基于VISSIM仿真的有軌電車交叉口信號優先控制策略研究

余冠華，鄭 偉，陳榮武

（1. 北京交通大學 電子信息工程學院， 北京 100044；2. 西南交通大學 信息科學與技術學院， 成都 611756）

現代有軌電車具有投資少，建設周期短，線路條件靈活，運行速度較快，乘車空間舒適，環保節能，噪聲低等優點，因此越來越多的中小型城市以及大型城市郊區選擇有軌電車來緩解交通壓力[1]。我國目前有軌電車交叉口信號優先系統在行業內尚未形成統一的技術標準和規范，因此研究現代有軌電車交叉口信號優先系統顯得非常必要而迫切[2]。德國將有軌電車在交叉口的信號控制機和交叉口信號控制系統分離，單獨為有軌電車設置專用通行信號機，通過交叉口信號機和有軌電車專用信號機之間的邏輯聯系，使有軌電車的信號更優先[3-4]。國內學者衛超[5]提出了路權形式，交叉口的渠化，車道布置等實現有軌電車在交叉口空間上的優先。鐘吉林[6]和易志剛[7]討論了有軌電車道口信號優先設計方案。本文在此基礎上研究了有軌電車交叉口信號優先策略，并在VISSIM中建立了有軌電車交叉口信號優先控制的仿真模型，通過比較無信號優先，絕對信號優先和條件信號優先策略下的交叉口服務水平，驗證了各個信號優先策略的有效性及適用情況。

1 有軌電車交叉口交通組織設計

在有軌電車交叉口區域，有軌電車與不同進口不同轉向的社會車流交匯和分離，產生較多的分流點，合流點和沖突點，如圖1所示。對有軌電車交叉口進行有效信號優先控制的基礎是盡量減少或消滅這些分流點，合流點和沖突點，使得有軌電車處于空間上的優先地位。

圖1 無信號控制交叉口分流點，合流點，沖突點分布圖

本文設計了一種交叉口渠化的交通組織，在空間上分隔或控制沖突的車流。如圖2所示，交叉口4個方向的入口分別設置左轉，直行和右轉車道，消除了分流點；在交叉口4個方向的出口，均設置了3個車道，使從其他方向轉向過來的車輛分別駛入自己的車道，消除了匯合點。

圖2 有軌電車交叉口渠化圖

為了向交叉口信號控制系統反饋實時的交通數據，從而實現對交叉口信號的最優控制，在有軌電車交叉口設計了4個檢測器檢測有軌電車的到達和離開，4個檢測器的作用如表1所示。

表1 4個檢測器的作用

2 有軌電車信號優先控制策略設計

2.1 相位設計方案

采用四相位信號控制方式，在時間上分隔直行和左轉的社會車流以及有軌電車直行和社會車輛左轉車流，消除了沖突點，并為有軌電車設置2個專用相位，分別為相位5控制西進口的有軌電車通行，相位6控制東進口的有軌電車通行，如圖3所示。在沒有檢測到有軌電車到達交叉口的情況下，相位1到相位4依次周期循環轉換，當檢測器檢測到有軌電車到達交叉口，進行綠燈提前，紅燈縮短或插入有軌電車相位。

圖3 四相位信號控制示意圖

2.1.1 綠燈延長

綠燈延長即延長有軌電車相位的綠燈時間。當有軌電車在相位1的末尾到達交叉口時，系統延長相位1的綠燈長度，讓有軌電車順利通過，如圖4所示。

圖4 綠燈延長策略圖

2.1.2 紅燈縮短

紅燈縮短即縮短有軌電車等待綠燈信號的紅燈時間。當有軌電車在相位4激活時到達交叉口，路口信號機提前結束相位4的綠燈相位，使相位1盡快開啟綠燈。盡量讓有軌電車不停車通過交叉口或者減少在交叉口的等待時間，如圖5所示。

