基于預信號的交叉口公交相位插入策略設計

華璟怡 任 剛 于 晨

(東南大學交通學院,南京210096)

面對我國城市交通壓力持續增加、交通擁堵日趨嚴重的現狀,作為公交優先重要組成部分的公交信號優先(transit signal priority,TSP)能夠有效減少公交車輛在交叉口的延誤,提高其準點率和服務水平.在TSP的幾類控制方法中,主動式公交信號優先具有能夠根據實時狀況調整控制參數、易于在工程實踐中運用等優點,因此在歐美國家得到了廣泛的運用,并取得了很大的成功[1].

目前國內外對主動式單點公交信號優先的研究主要集中在綠燈延長和紅燈縮短這2種策略的控制邏輯[2-5]設計及延誤分析[6-9]上,而對其他策略的研究較少.在歐美國家交叉口大量采用兩相位信號控制的情況下,綠燈延長和紅燈縮短能夠有效地減少公交車輛在交叉口的延誤.但對于我國主要交叉口采用的多相位信號控制方式,這2種策略缺乏對通行方向為紅燈信號且下一個執行相位仍為紅燈信號的進口道上公交車輛的優先服務.

本文將采用主動式單點公交信號優先中公交相位插入策略來解決上述問題,并提出以預信號的方式來實現這一策略的實際運用.

1 公交相位插入策略

公交相位插入策略是在正常的相位相序中為公交車輛增加一個特定的相位[10].其作用原理如圖1所示:當車輛檢測器檢測到公交車輛到達交叉口時,若公交車輛的通行方向為紅燈信號,且交叉口當前相位的下一個執行相位仍不允許公交車輛通過時,在當前相位和下一相位之間插入一個公交專用相位,為公交車輛提供信號優先.

圖1 公交相位插入策略作用原理

另一方面,相位最大壓縮時間是執行公交相位插入策略的關鍵,而相位最大壓縮時間取決于各相位的交通狀態.如圖2所示,根據交叉口進口道綠燈時間內車輛通過時車頭時距的變化情況,可以將綠燈時間g劃分為飽和綠燈時間ga和富裕綠燈時間gb兩個階段,富裕綠燈時間即為該相位的最大壓縮時間.對于公交相位插入策略而言,通過壓縮當前相位和下一相位的富裕綠燈時間,對后續相位的富裕綠燈時間進行調整,以此來提供插入公交相位的通行時間.

圖2 交叉口進口道排隊累積示意圖

2 策略設計

2.1 預信號控制下交叉口進口道設置

預信號控制方法是在交叉口進口道的通行區域內設置前后2條停車線,通過設置在后一條停車線上的預信號來控制非優先車輛的通行.即預信號為紅燈時,非優先車輛在預信號控制停車線之后等待,而公交車輛可以直接進入主信號控制的前一條停車線之后的公交候駛區排隊等待[11].

公交相位插入策略的實施需要在正常的相位相序中增加一個相位,由于公交車輛混雜在非優先車輛中,因此插入相位的持續時間難以確定.對此,本文考慮運用預信號控制方法將公交車輛從非優先車輛中分離出來,僅為公交車輛提供優先信號,實現策略的實際運用.

針對我國多相位信號控制交叉口沖突車輛的時空分離、交叉口公交專用車道未普遍設置及右轉車道排隊較少的特點,本文設計了如圖3所示的預信號控制下交叉口進口道的設置方法:當公交車輛行駛至交叉口,發現預信號為紅燈時,公交車輛將通過右轉車道進入公交候駛區,等待優先控制系統判斷是否插入公交相位.

圖3 利用右轉車道實現預信號控制的布局方法

2.2 控制邏輯設計

當檢測器檢測到公交優先申請時,優先控制系統能夠根據交叉口的實際情況判斷是否提供優先信號及分配各相位的壓縮時間,本文設計策略的邏輯控制如圖4所示.

圖4 公交相位插入策略的控制邏輯圖

2.3 控制參數確定

針對控制邏輯設計中需要確定各相位壓縮時間的要求,本文提出了壓縮時間確定方法:保證交叉口各進口道上車輛不會因為策略的實施而二次停車;能夠根據相位持續時間按比例分配壓縮時間,均衡各進口道交通負荷.假設交叉口的信號控制為n相位,則控制參數模型可分為如下3種.

1) 當前相位壓縮時間gxi

通過壓縮當前相位為公交相位提供通行時間，即

gxi=min(gx,gbi,gt)

(1)

式中,gx為插入公交相位持續時間;gbi為相位i的富裕綠燈時間;gt為相位結束時刻ts與公交到達停車線時刻t0之差.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3 交通效益評價

3.1 車均延誤計算模型

設公交車流飽和流率為sb,非優先車流飽和流率為sn,公交車流流率為qb,非優先車流流率為qn,周期長度為T,周期內紅燈時間為r,公交相位插入時刻為t1,插入公交相位時間為gx.通過排隊累積圖示法對基于預信號的公交相位插入策略的正負交通效益進行分析.

根據圖5中延誤三角形的幾何關系,可以得到公交車輛車均延誤降低量的計算公式為

(7)

根據圖6中延誤三角形的幾何關系,可以得到非優先車輛車均延誤增加量的計算公式為

(8)

3.2 延誤對比分析

假設一交叉口為四相位信號控制,其參數為T=120 s,每一相位持續時間為30 s,gx=5 s,sb=1 000 veh/h,sn=1 600 veh/h.同時,假設飽和度w在0.50～0.90之間變化,公交車流流率qb=250wveh/h,非優先車流流率qn=400wveh/h.

圖5 公交車輛延誤分析

圖6 非優先車輛延誤分析

根據式(7)、(8)計算得到公交車輛車均延誤減少量及非優先車輛車均延誤增加量(其中公交相位插入時刻分為25及55 s兩種),如表1所示.

