快速公交預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略

孫　剛，楊　敏，顧　惠（.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 0804；.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 0096；.東南大學(xué) 建筑學(xué)院，南京 0096）

快速公交預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略

孫剛1，楊敏2，顧惠3
（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096；3.東南大學(xué) 建筑學(xué)院，南京 210096）

提出了一種考慮交叉口協(xié)調(diào)控制的預(yù)感應(yīng)公交信號(hào)優(yōu)先策略，包括兩個(gè)部分：信號(hào)配時(shí)優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制。假設(shè)公交車行駛時(shí)間已知的情況下，該策略通過按綠信比分配理想時(shí)間差和基于公交車站點(diǎn)時(shí)空距離轉(zhuǎn)換的改進(jìn)數(shù)解法來實(shí)現(xiàn)交叉口的配時(shí)優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制。為了獲得該策略的實(shí)施效果，以常州市通江南路兩相鄰交叉口的單個(gè)方向?yàn)槔O(shè)計(jì)了四種信號(hào)控制情景（無優(yōu)先、傳統(tǒng)優(yōu)先、預(yù)感應(yīng)優(yōu)先和預(yù)感應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)先），并利用微觀仿真軟件VISSIM進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，四種情景中預(yù)感應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)先策略大大減小了公交在交叉口的延誤，提升了公交服務(wù)的可靠性，并且對(duì)社會(huì)車流的干擾最小。

快速公交；預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先；協(xié)調(diào)控制；信號(hào)配時(shí)；微觀仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

快速公交系統(tǒng)（Bus Rapid Transit，簡稱BRT）已經(jīng)在拉美、北美、歐洲和亞洲等地區(qū)的眾多城市得到了廣泛應(yīng)用[1]。與傳統(tǒng)公交系統(tǒng)相比，BRT的先進(jìn)交通設(shè)施（如公交專用道）減少了混行交通對(duì)公交車的干擾。但國內(nèi)外許多BRT系統(tǒng)運(yùn)營結(jié)果表明，公交車交叉口延誤占公交線路總延誤的50%左右[2-3]，因此公交信號(hào)優(yōu)先措施對(duì)提高BRT系統(tǒng)運(yùn)行效率至關(guān)重要。

現(xiàn)有BRT系統(tǒng)的公交信號(hào)優(yōu)先控制策略以傳統(tǒng)的主動(dòng)信號(hào)優(yōu)先為主，主要包括綠燈延長、紅燈早斷、相位插入、相位分離、排隊(duì)跳躍等[4]。但傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先由于公交相位長度調(diào)整有限且變化幅度大，使得公交優(yōu)先力度不夠且對(duì)其他交通方式造成很大干擾。針對(duì)上述不足，Head等人提出了“預(yù)測式”公交信號(hào)優(yōu)先控制策略，該方法延長了公交車到達(dá)檢測器的設(shè)置距離，并按比例調(diào)整實(shí)際與理想到達(dá)時(shí)間差，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了公交優(yōu)先同時(shí)也減少了對(duì)社會(huì)車輛的影響[5]。Wadjas等人將“預(yù)測式”優(yōu)先控制策略應(yīng)用于多倫多一條有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制中，結(jié)果表明該方法大大減小了電車交叉口延誤[6-7]。但“預(yù)測式”優(yōu)先控制策略以單個(gè)交叉口為對(duì)象，破壞了交叉口間的協(xié)調(diào)控制。Ekeila等人提出了一種基于實(shí)時(shí)的道路交通流特征和公交狀況的動(dòng)態(tài)公交信號(hào)優(yōu)先控制策略，該方法組合多種優(yōu)先控制策略，并補(bǔ)償信號(hào)損失來保證交叉口間的協(xié)調(diào)控制，并利用微觀仿真軟件驗(yàn)證了該方法的優(yōu)越性[8]。國內(nèi)快速公交系統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先控制的研究主要集中于單個(gè)交叉口，盡管考慮了公交動(dòng)態(tài)性和對(duì)社會(huì)車輛的干擾，但忽略了交叉口間協(xié)調(diào)控制[9-11]。

