王 杉

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海 200125)

0 引 言

理想的信號(hào)控制系統(tǒng)應(yīng)可靠地預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)交通狀態(tài)、高效地計(jì)算干線協(xié)調(diào).國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干線公交優(yōu)先這一問(wèn)題提出不同的優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化模型.文獻(xiàn)[1-4]分別以公交準(zhǔn)點(diǎn)下的人均延誤最小，乘客總延誤以及相位車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度最小，社會(huì)車(chē)流綠波帶寬度最大、社會(huì)車(chē)流延誤最小，車(chē)輛通過(guò)交叉口群延誤偏差(正，負(fù))最小化為優(yōu)化目標(biāo)，提出干線協(xié)調(diào)控制下的公交信號(hào)優(yōu)先雙層模型、配時(shí)優(yōu)化模型及方法.

近幾年在公共交通信號(hào)優(yōu)先(transit signal priority，TSP)策略選取、策略有效實(shí)施，以及減少交叉口總延誤等方面，國(guó)內(nèi)外研究取得了一定進(jìn)步和發(fā)展.文獻(xiàn)[5]以空余綠燈時(shí)間利用率、干線協(xié)調(diào)綠波帶和公共交通準(zhǔn)點(diǎn)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同公交優(yōu)先方式的影響并設(shè)計(jì)公交信號(hào)優(yōu)先控制策略.文獻(xiàn)[6]分析不同TSP策略對(duì)干線交通運(yùn)行穩(wěn)定性的影響.文獻(xiàn)[7]提出干線協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先策略的有效優(yōu)化模型，確保交叉口處優(yōu)先策略實(shí)施的有效性.文獻(xiàn)[8]研究了干線控制系統(tǒng)中不同公交優(yōu)先策略的成本和效益.

為解決干線協(xié)調(diào)下的公交優(yōu)先問(wèn)題，絕大部分研究選擇單純的數(shù)值分析方法，即確定優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)定約束條件、選擇優(yōu)化算法，求解結(jié)果即為信號(hào)控制底層設(shè)計(jì)參數(shù)取值.這類(lèi)方法理論性較強(qiáng)，但是與實(shí)際情況的偏差較大，往往只針對(duì)部分問(wèn)題進(jìn)行研究，缺少對(duì)整個(gè)公交運(yùn)行系統(tǒng)的分析.

本文以VISSIM仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，運(yùn)用VAP編程方法，以公交專(zhuān)用車(chē)道為研究對(duì)象，尋求在不破壞社會(huì)車(chē)流干線協(xié)調(diào)前提下，通過(guò)分析公共汽車(chē)到達(dá)與常規(guī)信號(hào)相位綠燈時(shí)間窗的關(guān)系，采取綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷和滯站控制等策略實(shí)現(xiàn)公共汽車(chē)的絕對(duì)優(yōu)先.

1 信號(hào)控制框架

1.1 信號(hào)控制基本原理

一般情況下，道路交叉口采用定時(shí)控制，當(dāng)檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)采用感應(yīng)控制.感應(yīng)控制過(guò)程見(jiàn)圖1.檢測(cè)到公共汽車(chē)后，若預(yù)計(jì)公共汽車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線時(shí)協(xié)調(diào)相位為綠燈，則保持原信號(hào)配時(shí)不變；否則，依據(jù)判定條件采取綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷或滯站控制策略.實(shí)行感應(yīng)控制后，為減小信號(hào)優(yōu)先對(duì)相交道路交通流造成的負(fù)面影響，下一周期運(yùn)行補(bǔ)償機(jī)制.

圖1 公交信號(hào)優(yōu)先控制流程

1.2 公交優(yōu)先策略

綠燈延長(zhǎng)指某些信號(hào)燈組綠燈終止時(shí)間晚于預(yù)定時(shí)間，適用于車(chē)輛到達(dá)時(shí)刻為相位紅燈且在最大延長(zhǎng)綠燈范圍之內(nèi)的情況.當(dāng)檢入檢測(cè)器檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)，若預(yù)測(cè)公共汽車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線時(shí)刻在協(xié)調(diào)相位綠燈延長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，則信號(hào)控制機(jī)采取綠燈延長(zhǎng)策略，實(shí)現(xiàn)公共汽車(chē)優(yōu)先通行.

