現代有軌電車交叉口信號配時方案研究

李 凱 毛勵良 張 會 王子雷

(北京城建設計研究有限責任公司 北京 100037)

與其他交通工具相比，現代有軌電車是介于公共汽車和地鐵之間的新型軌道交通方式。與地鐵制式不同，現代有軌電車的運營組織受制于道路交叉口的信號配時，路口交通信號的相位、周期和延誤等設計指標直接影響電車的運營質量［1-2］。歐洲國家的有軌電車運營時刻表與路口信號燈協調，信號優先比公交車更有保證。在德國，有軌電車線路密集區域單獨設有一套有軌電車信號燈，與路口車輛信號燈分立，兩套系統相互協調，同時保證有軌電車的信號優先［3-4］。考慮到我國交通發展現狀，如何在多種交通形式參與的平交路口上進行合理的信號配時，從而保證現代有軌電車的正常運營，是一個重要的研究課題。下面以沈陽市渾南新區現代有軌電車一期工程為例，基于此背景開展研究。

1 工程概況

渾南新城是沈陽市內城改造和城市發展戰略升級相互聯動而形成的新城，其規劃區的發展空間充足，具有較好的建設條件。在此區域內增設有軌電車線路具有戰略意義，可實現快速公交線網規劃。有軌電車在渾南新城的功能定位是城市公共交通系統的骨干，在建成后將承擔大部分客流。墨爾本電車系統與渾南電車系統的功能定位相同，是墨爾本市民使用最多的公交系統，其客運量占通勤總量的83%［5］。可見，渾南新城有軌電車遠期將在城市交通的發展中起到重要作用。

渾南新區現代有軌電車一期工程共有4條線，全長約59 km，設車站65個，軌道正線所在的道路均為城市主干路，并與31條主干路、58條次干路和56條支路平面交叉，形成145個平交路口［6］，如圖1所示。有軌電車的車輛尺寸和動力性能明顯有別于常規公交和小汽車，考慮到不同等級的城市道路具有不同的交通特征，所以需要分別制訂定相應的信號配時方案。

2 研究內容

在我國，混合交通是城市交通最為顯著的特點，多種交通流在交叉口交會易造成擁堵。因此，照搬歐洲有軌電車在平交路口的控制策略，盲目追求有軌電車的優先通行權［7］并不明智。下面以渾南新區現代有軌電車一期工程為例，分析有軌電車與常規社會車輛之間的關系，通過合理利用交叉口的時間資源，探討適用于我國的信號配時策略。

圖1 渾南新區有軌電車線路

當渾南新城的道路網剛剛建成時，線網流量不穩定且缺乏準確觀測值，如果采用道路流量閾值來確定控制方案不具可行性，因此改為以相交道路等級為依據來確定方案，包括主干路與主干路相交路口、主干路與次干路相交路口、主干路與支小路相交路口(軌道正線所在的道路均為城市主干路)。以上3類交叉口流量的組成特性不同，各自配時方案的重點也不盡相同，研究的內容包括:明確各相交等級交叉口的信號配時方案原則與重點，確定各相交等級交叉口的信號配時策略，建立適用于有軌電車運行特性的配時方案參數計算公式，選取典型交叉口進行配時方案的實例計算。

3 信號配時原則

渾南新城有軌電車在路段擁有獨立路權，在交叉口采用平交，按照路口交通信號的配時要求，與其他地面交通流分享路口的通行權利。控制方案不僅要保證有軌電車的通行需求，還要保證路口其他交通流的正常秩序。兼顧以上因素，確定了各相交等級交叉口的優化原則。

1)在主主相交路口，相交道路的等級高，道路的交通流量與電車正線的交通流量相當，所以制訂配時方案應著力突出現代有軌電車容易與地面交通親近的特征，最終選取常規周期運行方式。

2)在主次相交路口，相交道路的等級次之，道路的交通流量小于電車正線的交通流量，但相差不大;大容量有軌電車需要優先通行，同時還要協調主干路和次干路地面交通的關系，盡量減少次干路的交通延誤，所以最終選取延長主干路方向綠燈時間的信號優先方式。

3)在主支相交路口，相交支小路的道路等級低，交通流量與電車正線有明顯差異，所以制訂半感應信號控制方案，即針對主干路采取絕對信號優先的控制方式。

4 信號配時方案

4.1 有軌電車車輛性能

渾南新區現代有軌電車采用不封閉的雙線線路，右側行車制。有軌電車的主要尺寸和性能參數如下:車體長度60 m(兩節車廂)，車體寬度2650 mm，列車最高運行速度70 km/h，道岔最高運行速度20 km/h，旅行速度目標不低于20 km/h，列車構造速度80 km/h，列車交叉口平均車速30 km/h，平均啟動加速度1m/s2(0～30 km/h，即0～8.3 m/s)和0.5m/s2(30 ～70 km/h，即8.3 ～19.4 m/s)，常用平均制動減速度不小于1.1 m/s2(70～0 km/h)。