表1 策略效果與交叉口飽和度的關系

可以看出,在執行公交相位插入策略的情況下,不同交叉口飽和度公交車輛的車均延誤減少量均超過了非優先車輛的車均延誤增加量,因而證明策略是有效的.且非優先車輛車均延誤增加量均不超過5 s,對交叉口的整體服務水平影響不大,與此同時,在較低的交叉口飽和度條件下,公交車輛的服務水平卻有極大的增加.另一方面,隨著交叉口飽和度的提高,執行策略的效果不斷下降,當交叉口飽和度超過0.9后,策略的恢復期很長,執行效果不再明顯,且會帶來損失時間的增加及交叉口復雜程度的提高,這也驗證了交叉口飽和度應不大于0.9的判斷.

4 仿真驗證

為進一步驗證基于預信號的公交相位插入策略的有效性,本文采用VISSIM3.70微觀仿真軟件對南京市丹鳳街-大石橋街四相位交叉口策略執行前后分別建立仿真模型,并對公交車輛平均延誤及非優先車輛平均延誤進行前后對比分析.

交叉口4個進口道的幾何布局形式均為:3個專用進口車道(左轉、直行、右轉各一)和2個出口車道.交叉口的信號配時為南北直行(37 s)、南北左轉(17 s)、東西直行(29 s)、東西左轉(13 s).所有車輛右轉均無限制.實際調查流量如表2所示.

表2 丹鳳街-大石橋街交叉口高峰小時流量表 veh/h

在仿真階段,每次仿真時段取4 000 s,其中包括400 s路網車流初始化階段.由于仿真的隨機性,在本次仿真中對方案做10次仿真運行.運行得到延誤對比如表3所示.

表3 非優先車輛延誤仿真對比 s/veh

從表3中可以看到,10次策略實施前后的仿真對比中,公交車輛的車均延誤平均值由26.82 s下降為16.22 s,降幅接近40%;同時,策略執行下非優先車輛的車均延誤平均值由26.82 s上升為30.61 s,升幅不到15%.相比于交叉口公交車輛服務水平，則由C級提升為B級,非優先車輛服務水平維持在C級不變,策略的實施對交叉口的整體運行影響不大.

5 結語

本文研究了一種適用于多相位信號控制交叉口的公交相位插入策略的設計、評價與仿真.策略運用了預信號控制方法實現實際運用,并通過控制參數計算模型保證各進口道不會超飽和.同時,為保證交叉口運行的平穩性,本文提出的優先策略僅為在正常配時下到達的公交車輛提供信號優先,而對于在策略恢復期到達的車輛,無法實現優先.最后,策略的效益評價和實例仿真的結果表明,策略的實施能夠在不顯著增加非優先車輛延誤的同時,有效減少公交車輛的延誤;但策略的效益會隨著交叉口飽和度的增加而降低,當交叉口飽和度超過0.9后,策略的實施將失去意義.

)

[1] Baker R J, Chang J, Smith H R. An overview of transit signal priority [R]. Washington DC: ITS America, 2003.

[2] Agrawal B B, Waller S T, Athanasios Z. Modeling approach for transit signal preemption [J].TransportationResearchRecord, 2002,1791: 13-20.

[3] Vlachou K, Collura J, Mermelstein A. Planning and deploying transit signal priority in small and medium-sized cities: Burlington, Vermont, case study [J].JournalofPublicTransportation, 2010,13(3): 101-123.

[4] Eleni C, Alexander S. Traffic signal optimization with application of transit signal priority to an isolated intersection [J].TransportationResearchRecord, 2011,2259: 192-201.

[5] 柳祖鵬,李克平,倪穎. 基于綠燈需求度的單點公交信號優先控制策略[J]. 同濟大學學報：自然科學版, 2013, 41(3): 408-414.

Liu Zupeng, Li Keping, Ni Ying. Isolated transit signal priority control strategy based on demand degree of green [J].JournalofTongjiUniversity:NaturalScience, 2013,41(3): 408-414. (in Chinese)

[6] Heydecker B G. Capacity at a signal-controlled junction where there is priority for buses [J].TransportationResearchPartB, 1983,17(5): 341-357.

[7] Larry H, Douglas G, Zhiping W. Decision model for priority control of traffic signals [J].TransportationResearchRecord, 2006,1978: 169-177.

[8] 馬萬經,楊曉光. 單點公交優先感應控制策略效益分析與仿真驗證[J]. 系統仿真學報, 2008, 20(12): 3309-3311.

ma Wanjing, Yang Xiaoguang. Efficiency analysis of transit signal priority strategies on isolated intersection [J].JournalofSystemSimulation, 2008,20(12): 3309-3313. (in Chinese)

[9] Wanjing M, Xiaoguang Y, Yue L. Development and evaluation of a coordinated and conditional bus priority approach [J].TransportationResearchRecord, 2010,2145: 49-58.

[10] 譚搖真,黃志義,梅振宇. 主路協調下單點TSP策略關鍵控制參數仿真優化[J]. 交通運輸系統工程與信息, 2012, 12(4): 64-71.

Tan Yaozhen, Huang Zhiyi, Mei Zhenyu. Simulation of key control parameters with TSP strategies and artery coordination on isolated intersections [J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology, 2012,12(4): 64-71. (in Chinese)

[11] 張衛華,王煒. 基于公交優先通行的交叉口預信號設置方法研究[J]. 公路交通科技, 2004, 21(6): 19-23.

Zhang Weihua, Wang Wei. Study on design methods of pre-signals based on bus priority of intersections [J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 2004,21(6): 19-23. (in Chinese)