紅燈早斷指某些信號(hào)燈組紅燈終止時(shí)間早于預(yù)定時(shí)間，適用于車(chē)輛到達(dá)交叉口的時(shí)刻大于相位有效綠燈時(shí)間小于信號(hào)周期長(zhǎng)度的情況.當(dāng)檢入檢測(cè)器檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)，若預(yù)測(cè)公共汽車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線協(xié)調(diào)相位顯示紅燈，且該時(shí)刻在協(xié)調(diào)相位實(shí)行紅燈早斷策略的時(shí)間范圍內(nèi)，則信號(hào)控制機(jī)采取紅燈早斷策略，實(shí)現(xiàn)公共汽車(chē)優(yōu)先通行.

滯站控制指為實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先(本文中指公共汽車(chē)不停車(chē)通過(guò)道路交叉口)，公共汽車(chē)在車(chē)站除停留應(yīng)有的服務(wù)時(shí)間外，額外停留一段時(shí)間，這段時(shí)間仍可提供乘客上下車(chē)服務(wù).港灣式車(chē)站布置在公交車(chē)專(zhuān)用車(chē)道上，藍(lán)青色公共汽車(chē)已完成服務(wù)時(shí)間準(zhǔn)備離站，但是公共汽車(chē)站關(guān)門(mén)信號(hào)燈為紅(圓框內(nèi)標(biāo)注)，即該公共汽車(chē)要等到綠燈啟亮才能通行，見(jiàn)圖2.

圖2 滯站控制示意圖

需要指出的是滯站控制是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與車(chē)輛調(diào)度、車(chē)站泊位數(shù)、公共汽車(chē)流量、車(chē)站排隊(duì)等因素均有關(guān)系.綠燈延長(zhǎng)和紅燈早斷控制調(diào)整有適應(yīng)范圍，超出其彈性時(shí)間窗則公共汽車(chē)到達(dá)停車(chē)線時(shí)仍會(huì)遭遇紅燈.因此本文適當(dāng)引用滯站控制概念，是為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的公交優(yōu)先.

1.3 約束條件

1.3.1固定周期及綠波帶上下限

干線公交優(yōu)先控制的關(guān)鍵是在不破壞綠波帶的條件下，為公共汽車(chē)提供盡可能多的優(yōu)先機(jī)會(huì).為保證綠波的順利運(yùn)行，本文在VAP實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中采用固定信號(hào)周期、固定綠波帶上下限的方法，見(jiàn)圖3.

圖3 固定周期及綠波帶上下限

統(tǒng)一周期長(zhǎng)度即使實(shí)行紅燈早斷策略，但周期時(shí)長(zhǎng)仍為關(guān)鍵交叉口的周期，而不是初始相位啟亮則開(kāi)始計(jì)算下一周期.

采用傳統(tǒng)的Maxband方法和CROSSIG專(zhuān)業(yè)軟件方法優(yōu)化相位差和綠波帶寬度，再根據(jù)主要協(xié)調(diào)方向求得理想雙向綠波帶后，為不破壞社會(huì)車(chē)輛綠波帶，在以后的公交優(yōu)先策略實(shí)施中固定綠波帶上下限.綠波帶上下限時(shí)刻為協(xié)調(diào)相位的最早結(jié)束時(shí)間和最晚啟亮?xí)r間，根據(jù)綠波帶帶寬確定，用以保證干線綠波的穩(wěn)定.無(wú)論感應(yīng)控制如何調(diào)整信號(hào)配時(shí)參數(shù)，固定綠波帶上下限時(shí)刻是強(qiáng)制約束、剛性條件.在公交優(yōu)先控制中，協(xié)調(diào)相位除綠波帶上下限時(shí)刻限定的時(shí)間范圍外，兩側(cè)綠燈時(shí)間根據(jù)實(shí)際需求可靈活調(diào)整長(zhǎng)度，即綠燈啟亮?xí)r刻可早于綠波帶下限時(shí)刻，綠燈結(jié)束時(shí)刻可晚于綠波帶上限時(shí)刻.

1.3.2可壓縮時(shí)間

干線協(xié)調(diào)背景下的公交優(yōu)先，為了既不破壞綠波帶寬度，又實(shí)現(xiàn)公共汽車(chē)優(yōu)先通行，在中低流量的交通條件下可以壓縮公共交通非協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間，將壓縮的時(shí)間分配給協(xié)調(diào)相位.可壓縮時(shí)間為按等飽和度原則分配對(duì)應(yīng)的綠燈時(shí)間與飽和度壓縮至0.9時(shí)對(duì)應(yīng)綠燈時(shí)間的差值，是進(jìn)行公交優(yōu)先控制時(shí)可以挪用的彈性時(shí)間.

