面向協同控制的城市有軌電車交通組織技術探討

徐 波，王 波，周 侃

(深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518029)

0 引言

隨著城市交通領域對倡導公交都市戰略的重視日益加大，豐富城市公共交通服務層級、提供多元化的公共工具載體，是當前國內城市在提升公交吸引力、扼制私家車迅猛增長的手段之一。現代有軌具有傳統有軌電車、無軌電車所不具備的節能、舒適、美觀、運力大等技術優勢。特別是當前我國城市化發展水平不平均，城市財力水平差異較大，并且目前國家行政審批層面對現行軌道交通建設審批程序制約，部分具有軌道交通客流規模的城市陸續采取現代有軌電車作為城市大中運量公共交通工具制式首選。當前國內現代有軌電車進入高頻率立項建設階段，成為當下公共交通建設領域的熱門制式。

國內具有有軌電車的城市寥寥可數，其中北京、上海、哈爾濱等城市在上世紀80年代先后取消了有軌電車；僅有鞍山、長春、大連的老城區等城市繼續利用傳統有軌電車，而這些城市的有軌電車線路多集中于殖民時期的城市街區，其發展經驗同當下國內城市化發展特征截然不同，不具備復制推廣的條件。

而國內目前已經建成的沈陽有軌電車、天津濱海新區有軌電車等首期試驗性線路，均在試點運行階段出現過客流貧瘠、組織混亂、運行脫軌等。目前存在現代有軌電車立項研究階段對路網整體通行能力評估判斷不足、路徑走廊研究視角相對片面、斷面布局不合理、缺乏針對有軌電車途徑路口節點的信號設計、渠化改造等微觀實現措施，在真正試驗運行期間，表現出缺乏對區域整體交通組織優化的協同；深圳市龍華線有軌電車試驗線的前期規劃設計中，也對其能否適應現有城市路網體系及交通組織管制模式引起較大質疑。應該說當前發展現代有軌電車對于中國當下的城市公共交通進程而言是一種跳躍式發展，發展城市有軌電車還面臨相當大的挑戰。因此，有必要解析國外有軌電車發展經驗，總結其發展過程中沉淀的協同優化經驗，來指導中國當前城市公共交通領域如何正確、合理的建設現代有軌電車。

1 國外有軌電車發展經驗

1.1 國外有軌電車發展路徑

對于國外有軌電車發展歷程，通常的理解認知是“誕生-發展-退出-復興”[1]。即在19 世紀末率先在歐洲發達國家發展傳統有軌電車；在20 世紀中期隨著汽車工業的迅速發展后有軌電車退出舞臺；在20 世紀70～80年代，有軌電車新技術取得發展后，現代有軌電車得到復興。而對現代有軌電車和傳統有軌電車的對比也更多關注外觀、景觀、運能、能耗、設計細節、走廊布置等。但是從有軌電車與城市、城市路網體系關系的角度，可以得出另一種發展歷程路徑：“早期畜力軌道-火車動力城市有軌-有軌電車城市-小汽車與有軌電車共存城市-有軌電車復興城市”。即：

第一階段，西歐國家工業革命之前的城市就已經有畜力動力的公交系統，城市路網肌理的傳承之中就有有軌電車軌道的淵源。

第二階段，工業革命后，火車動力的城市有軌公交系統進一步帶動了城市的發展。這階段城市發育形成多依賴于火車制式的有軌系統，聯系就業與居住之間的職住往來，城市也多形成了帶型城市的發展格局。馬塔的帶形城市理論核心，就是依托城市的鐵路有軌系統。

第三階段，電力動力有軌電車出現，為城市內部有軌電車線路由帶型向網狀延伸、提供更為寬闊的服務腹地提供可能，城市空間骨架及路網體系也是圍繞有軌電車網絡逐步發育。

第四階段，二戰后汽車工業的迅速發展，小汽車不僅進入家庭而且對傳統有軌電車構成很大沖擊，但此階段歐洲城市的城市更新及新城建設運動，并沒有忽視有軌電車對城市交通的貢獻。例如老城與新城之間的聯絡，往往采取兼顧的手段，即小汽車依賴的快速通道與軌道交通同步配置。在歐洲城市的老城區，有軌電車并未退出城市公共交通舞臺，而這一點一直是通常有軌電車發展認識的誤區。

