結(jié)合車速引導(dǎo)的相鄰交叉口公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方法*

羅浩順 徐良杰 陳國俊 程加琪

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

公交優(yōu)先信控方法合理優(yōu)化交叉口原有信號配時(shí)，賦予公交車輛在交叉口處一定的優(yōu)先通行權(quán)，從而減少公交車輛在交叉口因紅燈攔截產(chǎn)生的減速和停車情況.根據(jù)公交優(yōu)先信控方法的實(shí)施范圍，可將其分為單點(diǎn)優(yōu)先、干線優(yōu)先和網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)先[1].

針對單點(diǎn)交叉口的優(yōu)先控制策略應(yīng)用廣泛，其中被動(dòng)優(yōu)先策略不考慮交叉口實(shí)際公交車到達(dá)情況，多基于已有數(shù)據(jù)對離線方案進(jìn)行優(yōu)化；主動(dòng)優(yōu)先策略通過處理檢測裝置收集的交叉口實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行紅燈早斷、綠燈延長，以及相位插入等信號方案調(diào)整；實(shí)時(shí)優(yōu)先策略不斷檢測并采集數(shù)據(jù)以優(yōu)化信號控制方案，從而給公交車輛提供實(shí)時(shí)信號優(yōu)先[2-5].而在實(shí)際城市道路網(wǎng)絡(luò)之中，各交叉口車輛運(yùn)行特征存在一定關(guān)聯(lián)而非完全獨(dú)立，單個(gè)交叉口的優(yōu)先控制策略未考慮交叉口群的整體性，可能對干線或者區(qū)域內(nèi)的交叉口協(xié)調(diào)策略造成干擾或者破壞[6-8].之后，部分學(xué)者以交叉口群為研究對象，進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制，其關(guān)鍵在于理想時(shí)差的確定，主要采用的方法為圖解法與數(shù)解法.其中，圖解法通過分析時(shí)空圖上的幾何關(guān)系，以帶寬最大為優(yōu)化目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，求解出協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的時(shí)差以確定理想綠波帶.數(shù)解法則求解使協(xié)調(diào)系統(tǒng)中實(shí)際信號與理想信號位置之間的最大挪移量達(dá)到最小的相位差，以此獲取最佳信號協(xié)調(diào)控制方案[9-11].

本文考慮上下游交叉口之間公交車隊(duì)的運(yùn)行特征，建立相鄰交叉口公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方案，通過預(yù)指令車速信息引導(dǎo)公交車隊(duì)產(chǎn)生集結(jié)，縮短車隊(duì)通過交叉口所需的綠燈時(shí)長，使得社會(huì)車輛綠波帶帶寬達(dá)到最大，提高交叉口干線之間的通行效率.

1 交叉口協(xié)調(diào)信控方案

在干線交叉口信控方案中，若上游交叉口綠燈于0時(shí)刻啟亮，綠燈時(shí)長為g1；下游交叉口綠燈時(shí)長為g2；基于協(xié)調(diào)控制基本原理，上下游交叉口周期時(shí)長C相同，相位差為Of.公交車輛在專用道上集結(jié)成車隊(duì)，車隊(duì)頭車于tb時(shí)刻到達(dá)上游交叉口，公交車隊(duì)最大車頭時(shí)距為hb，交叉口干線間公交車輛、社會(huì)車輛在運(yùn)行時(shí)長分別為Tb、Tv，協(xié)調(diào)控制綠波帶帶寬BW，見圖1.

圖1 協(xié)調(diào)控制時(shí)空圖

采用Webster模型，計(jì)算協(xié)調(diào)控制中各交叉口的最佳信號周期，其中最大值為公共周期時(shí)長.

Cj=(1.5L+5)/(1-Y)

(1)

C=max(Cj)

(2)

式中：Cj為交叉口j的最佳信號周期時(shí)長，s；L為信號總損失時(shí)間，s；Y為各相位關(guān)鍵車道組流率比之和；C為協(xié)調(diào)控制公共周期時(shí)長，s.

各相位綠燈時(shí)長為

gEi=(C-L)yi/Y

(3)

gi=gEi+li-Ai

(4)

式中：gEi為相位i的有效綠燈時(shí)長，s；yi為相位i的關(guān)鍵車道組流量比；gi為相位i的綠燈顯示時(shí)長，s；li為相位i的損失時(shí)間，s；Ai為相位i的黃燈時(shí)長，s.

調(diào)整非協(xié)調(diào)相位的飽和度，優(yōu)化各相位綠燈時(shí)長.

(5)

(6)

(7)

為使社會(huì)車輛綠波帶帶寬最大，建模如下.

maxz(Of)=BW

(8)

式中：z(Of)為目標(biāo)函數(shù)；w1為協(xié)調(diào)控制綠波的下限；w2為協(xié)調(diào)控制綠波的上限；nb為公交車隊(duì)抵達(dá)時(shí)下游交叉口的當(dāng)前周期，其他符號含義同前.