采用韋伯斯特法計(jì)算各交叉口的周期長(zhǎng)度，并以最大周期作為干線協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵周期.按等飽和度原則確定每個(gè)相位的綠燈時(shí)間，從而可以計(jì)算得到交叉口非協(xié)調(diào)相位的可壓縮時(shí)間.

在公交優(yōu)先控制中，公共交通需要恰當(dāng)?shù)木G燈時(shí)間，而非更多的綠燈時(shí)間.信號(hào)控制機(jī)通過(guò)壓縮非協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間實(shí)現(xiàn)綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷策略，為到達(dá)的公共汽車(chē)提供適時(shí)的優(yōu)先，盡量避免其停車(chē).當(dāng)檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)，信號(hào)機(jī)根據(jù)實(shí)際情況判斷是否使用可壓縮時(shí)間.實(shí)際壓縮時(shí)間可以小于等于可壓縮時(shí)間.當(dāng)需要的彈性時(shí)間小于各非協(xié)調(diào)相位可壓縮時(shí)間之和時(shí)，等比例利用各非協(xié)調(diào)相位的可壓縮時(shí)間.

1.4 補(bǔ)償機(jī)制

采用公交優(yōu)先策略時(shí)，無(wú)論是綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷還是滯站控制(需結(jié)合紅燈早斷策略)，都會(huì)挪用其他相位的可壓縮時(shí)間，對(duì)該相位通行車(chē)輛造成影響，剝奪其通行權(quán).為減小公交優(yōu)先對(duì)其他車(chē)流的負(fù)作用，在可補(bǔ)償周期(通常為感應(yīng)控制的下一周期)運(yùn)行補(bǔ)償機(jī)制，將協(xié)調(diào)相位多利用的部分綠燈時(shí)間償還給已壓縮綠燈時(shí)間的相位.在應(yīng)用補(bǔ)償機(jī)制的過(guò)程中，同樣不能破壞雙向綠波帶的帶寬.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 雙向綠波求解方法

本文使用Maxband方法和專(zhuān)業(yè)配時(shí)軟件CROSSIG設(shè)計(jì)雙向協(xié)調(diào)方案進(jìn)行比較.Maxband求解結(jié)果不夠理想，最終選用CROSSIG設(shè)計(jì)雙向綠波方案.CROSSIG為交通信號(hào)控制系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件，可用于信號(hào)控制方案的創(chuàng)建、編輯和設(shè)計(jì)，可以根據(jù)交通流量設(shè)計(jì)信號(hào)控制和綠波.綠波的調(diào)整可以手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，具有一定的靈活性.

2.2 公共汽車(chē)檢測(cè)

信息檢測(cè)是交通信號(hào)控制的基礎(chǔ)，為提前檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)并預(yù)測(cè)其到達(dá)交叉口停車(chē)線的時(shí)刻，需要布設(shè)公交檢測(cè)器.遠(yuǎn)端停靠站時(shí)，考慮到信號(hào)控制機(jī)響應(yīng)時(shí)間較為充裕，若不考慮公共汽車(chē)車(chē)隊(duì)離散特征，可減少檢測(cè)器數(shù)量；近端停靠站時(shí)，由于信號(hào)機(jī)響應(yīng)時(shí)間有限，需進(jìn)行多步檢測(cè)并進(jìn)行預(yù)測(cè)，見(jiàn)圖4.但是，為確保公交優(yōu)先策略的有效運(yùn)行，無(wú)論何種停靠站形式，均需要在停車(chē)線后設(shè)置檢出檢測(cè)器，即圖4的檢出檢測(cè)，以使系統(tǒng)確認(rèn)公共汽車(chē)通過(guò)停車(chē)線，從而取消優(yōu)先申請(qǐng)請(qǐng)求.

圖4 公共汽車(chē)多步檢測(cè)

2.3 干線協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先的實(shí)現(xiàn)方法

干線協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先的策略主要體現(xiàn)在不同公交優(yōu)先策略的最大調(diào)整范圍、約束條件、感應(yīng)控制的影響周期以及補(bǔ)償機(jī)制的應(yīng)用等方面.不同的公交優(yōu)先策略適用范圍不同.例如，只有當(dāng)檢測(cè)到公共汽車(chē)的時(shí)間與公共汽車(chē)在檢測(cè)器到交叉口停車(chē)線間的運(yùn)行時(shí)間兩者之和在綠燈延長(zhǎng)的可控范圍內(nèi)，才可以進(jìn)行綠燈延長(zhǎng)控制.公交優(yōu)先策略的影響因素主要有三個(gè)方面：①檢測(cè)到公共汽車(chē)的周期時(shí)間；②檢測(cè)器到停車(chē)線的距離；③檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)交叉口當(dāng)前相位.