綜上，傳統(tǒng)BRT主動(dòng)公交信號(hào)優(yōu)先控制策略的相位調(diào)整空間有限且變化幅度大，嚴(yán)重干擾了其他交通方式的正常通行，而自適應(yīng)控制策略只考慮單個(gè)交叉口或協(xié)調(diào)控制只能服務(wù)于社會(huì)車流。為了克服上述不足，本文提出了預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略，并以江蘇省常州市通江南路兩相鄰交叉口為例，利用Vissim進(jìn)行微觀仿真，評(píng)價(jià)其實(shí)施效果。

1　預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略

考慮主次要交叉口協(xié)調(diào)控制的預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先控制策略技術(shù)流程如圖1所示，包括信號(hào)配時(shí)優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制兩個(gè)部分。其中，信號(hào)配時(shí)優(yōu)化包括主次要交叉口信號(hào)配時(shí)和綠時(shí)差的同步調(diào)整方法及信號(hào)周期約束條件；協(xié)調(diào)控制包括基于公交綠波的改進(jìn)數(shù)解法。

圖1　預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略技術(shù)流程圖

該策略中只有主要交叉口前設(shè)置公交檢測器（到達(dá)檢測器設(shè)置在進(jìn)口道停車線前1~2個(gè)周期時(shí)長的行駛距離處，離開檢測器設(shè)置在停車線處），只有當(dāng)離開檢測器檢測到公交車時(shí)，到達(dá)檢測器才能被激活（除路段第一輛公交車外）繼續(xù)接受公交優(yōu)先申請(qǐng)。當(dāng)前一輛公交車通過交叉口且無公交優(yōu)先申請(qǐng)時(shí)，交叉口的信號(hào)配時(shí)在下個(gè)周期恢復(fù)初始設(shè)置，直至到達(dá)檢測器再次檢測到公交車輛到達(dá)。

1.1信號(hào)配時(shí)方案調(diào)整

1.1.1主要周期長度調(diào)整

主要周期是主要交叉口的信號(hào)周期，也是協(xié)調(diào)控制交叉口的公共周期。其調(diào)整方法包括信號(hào)相位長度延伸和壓縮兩種，調(diào)整過程如圖2（a）和圖2（b）所示。公交車的理想到達(dá)時(shí)刻為公交服務(wù)相位綠燈時(shí)間初5s，這樣既能滿足當(dāng)前申請(qǐng)公交車的優(yōu)先通行，同時(shí)為后續(xù)公交車提供更寬的綠燈通過間隔。理想時(shí)差ΔT（ΔText和ΔTcom分別表示相位延伸和壓縮方式的理想時(shí)差）是公交車預(yù)計(jì)到達(dá)目標(biāo)交叉口時(shí)刻與理想到達(dá)時(shí)刻之差，可調(diào)整周期數(shù)N為公交檢測路段行駛時(shí)間預(yù)測值T與周期長度C的比值取整（延伸：N＝Mod(T/C)或壓縮：Mod(T/C)+1）。

圖2　 相位調(diào)整方法

1.1.2信號(hào)周期約束條件

本文考慮的信號(hào)周期約束條件包括兩個(gè)方面：①為使各相位的車流不發(fā)生排隊(duì)溢出，相位綠燈時(shí)間得到充分利用，交叉口信號(hào)周期長度需滿足最大周期長度約束，具體參考《城市道路交通設(shè)計(jì)指南》[12]；②在保持交叉口間公交車流協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，公交車速能處于某一較快的速度區(qū)間內(nèi)，既保證了公交車在交叉口間運(yùn)行的高效和順暢，同時(shí)較快的帶速也能一定程度上服務(wù)于社會(huì)車流。交叉口間的協(xié)調(diào)控制約束條件為：式中：C為交叉口協(xié)調(diào)控制的公共周期值；s為理想信號(hào)位置間距值；v1和v2為公交車系統(tǒng)帶速區(qū)間的上限和下限。