2 預(yù)指令車速信息

公交專用道檢測器分別設(shè)置于上游交叉口出口道及下游交叉口停止線前l(fā)d處.公交車隊(duì)從上游交叉口運(yùn)行至下游交叉口的過程中，由于車輛之間產(chǎn)生離散，不斷拉大公交車隊(duì)首尾車輛車頭時(shí)距htq，因此會(huì)造成社會(huì)車輛的綠波帶縮減.由此，在上下游交叉口之間設(shè)置預(yù)指令車速信息，引導(dǎo)公交車隊(duì)的隊(duì)伍前方車輛適當(dāng)減速，尾部車輛合理加速，預(yù)指令信息設(shè)置見圖2.

圖2 預(yù)指令信息設(shè)置

假設(shè)預(yù)指令信息推薦的引導(dǎo)速度為為v，則：

(9)

式中：t3n為公交車隊(duì)中第n輛公交到達(dá)下游交叉口的時(shí)刻，s；t2n為第n輛公交到達(dá)預(yù)指令信息所在位置的時(shí)刻，s；v2n為第n輛公交到達(dá)預(yù)指令信息所在位置的速度，m/s；h2n為第n輛公交到達(dá)預(yù)指令信息所在位置時(shí)與前車的車頭時(shí)距，s；a為公交車輛加速度，m/s2.

在預(yù)指令信息的引導(dǎo)下，公交車隊(duì)到達(dá)下游交叉口時(shí)車隊(duì)首尾車頭時(shí)距為

(10)

為使公交車輛產(chǎn)生集結(jié)，以上游交叉口檢測器獲取的車隊(duì)首尾車頭時(shí)距hb作為車隊(duì)到達(dá)下游的目標(biāo)車頭時(shí)距，求解預(yù)指令信息推薦的引導(dǎo)速度，即

(11)

結(jié)合道路限速要求，且行車過程中車速不宜劇變，預(yù)指令引導(dǎo)車速最終值為

(12)

式中：vmax，vmin為實(shí)際道路最大、最小車速，由實(shí)測標(biāo)定；vn為公交車隊(duì)中第n輛公交的速度.

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 仿真建模

以武漢市中北路兩連續(xù)信控交叉口為案例，公交專用道采用路側(cè)式，并在交叉口進(jìn)口設(shè)置公交專用道，平面示意見圖3.

圖3 案例路段平面示意

此路段早晚高峰時(shí)期實(shí)施公交專用道，實(shí)地調(diào)查得到上下游交叉口流量數(shù)據(jù)，見表1～2.

表1 上游交叉口交通流量統(tǒng)計(jì) veh·h-1

表2 下游交叉口交通流量統(tǒng)計(jì) veh·h-1

使用VISSIM9.0仿真軟件并利用COM端口對其二次開發(fā)，優(yōu)化交叉口信號配時(shí)方案并實(shí)現(xiàn)預(yù)指令車速信息對公交車隊(duì)的引導(dǎo)功能.仿真試驗(yàn)共計(jì)4 800 s，剔除初期交通流不穩(wěn)定所產(chǎn)生的噪聲，仿真建模見圖4.

圖4 交叉口仿真模型

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 交叉口評價(jià)指標(biāo) 協(xié)調(diào)控制方案評價(jià)參數(shù)見表3.表4、表5為優(yōu)化結(jié)果.

表3 協(xié)調(diào)控制方案參數(shù)

由表4～5可知，相比原始信控方案，相鄰交叉口協(xié)調(diào)控制方案中上游交叉口社會(huì)車輛與公交

表4 上游交叉口參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

表5 下游交叉口參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

車輛的平均延誤與平均停車次數(shù)均明顯減小.下游交叉口中社會(huì)車輛平均延誤降低更顯著，表明協(xié)調(diào)控制方案在保證公交優(yōu)先效果的同時(shí)，有效減少對社會(huì)車輛的干擾.

2) 預(yù)指令車速信息作用效果 試驗(yàn)中僅于西向東方向設(shè)置預(yù)指令信息，得到交叉口進(jìn)口道公交車輛排隊(duì)情況見圖5.

圖5 交叉口進(jìn)口道公交排隊(duì)情況

西進(jìn)口道公交排隊(duì)情況明顯優(yōu)于未設(shè)置車速引導(dǎo)的東進(jìn)口道，其中，上游交叉口公交最大排隊(duì)長度由52.7 m下降至29.4 m，下游交叉口由56.1 m下降至27.8 m.因此，協(xié)調(diào)控制方案能有效改善交叉口干線之間車輛排隊(duì)情況，緩解交通擁堵.

4 結(jié) 論

1) 在實(shí)施相鄰交叉口協(xié)調(diào)控制方案后，上下游交叉口社會(huì)車輛與公交車輛的平均延誤與平均停車次數(shù)均明顯減小.

2) 該方案在確保公交優(yōu)先通行的同時(shí)，有效減少對社會(huì)車輛的干擾.

3) 該方案能有效改善交叉口干線之間車輛排隊(duì)情況，緩解交通擁堵.