張斌華，成衛(wèi)

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，云南昆明 650500）

預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口協(xié)調(diào)控制策略研究*

張斌華，成衛(wèi)

（昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院，云南昆明 650500）

在已有研究的基礎(chǔ)上，對主信號與預(yù)信號協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行優(yōu)化，利用VISSIM仿真軟件對不同控制情況進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，優(yōu)化調(diào)整后，社會車輛在候駛區(qū)內(nèi)的二次停車現(xiàn)象減少，車輛運(yùn)行效率提高；預(yù)信號控制能明顯減少公交車輛的車均及人均延誤，公交優(yōu)先效益顯著，但社會車輛的車均及人均延誤增加；通過對全部車輛車均延誤的分析，可根據(jù)公交車輛占全部車輛的比值選取不同信號控制方式。

城市交通；公交優(yōu)先；預(yù)信號；延誤；VISSIM；二次停車

公交優(yōu)先是解決城市交通擁堵的有效方法。預(yù)信號的概念是英國交通運(yùn)輸局于1991年在促進(jìn)公交發(fā)展的報告中首次提出的，并于1993年將預(yù)信號控制實(shí)際應(yīng)用到英國的公交發(fā)展中。預(yù)信號公交優(yōu)先控制是公交優(yōu)先控制的一種典型形式，其主要目的是通過在時間和空間上給予公交車輛優(yōu)先權(quán)，減少公交車輛車均延誤和人均延誤，提高公交車的速度和效率，使公交車能提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

國內(nèi)外很多專家對預(yù)信號公交優(yōu)先進(jìn)行了研究。在國外，Jianping Wu率先研究了不同預(yù)信號控制情況下的公交優(yōu)先，隨后Kejun Long、Johan Wahlstedt等分別研究了單個交叉口、協(xié)調(diào)交通控制的預(yù)信號公交優(yōu)先，S.Ilgin Guler研究了預(yù)信號公交優(yōu)先控制的解析公式并用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證；在國內(nèi)，張衛(wèi)華等率先對預(yù)信號公交優(yōu)先進(jìn)行研究，隨后李嘉、何必勝、陳東靜等分別利用交通軟件、感應(yīng)控制策略和協(xié)調(diào)控制方法對預(yù)信號公交進(jìn)行了研究。這些研究保證了公交車輛的優(yōu)先權(quán)，但因?yàn)轭A(yù)信號綠燈先啟亮，社會車輛駛?cè)牍缓蝰倕^(qū)，造成社會車輛二次停車，同時增加了排隊(duì)長度，當(dāng)主信號變?yōu)榫G燈時，由于排隊(duì)較長，起動波傳播時間長，影響車輛通行效率。

針對以上問題，該文對預(yù)信號時間進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化，消除社會車輛二次停車現(xiàn)象；通過協(xié)調(diào)控制，保證兩股車流分別以一定速度先后駛?cè)虢徊婵冢瑴p少起動波傳播時間，進(jìn)一步減少車輛延誤，提高車輛通行效率。

1 預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口時間關(guān)系及延誤分析

預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口包括兩組信號燈，分別為主信號和預(yù)信號。兩組信號燈具有相同的信號周期，但控制對象不同，燈色時間也不同。

設(shè)置預(yù)信號是保證紅燈期間到達(dá)交叉口的公交車輛能?？吭谏鐣囕v前，減少公交車輛延誤。根據(jù)文獻(xiàn)［1］進(jìn)行預(yù)信號設(shè)置，可保證公交車輛在紅燈期間?？吭谏鐣囕v前，減少公交車的延誤，但預(yù)信號綠燈啟亮?xí)r間早于主信號，社會車輛駛?cè)牍缓蝰倕^(qū)后需停車等待公交車起動。為此，對文獻(xiàn)［1］中主信號與預(yù)信號的時間進(jìn)行調(diào)整。

對預(yù)信號進(jìn)行調(diào)整，使主信號綠燈啟亮?xí)r間早于預(yù)信號。主信號綠燈啟亮后，公交車輛駛?cè)虢徊婵冢S后預(yù)信號綠燈啟亮，社會車輛駛?cè)虢徊婵?，此時公交車輛和社會車輛分別呈脈沖式進(jìn)入交叉口。因?yàn)閮晒绍囕v之間的距離較小，從時間上進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，可保證社會車輛能以一定的速度緊隨公交車駛?cè)虢徊婵?，減少文獻(xiàn)［1］中信號控制導(dǎo)致社會車輛二次停車的情況，同時提高車輛起動波傳播速度和整體運(yùn)行效率，減少車輛延誤。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的假設(shè)，結(jié)合調(diào)整之后的預(yù)信號時間關(guān)系，提出新的假設(shè)條件：