1.2交叉口協(xié)調(diào)控制

本文交叉口間的協(xié)調(diào)控制方式以傳統(tǒng)的干線協(xié)調(diào)控制策略為基礎(chǔ)[13]，所不同的是綠時(shí)差的計(jì)算采用改進(jìn)的數(shù)解法。改進(jìn)數(shù)解法考慮了公交車與社會(huì)車流在交叉口間路段行駛的差異（公交車需要進(jìn)出站及停靠上下客），因此將公交車在站點(diǎn)的停靠延誤t（進(jìn)出站延誤和停靠時(shí)間的和）轉(zhuǎn)換為路段的空間距離s，路段修正空間距離L即為交叉口間的實(shí)際距離l與站點(diǎn)停靠延誤的時(shí)空轉(zhuǎn)換距離s的和，如圖3所示。根據(jù)修正后的路段空間距離L，采用數(shù)解法重新計(jì)算交叉口間的綠時(shí)差百分比，并根據(jù)實(shí)時(shí)的主要周期時(shí)長調(diào)整交叉口間協(xié)調(diào)控制的綠時(shí)差。

圖3　公交站點(diǎn)停靠延誤的空間距離轉(zhuǎn)換

2　微觀仿真情景

為了驗(yàn)證預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略的實(shí)施效果，本文設(shè)計(jì)了3種對(duì)照信號(hào)控制模式，包括無信號(hào)優(yōu)先模式、傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先模式和預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先模式。

（1）無信號(hào)優(yōu)先模式：交叉口沒有采用公交信號(hào)優(yōu)先控制措施，是大多數(shù)BRT系統(tǒng)的交叉口現(xiàn)狀控制模式。

（2）傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先模式：傳統(tǒng)公交信號(hào)優(yōu)先控制算法由檢測系統(tǒng)和決策方案選擇兩部分組成。檢測系統(tǒng)的檢測器設(shè)置在目標(biāo)交叉口停車線前50m處；決策方案包括綠燈延長和紅燈早段，當(dāng)檢測器檢測到公交到達(dá)時(shí)，若信號(hào)燈為綠燈，則采用綠燈延長方法，否則采用紅燈早段方法。

（3）預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先模式：相比于傳統(tǒng)優(yōu)先算法，預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先方法增加了檢測器的檢測距離，并根據(jù)相位調(diào)整幅度最小規(guī)則選擇最優(yōu)決策方案（綠燈延長和紅燈早段）和按比例調(diào)整信號(hào)相位長度，但該方法只針對(duì)單獨(dú)交叉口使用，交叉口信號(hào)控制相互獨(dú)立。

本文采用微觀仿真軟件VISSIM進(jìn)行模擬仿真，但由于VISSIM中信號(hào)控制方式為靜態(tài)固定式，因此利用Visual Basic（VB）2010編程與VIS?SIM的COM端口鏈接，在VISSIM中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)公交信號(hào)優(yōu)先控制功能。由于VISSIM是一個(gè)基于駕駛行為的微觀仿真軟件，駕駛行駛模型參數(shù)的驗(yàn)證十分重要，本文參考了Berkhout關(guān)于中國駕駛行為模型參數(shù)校準(zhǔn)的研究成果[14]，對(duì)VISSIM的駕駛行為的參數(shù)修正如表1所示。

表1　駕駛行為參數(shù)修正值

除此之外，根據(jù)前文對(duì)轉(zhuǎn)換距離s的定義，VISSIM模型中的公交車站點(diǎn)停靠時(shí)間的設(shè)置至關(guān)重要，VISSIM中有兩種停靠時(shí)間模型，選取正態(tài)分布模型進(jìn)行仿真，模型的建立需要均值和標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)由具體的調(diào)查數(shù)據(jù)得到。

3　結(jié)果分析

3.1實(shí)例分析對(duì)象

本文實(shí)例分析對(duì)象為江蘇省常州市中心城區(qū)南北向干道——通江南路的部分路段。該路段全程約1.8km，包括4個(gè)交叉口和2個(gè)公交站點(diǎn)，飛龍路-通江南路交叉口位于兩條主干路交匯處，交通量大，因此作為主要交叉口，而錦繡路-通江南路交叉口為主干路與支路相交，作為次要交叉口，關(guān)河西路-通江南路交叉口至飛龍路-通江南路交叉口路段為檢測路段，具體如圖4所示。