圖5 紅燈縮短策略圖

2.1.3 插入電車相位

插入相位即在正常的相位相序中增加有軌電車相位。當有軌電車在相位2和相位3激活時到達交叉口，在當前相位結束（正常結束或提前結束）后插入一個有軌電車通行相位，使得有軌電車順利通過。插入相位結束（即有軌電車通過）后，返回按照原有的相位順利運行，如圖6所示。

圖6 插入有軌電車相位策略圖

2.2 相位時長

相位時長與交叉口交通流量密切相關，在早高峰時段（7：30～8：30），對某有軌電車交叉口各進道口的車流量及各進道口不同流向的車流量進行了數量統計，統計結果表2所示。

表2 某十字交叉口交通流量調查結果表（veh/h）

將交通流量輸入到Synchro 7.0軟件[8]中，可生成最優信號配時方案為：相位1的時長為44 s，相位2的時長為14 s，相位3的時長為49 s，相位4的時長為13 s。

2.3 絕對信號優先控制

絕對信號優先控制是指無論有軌電車在感應信號控制的任何階段到達，都會立刻啟動有軌電車綠燈相位，保證有軌電車能夠不停車通過交叉口。待有軌電車離開交叉口后，又回到跳轉之前階段的下一階段。根據2.2節可知，相位1最大綠燈時間為44 s，相位2最大綠燈時間為14 s，相位3最大綠燈時間為49 s，相位4最大綠燈時間為13 s。

2.4 條件信號優先控制

條件信號優先控制是指檢測器檢測到有軌電車的到達后，還需要判斷該階段相位綠燈持續的時間，若不滿足最小綠燈時間，則有軌電車停車等待，直到綠燈持續時間運行達到最小綠燈時間，開放有軌電車信號機綠燈信號；若該相位的綠燈持續時間大于或等于最小綠燈時間，則直接開放有軌電車信號，使有軌電車不停車通過交叉口。相位1能夠和有軌電車相位同時開放，所以不用設定最小綠燈時間；相位2，相位3，相位4的最小綠燈時間 設置為各自最大綠燈時間的一半，分別為7 s，24 s，6 s。相位1，相位2，相位3，相位4的最大綠燈時間和絕對信號優先的最大綠燈時間一樣。

3 VISSIM仿真實現與評價

VISSIM是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具[9]。有軌電車交叉口交通組織設計和有軌電車信號優先控制策略設計在VISSIM 軟件中仿真圖如圖7所示。

圖7 VISSIM有軌電車交叉口仿真圖

3.1 VISSIM仿真時序圖

3.1.1 無信號優先控制下的相位時序圖

無信號優先控制下的相位時序圖如圖8所示，SG1為控制東西進口社會車輛直行的相位1；SG2為控制東西進口社會車輛左轉的相位2；SG3為控制南北進口社會車輛直行的相位3；SG4為控制南北進口社會車輛左轉的相位4。從圖8中可以看出，信號控制策略的4個相位，進行周期性的轉換。相位1的時長為44 s，相位2的時長為14 s，相位3的時長為49 s，相位4的時長為13 s。

圖8 無信號優先控制下的相位時序圖

3.1.2 絕對信號優先控制下的仿真時序圖

有軌電車絕對信號優先控制下VISSIM仿真的相位時序圖如圖9所示， SG5為控制上行有軌電車的相位5，SG6為控制下行有軌電車的相位6。Det 1～4為檢測器1到檢測器4，在表1中有具體的說明。

圖9 絕對信號優先控制下的相位時序圖

從圖9中可以看出，當有軌電車分別從上行和下行方向經過交叉口時，優先控制策略運行邏輯分別如下：

（1）Det 3在74 s時激活，即檢測到下行有軌電車駛入交叉口，此時相位3立刻經過3 s的黃燈轉換時間跳轉到相位1，并激活了相位6；Det 4在93 s時激活，即檢測到下行有軌電車離開交叉口，此時相位1經過3 s的黃燈轉換時間立刻跳轉到相位4，并關閉了相位6。整個過程即在相位3和相位4之間插入了相位1和相位6，實現了有軌電車信號的絕對優先，使下行有軌電車能夠不停車經過交叉口；并在下行有軌電車離開交叉口后立刻回到相位4，使實現下行有軌電車信號優先的同時，社會車輛的延誤時間達到最小值。

