公交車進(jìn)站停靠對綠波控制的影響＊

劉樂敏 胡小平 籍永強(qiáng) 曹 凱 李 雷

（北方工業(yè)大學(xué)智能交通控制研究所 北京 100144）

0 引 言

城市道路交通控制方法中，干線協(xié)調(diào)控制（也稱綠波控制）作為區(qū)域協(xié)調(diào)控制的一種，其配時(shí)方法較為簡便，因此在城市交通信號控制實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用.從1917年世界第一個(gè)交通線控制系統(tǒng)在美國出現(xiàn)至今，城市干線協(xié)調(diào)控制作為緩解城市交通擁堵的重要手段之一，一直是各國學(xué)者工程師研究的焦點(diǎn).

公交車進(jìn)站停靠造成的瓶頸效應(yīng)對通行能力的影響，國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者也作了大量研究.A.B.Larry和A.T.Mark 對于無公交專用道的非港灣式停靠站的通行能力進(jìn)行了研究［1］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的裴玉龍分析了次干路上的公交停靠站對無信號交叉口通行能力的影響，并根據(jù)上下游停靠站對無信號交叉口通行能力的影響分別建立了理論模型，指出當(dāng)停靠站處沒有公交車停靠時(shí)，停靠站對路段通行能力的影響可以認(rèn)為是不存在的［2］.

實(shí)際交通環(huán)境下，執(zhí)行綠波帶控制的路口間往往建有公交停靠站，進(jìn)出車站的公交車輛不斷地從車流中分流、停靠、合流，對周圍其他車輛產(chǎn)生了很大的影響.在制定或執(zhí)行綠波帶控制配時(shí)時(shí)，如果不考慮公交停靠對路段交通流運(yùn)行的影響，所制定的配時(shí)策略會與實(shí)際所需要的情形產(chǎn)生較大差異，必定會影響控制效果.因此，研究公交車輛停靠對基本路段（基本路段是指不受交叉口和進(jìn)出口等因素影響的道路路段）通行能力的影響，并從理論上定性及定量的分析公交停靠瓶頸影響下的綠波控制策略改進(jìn)方法，對于提高城市交通信號控制效果，進(jìn)而緩解城市交通擁堵，具有重要意義.

1 公交停靠瓶頸對綠波控制的影響分析

1.1 理論依據(jù)

集散波理論是指以車流波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，用于描述由于車輛的集聚和消散形成的車流波現(xiàn)象的方法.在路網(wǎng)中行駛的車輛，行進(jìn)到交叉口處遇到紅燈后，陸續(xù)停車排隊(duì)而集結(jié)成高密度的隊(duì)列，綠燈開啟后，排隊(duì)車輛陸續(xù)啟動(dòng)而疏散成一列具有適當(dāng)密度的車流［3］.此時(shí)，在2種不同密度的車流分界面形成一種傳播的車流波，稱為集散波，文獻(xiàn)［3］中已經(jīng)證明了將交通流波動(dòng)理論應(yīng)用于交通分析中的合理性.因此，本文采用集散波理論分析公交停靠瓶頸對綠波控制的影響.

1.2 基于集散波理論的公交停靠瓶頸對綠波控制的影響分析

N2部分是利用集散波原理繪制的與N1部分對應(yīng)“距離－時(shí)間”圖.在分析過程中假設(shè)各種車輛在相同的道路流量內(nèi)是以同一個(gè)速度勻速行駛的，即行駛車輛均為均勻車流［5－6］.

1）當(dāng)T1≥R1＋R2＋TS時(shí)

各變量關(guān)系見圖1a），從圖中不難得出

圖1 用集散波分析道路交通圖

當(dāng)車輛進(jìn)入研究路段的時(shí)刻ta＜tH時(shí)，最大綠波帶寬度為

當(dāng)ta≥tH時(shí)，最大綠波帶寬度為

2）當(dāng)T1＜R1＋R2＋TS時(shí)

各變量關(guān)系如圖1b），可得

同理可知產(chǎn)生的相位差為

對應(yīng)最大綠波帶寬度

當(dāng)ta＜tH時(shí)，為

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)查道路的實(shí)際情況，忽略一些與測量不相關(guān)的因素.測得數(shù)據(jù)后，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到有用數(shù)據(jù)，再將其代入上式即可求得相位差和實(shí)際的最大綠波寬度，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整上下游交叉口信號燈的相位差以實(shí)現(xiàn)該路段最大的通行效率.

