汪 健 胡娟娟 李 鳳

（交通運輸部科學研究院1） 北京 100029） （北京工業(yè)大學建筑工程學院2） 北京 100022）（交通運輸部管理干部學院3） 北京 101601）

0 引 言

主動式公交信號優(yōu)先單點控制在公交車流過大情況下，可能導致每周期都進行公交優(yōu)先，造成其他相位交通狀態(tài)就會逐漸惡化，二次排隊嚴重，甚至交通擁堵［1］.被動式公交信號優(yōu)先單點控制在公交車流過大情況下，會導致在疊加相位內(nèi)，公交車與社會車流的沖突就會加重，存在極大的安全隱患［2］.王彬［3］在明確干線協(xié)調(diào)與公交優(yōu)先的優(yōu)先級關系上，采用雙層優(yōu)化方法，以主動式早啟、晚斷模式為核心模塊，綠波帶上下限作為約束條件調(diào)整公交信號優(yōu)先的具體方案.郭志勇等［4］人基于博弈理論，以減少公交干線沿途交叉口信號延誤為目標，研究干線公交線路運營調(diào)度、途徑交叉口信號控制主動式協(xié)調(diào)技術，形成公交車輛運行的綠波控制.

國外學者研究則主要偏向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)控制下的公交優(yōu)先優(yōu)化方法研究，如Chintan Sheth［5］通過公交車輛運行時間與乘客期望值之間的時間差來公交路線在路網(wǎng)中優(yōu)先級別；Daganzo等［6］在研究了公交車流在連續(xù)不斷下的公交優(yōu)先政策的評估和優(yōu)化.還有其他學者［7－8］通過研究網(wǎng)絡協(xié)調(diào)下的公交優(yōu)先權重以及考慮公交優(yōu)先的優(yōu)化算法來實現(xiàn)公交車輛在協(xié)調(diào)控制下的優(yōu)先.本文提出的主動式公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方法針對公交車流進行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)交叉口間的綠燈時間和相位差的優(yōu)化.

1 研究思想

1.1 優(yōu)化原則

要想同時實現(xiàn)公交信號優(yōu)先和社會車流干線協(xié)調(diào)，必須考慮社會車流和公交車流兩者的差異性.一是社會車流和公交車流的車速不同，即使在同一綠燈時間內(nèi)駛出的車輛，到達下游交叉口的時間會差異很大，所以2股車流勢必存在沖突.二是社會車流和公交車流所需的綠燈時間不同.社會車流可以認為是連續(xù)性的，綠燈時間越長，通過的車輛越多，而公交車則不同，只要間斷性的公交車駛離交叉口，那么后續(xù)的綠燈時間對于公交車而言，已經(jīng)沒有意義.因此，基于上述2點考慮，均衡2股車流的思路應該是先保證公交車流駛離交叉口的前提下，使干線協(xié)調(diào)的綠波帶最大化.本文通過尋求一種配時優(yōu)化方法，使兩股車流雖然都不是最優(yōu)，卻能實現(xiàn)社會車流協(xié)調(diào)和公交優(yōu)先.

1.2 優(yōu)化思路

首先建立基于綠燈時間、相位差、車流流量、路段行駛時間等參數(shù)的綠波帶優(yōu)化基本模型.根據(jù)基本模型，建立社會車流綠波帶和公交車流綠波帶寬度模型.在此基礎上，以社會車流綠波帶最大為優(yōu)化目標，對多個交叉口的信號配時參數(shù)進行優(yōu)化，確定各交叉口的信號配時參數(shù).

1.3 參數(shù)定義

模型相關參數(shù)定義如下：本交叉口綠燈啟亮時刻假定為0；公交車流到達本交叉口檢測器時刻距綠燈啟亮時刻為，s；到達停車線時刻距綠燈啟亮時刻為，s；公交車流量為mb；公交車流頭車車頭到尾車車頭的時間差為hb；公交相位j綠燈時間為，s；周期為c，s；相位i基礎綠燈時間為，s；相位i的流量為，veh／s；公交車輛在上下游停車線間的路段行駛時間Tb，s；社會車輛路段行駛時間為Tv，s；下游交叉口相位i的流量為，veh／s；相位i基礎綠燈時間為，s；下游交叉口現(xiàn)有配時下的公交協(xié)調(diào)相位綠燈時間為s；相位差為oj，s.