（2）Det 1在171 s時激活，即檢測到上行有軌電車駛入交叉口，此時相位2立刻經過3 s的黃燈轉換時間跳轉到相位1，并激活相位5；Det 2在190 s時激活，即檢測到上行有軌電車離開交叉口，此時相位1經過3 s的黃燈轉換時間立刻跳轉到相位3，并關閉了相位5。整個過程即在相位2和相位3之間插入了相位1和相位5，實現了有軌電車信號的絕對優先，使上行有軌電車能夠不停車經過交叉口；并在上行有軌電車離開交叉口后立刻回到相位3，使實現上行有軌電車信號優先的同時，社會車輛的延誤時間達到最小值。

綜上所述，有軌電車在任何一個相位到達交叉口，都會立刻激活到相位1和有軌電車相位（相位5或相位6），待有軌電車離開交叉口后，立刻回到之前相位的下一個相位，實現有軌電車信號絕對優先。

3.1.3 條件信號優先控制下的仿真時序圖

有軌電車條件信號優先控制下VISSIM仿真的相位時序圖如圖10所示，分別有兩輛上下行的有軌電車經過交叉口，它們的運行邏輯如下。

圖10 條件信號優先控制下的仿真時序圖

（1）當Det 1在200 s時激活，即檢測到上行有軌電車駛入交叉口，此時交叉口相位3的綠燈持續時間Tgreen為：

由于相位3的最小綠燈時間Gmin為24 s，所以綠燈持續的時間未達到最小綠燈時間而不滿足優先的條件，有軌電車需要停車等待，直到相位3滿足最小綠燈時間24，即220 s時，才跳轉到相位1并激活相位5。Det 2在241 s時激活，即檢測到上行有軌電車離開交叉口，此時相位1經過3 s的黃燈轉換時間立刻跳轉到相位4，并關閉了相位5。

（2）當Det 3在278 s時激活，即檢測到下行有軌電車駛入交叉口，此時交叉口正好相位1放行，所以不必考慮優先的條件，直接激活相位5，使下行有軌電車不停車通過交叉口。Det 4在294 s時激活，即檢測到下行有軌電車離開交叉口，此時相位1經過3 s的黃燈轉換時間立刻跳轉到相位2，并關閉相位5。

3.2 VISSIM仿真評價

在得到仿真結果數據之前，需要在路網中設定行程路段，即起路段的起點和終點。本文設計了10個測量行程時間的路段，即8條社會車輛的行駛路段和2條上下行有軌電車行駛的路段。交叉口東南西北4個進口和交叉口整體的平均延誤時間如表3所示。不同信號優先策略下交叉口各個方向的平均延誤時間和停車次數如表4所示[10]。從表3和表4中可以得出結論：（1）若給予有軌電車最高的優先權，使有軌電車平均延誤時間最小，停車次數為0，采用絕對信號優先控制策略較好；（2）若在基本上不影響整個交叉口的平均延誤和服務水平的情況下給予有軌電車信號優先，采取條件優先信號控制策略較好。

表3 不同信號優先策略下交叉口整體的平均延誤時間

表4 不同信號優先策略下交叉口各個方向的平均延誤時間

4 結束語

本文提出了有軌電車交叉口交通組織設計和信號優先控制策略的具體方案。在VISSIM中建立了渠化的路網模型并分別仿真了無信號優先、絕對信號優先和條件信號優先3種不同的信號控制方案。通過VISSIM的仿真評價，得到了絕對信號優先和條件信號優先策略的適用性，為提高有軌電車交叉口的服務水平提供了新思路。