在不實(shí)行感應(yīng)控制時(shí)，主要進(jìn)行的是定時(shí)控制.一旦開(kāi)始進(jìn)行公交優(yōu)先的感應(yīng)控制，則會(huì)對(duì)改變?cè)芷谙辔坏倪\(yùn)行狀態(tài)，因此還需運(yùn)行補(bǔ)償周期.補(bǔ)償范圍最長(zhǎng)可至補(bǔ)償周期下一周期的綠波帶上限，一次公交優(yōu)先會(huì)影響3個(gè)周期.

實(shí)現(xiàn)該方法涉及到的關(guān)鍵問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面.

2.3.1綠燈延長(zhǎng)

當(dāng)本周期協(xié)調(diào)相位需要綠燈延長(zhǎng)時(shí)，綠波帶上下限時(shí)刻已經(jīng)運(yùn)行完畢，若不壓縮非協(xié)調(diào)相位，綠燈延長(zhǎng)可能破壞下一周期綠波帶的上下限.因此，在保證非協(xié)調(diào)相位飽和度不超過(guò)0.9且不影響下一周期綠波帶上下限時(shí)刻的前提下，所有彈性時(shí)間均可用于本次綠燈延長(zhǎng)，可以延長(zhǎng)的最大時(shí)間范圍，見(jiàn)圖5.

(1)

式中：Ge為可以用于綠燈延長(zhǎng)的最大時(shí)間范圍；(tc)ij為交叉口i相位j的可壓縮時(shí)間，s；ga為協(xié)調(diào)相位綠燈啟亮?xí)r刻，lower為綠波帶下限時(shí)刻.

圖5 協(xié)調(diào)相位綠燈延長(zhǎng)示意

(2)

2.3.2紅燈早斷

紅燈早斷的最大調(diào)整范圍為非協(xié)調(diào)相位的可壓縮時(shí)間之和.若檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)，信號(hào)相位正在運(yùn)行j+2相位，在這種情況下，紅燈早斷可以利用的彈性時(shí)間僅為j+2相位可以壓縮的綠燈時(shí)間.

圖6 協(xié)調(diào)相位紅燈早斷示意

(3)

2.3.3滯站控制

當(dāng)檢入檢測(cè)器檢測(cè)到公共汽車(chē)到達(dá)時(shí)，若預(yù)測(cè)公共汽車(chē)到達(dá)交叉口停車(chē)線協(xié)調(diào)相位顯示紅燈，且該時(shí)刻不在協(xié)調(diào)相位實(shí)行綠燈延長(zhǎng)策略或紅燈早斷策略的時(shí)間范圍內(nèi)，則信號(hào)控制機(jī)采取滯站控制策略，直至信號(hào)運(yùn)行到可實(shí)行紅燈早斷策略時(shí)間范圍的起始時(shí)刻，開(kāi)始實(shí)行紅燈早斷策略，實(shí)現(xiàn)公共汽車(chē)優(yōu)先通行.

2.3.4補(bǔ)償機(jī)制

實(shí)行公交優(yōu)先控制時(shí)，無(wú)論是采用綠燈延長(zhǎng)，紅燈早斷還是結(jié)合紅燈早斷的滯站控制策略，都會(huì)挪用非協(xié)調(diào)相位的可壓縮時(shí)間，對(duì)道路交通流造成負(fù)面影響.為減小負(fù)面影響，在可補(bǔ)償周期(通常為公交信號(hào)優(yōu)先的下一周期)運(yùn)行補(bǔ)償機(jī)制，即將上一周期協(xié)調(diào)相位多利用的綠燈時(shí)間償還給已壓縮綠燈時(shí)間的相位.在應(yīng)用補(bǔ)償機(jī)制的過(guò)程中，同樣不能破壞雙向綠波帶的帶寬.補(bǔ)償機(jī)制的判定條件為

如果

(4)

那么

(5)

否則

(6)

如果

(7)

那么

(8)

否則

(9)

圖7以一種綠燈延長(zhǎng)情況為例，在滿足式(4)的情況下，給出了正常周期n、采用綠燈延長(zhǎng)策略實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先的周期n+1、運(yùn)行補(bǔ)償機(jī)制的周期n+2中各相位配時(shí)方案.上述判定條件中描述的其他情況同理.

(10)

3 案例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

四個(gè)交叉口選用相同的渠化結(jié)構(gòu)圖，東西方向和南北方向道路等級(jí)相同，東西方向?yàn)閰f(xié)調(diào)方向，存在雙向公交專(zhuān)用車(chē)道.各個(gè)交叉口各車(chē)道組交通流量信息見(jiàn)表1.

