呂柯興

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,610031,成都//碩士研究生)

交叉口處現(xiàn)代有軌電車與其他機(jī)動(dòng)車的平衡感應(yīng)信號(hào)控制方法

呂柯興

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,610031,成都//碩士研究生)

介紹了現(xiàn)代有軌電車與機(jī)動(dòng)車在交叉口的平衡感應(yīng)信號(hào)控制方法,通過(guò)對(duì)現(xiàn)代有軌電車交叉口各入口排隊(duì)車輛數(shù)的監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)改變信號(hào)配時(shí),從而平衡各入口車輛排隊(duì)長(zhǎng)度;通過(guò)賦予現(xiàn)代有軌電車更高的排隊(duì)權(quán)重,使現(xiàn)代有軌電車與同向機(jī)動(dòng)車流減少停車時(shí)間,獲得更多的通行時(shí)間,從而在保證其他機(jī)動(dòng)車輛通行效率的同時(shí),間接地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先通行權(quán)。運(yùn)用交通仿真軟件對(duì)比分析各入口車輛平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、總停車次數(shù)、平均延誤與平均排隊(duì)時(shí)長(zhǎng),確定各信號(hào)相位近似最優(yōu)的最大感應(yīng)綠燈信號(hào)時(shí)長(zhǎng)。仿真結(jié)果表明,在排隊(duì)長(zhǎng)度與車輛延誤方面,感應(yīng)信號(hào)配時(shí)遠(yuǎn)優(yōu)于定時(shí)信號(hào)配時(shí);相比單純的公共交通信號(hào)優(yōu)先,感應(yīng)信號(hào)控制更注重現(xiàn)代有軌電車和機(jī)動(dòng)車每個(gè)乘客的通行權(quán)利。

現(xiàn)代有軌電車; 交叉口; 平衡感應(yīng)信號(hào)控制; 最大感應(yīng)綠燈時(shí)長(zhǎng)

Author′s address School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

現(xiàn)代有軌電車憑借運(yùn)量大、速度快、成本低、環(huán)境友好等特點(diǎn)逐漸應(yīng)用于各大城市的主干道路中。隨著城市優(yōu)先發(fā)展公共交通政策的出臺(tái)[1],為提升公共交通服務(wù)品質(zhì),現(xiàn)代有軌電車作為大運(yùn)量公共交通方式在交叉口應(yīng)享有一定優(yōu)先通行權(quán)。但目前的現(xiàn)代有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制方式[2]并沒(méi)有考慮到交叉口其他機(jī)動(dòng)車輛的運(yùn)行效率與通行權(quán)利。若現(xiàn)代有軌電車遵循傳統(tǒng)的定時(shí)信號(hào)控制,則不能凸顯公共交通在運(yùn)行效率上面的優(yōu)勢(shì);若對(duì)現(xiàn)代有軌電車實(shí)施強(qiáng)制信號(hào)優(yōu)先,則會(huì)嚴(yán)重影響高峰時(shí)段沖突車流的運(yùn)行效率,造成擁堵。本文提出的現(xiàn)代有軌電車與機(jī)動(dòng)車在交叉口的平衡感應(yīng)信號(hào)控制方法可保證各個(gè)機(jī)動(dòng)車的通行權(quán)利,并間接實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先通行的策略,保證交叉口通行效率的最大化。

1 交叉口信號(hào)相位設(shè)計(jì)

現(xiàn)代有軌電車軌道在交叉口多采用平面交叉設(shè)計(jì),以有效節(jié)約建造成本,方便乘客上下車。但這種設(shè)計(jì)使得現(xiàn)代有軌電車在交叉口必須遵守信號(hào)控制策略,同時(shí)造成沖突車流的跨軌道行駛。現(xiàn)代有軌電車軌道具有多種平面排布方式,常用的現(xiàn)代有軌電車軌道斷面布置形式如圖1所示[3]。

圖1 現(xiàn)代有軌電車線路橫斷面布置形式

本文以現(xiàn)代有軌電車雙線軌道中央布置形式為例,其平面布置形式如圖2所示?，F(xiàn)代有軌電車軌道鋪設(shè)于城市主干道路之中,與之交叉的是城市次主干道或次干道。這里的城市干道等級(jí)是通過(guò)高峰時(shí)段車流量劃分的。

