預信號公交優先交叉口協調控制策略研究*

張斌華，成衛

（昆明理工大學交通工程學院，云南昆明 650500）

預信號公交優先交叉口協調控制策略研究*

張斌華，成衛

（昆明理工大學交通工程學院，云南昆明 650500）

在已有研究的基礎上，對主信號與預信號協調控制策略進行優化，利用VISSIM仿真軟件對不同控制情況進行仿真。結果表明，優化調整后，社會車輛在候駛區內的二次停車現象減少，車輛運行效率提高；預信號控制能明顯減少公交車輛的車均及人均延誤，公交優先效益顯著，但社會車輛的車均及人均延誤增加；通過對全部車輛車均延誤的分析，可根據公交車輛占全部車輛的比值選取不同信號控制方式。

城市交通；公交優先；預信號；延誤；VISSIM；二次停車

公交優先是解決城市交通擁堵的有效方法。預信號的概念是英國交通運輸局于1991年在促進公交發展的報告中首次提出的，并于1993年將預信號控制實際應用到英國的公交發展中。預信號公交優先控制是公交優先控制的一種典型形式，其主要目的是通過在時間和空間上給予公交車輛優先權，減少公交車輛車均延誤和人均延誤，提高公交車的速度和效率，使公交車能提供更優質的服務。

國內外很多專家對預信號公交優先進行了研究。在國外，Jianping Wu率先研究了不同預信號控制情況下的公交優先，隨后Kejun Long、Johan Wahlstedt等分別研究了單個交叉口、協調交通控制的預信號公交優先，S.Ilgin Guler研究了預信號公交優先控制的解析公式并用實例進行了驗證；在國內，張衛華等率先對預信號公交優先進行研究，隨后李嘉、何必勝、陳東靜等分別利用交通軟件、感應控制策略和協調控制方法對預信號公交進行了研究。這些研究保證了公交車輛的優先權，但因為預信號綠燈先啟亮，社會車輛駛入公交候駛區，造成社會車輛二次停車，同時增加了排隊長度，當主信號變為綠燈時，由于排隊較長，起動波傳播時間長，影響車輛通行效率。

針對以上問題，該文對預信號時間進行調整及優化，消除社會車輛二次停車現象；通過協調控制，保證兩股車流分別以一定速度先后駛入交叉口，減少起動波傳播時間，進一步減少車輛延誤，提高車輛通行效率。

1 預信號公交優先交叉口時間關系及延誤分析

預信號公交優先交叉口包括兩組信號燈，分別為主信號和預信號。兩組信號燈具有相同的信號周期，但控制對象不同，燈色時間也不同。

設置預信號是保證紅燈期間到達交叉口的公交車輛能?？吭谏鐣囕v前，減少公交車輛延誤。根據文獻［1］進行預信號設置，可保證公交車輛在紅燈期間?？吭谏鐣囕v前，減少公交車的延誤，但預信號綠燈啟亮時間早于主信號，社會車輛駛入公交候駛區后需停車等待公交車起動。為此，對文獻［1］中主信號與預信號的時間進行調整。

對預信號進行調整，使主信號綠燈啟亮時間早于預信號。主信號綠燈啟亮后，公交車輛駛入交叉口，隨后預信號綠燈啟亮，社會車輛駛入交叉口，此時公交車輛和社會車輛分別呈脈沖式進入交叉口。因為兩股車輛之間的距離較小，從時間上進行協調控制，可保證社會車輛能以一定的速度緊隨公交車駛入交叉口，減少文獻［1］中信號控制導致社會車輛二次停車的情況，同時提高車輛起動波傳播速度和整體運行效率，減少車輛延誤。

根據文獻［1］中的假設，結合調整之后的預信號時間關系，提出新的假設條件：

（1）根據調整之后的時間關系，社會車輛將以一定的速度占用公交車輛與社會車輛之間的空間。

式中：rp、rm分別為預信號紅燈時間、主信號紅燈時間（s）；vd為社會車輛到達率（pcu/s）；Sl為車道飽和流量［pcu/（s·車道）］；Np為預信號處非優先車道數。

（2）交叉口處的交通需求與通行能力相同，在主信號綠燈結束時，主信號停車線處將無車輛二次排隊。

式中：gm為主信號綠燈時間（s）；Nm為主信號停車線處車道數；C為周期時長；vdB為公交車到達率（輛/s）；v為將公交車化為標準車輛之后的總車輛到達率（pcu/s），1輛/s=2 pcu/s。