（1）根據(jù)調(diào)整之后的時間關(guān)系，社會車輛將以一定的速度占用公交車輛與社會車輛之間的空間。

式中：rp、rm分別為預(yù)信號紅燈時間、主信號紅燈時間（s）；vd為社會車輛到達(dá)率（pcu/s）；Sl為車道飽和流量［pcu/（s·車道）］；Np為預(yù)信號處非優(yōu)先車道數(shù)。

（2）交叉口處的交通需求與通行能力相同，在主信號綠燈結(jié)束時，主信號停車線處將無車輛二次排隊(duì)。

式中：gm為主信號綠燈時間（s）；Nm為主信號停車線處車道數(shù)；C為周期時長；vdB為公交車到達(dá)率（輛/s）；v為將公交車化為標(biāo)準(zhǔn)車輛之后的總車輛到達(dá)率（pcu/s），1輛/s=2 pcu/s。

根據(jù)上述公式，可得到主信號、預(yù)信號的綠燈和紅燈時間表達(dá)式：

式中：gp為預(yù)信號的綠燈時間（s）。

圖1對主信號與預(yù)信號的時間進(jìn)行了調(diào)整，文獻(xiàn)［5］對主信號與預(yù)信號的關(guān)系進(jìn)行了調(diào)整。該文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使主信號與預(yù)信號達(dá)到協(xié)調(diào)控制車流的目標(biāo)（見圖2）。優(yōu)化主要包括預(yù)信號紅燈提前啟亮?xí)r間t1和主信號紅燈提前啟亮?xí)r間t2兩個參數(shù)，其中：預(yù)信號紅燈提前啟亮用于控制社會車輛，避免社會車輛占用公交車候駛區(qū)；主信號紅燈提前啟亮用于保證公交車輛率先駛?cè)虢徊婵?，社會車輛以一定速度緊隨公交車駛?cè)虢徊婵?。兩股車輛以脈沖式先后駛?cè)虢徊婵?，保證車流行駛速度，減少社會車輛的二次停車和延誤。

圖1　新預(yù)信號與主信號關(guān)系示意圖

圖2　預(yù)信號與主信號關(guān)系優(yōu)化示意圖

預(yù)信號紅燈提前啟亮?xí)r間t1的計算公式為：

式中：L為公交車候駛區(qū)的長度（m）；vs為公交車輛平均速度（m/s）。

假設(shè)公交車輛占用公交車候駛區(qū)的全部空間，并且當(dāng)起動波傳遞到最后一輛公交車時第一輛已經(jīng)達(dá)到公交車輛的平均速度。

式中：vB為公交車輛平均速度（m/s）；aB為公交車輛平均起動加速度（m/s2）。

根據(jù)假設(shè)條件，當(dāng)候駛區(qū)中全部公交車起動時，如果存在一定距離，社會車輛可緊隨公交車起動；如果距離較小，需滯后一段時間，保證社會車輛以一定速度緊隨公交車輛。滯后時間t的取值為［0，3］s（綠燈啟亮第一輛車通過停止線的時間為2.3s）。

主信號紅燈提前啟亮?xí)r間t2的計算公式為：

常規(guī)信號控制交叉口處的車輛延誤狀況見圖3。根據(jù)圖3可得到全部車輛的總延誤D和車均延誤d分別為：

圖3　常規(guī)信號控制交叉口時間與累積車輛圖

對預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口信號控制進(jìn)一步優(yōu)化后，公交車輛延誤狀況見圖4。由于社會車輛受預(yù)信號控制，公交車輛以線段AB到達(dá)率到達(dá)，當(dāng)主信號綠燈啟亮?xí)r，公交車輛以線段BE消散；當(dāng)預(yù)信號綠燈啟亮?xí)r，社會車輛以一定速度緊隨公交車輛駛?cè)虢徊婵?。因?yàn)樵谥餍盘柵c預(yù)信號協(xié)調(diào)控制，分段排隊(duì)車輛以脈沖式行駛，可提高起動波的傳播速度，保證兩股車流均能快速提高到正常行駛速度并緊隨連續(xù)行駛。