2 交通調(diào)查與分析

實(shí)例調(diào)查分別選取北京市石景山區(qū)魯谷路上永樂西小區(qū)公交站路段以及八角西街上八角西街公交站路段作為研究對象.

2.1 魯谷路

魯谷路為東西方向各2車道，進(jìn)、出口機(jī)動(dòng)車道之間以及非機(jī)動(dòng)車道與機(jī)動(dòng)車道之間均由隔離帶隔離，且車流量均以東西向?yàn)橹?該路段公交站無公交車進(jìn)站港灣，每次可容1輛公交車停靠，公交車進(jìn)站停靠時(shí)，占據(jù)2條機(jī)動(dòng)車道中的1條，易形成道路瓶頸，較適合作為研究對象.

調(diào)查選取東向西方向行駛的道路，時(shí)間為晚高峰17：25～18：55.期間共有105 輛公交車進(jìn)站.

通過對調(diào)查數(shù)據(jù)的分析，魯谷路車輛集散原理圖見圖2.

圖2 魯谷路車輛集散原理圖

將以上數(shù)據(jù)代入相應(yīng)公式可得：在無公交停靠瓶頸和有公交停靠瓶頸2種情況下，相位差前后變化為Tab＝5.09s；路段現(xiàn)狀有公交停靠瓶頸時(shí)的最大綠波帶寬度為Tmax＝47.64s.

該路段兩端信號燈的周期均為105s，其中協(xié)調(diào)相位紅燈時(shí)間為50s，協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間為50s，黃燈時(shí)間為5s.未進(jìn)行相位調(diào)整前道路兩端信號燈的相位差為45.24s，綠波帶寬為47.64s.根據(jù)計(jì)算結(jié)果對相位進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后道路兩端信號燈的相位差為50.33s，綠波帶寬為50s.因此，可以看出信號燈的配時(shí)在考慮公交停靠瓶頸時(shí)綠波帶寬有所增加，但是在此路段綠波帶寬的改善并不是很明顯.

2.2 八角西街

八角西街南北方向各1條機(jī)動(dòng)車道，晚高峰時(shí)段車流量以南北向?yàn)橹?該路段公交站無公交車進(jìn)站港灣，每次可容1輛公交車停靠，公交車進(jìn)站停靠時(shí)，占據(jù)全部非機(jī)動(dòng)車道及機(jī)動(dòng)車道的1／3，只允許同向車輛勉強(qiáng)通過，極易形成道路瓶頸，適合作為研究對象分析.

調(diào)查時(shí)間為晚高峰17：55～18：55，期間一共有54輛公交車進(jìn)站停靠.

實(shí)際調(diào)查可得，Q1＝576 輛／h，v1＝34.96 km／h，R1＝20.6s，l3＝200 m，S1＝432輛／h，v2＝12.74km／h，l2＝15.37m，R2＝23.94s，S2＝648輛／h，v3＝23.87km／h，l1＝112.2m.對應(yīng)八角西街的車輛集散原理圖見圖3.將以上數(shù)據(jù)代入相應(yīng)公式可得Tab＝14s，Tmax＝35s.

圖3 八角西街車輛集散原理圖

該路段兩端信號燈的周期均為112s，其中協(xié)調(diào)相位紅燈時(shí)間為49s，協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間為60 s，黃燈時(shí)間為3s.未進(jìn)行相位調(diào)整前道路兩端信號燈的相位差為33.74s，綠波帶寬為46s.調(diào)整后道路兩端信號燈的相位差為47.74s，綠波帶寬度為60s，即綠燈時(shí)間內(nèi)車輛通過數(shù)目增加了.因此，在此路段信號燈的配時(shí)考慮公交停靠瓶頸時(shí)綠波帶寬得到了明顯的改善.