根據上述公式，可得到主信號、預信號的綠燈和紅燈時間表達式：

式中：gp為預信號的綠燈時間（s）。

圖1對主信號與預信號的時間進行了調整，文獻［5］對主信號與預信號的關系進行了調整。該文在此基礎上進行優化，使主信號與預信號達到協調控制車流的目標（見圖2）。優化主要包括預信號紅燈提前啟亮時間t1和主信號紅燈提前啟亮時間t2兩個參數，其中：預信號紅燈提前啟亮用于控制社會車輛，避免社會車輛占用公交車候駛區；主信號紅燈提前啟亮用于保證公交車輛率先駛入交叉口，社會車輛以一定速度緊隨公交車駛入交叉口。兩股車輛以脈沖式先后駛入交叉口，保證車流行駛速度，減少社會車輛的二次停車和延誤。

圖1　新預信號與主信號關系示意圖

圖2　預信號與主信號關系優化示意圖

預信號紅燈提前啟亮時間t1的計算公式為：

式中：L為公交車候駛區的長度（m）；vs為公交車輛平均速度（m/s）。

假設公交車輛占用公交車候駛區的全部空間，并且當起動波傳遞到最后一輛公交車時第一輛已經達到公交車輛的平均速度。

式中：vB為公交車輛平均速度（m/s）；aB為公交車輛平均起動加速度（m/s2）。

根據假設條件，當候駛區中全部公交車起動時，如果存在一定距離，社會車輛可緊隨公交車起動；如果距離較小，需滯后一段時間，保證社會車輛以一定速度緊隨公交車輛。滯后時間t的取值為［0，3］s（綠燈啟亮第一輛車通過停止線的時間為2.3s）。

主信號紅燈提前啟亮時間t2的計算公式為：

常規信號控制交叉口處的車輛延誤狀況見圖3。根據圖3可得到全部車輛的總延誤D和車均延誤d分別為：

圖3　常規信號控制交叉口時間與累積車輛圖

對預信號公交優先交叉口信號控制進一步優化后，公交車輛延誤狀況見圖4。由于社會車輛受預信號控制，公交車輛以線段AB到達率到達，當主信號綠燈啟亮時，公交車輛以線段BE消散；當預信號綠燈啟亮時，社會車輛以一定速度緊隨公交車輛駛入交叉口。因為在主信號與預信號協調控制，分段排隊車輛以脈沖式行駛，可提高起動波的傳播速度，保證兩股車流均能快速提高到正常行駛速度并緊隨連續行駛。

圖4　預信號公交優先交叉口時間與累積車輛圖

根據圖4，三角形ABE的面積為公交車輛延誤時間。當預信號綠燈啟亮時，公交車輛與社會車輛混合到達，三角形BCD的面積為全部車輛延誤之和。調整優化后的延誤狀況明顯小于文獻［1］與文獻［6］中的延誤。

預信號公交優先全部公交車輛總延誤DB和車均延誤dB、全部社會車輛總延誤Dveh和車均延誤dveh分別為：

式中：X為社會車輛以平均起動加速度a加速至社會車輛平均速度所需的時間。

在式（12）～（15）中，若主信號與預信號紅燈時間、綠燈時間及周期在一定時間段內保持不變，可將其作為常數，隨著公交車輛占全部車輛的比值變化，可得車輛車均延誤變化趨勢（見圖5）。

圖5　預信號公交優先交叉口車輛車均延誤

根據圖5，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，公交車輛車均延誤增加，社會車輛車均延誤減??；比值較大時，社會車輛車均延誤有增加趨勢。全部車輛車均延誤隨著比值的增加先減小后增加，比值為0.45左右時，全部車輛車均延誤最小。

2 預信號公交優先交叉口設置條件及空間布局

2.1設置條件

進行預信號公交優先空間設置時應滿足一定約束條件，以有效提高公交運行效率，減少公交車輛延誤。約束條件如下：1）道路上設有公交專用道，保證公交車輛能順利進入交叉口處的公交候駛區；2）停車線與上游的公交站點有足夠的距離，保證設置公交候駛區后仍有足夠的距離；3）出口道起點與下游公交站點有足夠的距離，保證車輛順利換道；4）公交車流量占交叉口總流量的20%以上。

為保證交叉口的利用率，應在左、直、右中選擇公交車到達率最高的方向來設置預信號控制。根據約束條件，直行公交車的到達率最高，所以主要考慮在直行方向上設置預信號控制。

2.2空間布局

根據進口道車道數量的不同，可設置不同形式的公交車候駛區。由于進口道車道數及車流量不同，將交叉口設置為部分預信號公交優先或全部預信號公交優先（見圖6、圖7）。

圖6　部分預信號公交優先交叉口布局圖

圖7　全部預信號公交優先交叉口布局圖

預信號公交優先交叉口處的空間布局主要考慮主信號、預信號停車線之間的距離，該距離應滿足高峰時公交車輛的需求，主要與公交車輛的長度和到達率、設置公交車候駛區的車道數、主信號與預信號的信號配時、公交車之間的安全距離及公交車變道時所需距離等因素相關。根據以上因素，將公交車輛的長度定義為lB、公交車候駛區的車道數為nB、公交車之間的安全距離為ls，得到預信號停車線與主信號停車線之間的距離L：