圖2 現(xiàn)代有軌電車交叉口平面圖

由于現(xiàn)代有軌電車軌道采用中央布置形式,所以交叉口的所有入口左轉(zhuǎn)車流都要橫跨軌道,這對(duì)現(xiàn)代有軌電車的運(yùn)行效率影響很大；又由于左轉(zhuǎn)車流一般需要單獨(dú)安排一個(gè)相位,所以交叉口各相位綠信比大大降低,車輛延誤也隨之增加。因此,該示例中實(shí)行機(jī)動(dòng)車禁左通行,需要左轉(zhuǎn)的車流可在直行后在下一次級(jí)交叉口左轉(zhuǎn),當(dāng)前現(xiàn)代有軌電車交叉口信號(hào)相位由原來(lái)的四相位縮減至二相位[4]。如圖3所示。

2 感應(yīng)信號(hào)邏輯設(shè)計(jì)

由于交叉口主次干道到達(dá)車流數(shù)量隨時(shí)間具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,因此感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交叉口各入口路段的車輛到達(dá)數(shù)量,以改變信號(hào)相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)和轉(zhuǎn)換相位。示例中通過(guò)在各入口路段添加車輛感應(yīng)器來(lái)實(shí)時(shí)記錄路段內(nèi)運(yùn)行車輛的數(shù)量,如圖4所示。以路段1為例,在停車線各車道上設(shè)置車輛感應(yīng)器,并在距停車線約100 m的路段上游位置各車道設(shè)置車輛感應(yīng)器,通過(guò)計(jì)算兩組車輛感應(yīng)器感應(yīng)到的車輛數(shù)目之差,可準(zhǔn)確計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻兩組感應(yīng)器之間的運(yùn)行車輛數(shù)目。實(shí)時(shí)改變信號(hào)配時(shí)與轉(zhuǎn)換相位,以平衡東西向路段1、3和南北向路段2、4的車輛數(shù)量。

圖3 現(xiàn)代有軌電車交叉口信號(hào)相位

圖4 路段上的車輛感應(yīng)器位置設(shè)置

監(jiān)測(cè)各入口路段車輛數(shù)的優(yōu)勢(shì)在于:第一,在車輛制動(dòng)進(jìn)入排隊(duì)之前就監(jiān)測(cè)出可能發(fā)生排隊(duì)的車輛數(shù),從而使系統(tǒng)提前判斷是否延長(zhǎng)綠相時(shí)長(zhǎng)或切換到紅燈相位;第二,監(jiān)測(cè)路段內(nèi)的車流在該信號(hào)控制下可以形成車隊(duì),從而盡量避免二次排隊(duì)的發(fā)生?，F(xiàn)代有軌電車是大運(yùn)量公共交通,可在現(xiàn)代有軌電車路段單獨(dú)設(shè)置車輛感應(yīng)器,若監(jiān)測(cè)到現(xiàn)代有軌電車,則給現(xiàn)代有軌電車的車輛數(shù)目增加一定倍數(shù)的權(quán)重,并累加到同向車流的車輛數(shù)目之中。示例中,當(dāng)監(jiān)測(cè)到現(xiàn)代有軌電車時(shí),在原有東西路段車輛數(shù)目的基礎(chǔ)之上增加20,以縮短?hào)|西走向車流的停車時(shí)間或延長(zhǎng)通行時(shí)間,從而間接實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)先通行。感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)的邏輯圖如圖5所示。

圖5 感應(yīng)信號(hào)控制邏輯圖

在實(shí)際交叉口中,可通過(guò)其他技術(shù)手段監(jiān)測(cè)各入口路段的車輛數(shù)目,如視頻監(jiān)測(cè)、GPS (全球定位系統(tǒng))監(jiān)測(cè)、車輛指紋識(shí)別、電子車牌識(shí)別等[5]。