4.2 主主相交路口方案

針對主主相交路口，采用常規信號控制的手段，控制方案如圖2所示。為保證有軌電車在交叉口順利通過，需確定有軌電車通過的最小綠燈時間，在具體配時方案中，應當保證相位綠燈時間大于最小綠燈時間。配時參數的計算應根據有軌電車的車輛運行特性展開，有軌電車在交叉口的啟動與加速通過呈間斷性變化:在 v=0～30 km/h(即0 ～8.3 m/s)時，a=1 m/s2，加速行駛時間 t1;在 v=30～40 km/h(即8.3～11.1 m/s)時，a=0.5 m/s2，加速行駛時間t2;之后以交叉口最大行駛速度40 km/h勻速通過，勻速行駛時間t3。

圖2 主主相交路口的信號控制思路

因此，最小行駛時間的計算分階段完成，通過n輛直行有軌電車的最小行駛時間可計算為

式中:tmin——n輛有軌電車直行通過交叉口的最小時間，即直行最小行駛時間，s;

l交叉口——有軌電車自停止線至對向停止線的距離，m;

l電車——有軌電車車長，m，沈陽的有軌電車車長約為60 m(兩節車廂);

n——連續通過的有軌電車數量;

vmax——有軌電車通過交叉口為綠燈時的最大車速，km/h，一般為40 km/h(即11.1 m/s);

h——有軌電車之間的車頭間距，m;

a——有軌電車加速度，m/s2。

4.3 主次相交路口方案

在主次相交路口采用“有條件信號優先”，是在“絕對信號優先”的基礎上，對電車信號的轉變附加了適當的條件。在交叉口的進口道上安裝檢測器，當電車到達交叉口前，路口交通信號優先系統經過判斷后，采取延長綠燈相位時間的辦法，根據進口道的有軌電車需求轉換。此方法較綠燈提前的信號切換優先方式更適合于我國交通流現狀，交叉口控制方案如圖3所示。

主次相交路口初始綠燈時間也應滿足有軌電車行駛最小綠燈時間的要求，其計算公式同式(1)～式(4)。當初始綠燈時間即將結束時，處于進口道一定位置的檢測器測得后續有軌車輛的到達，應適當延長綠燈時間，即有軌電車車輛以指定的車速從停止線通過與相交道路沖突點的時間，此距離包括停止線與沖突點的距離和有軌電車車長之和。綠燈延長時間的具體計算如下:

圖3 主次相交路口信號控制思路

式中:tΔ——綠燈延長時間，s;

l——有軌電車停止線至相交道路沖突點的距離，m;

l電車——有軌電車車長，m，沈陽的有軌電車車長約為60 m(2節車廂);

v——有軌電車進入交叉口進口道為綠燈時的平均車速，km/h，一般取30 km/h。

4.4 主支相交路口方案

針對主支相交路口，采用支路半感應信號控制方案，即采用絕對信號優先的處理方式，交叉口控制方案如圖4所示。“絕對信號優先”的具體描述為:在電車線路與支路或小路相交的平交路口，持續對主干道的機動車保持優先通行的綠燈信號，支小路保持紅燈狀態;當支小路進口道一定范圍內的檢測設備檢測到有機動車到達時，信號燈才開始轉變為對支小路顯示綠色信號。支小路在最小綠燈時間的基礎上，若有車輛持續通過，單位車輛實際會延長4s的綠燈時間，最大綠燈時間不多于初始綠燈時間的1.5倍。

圖4 主支相交路口信號控制思路

5 信號配時方案計算

應用上述配時研究思路，選取主主相交的全運南路—白塔大街路口、主次相交的沈中大街—全運路路口、主支相交的全運北路—白塔大街東側路路口。有軌電車通過交叉口的最小綠燈時間根據式(1)～式(4)來計算，有軌電車的綠燈延長時間根據式(5)來計算。

一個信號周期內通過有軌電車的車輛數結合運營方案來確定，采用四相位配時方案。將路口形式、流量、最小綠燈時間、相位分配方式等參量輸入到Synchro中，運行軟件，調整配時方案，并得出延誤評價結果。有軌電車在主主相交路口的延誤時間為29.5 s，路口服務水平達C級;在主次相交路口的延誤時間為27.9 s，路口服務水平達C級;在主支相交路口的延誤時間為15.1 s，路口服務水平達B級。

全線145個平交路口的配時結果統計見表1。

表1 交叉口配時結果統計

6 結語

本研究將有軌電車的行車需求融入到城市交通控制系統中，明確了各種相交等級交叉口的配時策略。按照上述方案，渾南新區的道路網將為現代有軌電車提供至少36對/h的通行能力，完全滿足其22對/h時行車需求，從而確保城市公共交通系統骨干的功能定位。

上述信號配時策略既考慮了城市道路現狀和交通運行特性，又充分發揮了有軌電車的運輸能力，取得了良好的運營效益。隨著我國交通運輸水平的提高和有軌電車的發展，現代有軌電車與城市傳統交通領域相協調將是一項重要而有意義的課題。

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［6］北京城建設計研究總院有限責任公司.沈陽市渾南新城現代有軌電車一期工程可行性研究報告［R］.沈陽，2012.

［7］李盛，楊曉光.現代有機電車與道路交通的協調控制方法［J］.城市軌道交通研究，2005(4):43-46.