第五階段，進入千禧年后，有軌電車新技術取得了很大發展，在原有的有軌電車交通組織、客流走廊基礎之上，現代有軌電車制造技術提升。有軌電車憑借其深入城市核心腹地的線網載體，比照小汽車具有同樣的舒適度，進一步增強了其作為城市公共交通主體方式的競爭優勢，迅速贏得市民的信賴，有軌電車成為歐洲部分城市競爭力復興的主要手段。

歐洲有軌電車發展歷程示意見圖1。

圖1 歐洲有軌電車發展歷程示意

1.2 國外有軌電車發展經驗

（1）機動車主動適應有軌電車，尋求城市空間上的差異分工

從國外城市發展經驗來看，城市機動化交通發展晚于城市有軌電車，這與目前國內的發展特征截然不同。機動車與有軌電車在城市交通出行服務中盡量采取空間差異化分工。郊區地區不限制機動車發展；城市組團間聯系提供機動車走廊和軌道方式的雙重選擇；城市核心區則通過擁擠收費、限行手段等抑制小汽車出行。從空間上的差異分工來減少二者對空間資源的爭奪，并力求引導機動車交通去適應有軌電車系統而不是強化某一交通方式的絕對路權。

（2）構建適宜有軌電車運行的路網體系

國外有軌電車發展路徑來看，歐洲城市路網體系本身是依托城市有軌電車網絡逐步發育，早期街坊形態的發育形成基本依托有軌電車線路形成，進而為有軌電車客源與線路之間的良好銜接創造條件，因而其路網體系具有對有軌電車的良好適宜性。同時，早期城市的空間尺度、建筑體量也造就了歐洲城市的高密度路網、小尺度街區空間形態。調研數據表明，有軌電車途徑沿線通常采取150 m ×150 m 左右間隔布置路網，整體路網密度12～15 km/km2；站點核心區路網密度18～25 km/km2。這樣的路網密度配備，既便于區域機動車分流組織，也方便有軌電車與其他交通方式協同組織。

（3）多重協同的交通組織方案

縱觀國外幾個成功運作有軌電車的城市，有軌電車交通組織手段靈活、多樣。既有區域的交通分流措施，也有中觀層面的走廊通道資源合理調配，也有微觀層面的路口渠化改造及運行環節的信號優先等等。

（4）持續保證有軌電車的競爭優勢

早期有軌電車依托職住之間最短路徑的通勤服務，贏得城市居民信賴選擇；中期有軌電車依賴最小步行換乘優勢，拓展其服務腹地；現代有軌電車則繼續借助其網絡優勢，自身提升工具的舒適度和細節，并享受城市財政補貼。有軌電車發展過程中，其競爭優勢再不斷加強。而部分城市則挖掘有軌電車的公交文化，來贏得市民對其的認同、歸屬，如香港、新奧爾良等。

（5）與慢行交通一同構成安寧社區的載體

匹配其城市功能定位的慢節奏文化內涵，國外有軌電車并非刻意強化其大運力、快速化。相反在城市核心商圈，其運行速度往往介于20～30 km/h。與高密度、小尺度的步行網絡，一同構成城市內部的“公交+慢行”交通網絡，兼有旅游公交的功能。高密度站點、低速運行，不僅僅提升站點覆蓋水平，也避免了城市交通帶給老城區的道路擴建、拆遷等負面影響。

1.3 國外有軌電車建設經驗的核心內涵

挖掘國外有軌電車發展歷程及持續競爭優勢經驗來看，長期公交扶住政策的一貫性是其得以保持持續競爭力的核心要素。但總結國外有軌電車發展經驗不難發現，有軌電車規劃建設中采取的協同并舉手段最為值得借鑒。無論既有有軌電車系統還是新增有軌電車線路，成功運作實施的核心往往是采取協同控制的理念，從“點、線、面”層層創造有軌電車的運行優勢。

協同控制的手段體現在兩個方面目標，一方面是協同城市發展的目標定位。有軌電車的功能定位及與城市的空間屬性不得偏離。支撐新城開發與提升老城區公交服務質量的有軌電車系統，其功能定位的不同決定了其交通服務屬性及建設模式、標準；另一方面是有軌電車各層次建設手法之間的協同。概括來說就是有軌電車建設首先在城市交通發展戰略層面應有清晰明確的發展定位；其次網絡規劃層面則應有區域性的交通分流措施；第三中觀層面有軌電車走廊、路權應合理設置；最后微觀實現則依賴具體精細的渠化、信號等綜合設計。