3 示例仿真

示例為一個(gè)簡(jiǎn)化的現(xiàn)代有軌電車交叉口模型。模型中不考慮行人過(guò)街,且所有機(jī)動(dòng)車輛禁止左轉(zhuǎn),機(jī)動(dòng)車右轉(zhuǎn)不受限制;東西走向機(jī)動(dòng)車流量為2 400輛/h,南北走向機(jī)動(dòng)車流量為1 600輛/h,且兩個(gè)方向的機(jī)動(dòng)車流量均衡,由東至西和由西至東的現(xiàn)代有軌電車發(fā)車間隔為2.5 min。機(jī)動(dòng)車輛的產(chǎn)生均服從泊松分布,且機(jī)動(dòng)車輛速度滿足一定的線性分布,這樣可很好地?cái)M合到達(dá)車輛的隨機(jī)性。模型的建立使用PTV Vissim交通仿真軟件實(shí)現(xiàn)。感應(yīng)信號(hào)控制的邏輯算法使用Vissim的Visvap模塊實(shí)現(xiàn)[6]。為體現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車交叉口感應(yīng)信號(hào)控制的優(yōu)勢(shì),本文以最佳定時(shí)信號(hào)控制為參照,制定了幾組最大感應(yīng)綠燈時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)Synchro交叉口配時(shí)仿真軟件,確定了該模型的最佳定時(shí)信號(hào)配時(shí)方式[7],如圖6所示。其中相位1分配時(shí)長(zhǎng)26 s,相位2分配時(shí)長(zhǎng)24 s,周期為50 s。為保證交叉口車輛的安全疏散,在感應(yīng)配時(shí)與定時(shí)配時(shí)中設(shè)置了3 s的全紅時(shí)長(zhǎng),3 s黃燈時(shí)長(zhǎng),1 s紅黃燈時(shí)長(zhǎng)[8],但這里的Synchro軟件中沒(méi)有設(shè)置紅黃燈時(shí)長(zhǎng),因此相位1的綠燈時(shí)間(G1)約為20 s,相位2的綠燈時(shí)間(G2)約為18 s。

圖6 Synchro交叉口配時(shí)結(jié)果

感應(yīng)信號(hào)控制的各相位最大綠燈時(shí)長(zhǎng)是根據(jù)定時(shí)配時(shí)確定的,表1為幾組仿真中的最大感應(yīng)綠燈時(shí)長(zhǎng)。

表1 感應(yīng)信號(hào)控制仿真環(huán)境 s

從表1中可以看出,每個(gè)仿真的相位1與相位2最大綠時(shí)比相似;仿真2的最大綠時(shí)和定時(shí)信號(hào)的綠時(shí)相同。通過(guò)對(duì)定時(shí)信號(hào)和4組感應(yīng)信號(hào)的仿真,得到了5組仿真環(huán)境下各交叉口入口車輛的平均排隊(duì)長(zhǎng)度、最大排隊(duì)長(zhǎng)度、總停車次數(shù)、平均延誤與平均排隊(duì)時(shí)長(zhǎng)。

3.1 平均排隊(duì)長(zhǎng)度與最大排隊(duì)長(zhǎng)度

表2為5組仿真環(huán)境下各車流入口處在每個(gè)仿真步長(zhǎng)的平均排隊(duì)長(zhǎng)度。其中入口1～4為機(jī)動(dòng)車流入口,入口5～6為現(xiàn)代有軌電車入口。由于現(xiàn)代有軌電車車流量遠(yuǎn)小于機(jī)動(dòng)車流量,所以平均排隊(duì)長(zhǎng)度很小,入口6在仿真1、仿真3和仿真4環(huán)境下平均排隊(duì)長(zhǎng)度為零,表示入口6的現(xiàn)代有軌電車在這三種仿真環(huán)境下沒(méi)有發(fā)生排隊(duì)。

表2 不同仿真環(huán)境下各入口車流平均排隊(duì)長(zhǎng)度

由表2可知,定時(shí)信號(hào)的入口1、3平均排隊(duì)長(zhǎng)度最長(zhǎng),仿真1、3、4各入口平均長(zhǎng)度較短且分布均衡,沒(méi)有出現(xiàn)某個(gè)入口平均排隊(duì)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的情況。仿真2的平均排隊(duì)長(zhǎng)度表現(xiàn)一般,其中入口2、4的平均排隊(duì)長(zhǎng)度相比主干道明顯長(zhǎng)出很多,通過(guò)觀察仿真動(dòng)畫,該仿真環(huán)境下的次主干道容易發(fā)生二次排隊(duì),在現(xiàn)實(shí)情況下容易產(chǎn)生擁堵。