2 基于綠波帶的優(yōu)化模型建立

2.1 公交車流綠波帶優(yōu)化模型

根據(jù)以上研究思路，建立社會車流綠波帶優(yōu)化模型（如圖1）.社會車流綠波帶表示的是，根據(jù)社會車流平均行駛速度，本交叉口車輛到達下游交叉口停車線時刻，剛好在綠燈內(nèi)的那部分綠燈時間，如圖1所示的w值或者w′值［9］.單向綠波帶寬度w由綠波帶上限和綠波帶下限之間的那部分綠燈時間構成.只要求出綠波帶對應的上限和下限，兩者相減就是綠波帶寬度.

以本交叉口到達下游交叉口的單向綠波帶為例，確定單向綠波帶的上限和下限.從圖1看出，單向綠波帶的上限應為

式中：wz1為從本交叉口到下游交叉口的綠波帶上限時刻為最靠近本交叉口車流到達下游交叉口的周期數(shù)Tv，nic＋ooptj）為下游交叉口協(xié)調(diào)相位j的綠燈時間，s；ooptj為2交叉口間的相位差為本交叉口協(xié)調(diào)相位j的綠燈時間，s.

圖1 綠波帶寬度示意圖

單向綠波帶下限值

式中：wq1為從本交叉口到下游交叉口的綠波帶下限時刻，s.

根據(jù)wz1和wq1確定出本交叉口到下游交叉口的綠波帶寬度w為

同理，下游交叉口到本交叉口的反向綠波帶w′由反向綠波帶的上限和下限之間的綠燈時間確定.反向綠波帶的上限

式中：wz2為從下游交叉口到本交叉口的綠波帶上限時刻為最靠近下游車流到達本交叉口的（ ，）周期數(shù)Tv＋ooptjnic.

反向綠波帶的下限值

式中：wq2為從本交叉口到下游交叉口的綠波帶下限時刻，s.

根據(jù)wz2和wq2確定社會車流從下游交叉口到本交叉口的綠波帶寬度w′為

建立社會車流綠波帶優(yōu)化模型

式中：wv為社會車流綠波帶寬度，s.

以社會車流綠波帶寬度最大為優(yōu)化目標，優(yōu)化得到下游交叉口的相位差ooptj和綠燈時間.根據(jù)這2個參數(shù)確定公交車流綠波帶.

2.2 公交車流綠波帶優(yōu)化模型

公交車流從本交叉口到下游交叉口的綠波帶寬度wb應是公交車流綠波帶的上限與下限的時間差，見圖1.

公交車流綠波帶的上限值

式中：wz3為從下游交叉口到本交叉口的綠波帶上限時刻，s；nbj為最靠近公交車流到達下游的周期數(shù)；nbj＝為無阻礙通過本交叉口的公交車流頭車到尾車的時間差，s.公交車流綠波帶的下限值

式中：wq3為從本交叉口到下游交叉口公交車流的綠波帶下限時刻，s.

3 最佳決策優(yōu)選方法

根據(jù)wz3和wq3就可確定社會車流從下游交叉口到本交叉口的綠波帶寬度wb為

公交車流綠波帶wb與存在3種情況：（1）wb＝，公交車流綠波帶滿足公交優(yōu)先要求，不用調(diào)整以社會車流綠波帶最大為優(yōu)化目標的優(yōu)化信號配時參數(shù)，得到了同時滿足社會車流協(xié)調(diào)和公交車流優(yōu)先的信號配時方案；（2）調(diào)整信號配時參數(shù)，wb＝0，說明信號配時參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間不能滿足公交優(yōu)先要求，不用調(diào)整以社會車流綠波帶最大為優(yōu)化目標的優(yōu)化信號配時參數(shù)，得到了滿足社會車流協(xié)調(diào)的信號配時方案；（3）0≤wb＜，以公交車流綠波帶寬度最大為優(yōu)化目標，重新優(yōu)化信號配時參數(shù)，即

若根據(jù)式（11），優(yōu)化得到的信號配時參數(shù)存在多個最優(yōu)解，可再以社會車流綠波帶寬度最大為優(yōu)選模型，即式（7），選擇多個最優(yōu)解中的最佳信號配時方案，得到同時滿足社會車流協(xié)調(diào)和公交優(yōu)先的配時方案；如果只有一個最優(yōu)解，那么重新優(yōu)化得到的信號配時方案，就是滿足公交車流優(yōu)先的配時方案.

4 控制算法驗證

4.1 基礎數(shù)據(jù)

4.1.1 道路數(shù)據(jù) 假設2交叉口間距為600m，社會車輛飽和流量為1 800veh／h，公交車輛飽和流率為900veh／h，社會車流的飽和車頭時距hs＝2s／veh，公交車流飽和車頭時距hsb＝4s，阻塞密度Km＝140veh／km.公交正常行駛速度為10 m／s，社會車輛行駛速度為15m／s.