2 深圳有軌電車發展面臨的挑戰

2.1 公交設施空間重構

深圳首次提出現代有軌電車方式起于2009年新一輪特區內外交通一體化交通規劃研究階段，正式定性為城市公共交通組成之一是2011年全市公共交通規劃——《公交都市發展戰略》。因此，從深圳的交通系統建設過程來看，城市中運量交通體系乃至細化到現代有軌電車制式方面，均未在以往的道路交通規劃中給予預留。因此，從空間走廊的規劃控制而言，需在現有的道路紅線規劃基礎上，重構以現代有軌電車為特征的中運量交通走廊斷面。因此，現代有軌電車選線需對需求走廊沿線的現有干道進行重新規劃布置。

2.2 路網體系關系的沖突性

深圳市路網體系是國內城市中完全按照規劃建設的路網格局的樣板。全市道路網絡分為“快、主、次、支”分級，主干路密度較高且通達性強、次支路密度相對較低且連續性弱，見圖2。

圖2 深圳路網體系級配關系及通達性概念圖

根據對現代有軌電車運行性能及客流需求分析來看，現代有軌電車理想運行車速介于20～40 km/h，恰好是城市路網體系中次支路網最為適合的車速水平[2][3]，且次支路兩側人流較為密集，有利于有軌電車客流培育。但次支路網的不連續性特點，從客觀上制約有軌電車選線，見圖3。

圖3 道路等級與有軌電車車速關系

2.3 功能定位決定有軌電車缺乏核心競爭優勢

深圳市公交都市發展目標為“軌道交通為骨架、常規公交為網絡、出租車為補充、慢行交通為延伸的多元模式體系”。而有軌電車作為遠期軌道交通的補充，其作用主要是軌道服務盲區的快速公交及軌道樞紐間的中運量銜接接駁。按此功能定位，全市有軌電車基本是以支線形式存在，不具備網絡優勢。因而在網內換乘、網絡通達及車速服務上，受功能定位制約，競爭優勢和吸引力大打折扣！

2.4 城市高機動化帶來的分流壓力

目前全市機動車保有量已接近300 萬大關。城市組團間聯系及對外交通聯系中，小汽車出行比例居高不下且出行習慣近期難以轉變。而城市內部中長距離交通出行中，受制城市機動車迅猛增長，各城市境界線交通運行趨于飽和，干線公交大巴列車化現象較為頻繁。再此交通運行態勢背景下，發展對路權要求較高的現代有軌電車，勢必占用已經緊張的道路交通用地資源。保證機動車通行水平和傾斜公交建設的博弈關系錯綜復雜，城市交通分流形勢十分嚴峻。

3 有軌電車交通協同組織方法

3.1 有軌電車運行效率的影響因素

有軌電車不像城市地鐵等軌道交通具有獨立封閉的運行空間，在有軌電車的運行過程中，需要與其他道路交通方式競爭有限的道路時空資源，從而導致影響有軌電車運行效率的因素繁多，主要可以分為車輛性能、道路條件、交通條件及運營管理四大類。

車輛性能：有軌電車的加速度、減速度、最高速度、爬坡能力等。

道路條件：道路線形條件、橫斷面形式、交叉口間距、設計速度等。

交通條件：交叉口的流量流向、路段交通交通量及通行能力等。

運營管理：站點間距、站點的上下客時間、路權模式、行駛速度、交叉口信號控制參數、控制策略等。

3.2 橫斷面形式的選擇

有軌電車路線布置方式可以分為路中式和路側式，其中路側式有可進一步分為雙向同側式和雙向異側式。

（1）路中式：一般利用道路現有的中央分隔帶空間，將有軌電車布置于道路中間，見圖4。

圖4 路中式橫斷面（單位：m）

（1）雙向同側式：一般利用道路機非分隔帶或者道路兩側的綠化空間，將有軌電車上下行線路布置于道路一側，見圖5。

圖5 雙向同側式橫斷面（單位：m）

（1）雙向異側式：一般利用道路機非分隔帶或者道路兩側的綠化空間，將有軌電車上下行線路分別布置于道路兩側，見圖6。

圖6 雙向異側式橫斷面（單位：m）

不同類型的橫斷面對比分析見表1。

表1 不同類型橫斷面對比分析

從表1 可以看出路中式是有軌電車首選的橫斷面布置形式，其適用范圍廣，不僅適用于快速路，還可利用干線道路的中央分隔布設車道，對道路日后的擴容的改造影響較小，也有利于客流的交通組織，方便道路兩側的行人上下車。路側式布置方式適用于道路一側是空地或山丘等情況。