平均排隊(duì)長(zhǎng)度只能反映交叉口各入口整體排隊(duì)情況,而最大排隊(duì)長(zhǎng)度可反映各仿真環(huán)境下最差的排隊(duì)情況。最大排隊(duì)長(zhǎng)度可體現(xiàn)各仿真環(huán)境對(duì)二次排隊(duì)和交叉口擁堵的容錯(cuò)與疏散能力[9]。表3為各仿真環(huán)境下所有仿真步長(zhǎng)中的最大排隊(duì)長(zhǎng)度。2節(jié)編組的現(xiàn)代有軌電車的排隊(duì)長(zhǎng)度等同于40輛機(jī)動(dòng)車(有軌電車的排隊(duì)權(quán)重為20)。由表3可知,現(xiàn)代有軌電車沒(méi)有出現(xiàn)在同一入口多輛車同時(shí)排隊(duì)的情況。

表3 不同仿真環(huán)境下各入口車流最大排隊(duì)長(zhǎng)度

由表3可知,所有感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)境的1、3車流入口的最大排隊(duì)長(zhǎng)度均小于定時(shí)信號(hào)控制的1、3入口最大排隊(duì)長(zhǎng)度,體現(xiàn)出該模型中感應(yīng)信號(hào)控制在疏散較長(zhǎng)車流排隊(duì)的效率。

綜合平均排隊(duì)長(zhǎng)度和最大排隊(duì)長(zhǎng)度來(lái)看,仿真1、3、4表現(xiàn)良好。

3.2 總停車次數(shù)和平均停車時(shí)間

表4統(tǒng)計(jì)了在1 h的實(shí)際仿真時(shí)間里,不同仿真環(huán)境下各車流入口的總停車次數(shù)。總停車次數(shù)可反映各入口車流通過(guò)交叉口的流暢度。

表4 不同仿真環(huán)境下各入口車流總停車次數(shù)

由表4可知,定時(shí)信號(hào)控制在入口1、3的總停車次數(shù)高于其他仿真環(huán)境的總停車次數(shù),而感應(yīng)信號(hào)控制的2、4入口的總停車次數(shù)相比定時(shí)信號(hào)控制表現(xiàn)一般。現(xiàn)代有軌電車在各仿真環(huán)境下的總停車次數(shù)變化不大,所以現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)先通行權(quán)利在停車次數(shù)上沒(méi)有反應(yīng)出來(lái)。

表5為不同仿真環(huán)境下各入口車流的平均停車時(shí)間。平均停車時(shí)間可很好地體現(xiàn)出現(xiàn)代有軌電車在各仿真環(huán)境下相比其他機(jī)動(dòng)車輛在停車時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì),也能體現(xiàn)交叉口車輛運(yùn)行的流暢度。

表5 不同仿真環(huán)境下各入口車流平均停車時(shí)間

由表5可以看出,所有感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)境的現(xiàn)代有軌電車平均停車時(shí)間均優(yōu)于定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境,但感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)境下與現(xiàn)代有軌電車沖突的2、4入口的平均停車時(shí)間要大于1、3入口的平均停車時(shí)間。這是由于現(xiàn)代有軌電車具有更高的排隊(duì)權(quán)重,與現(xiàn)代有軌電車同向的車流也能夠享受高權(quán)重帶來(lái)的高通行率的好處。事實(shí)上,給現(xiàn)代有軌電車增加排隊(duì)權(quán)重,是將車輛的通行利益平均分配給了乘客個(gè)人?，F(xiàn)代有軌電車的乘客人數(shù)要遠(yuǎn)大于私家車乘客人數(shù),模型中賦予現(xiàn)代有軌電車20倍的排隊(duì)權(quán)重,相當(dāng)于現(xiàn)代有軌電車的乘客人數(shù)是普通私家車乘客人數(shù)的20倍。這一數(shù)值也可根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)改變。對(duì)比仿真與定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境的平均停車時(shí)間可知,仿真1、3在各入口平均停車時(shí)間上普遍優(yōu)于定時(shí)信號(hào)。

