪费掉了。

5)  在“车-站-路”协同环境下，实行公交优先信号协调控制下 的站点位置优化研究。

6) 在“车-路-站-云”协同环境下，干线级及路网级公交信号优先控制研究与实践。

7) 公交优先政策对城市交通系统的影响效应研究。现阶段的公交优先大多数专注于提高公车运行效率，如何评估交叉口其余车辆的通行权益受损问题。

作者简介：张长隆，博士 副教授（长沙智能驾驶研究院副总经理），首创“三模式”（LTE、LTE-V、DSRC）自适应智能网联V2X设备与系统；全国首个长沙开放道路智慧公交车路云协同系统设计者；全国首个长沙开放高速道路路侧全息感知与车路协同系统设计者；全国首个大规模车路协同公交优先系统设计者；中国首个智能网联标准《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用数据交互标准》执笔人之一

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