3.3 站點位置的選擇

城市平面交叉口周邊的開發強度往往高于其它地區，交叉口內人流、車流高度聚集，為了增大有軌電車的客流吸引強度，有軌電車的站點往往設置在交叉口區間內，常見的形式可以分為在進口道位置設站和在出口道位置設站，見圖7。

圖7 有軌電車站點布置形式

在無有軌電車優先信號的前提下，采用進口道設站時，有軌電車車輛只需經歷一次由減速到停車再到加速啟動的過程，可以降低有軌電車的行程延誤；但在交叉口進口道已經拓寬的基礎上，有軌電車站臺仍需進一步拓寬進口道，造成進口道拓寬面積較大，且與出口道形成錯位，不利于交叉口內機動車的行駛；且由于乘落客流量規模不可控易誘發加大有軌電車停車延誤。

當采用出口道設站時，有軌電車車輛可能需經歷兩次由減速到停車再到加速啟動的過程，增加了有軌電車的行程延誤，但采用此種設站方式，可避免路口拓寬面積過大、錯位車道及與下車乘客相互干擾的弊端。

綜合上述分析，在進行車站設置時，可優先考慮有軌電車信號優先條件下在出口道設站。

3.4 平面交叉口有軌電車交通組織方法

平面交叉口是有軌電車與道路機動車相互影響最為突出的節點，兩類不同的車輛相互爭奪路口通行的時空資源。在平面交叉口內，按照機動車與有軌電車之間的影響關系，可以將機動車流分為沖突機動車流和非沖突機動車流，見圖8。平面交叉口有軌電車交通組織的關鍵就在于如何選取適當的信號控制策略在時間和空間上解決沖突機動車流與有軌電車之間的沖突。

圖8 有軌電車與機動車流的關系示意

單個交叉口信號控制策略可以分為混合控制、相對優先控制及絕對優先控制。

混合控制是指不單獨考慮有軌電車的通行，有軌電車通行信號與非沖突的機動車流共相位，這種控制策略的關鍵點在于使有軌電車加入后的相位設計方案盡量吻合原有的相位方案。采用混合控制策略，可以充分減少有軌電車對機動車運行的干擾，最大的不足在于有軌電車的停車等候時間受交叉口信號周期及所在相位的綠性比控制，往往出現等候時間偏長。在這種控制策略下，有軌電車的期望運行速度難以保證。

混合控制策略下有軌電車在交叉口的平均等待時間可以由下列公式計算。

相對優先控制策略是指對有軌電車進行傾斜性的信號分配，提高有軌電車在交叉口的通行效率，確保有軌電車的優先通行權。當有軌電車檢測器檢測到有軌電車到達交叉時，通過縮短與有軌電車相沖突的機動車通行綠燈時間，使信號相位盡早跳轉到有軌電車通行相位，從而達到減少有軌電車等待時間，提高其通行權的目的。常用的相對優先控制策略有插入相位、綠燈延長及紅燈早啟三種方式，見表2。

絕對優先是指當檢測器檢測到有軌電車快要到達交叉口時，判斷此時的信號相位是否為與有軌電車非沖突機動車流的通行相位，如若是則進一步判斷相位的剩余綠燈時間能否保證有軌電車的順利通過，如果不能則延長本相位的綠燈時間，直至有軌電車通過交叉口為止；如果此時的信號相位不是與有軌電車非沖突機動車流的通行相位，立刻執行相位的切換，將有軌電車通行信號轉換為綠燈，有軌電車無需在交叉口等待，直接可通過交叉口，非有軌電車通行信號向有軌電車通行信號過渡的時間段內，有軌電車控制信號可顯示紅燈閃爍信號，提示有軌電車司機即將放行綠燈，控制車速，減少有軌電車停車次數。

表2 典型相對優先控制策略[4]