VISSIM所需資料分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)兩個(gè)部分，靜態(tài)數(shù)據(jù)包括道路交通基礎(chǔ)設(shè)施、交叉口渠化設(shè)計(jì)與公交線路配車等；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括道路交通流特征、公交站客流特征、信號(hào)配時(shí)數(shù)據(jù)和公交線路運(yùn)營數(shù)據(jù)，道路交通流特征、公交站客流特征和交叉口信號(hào)配時(shí)數(shù)據(jù)由2012年12月某正常工作日的晚高峰（17：30—18：30）時(shí)段調(diào)查獲得，公交線路運(yùn)營數(shù)據(jù)由常州市公交公司提供。

圖4　研究路段交叉口示意圖

通過研究路段的BRT線路有3條，即B1、B16 和B19，公交發(fā)車頻率累計(jì)約為15~20輛/h，三條線路的晚高峰斷面小時(shí)客流量達(dá)2 567人次；晚高峰小時(shí)兩個(gè)站點(diǎn)客流量約550人次和650人次。

3.2仿真結(jié)果

仿真結(jié)果評(píng)價(jià)分析包括公交評(píng)價(jià)和社會(huì)車流評(píng)價(jià)兩個(gè)部分，公交評(píng)價(jià)指標(biāo)分為公交車交叉口車均延誤和公交站點(diǎn)公交車頭時(shí)距一致性（某段時(shí)間內(nèi)，某條公交線路到站時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)差與該條線路平均到站時(shí)間間隔的比值），社會(huì)車流評(píng)價(jià)指標(biāo)分為社會(huì)車流交叉口車均總延誤和交叉口平均排隊(duì)長度。

3.2.1公交評(píng)價(jià)

（1）交叉口延誤

公交車交叉口車均延誤見表2。表2顯示與現(xiàn)狀相比，傳統(tǒng)優(yōu)先模式下主要交叉口延誤減少2.1s，但次要交叉口延誤上升0.7s，這是由于主要和次要交叉口信號(hào)控制缺乏協(xié)同，且多條公交線路和高發(fā)車頻率使得交叉口前優(yōu)先申請(qǐng)沖突增多，導(dǎo)致延誤增加。采用預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先策略，主要交叉口延誤比傳統(tǒng)優(yōu)先下降12.3%，次要交叉口延誤下降34.8%。這是由于預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先策略增加檢測路段長度和按比例方法減少了相位調(diào)整幅度。考慮交叉口協(xié)調(diào)控制后，預(yù)感應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法表現(xiàn)更為出色，協(xié)調(diào)控制使得主要和次要交叉口延誤進(jìn)一步減少1.4s和6s。

表2　公交車交叉口車均延誤

（2）車頭時(shí)距一致性

飛龍路公交站車頭時(shí)距一致性見表3。從表3可以看出，采用公交優(yōu)先控制措施后，三條公交線路在公交站點(diǎn)的車頭時(shí)距一致性均有不同程度的降低（到站間隔差異變小）。傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先模式下，B16 和B19的車頭時(shí)距一致性幾乎沒有變化，這表明傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先在改善公交服務(wù)可靠性方面效果不明顯。在預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制模式下，三條線路的車頭時(shí)距一致性指標(biāo)分別減少了現(xiàn)狀的38.1%、40.7%和37.5%，這表明在該種控制方法下公交服務(wù)可靠性最高，這也呼應(yīng)了公交交叉口延誤指標(biāo)。

表3　飛龍路公交站車頭時(shí)距一致性

3.2.2社會(huì)車流評(píng)價(jià)

（1）交叉口延誤

社會(huì)車流交叉口車均總延誤見表4。表4反映出相比于現(xiàn)狀，傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先和預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先方式對(duì)于社會(huì)車流的影響較大，累計(jì)延誤分別增加了34.1%和27.3%；而預(yù)感應(yīng)協(xié)調(diào)控制方式的影響最小，延誤僅增加了現(xiàn)狀的9.2%，這是由于較快的公交帶速與社會(huì)車流速度相近，使得部分社會(huì)車流受益于交叉口間的協(xié)調(diào)控制作用。