綜合來(lái)看,仿真1、3在縮短停車次數(shù)與停車時(shí)間上表現(xiàn)良好。

3.3 平均延誤

平均延誤可以體現(xiàn)一個(gè)交叉口在疏散交通上的效率[10],表6為各車流入口在不同仿真環(huán)境下的車輛平均延誤。從表中可以看出,感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)境下的現(xiàn)代有軌電車入口5、6的平均延誤遠(yuǎn)小于定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境下的平均延誤。感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)境在車流入口1、3上縮短車輛延誤具有優(yōu)勢(shì),仿真1、3在入口2、4的車輛延誤上也表現(xiàn)良好。

表6 不同仿真環(huán)境下各入口車輛平均延誤

綜合來(lái)看,仿真1、3的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他感應(yīng)信號(hào)控制環(huán)境和定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境。

3.4 結(jié)果分析

綜合以上各種指標(biāo),仿真3的表現(xiàn)最優(yōu)。在仿真3的運(yùn)行環(huán)境下,雖然現(xiàn)代有軌電車的總停車次數(shù)相比定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境沒(méi)有優(yōu)勢(shì),但平均停車時(shí)間和車輛平均延誤大大減少,有效提高了現(xiàn)代有軌電車的通行效率,相當(dāng)于間接賦予了現(xiàn)代有軌電車一定的優(yōu)先通行權(quán)利。比較各類參數(shù)可知,該平衡感應(yīng)信號(hào)控制可有效縮短車輛排隊(duì)長(zhǎng)度,從而減少二次排隊(duì)和交叉口擁堵的發(fā)生;同時(shí),機(jī)動(dòng)車的平均停車時(shí)間比定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境下縮減了許多,保證了機(jī)動(dòng)車通過(guò)交叉口的流暢度;且各機(jī)動(dòng)車流入口的車輛平均延誤也遠(yuǎn)小于定時(shí)信號(hào)控制環(huán)境下的機(jī)動(dòng)車平均延誤。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的平衡感應(yīng)信號(hào)控制方法可在提高現(xiàn)代有軌電車通行效率的同時(shí),保證其他機(jī)動(dòng)車的通行權(quán)利。賦予現(xiàn)代有軌電車更高排隊(duì)權(quán)重的做法,相當(dāng)于把車輛的通行利益分配給了個(gè)人,能夠凸顯公交先行、以人為本的策略,有利于城市公共交通的發(fā)展。該平衡感應(yīng)控制系統(tǒng)在提高交叉口通行效率上具有優(yōu)勢(shì),且算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,硬件易于實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中,可根據(jù)該交叉口各入口車流隨時(shí)間分布的大致情況,通過(guò)多次仿真確定各時(shí)間段近似最優(yōu)的最大感應(yīng)綠燈時(shí)長(zhǎng),從而協(xié)調(diào)現(xiàn)代有軌電車與其他機(jī)動(dòng)車流的運(yùn)行,達(dá)到整體運(yùn)行效率最優(yōu)的目的。

今后將進(jìn)一步研究各相位最大感應(yīng)綠燈時(shí)長(zhǎng)與車流量的關(guān)系,從而確定各車流密度下最大綠時(shí)的判斷方法,并將單點(diǎn)控制拓展到現(xiàn)代有軌電車線網(wǎng)的混合感應(yīng)信號(hào)控制。

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Equalized Actuated Signal Control for Modern Trams and Moter Vehicles at Intersection

LYU Kexing

The equalized actuated signal control for modern trams and moter vehicles at intersection is introduced.The signal timing is changing over the detection of the number of approaching vehicles at a tram intersection in order to balance vehicle queue length at each approach.By assigning a higher queuing weight to the tram,the stopping time of the approaching trams and motoer vehicles on the same direction is reduced and more passing time is provided.As a consequence,the tram enjoys indirectly a transit priority without increasing the delay time of motor vehicles,and the passing right for both trams and vehicles is equalized.By studying the average vehicle queue length,the maximum vehicle queue length, the total vehicle stopping time,the average vehicle delay time and the average vehicle stopping time,an approximate optimal maximum actuated green time is confirmed.By analyzing the output of a traffic simulation software,the equalized actuated signal control outperforms the optimal fixedtime control in respect of vehicle queue length and vehicle delay time.In comparison with aggressive transit signal priority,the equalized actuated control focuses more on every passenger′s passing right.

modern tram; intersection; equalized actuated signal control; maximum actuated green time

U482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.04.015

2015-05-26)