信號優先控制策略的實施雖然可以有效減少有軌電車行程延誤，但由于有軌電車信號占用了機動車的有效綠燈時間，必然會增加機動車的通行延誤，降低交叉口的機動車服務水平[5][6]。

引入沖突相位交通流量比率的概念，即交叉口中所有與有軌電車相沖突相位的實際交通量總和與沖突相位飽和流率總和的比值。通過VISSIM 仿真分析得到插入相位控制策略實施情況下，沖突相位交通流量比率與沖突相位信控延誤的關系，見圖9。從圖9中可以看出，當采用插入相位先控制策略時，與有軌電車通行相沖突相位的交通流量比率達到0.62 時，有軌電車的通行會對交叉口機動車的運行造成顯著影響（服務水平由D 級降至E級）。

圖9 有軌電車與機動車流的關系示意

由上述仿真分析結果可以看出，當交叉口飽和度達到一定閾值后，有軌電車信號優先控制策略實施，必然會對機動車通行造成顯著影響，此時必須考慮采取相應的措施如變左轉為直行減少信號相位數量，區域路網分流等，見圖10，從而降低交叉口現有的飽和度，保證有軌電車通行效率和機動車延誤均在可接受的范圍之內。

圖10 信號優先策略下飽和交叉口協同組織方法示意

3.5 有軌電車沿線站點合理間距

受交叉口群及站點的影響，電車的實際行駛過程是由一系列的加速過程、勻速行駛過程及減速過程組成的，假設有軌電車的加速過程為勻加速過程，減速過程為勻減速過程，車輛由靜止到運動再到靜止的過程見圖11。

圖11 有軌電車行駛過程示意

在絕對優先控制策略下，交叉口不會對有軌電車的行駛造成影響，此時影響有軌電車行程車速的主要因素為站點間距，依據有軌電車行駛的基本假設，可以推導出絕對優先控制策略下有軌電車行程車速的可由式(1)～式(6)計算。

式中：t1——有軌電車勻加速時間，s；

t2——有軌電車勻減速時間，s；

t3——有軌電車勻速行駛時間，s；

tw——有軌電車上下客時間，s；

s1——有軌電車勻加速行駛的距離，m；

s2——有軌電車勻減速行駛的距離，m；

L——站臺間距，m；

v——有軌電車勻速行駛時的速度，km/h；

aadd——有軌電車加速度，m/s2；

aphus——有軌電車減速度，m/s2；

vt——有軌電車行程速度，km/h。

由上述公式可得到在絕對優先控制策略下站點間距與行程車速的關系見圖12，從圖12 中可以看出，隨著站點間距的增大，有軌電車的行程車速也在逐步增加，不同行程車速要求的最小站點間距見表3。

圖12 交叉口間距與行程車速的關系

表3 相對優先控制策略匯總

從表3 中的數據可以看出，為了使有軌電車達到預期的行程車速目標，對路線站點有最小間距的要求，而在現有的有軌電車線網規劃、路線設計中，忽略了站點間距對行程車速的影響，路線走向、站點的分布往往是依據客流需求情況確定。致使站點過密，制約了有軌電車整體運行效率的發揮。

4 結語

現代有軌電車以其優美而現代感的外觀、中運量的運能、環保節能的優勢，正逐步成為我國各大中城市的交通新寵兒。然而對于已經極其錯綜復雜的城市交通系統，如何科學、合理的引入現代有軌電車系統是大家都應該首先深思的問題。論文借助深圳開始修建現代有軌電車的契機，在總結國內外相關發展經驗的基礎上，針對深圳發展有軌電車面臨的挑戰，抓住協同控制的理念，初步探討了有軌電車交通組織方法，以期為日后開展相關研究拋磚引玉。

[1] 丁強.現代有軌電車交通概述[J].都市快軌交通,2013,26(6):107-111.

[2] 徐成永.現代有軌電車的適應性研究[J].都市快軌交通,2013,26(6):112-115.

[3] 覃矞,戴子文,陳振武.現代有軌電車線路規劃初探[J].都市快軌交通,2013,26(2):42-45.

[4] 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):3309-3313.

[5] 張衛華,陸化普.公交優先的預信號控制交叉口車輛延誤分析[J].中國公路學報,2005,18(4):78-82.

[6] 劉廣萍,翟潤平.信號交叉口進口道延誤模型[J].哈爾濱工業大學學報,2007,39(4):609-612.