苗齊壯，孫鳳英，張梅美

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的汽車產(chǎn)量也在逐年增長(zhǎng)，私家車和出租車的數(shù)量不斷擴(kuò)大，各城市交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。在公交發(fā)車頻率不斷提高的繁忙市區(qū)內(nèi)，尤其是早高峰和晚高峰的出行時(shí)段中，公交車輛的優(yōu)先通行得不到保障。使得公交車在路口的延誤增加，難以發(fā)揮公共交通運(yùn)輸高效、安全、快捷的特性。

公交優(yōu)先的實(shí)現(xiàn)通?；趦煞N方式——空間和時(shí)間。空間指通過設(shè)置公交專用道來實(shí)現(xiàn)公交路權(quán)優(yōu)先;時(shí)間指通過對(duì)道路信號(hào)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)公交車輛信號(hào)優(yōu)先。公交優(yōu)先戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)之一就是信號(hào)優(yōu)先。公交信號(hào)優(yōu)先控制，是指依據(jù)道路檢測(cè)器檢測(cè)到的社會(huì)車輛和公交車輛的信息，通過信號(hào)配時(shí)技術(shù)賦予公交車輛在交叉口的優(yōu)先通行權(quán)，達(dá)到公交車輛優(yōu)先的目的，是一種對(duì)公交車輛利益優(yōu)先考慮的信號(hào)配時(shí)技術(shù)。利用交通信號(hào)控制方法，能夠保障公交運(yùn)行的快捷性和準(zhǔn)時(shí)性，可減少公交車在道路交叉口產(chǎn)生的延誤，使居民出行得到更大的便利。

1 公交信號(hào)優(yōu)先策略

目前，公交信號(hào)優(yōu)先控制的方法主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:主動(dòng)公交信號(hào)優(yōu)先控制、被動(dòng)公交優(yōu)先信號(hào)控制和實(shí)時(shí)信號(hào)優(yōu)先控制［1］。

(1)主動(dòng)優(yōu)先。是指通過預(yù)置的路面檢測(cè)器檢測(cè)公交車輛行駛狀況，采取減少、增加、提前或延長(zhǎng)相位的信號(hào)調(diào)整方法來滿足公交優(yōu)先的條件，提高公交車的運(yùn)行效率。主動(dòng)優(yōu)先包括有條件優(yōu)先和無條件優(yōu)先。

(2)被動(dòng)優(yōu)先。是指依據(jù)道路交叉路口的歷年交通流數(shù)據(jù)，預(yù)先設(shè)計(jì)好公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)方案。但此優(yōu)先方案不具備靈活性。

(3)實(shí)時(shí)優(yōu)先。實(shí)時(shí)優(yōu)先是近年來最新發(fā)展起來的公交信號(hào)優(yōu)先控制理念。主要基于無線射頻、GPS等裝置估計(jì)道路系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，分析道路網(wǎng)絡(luò)上的公交車上乘客數(shù)、公交車流量、社會(huì)車流量、公交車輛運(yùn)行是否晚點(diǎn)或被堵塞等狀況，結(jié)合實(shí)時(shí)道路信息的公交交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)先策略。實(shí)時(shí)優(yōu)先策略在縮短公交乘客出行時(shí)間和減少公交車延誤的同時(shí)，可對(duì)其余交通方式的影響降到最低［2］。

2 公交信號(hào)優(yōu)先的控制方案

本文研究的內(nèi)容主要基于公交專用道上的公交信號(hào)優(yōu)先。公交信號(hào)的優(yōu)先主要有以下幾種方法:相位跳轉(zhuǎn)、相位插入、綠燈提前及綠燈延長(zhǎng)等［3］。