圖4　預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口時間與累積車輛圖

根據(jù)圖4，三角形ABE的面積為公交車輛延誤時間。當(dāng)預(yù)信號綠燈啟亮?xí)r，公交車輛與社會車輛混合到達(dá)，三角形BCD的面積為全部車輛延誤之和。調(diào)整優(yōu)化后的延誤狀況明顯小于文獻(xiàn)［1］與文獻(xiàn)［6］中的延誤。

預(yù)信號公交優(yōu)先全部公交車輛總延誤DB和車均延誤dB、全部社會車輛總延誤Dveh和車均延誤dveh分別為：

式中：X為社會車輛以平均起動加速度a加速至社會車輛平均速度所需的時間。

在式（12）～（15）中，若主信號與預(yù)信號紅燈時間、綠燈時間及周期在一定時間段內(nèi)保持不變，可將其作為常數(shù)，隨著公交車輛占全部車輛的比值變化，可得車輛車均延誤變化趨勢（見圖5）。

圖5　預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口車輛車均延誤

根據(jù)圖5，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，公交車輛車均延誤增加，社會車輛車均延誤減??；比值較大時，社會車輛車均延誤有增加趨勢。全部車輛車均延誤隨著比值的增加先減小后增加，比值為0.45左右時，全部車輛車均延誤最小。

2 預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口設(shè)置條件及空間布局

2.1設(shè)置條件

進(jìn)行預(yù)信號公交優(yōu)先空間設(shè)置時應(yīng)滿足一定約束條件，以有效提高公交運(yùn)行效率，減少公交車輛延誤。約束條件如下：1）道路上設(shè)有公交專用道，保證公交車輛能順利進(jìn)入交叉口處的公交候駛區(qū)；2）停車線與上游的公交站點(diǎn)有足夠的距離，保證設(shè)置公交候駛區(qū)后仍有足夠的距離；3）出口道起點(diǎn)與下游公交站點(diǎn)有足夠的距離，保證車輛順利換道；4）公交車流量占交叉口總流量的20%以上。

為保證交叉口的利用率，應(yīng)在左、直、右中選擇公交車到達(dá)率最高的方向來設(shè)置預(yù)信號控制。根據(jù)約束條件，直行公交車的到達(dá)率最高，所以主要考慮在直行方向上設(shè)置預(yù)信號控制。

2.2空間布局

根據(jù)進(jìn)口道車道數(shù)量的不同，可設(shè)置不同形式的公交車候駛區(qū)。由于進(jìn)口道車道數(shù)及車流量不同，將交叉口設(shè)置為部分預(yù)信號公交優(yōu)先或全部預(yù)信號公交優(yōu)先（見圖6、圖7）。

圖6　部分預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口布局圖

圖7　全部預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口布局圖

預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口處的空間布局主要考慮主信號、預(yù)信號停車線之間的距離，該距離應(yīng)滿足高峰時公交車輛的需求，主要與公交車輛的長度和到達(dá)率、設(shè)置公交車候駛區(qū)的車道數(shù)、主信號與預(yù)信號的信號配時、公交車之間的安全距離及公交車變道時所需距離等因素相關(guān)。根據(jù)以上因素，將公交車輛的長度定義為lB、公交車候駛區(qū)的車道數(shù)為nB、公交車之間的安全距離為ls，得到預(yù)信號停車線與主信號停車線之間的距離L：

3 預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口仿真研究

選取某交叉口進(jìn)行仿真研究。該交叉口主要道路包含有公交專用道，并且公交車流量較大，每個周期公交專用道都會有大量公交車排隊(duì)等候。經(jīng)調(diào)查得到交叉口的空間、時間、交通流量及載客人數(shù)等參數(shù)（見表1），采用微觀交通仿真軟件VISSIM7.0對預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口進(jìn)行仿真分析。

表1　交叉口交通流量和流向

根據(jù)預(yù)信號公交優(yōu)先時間與空間的設(shè)置方法，對現(xiàn)狀交叉口進(jìn)行預(yù)信號公交優(yōu)先設(shè)置。交通流量利用調(diào)查數(shù)據(jù)，將公交車輛占全部車輛的比例以5%的步長由低到高遞增。根據(jù)公交車輛占全部車輛的比值變化，對現(xiàn)狀常規(guī)交叉口、部分預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口和全部預(yù)信號公交優(yōu)先交叉口進(jìn)行仿真，得到不同情況下公交車輛、社會車輛及全部車輛車均延誤（見圖8、圖9）。