如圖2所示，交叉口1和交叉口2的道路渠化相同，從交叉口1檢測器到停車線間距離為100m，交叉口1停車線到交叉口2停車線間距離為600m.2交叉口都有公交專用道道，東西方向的左轉車道渠化段長度為40s.東西進口道的人行橫道長為30m，南北進口道的人行橫道長為15 m，行人步速為1.5m／s.

圖2 2交叉口道路渠化示意圖

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，確定公交車從交叉口1檢測器到停車線間的路段行駛時間Ta＝10s，公交車從交叉口1停車線到交叉口2停車線間的路段行駛時間Tb＝60s，社會車輛路段行駛時間為Tv＝40s.

4.1.2 原有信號配時數(shù)據(jù) 各進口道流量如表1所列.兩交叉口均為三相位交叉口，原有信號配時方案如表2所列，相位損失時間為3s，公共周期為80s，2交叉口的原有相位差為40s.

表1 2交叉口交通流量數(shù)據(jù) veh／h

表2 兩交叉口信號配時數(shù)據(jù)表 s

4.1.3 公交檢測數(shù)據(jù) 假定檢測到公交車輛數(shù)mb＝4veh，公交車流頭車到達交叉口1檢測器時刻距離綠燈啟亮時刻為＝15s，到達停車線時刻＝25s，公交車流頭車到尾車間的時間差hb＝18s.

4.2 信號配時方案確定

2交叉口信號配時見表3.

表3 兩交叉口信號配時數(shù)據(jù)表

4.3 控制效果評價

將以上數(shù)據(jù)放入VISSIM軟件模擬10次［10］，每次模擬時間為7 200s，得到每次模擬環(huán)境下的2交叉口所有社會車輛的平均延誤、2交叉口所有進口道的平均排隊長度，及所有公交車從交叉口1檢測器到交叉口2出口位置上（700 m）的路段行程時間，用于優(yōu)先前后的實際運行控制效果評價，見表4.

由表4可見，主動式公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方案，縮短了公交車路段行程時間，減少了公交車輛延誤.該方案減少了非公交相位綠燈時間，導致交叉口車均延誤的上升，但交叉口平均排隊長度基本不變，而且優(yōu)先后的社會車流綠波帶寬度要大于原有干線協(xié)調(diào)控制下的寬度.說明主動式公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制算法可在保證干線協(xié)調(diào)控制效果下，減少公交車流延誤.

表4 協(xié)調(diào)前后控制效果對比表

5 結 論

1）根據(jù)上下游交叉口信號配時及車流不同時刻到達情況，確定了公交車流和社會車流的綠波帶寬度

2）提出了綜合考慮社會車流綠波帶和公交車流綠波帶的主動式公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制算法，有效地統(tǒng)一了公交車流協(xié)調(diào)和社會車流協(xié)調(diào)控制.

3）該算法考慮的是單股公交車流的優(yōu)先控制，在雙向公交車流都需要優(yōu)先下的控制邏輯應是下一步研究方向.

［1］楊佩昆，吳兵編.交通管理與控制［M］.2版.北京：人民交通出版社，2004.

［2］馬萬經(jīng)，吳志周，楊曉光.基于交叉口群公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方法研究［J］.土木工程學報，2009，42（2）：105－111.

［3］王 彬.一種基于干線協(xié)調(diào)的公交信號優(yōu)先方法及其驗證分析［J］.公路交通科技，2011，28（S1）：36－39.

［4］郭志勇，王 煒，陳學武.“一路一線直行式”公共交通系統(tǒng)關鍵技術研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（6）：1029－1032.

［5］SHETH C，TRIANTIS K，TEODOROVIC D.Performance evaluation of bus routes：aprovider and passenger perspective［C］∥Transportation Research Part E，2006.

［6］EICHLER M，DAGANZO C F.Bus lanes with intermittent priority：strategy formulae and an evaluation［J］.Transportation Research Part B，2006（40）：731－744.

［7］SHEN G J，KONG X J.Study on road network traffic coordination control technique with bus priority［J］.IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics，Part C：Applications and Reviews，2009，39（3）：343－351.

［8］UZAM M，LI Z W，ZHOU M C.Identification and elimination of redundant control places in petri net based aliveness enforcing supervisors of FMS［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，35（1－2）：150－168

［9］王殿海.交通流理論［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［10］宋現(xiàn)敏.城市交叉口信號協(xié)調(diào)控制方法研究［D］.長春：吉林大學，2008.