3 在線仿真

采用VISSIM4.3進(jìn)行建模，在交通調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，分別就考慮公交瓶頸影響的綠波配時(shí)與在現(xiàn)有（不考慮瓶頸影響下）的綠波配時(shí)兩種情況，模擬魯谷路和八角西街道路通行情況.選取流量、排隊(duì)長度、延誤、旅行時(shí)間等指標(biāo)輸出，用于校核和評價(jià).

以魯谷路為例，仿真過程中模擬道路上下游環(huán)境，根據(jù)實(shí)際的調(diào)查數(shù)據(jù)將道路長度設(shè)置為603 m，車流輸入設(shè)置為894輛／h，研究路段上下游路口的信號燈配時(shí)設(shè)置為：紅燈50s，黃燈5s，綠燈50s，相位差為45s（小數(shù)位不作考慮）.將仿真效果與道路的實(shí)際情況進(jìn)行對照檢驗(yàn)：本次選取機(jī)動(dòng)車流量（分流向）進(jìn)行對照檢驗(yàn)，設(shè)定流量檢測器檢測時(shí)間為900～4500s，統(tǒng)計(jì)間隔為3600s，前900s為“預(yù)熱時(shí)間”，仿真對照結(jié)果見表1.

流量整體誤差為6.49%，符合誤差精度要求.

在現(xiàn)狀仿真中記錄相應(yīng)的指標(biāo)輸出，然后改變上下游路口的相位差為50s，觀察仿真效果并再次記錄相關(guān)指標(biāo)輸出.仿真效果圖見圖4.

圖5為魯谷路晚高峰調(diào)整前與調(diào)整后仿真結(jié)果對比，圖6為八角西街晚高峰調(diào)整前與調(diào)整后仿真結(jié)果對比.

圖5 魯谷路晚高峰調(diào)整前后仿真結(jié)果對比

圖6 八角西街晚高峰調(diào)整前后仿真結(jié)果對比

通過仿真結(jié)果可知，調(diào)整后的指標(biāo)較調(diào)整前均有明顯的降低.

4 結(jié)束語

利用集散波理論分析了公交車進(jìn)站停靠產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)對最大綠波帶寬度的影響，得出了無公交車停靠影響和有公交車停靠影響兩種情況下的相位差及最大綠波帶寬的計(jì)算方法.通過對北京市石景山區(qū)道路的實(shí)地調(diào)查，得到相關(guān)的交通數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析整理后運(yùn)用VISSIM 仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了文中結(jié)論的可行性.

這里還需要指出的一點(diǎn)是，在對實(shí)際交通狀況調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)公交車造成的瓶頸在第一個(gè)路段沒有完全消散，而是延續(xù)到下個(gè)路口時(shí)，公交車停靠造成的交通擁堵已經(jīng)不能夠簡單地通過對綠波協(xié)調(diào)控制的調(diào)整來緩解.這時(shí)就需要考慮該路段公交車站的設(shè)置是否合理，如公交車車站設(shè)置是否過于接近下游路口，是否應(yīng)該考慮設(shè)置公交車停靠港灣等，在必要的情況下就需要對公交車站的布局進(jìn)行合理調(diào)整.

另外，在后續(xù)的研究中，如果能將本課題的方法與控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)對綠波控制進(jìn)行配時(shí)，將會得到更好的控制效果.這些問題都需要我們做進(jìn)一步的研究.

［1］MARK A T，LARRY A B.The effects of network structure on reliability of transit service［J］.Transportation Research Part B：Methodological，1980，14（1）：79－86.

［2］裴玉龍，伍拾煤.公交停靠站對無信號交叉口通行能力的影響分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，46（11）：1523－1526.

［3］薛振清.城市交通誘導(dǎo)策略優(yōu)化研究［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［4］郭冠英，鄒智軍.道路阻塞時(shí)的車輛排隊(duì)長度計(jì)算法［J］.中國公路學(xué)報(bào)，1998，11（3）：92－96.

［5］郭冠英.用集散波法計(jì)算道路交通擁塞長度［J］.上海公路，1997（2）：39－41.

［6］陳 丹，高孝洪.城市區(qū)域交通信號智能控制及其微觀仿真研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2009，33（6）：1151－1154.