基于效率最優的有軌電車信號優先控制方法*

楊曉宇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢∥高級工程師)

道路平交路口是有軌電車運行延時的主要節點。同其它地面交通工具相比，有軌電車的車輛性能、行駛特征及運營模式存在較大差異，故常規平交路口優先控制方法難以有效提高有軌電車的通行效率。本文以有軌電車的運行特征與道路設施為依據，構建了有軌電車平交路口信號優先控制方法。

1 信號優先控制方法

在平交路口采用空間優先控制方法和時間優先控制方法能提高有軌電車通行效率。空間優先控制方法包括路權形式選擇和車道布設方式等[1]。有軌電車擁有獨立車道路權和平交路口專用進口道，其空間需求能優先得到保障。在采用時間優先控制方法的模型中， 應用較廣的MAXBAND(最大頻帶)模型和AM-BAND(不對稱多頻帶)模型[2]，通過調節干道上各信號平交路口之間的相位差、公共信號周期時長等參數，可以使電車獲得盡可能不停頓的通行權[3-5]。隨著定位檢測技術的發展，當前主流研究是將人均延誤和車均延誤作為目標函數，利用綠燈延長、紅燈早斷和插入相位等實現有軌電車實時優先控制[6-7]。然而，現有的實時優先控制方法多以延誤作為優化指標[8]，而延誤發生多為車輛排隊以及行人與沖突車流干擾。有軌電車擁有空間優先路權，基于車均延誤的實時信號優先控制方法，并不能較好體現有軌電車系統特性。

本文在有軌電車站間綠波控制的基礎上，根據有軌電車到達時刻所處相位位置，以及平交路口相位、相序和有效綠燈時間，提出有軌電車到達時刻的工況分類，進而提出相位優先控制方法;結合非電車相位壓縮約束限制，計算電車相位實時綠燈時間，提出一種有軌電車實時信號優先控制方法。

1.1 有軌電車到達工況

平交路口1個信號周期中電車相位為s。相關時間參數為：非電車相位r的最小綠燈時間tr,min，指保障機動車交通需求與非機動車及行人過街需求的最短時間；電車相位s的有效綠燈時間ts,vaild，指能被有軌電車利用的時間；電車相位的清空時間指保障有軌電車安全通過最遠沖突點的時間[1]。將非電車相位r的起始時刻tr,s、非電車相位r的最小綠燈時間結束時刻、電車相位s的起始時刻ts,s、電車相位s的有效綠燈時間結束時刻、電車相位s結束時刻作為臨界值，則根據有軌電車到達平交路口時刻t所處的相位，將有軌電車到達工況劃分為四類，如圖1所示。

圖1 有軌電車到達工況示意圖Fig.1 Diagram of tram arrival working condition

1) 工況一：有軌電車在tr,min內到達平交路口。tY為黃燈時間,則有：

tr,s≤t

2) 工況二：有軌電車在相位r的最小綠燈時間結束后到達平交路口。此時有：

tr,s+tr,min+tY≤t

式中：

tr,nor——r相位的初始綠燈時間。

3) 工況三：有軌電車在電車相位s的有效綠燈時間內到達。此時有：

ts,s≤t

4) 工況四：有軌電車在電車相位s的清空時間內到達。ts,nor為s相位的初始綠燈時間,此時有：

ts,s+ts,valid+tY≤t

1.2 有軌電車相位控制方法

利用有軌電車車載定位系統，結合有軌電車行駛特征，能精準預測t。本文按有軌電車到達工況，提出有軌電車相位的早啟控制和延長控制方法，可有效縮短有軌電車在路口的平均運行時間，提高有軌電車通行效率。

1.2.1 相位早啟控制方法

在工況一及工況二下，有軌電車到達平交路口的預測時刻位于電車相位s開始前，則應縮短當前相位的綠燈時間，使信號燈提前進入電車相位s，以保證電車能夠優先通過平交路口(如圖2所示)。本信號周期的電車相位s早啟時間，是電車相位s之前的非電車相位綠燈時間壓縮量之和。

圖2 有軌電車相位早啟控制方法示意圖Fig.2 Diagram of tram phase advanced control method

1.2.2 相位延長控制策略

工況四下，如果t位于電車相位s的清空時間，則可通過延長s相位的綠燈時長，使信號燈繼續保持綠燈，以保證有軌電車能夠順利通過平交路口(如圖3所示)。本信號周期的s相位延長時間，為s相位之后的非電車相位綠燈時間壓縮量之和。