表4　社會(huì)車流交叉口車均總延誤

（2）平均排隊(duì)長度

交叉口信號(hào)周期的調(diào)整對(duì)不同方向社會(huì)車流排隊(duì)長度的影響不同，因此本次研究分別觀測了主次兩個(gè)交叉口主要（南北向）和次要（東西向）兩個(gè)方向上社會(huì)車流平均排隊(duì)情況見圖5。從圖5（a）中可以看出，相比于傳統(tǒng)優(yōu)先模式，飛龍路交叉口預(yù)感應(yīng)優(yōu)先方法造成的交叉口主向排隊(duì)長度增加了52%（其中主向直行排隊(duì)長度占79%），這主要是由于預(yù)感應(yīng)優(yōu)先方式減小了主向直行相位時(shí)間，因此主向排隊(duì)長度增加。從圖5（b）中可以看出，飛龍路交叉口傳統(tǒng)優(yōu)先方法造成的次要方向排隊(duì)長度增加了現(xiàn)狀的1倍多，這是由于主向綠燈時(shí)間增加而使得次向紅燈時(shí)間增加。相比而言，預(yù)感應(yīng)控制和預(yù)感應(yīng)信號(hào)協(xié)調(diào)措施對(duì)飛龍路交叉口的次要干道社會(huì)車流影響較小，且后者的影響更小。從圖5（c）可以看出，傳統(tǒng)優(yōu)先方式和預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先方式的交叉口總平均排隊(duì)長度分別增加了現(xiàn)狀的48.0%和41.7%，而預(yù)感應(yīng)協(xié)調(diào)控制方式的總排隊(duì)長度僅增加了現(xiàn)狀的16.4%，這表明協(xié)調(diào)控制對(duì)社會(huì)車流的影響更小。

圖5　交叉口社會(huì)車流排隊(duì)情況評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜上所述，相比于現(xiàn)狀和傳統(tǒng)優(yōu)先方法，預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先方式能夠顯著降低公交交叉口的延誤和提高公交服務(wù)可靠性，在對(duì)社會(huì)車流的干擾方面也小于傳統(tǒng)信號(hào)優(yōu)先方式。而在考慮了交叉口間協(xié)調(diào)控制之后，預(yù)感應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法表現(xiàn)更為出色，不僅進(jìn)一步減小了公交交叉口延誤，同時(shí)對(duì)社會(huì)車流的干擾更小。

4　結(jié)論及展望

公交信號(hào)優(yōu)先不僅關(guān)系到公交系統(tǒng)本身的服務(wù)可靠性和服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)交叉口系統(tǒng)的整體利益產(chǎn)生很大影響。本文提出的預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制策略通過按信號(hào)相位綠信比分配公交車到達(dá)目標(biāo)交叉口的理想時(shí)間差和明確相位長度約束條件等手段減小信號(hào)相位調(diào)整幅度，并創(chuàng)新性地提出基于公交站點(diǎn)時(shí)空距離轉(zhuǎn)換的改進(jìn)數(shù)解法來實(shí)現(xiàn)交叉口間公交協(xié)調(diào)控制。常州市的實(shí)例微觀仿真結(jié)果表明，在減小公交交叉口延誤和提升公交服務(wù)可靠性方面，預(yù)感應(yīng)信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制均優(yōu)于其他3種信號(hào)控制策略，而對(duì)社會(huì)車流的干擾最小。然而，本文還存在一些不足，需要在合理處理交叉口多個(gè)方向的公交優(yōu)先申請(qǐng)方面做進(jìn)一步的研究。

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Pre-Detective Signal Priority Coordination and Control Method for Bus Rapid Transit

SUN Gang1,YANG Min2,GU Hui3
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China; 3.School of Architecture,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A pre-detective signal priority method for Bus Rapid Transit(BRT)with coordination and control between intersections along the arterial was proposed,and two parts were included:signal optimi?zation and coordination control.As the bus travel time was known,the signal timing was optimized by ad?justing ideal signal lag in green ratio of each phase and coordinating the intersections by the improved numerical method to exchange the dwell time at bus stop to the distance in space.To examine the effect of this method,one direction of South Tongjiang Road in Changzhou,Jangsu,was experimented with the microscopic traffic simulator VISSIM,and four simulation scenarios were set:no signal priority,tradition?al signal priority,pre-detective signal priority and pre-detective signal priority with coordination.The results show that pre-detective signal priority with coordination has the best effect in the four scenarios for BRT,but the least negative effects of signal priority for social traffic.

Bus Rapid Transit;pre-detective signal priority;coordinated control;signal timing;mi?croscopic simulation

U491.2

A

2095-9931（2015）01-0059-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.011

2014-10-04