(1)相位跳轉(zhuǎn)。即忽略與公交運(yùn)行方向相反相位的綠燈信號(hào)。當(dāng)公交車輛駛?cè)氲缆方徊婵跁r(shí)，公交車輛通行方向信號(hào)為紅燈，在當(dāng)前相位的執(zhí)行綠燈時(shí)間即將結(jié)束，而下一個(gè)相位不是公交車輛通行方向的相位的條件下，公交車輛只有等到該相位執(zhí)行完畢后，才可通過道路交叉口繼續(xù)運(yùn)行。若交叉口下一執(zhí)行相位等待通行的社會(huì)車輛較少，在權(quán)衡道路系統(tǒng)運(yùn)行效益的基礎(chǔ)上，則可跳過該下一執(zhí)行相位，直接跳入公交車輛通行方向的綠燈相位。從而使公交車輛以綠燈信號(hào)順利通過交叉口，降低公交車輛在道路交叉口的延誤時(shí)間。

(2)相位插入。指在正常的信號(hào)相位相序中為公交車輛添加一個(gè)特定的相位。當(dāng)公交車輛駛?cè)氲缆方徊婵跁r(shí)，且公交車輛通行方向?yàn)榧t燈信號(hào)，交叉口當(dāng)前相位的下一執(zhí)行相位仍不允許公交車輛通過，這時(shí)可在當(dāng)前相位和下一相位之間插入一個(gè)公交專用相位，在信號(hào)優(yōu)先的條件下使公交車輛順利通過交叉口。

(3)綠燈提前。指縮短車輛等待綠燈信號(hào)到來的時(shí)間。當(dāng)公交車輛駛?cè)氲缆方徊婵跁r(shí)，公交車輛通行方向的相位為紅燈，這時(shí)可通過縮短交叉口當(dāng)前相位的綠燈執(zhí)行時(shí)間，使公交車輛運(yùn)行方向的綠燈信號(hào)快速到來，讓公交車輛順利通過交叉口。在這種控制策略下，當(dāng)綠燈提前方案發(fā)生時(shí)，在周期長(zhǎng)度不變的情況下，可以在后續(xù)執(zhí)行相位相序方案中對(duì)前一相位進(jìn)行綠燈補(bǔ)償。

(4)綠燈延長(zhǎng)。指延長(zhǎng)當(dāng)前綠燈相位時(shí)間。當(dāng)公交車輛駛?cè)氲缆方徊婵跁r(shí)，若公交車輛行駛方向信號(hào)為綠燈，且該相位的綠燈信號(hào)即將結(jié)束，這時(shí)可采用延長(zhǎng)該相位的綠燈時(shí)間方案，以使公交車輛有足夠的時(shí)間通過交叉口，達(dá)到公交優(yōu)先的目的。公交車輛通過交叉口后，控制系統(tǒng)將恢復(fù)原有的信號(hào)配時(shí)［4-5］。

3 公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施影響

3.1 公交信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文主要基于主動(dòng)優(yōu)先方案和實(shí)時(shí)優(yōu)先方案相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)公交信號(hào)優(yōu)先方案。其優(yōu)先方案如圖1所示。

圖1 公交信號(hào)優(yōu)先方案設(shè)計(jì)Fig.1 The scheme design of bus signal priority

此系統(tǒng)主要由路口檢測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)控制中心、公交調(diào)度中心、信號(hào)系統(tǒng)、公交車輛檢測(cè)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等部分組成。

在進(jìn)行公交信號(hào)優(yōu)先方案設(shè)計(jì)時(shí)，從滿足公交車輛優(yōu)先、減少交叉口延誤、提高乘客出行效率的角度出發(fā)，應(yīng)著重考慮的幾個(gè)因素為:公交車輛定位精度、公交信號(hào)優(yōu)先申請(qǐng)的方式、無線通信的可靠性、無線傳輸?shù)恼_性和保密性［6-7］。

在本信號(hào)優(yōu)先方案設(shè)計(jì)中，在公交車輛檢測(cè)完成后，需要按照階段化的處理方式將檢測(cè)結(jié)果送至信號(hào)控制器。在實(shí)現(xiàn)過程中，需要提供與車輛檢測(cè)設(shè)備、信號(hào)控制器獨(dú)立的接口設(shè)備，完成檢測(cè)結(jié)果向信號(hào)控制器的傳輸，其三者的關(guān)系如圖2所示。