圖3 有軌電車相位延長控制方法示意圖Fig.3 Diagram of tram phase extended control method

1.3 不同工況下各相位實時綠燈時間計算

1.3.1 工況一

ti,real=(1-α)ti,min+αti,nor

其中,

式中：

ti,real——i相位的實時綠燈時間；

k——受電車相位s綠燈延長方法影響的最大相位；

ts,real——s相位的實時綠燈時間。

1.3.2 工況二

ti,real=(1-α)ti,min+αti,nor

其中:α同前,tr,real=t-tr,s。

式中：

tr,real——r相位的實時綠燈時間。

1.3.3 工況三

在工況三下，相位[1,s)和(s,k]的綠燈時間采用初始綠燈時間ti,nor。此時，電車相位的綠燈早啟時間為0，其它非電車相位的綠燈時間為：

ti,real=ti,nor,i∈[1,s)∪(s,k]

ts,real=ts,nor

1.3.4 工況四

2 仿真驗證

依托中鐵第四勘察設計院集團有限公司與東南大學共同承擔的科研課題，以南京市江東中路-奧體大街平交路口為案例路口，實測采集道路設施與交通運行數據，并在Vissim軟件構建交通仿真環境，對信號優先控制方法的應用進行仿真驗證。

江東中路是南京河西新城南北向主干道，雙向共14條車道，道路寬74 m；奧體大街是河西新城的東西向主干道，雙向共6條車道。沿江東中路敷設有路側直線式有軌電車線路。本研究于2015年4月6～10日、2018年6月18～22日(正常工作日)的9:00—16:00，分別實測采集了連續5 d的數據。

2.1 仿真環境與評價方法

實時信號控制的仿真工具采用Vissim仿真軟件中的VAP模塊。交通運行數據由站點停靠時間短時預測模型標定，由有軌電車到達檢測器檢測，并由運行效率評價檢測器標定與獲取。案例路口原信號控制方案采用普通四相位信號配時方案，其信號周期為140 s，相位黃燈時間為3 s。其中，有軌電車相位與江東中路常規地面交通直行相位共用相位3。具體信號配時方案見圖4。

圖4 江東中路-奧體大街平交路口信號配時方案Fig.4 Traffic signal control scheme at the test intersection

根據基于效率最優的信號優先控制方法，有軌電車到達平交路口的時刻可劃分為7個時間區間。按有軌電車到達平交路口時刻和實時綠燈時間的相關計算式，有軌電車在各個區間到達平交路口時，各相位的實時綠燈時間計算結果如表1所示。

表1 有軌電車在不同時間區間到達時的實時綠燈時間

2.2 實時優先控制方法對電車通行效率的影響

為研究通行效率，本研究將包括平交路口寬度在內的250 m路段作為檢測范圍，以有軌電車在檢測范圍內的運行時間作為通行效率指標。由此可知，運行時間越短，通行效率越高。試驗中的有軌電車到達檢測器設置在平交路口停車線前45 m處。在仿真計算中，將平交路口的飽和度設置為0.3，將有軌電車的發車間隔設置為280 s、420 s、700 s、840 s，選擇有軌電車在檢測路段的行程時間作為評價平交路口運行效率的指標，則得到案例路口采用基于效率最優的有軌電車信號優先控制方法前后的有軌電車路口運行時間，如圖5所示。

由圖5可知，有軌電車上行線路在平交路口的運行時間減少了6～10 s，下行減少了5～9 s。說明根據有軌電車預測到達時刻所屬的區間，通過壓縮非電車相位的綠燈時間，對電車相位進行早啟或延長控制，能顯著提升有軌電車在平交路口的通行效率。

a) 發車間隔為280 s

c) 發車間隔為700 s

3 結語

本文提出了一種基于運行效率最優的有軌電車實時信號優先控制方法。該方法按有軌電車到達平交路口時刻劃分了4種工況，并針對不同工況，選擇非電車相位時間壓縮策略，計算電車相位早啟或延長時間。選取南京市江東中路-奧體大街平交路口作為案例路口，借助Vissim交通仿真軟件對所提方法的實施效果進行仿真驗證。驗證結果表明，本文提出的控制方法在不同發車間隔水平下，均能降低有軌電車在平交路口的平均運行時間，有助于提高電車在平交路口處的通行效率。