3 預信號公交優先交叉口仿真研究

選取某交叉口進行仿真研究。該交叉口主要道路包含有公交專用道，并且公交車流量較大，每個周期公交專用道都會有大量公交車排隊等候。經調查得到交叉口的空間、時間、交通流量及載客人數等參數（見表1），采用微觀交通仿真軟件VISSIM7.0對預信號公交優先交叉口進行仿真分析。

表1　交叉口交通流量和流向

根據預信號公交優先時間與空間的設置方法，對現狀交叉口進行預信號公交優先設置。交通流量利用調查數據，將公交車輛占全部車輛的比例以5%的步長由低到高遞增。根據公交車輛占全部車輛的比值變化，對現狀常規交叉口、部分預信號公交優先交叉口和全部預信號公交優先交叉口進行仿真，得到不同情況下公交車輛、社會車輛及全部車輛車均延誤（見圖8、圖9）。

圖8　3種情況下車均延誤對比

圖9　3種情況下全部車輛車均延誤對比

由圖8、圖9可知：1）在公交車輛車均延誤方面，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，公交車輛車均延誤逐漸增加，2種預信號公交優先控制下公交車輛車均延誤均顯著降低。與常規信號控制比較，部分預信號公交優先控制下公交車輛車均延誤平均下降31.9s，全部預信號公交優先控制下公交車輛車均延誤平均下降42.9s。隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，全部預信號公交優先控制下公交車輛車均延誤逐漸低于部分預信號公交優先控制下公交車輛車均延誤，平均下降11.2s。2）在社會車輛車均延誤方面，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，社會車輛車均延誤逐漸降低，2種預信號公交優先控制下社會車輛車均延誤均大于常規信號控制，但隨著公交車輛占全部車輛比例的增加，3種情況下社會車輛車均延誤差距愈來愈小。與常規信號控制比較，部分預信號公交優先控制下社會車輛車均延誤平均增加12.3s，全部預信號公交優先控制下社會車輛車均延誤平均增加18.1s。2種預信號公交優先控制之間社會車輛車均延誤相差較小，僅為4.6s。3）預信號公交優先控制明顯降低了公交車輛車均延誤，但社會車輛車均延誤相對增加。比較而言，預信號公交優先控制下公交車輛車均延誤降低值明顯大于社會車輛車均延誤增加值，公交車輛優先效果顯著。4）在全部車輛車均延誤方面，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，3種情況下全部車輛車均延誤先減小后增大。公交車輛占全部車輛的比值小于0.35時，全部預信號公交優先控制下全部車輛車均延誤最大，部分預信號公交優先控制延誤次之，現狀常規控制延誤最小；當比值大于0.35時，全部車輛車均延誤與比值小于0.35時相反。可見，可根據公交車輛占全部車輛的不同比值來確定選擇何種信號控制方式。當比值小于0.35時，選擇常規信號控制；當比值為0.35～0.45時，2種預信號公交優先控制均可；當比值大于0.45時，選擇全部預信號公交優先控制。

根據3種不同情況下車均延誤，結合現狀調查得到的社會車輛載客（2.1人/輛）和公交車輛的載客（30人/輛）情況，得到不同情況下全部車輛的人均延誤（見圖10）。

圖10　3種情況下車輛人均延誤對比

由圖10可知：公交車輛人均延誤與社會車輛人均延誤之間的差距較大，充分體現出公交車輛的優勢；當設置預信號公交優先時，公交車輛人均延誤與社會車輛人均延誤均明顯小于常規控制方式，進一步體現了預信號公交優先的優勢。

4 結論

通過調整主信號與預信號之間的關系，可減少社會車輛在候駛區內二次停車，保證公交車輛和社會車輛以一定速度先后緊跟駛入交叉口，提高車輛運行效率；設置預信號公交優先控制后，公交車輛延誤降低值明顯大于社會車輛車均延誤值，公交優先效益顯著；根據全部車輛車均延誤，可根據公交車輛占全部車輛的比值選取不同的信號控制方式；設置預信號公交優先控制可顯著減少人均延誤。

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［4］ S Ilgin Guler，Monica Menendez.Analytical formulation and empirical evaluation of pre-signals for bus priority［J］.Transportation Research Part B：Methodological，2014，64.

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

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U491.2

A

1671-2668（2016）05-0028-05

國家自然科學基金資助項目（61364019）

2016-03-18