圖2 公交信號(hào)優(yōu)先申請(qǐng)過程Fig.2 The application process of bus signal priority

3.2 實(shí)施信號(hào)優(yōu)先對(duì)交叉口服務(wù)水平的影響

道路交叉口的服務(wù)水平影響因素主要有:車輛延誤和車頭時(shí)距。延誤是反映駕駛員不舒適、油耗和行駛時(shí)間受損的指標(biāo)。服務(wù)水平通常用15 min分析期間內(nèi)每輛車平均停車延誤來表達(dá)。根據(jù)司機(jī)對(duì)各種延誤的可能接受程度，《通行能力手冊(cè)》規(guī)定信號(hào)交叉口服務(wù)水平分為六個(gè)等級(jí)，見表1［8］。

表1 道路信號(hào)交叉口服務(wù)水平標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The standard of service levels for road signal intersections

4 基于TransModeler軟件仿真的實(shí)例分析

TransModeler是美國(guó)Caliper公司推出的多功能交通仿真軟件包。以地理信息系統(tǒng) (GIS)為基礎(chǔ)，采用最新的交通行為仿真模型，提供城市交通規(guī)劃、仿真，仿真結(jié)果評(píng)價(jià)和分析等功能。

應(yīng)用TransModeler軟件進(jìn)行仿真，其仿真參數(shù)標(biāo)定的目標(biāo)是使仿真輸出的結(jié)果能夠體現(xiàn)出優(yōu)化方案的科學(xué)性與可行性。標(biāo)定的主要參數(shù)是車輛停留時(shí)間和車頭時(shí)距及車輛行駛速度［9］。

4.1 公交線路模擬仿真

本文以哈爾濱市第5路公交車為仿真對(duì)象。主要對(duì)哈爾濱市第5路公交車進(jìn)行兩次模擬仿真運(yùn)行，第一次為模擬現(xiàn)狀，將現(xiàn)實(shí)公交運(yùn)行狀況模擬到系統(tǒng)中運(yùn)行。第二次為在公交專用道上設(shè)置公交信號(hào)優(yōu)先權(quán)后的5路公交車運(yùn)行方案仿真。其仿真運(yùn)行界面如圖3所示。

圖3 哈爾濱新陽路與安寧街交叉口3D仿真運(yùn)行圖Fig.3 The picture of 3D simulation for the intersection between Xinyang road and Anning street in Harbin

在仿真過程中設(shè)置仿真系統(tǒng)主要記錄系統(tǒng)運(yùn)行中交叉口的車輛延誤狀況和道路上車輛的車頭時(shí)距和行駛速度。TransModeler軟件在仿真過程中記錄延誤所應(yīng)用的模型為:

式中:d為車輛平均延誤，s/veh;c為信號(hào)周期長(zhǎng)，s;u為綠信比;x為飽和度;Q為交通流量，輛/h;T為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間;m，n為參數(shù);x0為公式中第二項(xiàng)小于零時(shí)的飽和度;w為常數(shù)。

x0可表示為:

式中:s為飽和流率;g為有效綠色時(shí)間，s;a，b為參數(shù)

4.2 公交線路模擬仿真輸出

本文在交通仿真過程中輸出的主要數(shù)據(jù)包括有:交叉口車輛延誤時(shí)間、路段車輛行駛速度、交叉口車輛行駛速度、擁堵狀態(tài)時(shí)的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度、公交車行駛時(shí)間、公交車進(jìn)站出站時(shí)間長(zhǎng)度、公交車行駛速度和車輛交叉口延誤時(shí)間。表2、表3為設(shè)置信號(hào)優(yōu)先前后5路公交車的運(yùn)行服務(wù)時(shí)間。

表2 設(shè)置信號(hào)優(yōu)先前5路公交車運(yùn)行服務(wù)時(shí)間Tab.2 The operation time of No.5 bus before setting priority on signal