交叉口間距及東西方向停車(chē)線距離見(jiàn)表2，VISSIM路網(wǎng)模型中協(xié)調(diào)方向停車(chē)線距離較大主要為理論研究考慮.

表2 交叉口距離指標(biāo)m

交叉口序號(hào)間距西向東東向西東西進(jìn)口道停車(chē)線距離123455657560059757858055747173

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1雙向帶寬

綠波帶速設(shè)置為40 km/h，基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)優(yōu)化相位差和綠波帶寬度.根據(jù)雙向綠波帶中心線交點(diǎn)與交叉口的距離關(guān)系，以CROSSIG軟件為工具調(diào)整雙向綠波，得到求解結(jié)果.正向(1號(hào)至4號(hào)交叉口方向)帶寬為35 s，反向帶寬為30 s，雙向綠波見(jiàn)圖8.

圖8 雙向綠波結(jié)果

3.2.2信號(hào)配時(shí)

最佳周期公式確定周期，等飽和度的綠信比方案確定各交叉口信號(hào)配時(shí)初步方案后，確定干線協(xié)調(diào)關(guān)鍵周期，重新調(diào)整各交叉口信號(hào)配時(shí).隨后，在調(diào)整雙向綠波最大帶寬的過(guò)程中，修改交叉口的相位相序結(jié)構(gòu)，得到各交叉口信號(hào)配時(shí)最終結(jié)果，見(jiàn)表3.1～3號(hào)交叉口采用圖9a)的五相位結(jié)構(gòu)，4號(hào)交叉口采用圖9b)的四相位結(jié)構(gòu).

表3 信號(hào)配時(shí)s

交叉口相位差周期信號(hào)配時(shí)相位1相位2相位3相位4相位5123452594711514231312331151323131333115132316113211514401233

圖9 相位結(jié)構(gòu)及相序

3.2.3公交信號(hào)優(yōu)先策略的應(yīng)用方法

構(gòu)建仿真平臺(tái)時(shí)，公共汽車(chē)發(fā)車(chē)間隔2 min，停靠站上下客時(shí)間設(shè)置服從正態(tài)分布N(20 s，2 s).通過(guò)分析公共汽車(chē)預(yù)計(jì)到達(dá)停車(chē)線時(shí)刻與協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間窗的關(guān)系，盡可能在不過(guò)度損害社會(huì)車(chē)輛利益的條件下，選取優(yōu)先策略實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先.公共汽車(chē)優(yōu)先通行后，下一周期運(yùn)行社會(huì)車(chē)輛的補(bǔ)償機(jī)制.補(bǔ)償結(jié)束后，信號(hào)相位正常運(yùn)行.

3.3 仿真評(píng)價(jià)

本案例實(shí)現(xiàn)了干線協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先，可以在仿真平臺(tái)上觀察到公共汽車(chē)不停車(chē)連續(xù)通過(guò)沿線交叉口.干線協(xié)調(diào)方向，統(tǒng)計(jì)了1 h的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，得到雙向社會(huì)車(chē)輛的評(píng)價(jià)結(jié)果.

表4 雙向綠波評(píng)價(jià)結(jié)果

由表4可知，雙向綠波評(píng)價(jià)結(jié)果較為理想，社會(huì)車(chē)輛延誤、平均停車(chē)時(shí)間及平均停車(chē)次數(shù)均較小，使得公共汽車(chē)優(yōu)先的同時(shí)基本沒(méi)有對(duì)社會(huì)車(chē)輛干線綠波下運(yùn)行的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文以VISSIM仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，以公交專(zhuān)用車(chē)道為研究對(duì)象，運(yùn)用VAP編程方法，尋求在不破壞社會(huì)車(chē)流干線協(xié)調(diào)前提下，采取綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷和滯站控制等策略實(shí)現(xiàn)公共汽車(chē)的絕對(duì)優(yōu)先.并通過(guò)案例分析進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，完成干線協(xié)調(diào)框架下公交優(yōu)先的仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn).實(shí)現(xiàn)公交信號(hào)優(yōu)先的途徑不僅是信號(hào)控制參數(shù)的調(diào)整，而應(yīng)是時(shí)空一體化的考慮，即還需結(jié)合公共交通站位的調(diào)整和優(yōu)化.本文在該方向進(jìn)行了初步探索，但尚未得到理想結(jié)果，將在后續(xù)研究中進(jìn)行拓展.