圖8　3種情況下車均延誤對比

圖9　3種情況下全部車輛車均延誤對比

由圖8、圖9可知：1）在公交車輛車均延誤方面，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，公交車輛車均延誤逐漸增加，2種預(yù)信號公交優(yōu)先控制下公交車輛車均延誤均顯著降低。與常規(guī)信號控制比較，部分預(yù)信號公交優(yōu)先控制下公交車輛車均延誤平均下降31.9s，全部預(yù)信號公交優(yōu)先控制下公交車輛車均延誤平均下降42.9s。隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，全部預(yù)信號公交優(yōu)先控制下公交車輛車均延誤逐漸低于部分預(yù)信號公交優(yōu)先控制下公交車輛車均延誤，平均下降11.2s。2）在社會車輛車均延誤方面，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，社會車輛車均延誤逐漸降低，2種預(yù)信號公交優(yōu)先控制下社會車輛車均延誤均大于常規(guī)信號控制，但隨著公交車輛占全部車輛比例的增加，3種情況下社會車輛車均延誤差距愈來愈小。與常規(guī)信號控制比較，部分預(yù)信號公交優(yōu)先控制下社會車輛車均延誤平均增加12.3s，全部預(yù)信號公交優(yōu)先控制下社會車輛車均延誤平均增加18.1s。2種預(yù)信號公交優(yōu)先控制之間社會車輛車均延誤相差較小，僅為4.6s。3）預(yù)信號公交優(yōu)先控制明顯降低了公交車輛車均延誤，但社會車輛車均延誤相對增加。比較而言，預(yù)信號公交優(yōu)先控制下公交車輛車均延誤降低值明顯大于社會車輛車均延誤增加值，公交車輛優(yōu)先效果顯著。4）在全部車輛車均延誤方面，隨著公交車輛占全部車輛比值的增加，3種情況下全部車輛車均延誤先減小后增大。公交車輛占全部車輛的比值小于0.35時，全部預(yù)信號公交優(yōu)先控制下全部車輛車均延誤最大，部分預(yù)信號公交優(yōu)先控制延誤次之，現(xiàn)狀常規(guī)控制延誤最??；當(dāng)比值大于0.35時，全部車輛車均延誤與比值小于0.35時相反?？梢?，可根據(jù)公交車輛占全部車輛的不同比值來確定選擇何種信號控制方式。當(dāng)比值小于0.35時，選擇常規(guī)信號控制；當(dāng)比值為0.35～0.45時，2種預(yù)信號公交優(yōu)先控制均可；當(dāng)比值大于0.45時，選擇全部預(yù)信號公交優(yōu)先控制。

根據(jù)3種不同情況下車均延誤，結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查得到的社會車輛載客（2.1人/輛）和公交車輛的載客（30人/輛）情況，得到不同情況下全部車輛的人均延誤（見圖10）。

圖10　3種情況下車輛人均延誤對比

由圖10可知：公交車輛人均延誤與社會車輛人均延誤之間的差距較大，充分體現(xiàn)出公交車輛的優(yōu)勢；當(dāng)設(shè)置預(yù)信號公交優(yōu)先時，公交車輛人均延誤與社會車輛人均延誤均明顯小于常規(guī)控制方式，進(jìn)一步體現(xiàn)了預(yù)信號公交優(yōu)先的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

通過調(diào)整主信號與預(yù)信號之間的關(guān)系，可減少社會車輛在候駛區(qū)內(nèi)二次停車，保證公交車輛和社會車輛以一定速度先后緊跟駛?cè)虢徊婵冢岣哕囕v運(yùn)行效率；設(shè)置預(yù)信號公交優(yōu)先控制后，公交車輛延誤降低值明顯大于社會車輛車均延誤值，公交優(yōu)先效益顯著；根據(jù)全部車輛車均延誤，可根據(jù)公交車輛占全部車輛的比值選取不同的信號控制方式；設(shè)置預(yù)信號公交優(yōu)先控制可顯著減少人均延誤。

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A

1671-2668（2016）05-0028-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61364019）

2016-03-18