表3 設(shè)置信號(hào)優(yōu)先后5路公交車運(yùn)行服務(wù)時(shí)間Tab.3 The operation time of No.5 bus after setting priority on signal

通過表2和表3中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，在設(shè)置公交信號(hào)優(yōu)先后每小時(shí)車站經(jīng)過的公交車數(shù)增加，車頭時(shí)距也比之前小很多，車頭時(shí)距小表明乘客在站點(diǎn)的候車時(shí)間減少，從而減少了乘客出行的候車等待時(shí)間。

公交信號(hào)優(yōu)先的設(shè)置是為了減少公交車在道路交叉口的延誤時(shí)間。表4和表5為安升街與新陽路交叉口設(shè)置信號(hào)優(yōu)先前后的車輛延誤狀況。安升街為由北向南單行街。

表4 設(shè)置信號(hào)優(yōu)先前的安升街與新陽路交叉路延誤狀況Tab.4 The delays in the intersection between Ansheng street and Xinyang road before setting priority on signal

表5 設(shè)置信號(hào)優(yōu)先后的安升街與新陽路交叉路延誤狀況Tab.5 The delays in the intersection between Ansheng street and Xinyang road after setting priority on signal

通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出設(shè)置公交信號(hào)優(yōu)先后公交車交叉口延誤降低，服務(wù)水平由原來的D級(jí)升為C級(jí)。雖然對(duì)社會(huì)車輛的交叉口延誤有所影響但并沒有影響到交叉口對(duì)社會(huì)車輛的服務(wù)水平。

5 結(jié)論

應(yīng)用TransModeler軟件對(duì)哈爾濱市第5路公交車運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬仿真，得出5路公交車的運(yùn)行現(xiàn)狀，與實(shí)際道路運(yùn)行狀況吻合。對(duì)5路公交車行駛道路設(shè)置公交信號(hào)優(yōu)先權(quán)，得出設(shè)置公交信號(hào)優(yōu)先勸后公交車在交叉口的延誤時(shí)間減少，公交車的車頭時(shí)距減少，運(yùn)行速度提高，減少了乘客的出行時(shí)間，同時(shí)公交自身效益也有所增加。

應(yīng)用TransModeler軟件對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，效果明顯，可進(jìn)行優(yōu)化方案的對(duì)比，提高優(yōu)化方案選擇的科學(xué)性和效率，降低方案差錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］梁乙朝.公交信號(hào)優(yōu)先技術(shù)助力北京公共交通發(fā)展［J］.公路交通科技，2011，28(7):26-30.

［2］馬萬經(jīng)，楊曉光.公交信號(hào)優(yōu)先控制策略研究綜述［J］.城市交通，2010，11(8):70-78.

［3］李 鳳.公交信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制理論與方法研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

［4］別一鳴，王殿海，趙瑩瑩，等.干線協(xié)調(diào)交叉口多相公交信號(hào)優(yōu)先控制策略［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(10):111-117.

［5］李大銘，趙新良，孫 琦.公交車及其它路權(quán)優(yōu)先車輛信號(hào)優(yōu)先模型研究［J］.交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2011，11(4):119-123.

［6］孟小岳，何祖軍.常規(guī)公交系統(tǒng)公交信號(hào)優(yōu)先控制算法研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程學(xué)報(bào)，2011，11(4):2529-2532.

［7］高 歌，高 克.BRT信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)控制與設(shè)計(jì)［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2011(1):47-50.

［8］房化成，李 楓.平面交叉口延誤分析與服務(wù)水平評(píng)估［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009(1):87-89.

［9］楊 慧，成 衛(wèi)，肖海承，等.基于TransModeler的擁堵區(qū)域交通流量調(diào)控方法研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011(3):1746-1750.

［10］朱 琳，強(qiáng)添剛，王春蕾.停靠站對(duì)公交專用道通行能力的影響分析［J］.森林工程，2010，26(6):66-68.