韓曉春，馬曉旦，趙 靖

(上海理工大學 交通系統(tǒng)工程系，上海 200093)

考慮路中型公交專用道的交叉口信號配時優(yōu)化

韓曉春，馬曉旦，趙 靖

(上海理工大學 交通系統(tǒng)工程系，上海 200093)

為了解決交叉口交通擁堵，提高運行效率，文中針對設置路中型公交專用道的交叉口的信號配時進行優(yōu)化，采用新型的雙環(huán)控制方法，建立以各車道機動車平均延誤為優(yōu)化目標、考慮路中型公交專用道的優(yōu)化模型，并用遺傳算法進行求解，利用算例對模型的有效性進行驗證。研究結(jié)論表明，該方法得出的信號配時方案可有效地減少交叉口總體車均延誤(18.8%)，尤其可在維持公交專用道運行水平的基礎上，顯著提高社會車輛的服務水平。

路中型公交專用道；交叉口；信號控制；延誤

交叉口是城市道路網(wǎng)絡的重要組成部分，是道路網(wǎng)絡的節(jié)點所在，也是城市道路的“瓶頸點”[1-3]，常發(fā)生交通擁擠。因此，合理、有效地管理好單點交叉口的交通問題，是解決城市交通問題的關鍵[4]。

當路段客流量較大、高峰小時單向公交車數(shù)較多時，為了方便人的出行，緩解交通擁堵，一般考慮設置路中型公交專用道[5]。但公交專用道設置在路中心時，若配時不合理容易使左轉(zhuǎn)車與同向直行公交車發(fā)生沖突。在此背景下，提出考慮路中型公交專用道的交叉口信號配時優(yōu)化方法。

1 研究綜述

1.1 單點交叉口信號控制

定時信號控制是交叉口信號控制方法中最基本的控制方式。當交通量發(fā)展達到一定程度時，使用合理正確的信號控制方案可有效緩解交通壓力[6]。交叉口

信號控制配時的最終目的是得到優(yōu)化的信號配時參數(shù): 信號相位及相序、信號周期時長和各相位綠信比等[7]。定時信號控制方法主要有韋伯斯特算法、阿克塞立克法及HCM法等[8-9]，在我國國內(nèi)還有停車線法和沖突點法等方法[10]。目前，國內(nèi)外對于城市交叉口定時信號控制的研究已較為成熟。

定時信號控制常用的相位有兩相位、三相位、四相位控制及雙環(huán)控制等，相序根據(jù)相位數(shù)及實際交通量來設計。針對機動車的信號控制中，雙環(huán)控制較為靈活。雙環(huán)控制根據(jù)交叉口左轉(zhuǎn)及直行車流量大小合理靈活分配綠燈時間，而不是嚴格地給對向左轉(zhuǎn)分配相等的綠燈時間，在雙向交通流相差較大時，比傳統(tǒng)的信號配時方法更加適用。

1.2 有路中型公交專用道口信號控制特點

公交專用道主要有路中型、路側(cè)型及次路側(cè)型3種。路中型公交專用道設置在道路中央，獨立性較強，受其他車輛影響較少。但直行公交車與同進口方向的其他左轉(zhuǎn)車輛存在交織沖突，需要將該進口方向的直行和左轉(zhuǎn)分在兩個不同相位或者渠化時設置禁左[11]。

以往的交叉口信號配時設計大多從“公交優(yōu)先”的角度出發(fā)，在保障交通暢通的前提下，使單位時間內(nèi)通過交叉口的人流量最大。公交信號優(yōu)先控制的過程為：當公交車輛到達交叉口時，信號控制系統(tǒng)根據(jù)情況給予公交車一定時長的優(yōu)先通行權(quán)，減少公交車輛在交叉口的延誤[12]。但減少公交車延誤的同時有可能增加其他社會車輛的延誤，反而使交叉口機動車總延誤增加。

圖1 未設置路中型公交專用道情況下

圖2 設置路中型公交專用道情況下

當沒有路中型公交專用道時，交叉口渠化及相位相序圖如圖1所示；當設置路中型公交專用道時，交叉口渠化及相位相序圖如圖2所示，當設置路中型公交專用道時，左轉(zhuǎn)車與同向直行公交車存在沖突，若左轉(zhuǎn)車和公交車較多，交叉口易發(fā)生交通堵?lián)矶拢藭r已不能再用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制?？紤]到雙環(huán)控制的優(yōu)越性，本文對雙環(huán)控制加以改進，提出新的信號配時方法，解決左轉(zhuǎn)車與直行公交車的沖突問題。本文中各參數(shù)含義如表1所示。

表1 參數(shù)定義

2 基本概念

在設置路中型公交專用道情況下，為解決左轉(zhuǎn)車與同向直行公交車沖突問題，新的雙環(huán)控制方法將對路中型公交專用道進行單獨信號控制，交叉口渠化及相位相序圖如圖3所示。公交專用道有效綠燈時間取同向和對向社會車輛直行車道有效綠燈時間中的較小值，這樣就能有效地避免左轉(zhuǎn)車與同向執(zhí)行公交車發(fā)生沖突。

圖3 改進后的相位相序圖

3 優(yōu)化模型

針對基本概念中提出的雙環(huán)控制方法，對相位相序重新布置，建立如下模型。

3.1 目標函數(shù)

交叉口信號控制優(yōu)化目標為機動車延誤最小，模型如下式

(1)

3.2 約束條件

機動車信號配時采用雙環(huán)控制，有效綠燈時間滿足以下條件

(1)g11+g32=g31+g12；

(2)g21+g42=g41+g22；

(3)g12+g32+g41+g22=C-L；

(4)g14=g34；

(5)g14≤g12,g34≤g32；

(6)gij≥0。

3.3 機動車延誤模型

HCM2010信控交叉口機動車各車道延誤計算公式如下

d=d1+d2

(2)

(3)

(4)

3.4 模型求解

上述問題是一個信號配時優(yōu)化問題。非支配排序遺傳算法II(NSGA-Ⅱ)是解決優(yōu)化的問題最有效的算法之一。此外，已經(jīng)證明，NSGA-II能在統(tǒng)一和隨機流量到達模式下有效的解決信號配時設計問題。然后，采用NSGA-Ⅱ算法來解決所提出的優(yōu)化模型，用以下標準流程圖，如圖4所示表示[13]。

圖4 NSGA-II流程

4 算例分析

本文以某十字交叉口為例，道路基礎條件及渠化設計方案如圖5所示，只在東西向設置路中型公交專用道。根據(jù)其高峰時段的交通流、道路基礎條件，分別運用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制方法和改進后的雙環(huán)控制方法進行配時，分析兩種方案的延誤時間[14]。

圖5 案例研究中的交叉口布局

該交叉口高峰時段交通流量如表2所示。

表2 高峰時段交叉口各流向流量 /pcu·h-1

根據(jù)高峰小時交通流量數(shù)據(jù)及道路基本條件數(shù)據(jù)，運用傳統(tǒng)的和改進后雙環(huán)配時方法得出兩種信號配時方案，結(jié)果如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后兩種信號配時方案對比

通過仿真分別計算兩種方案的各車道機動車平均延誤，結(jié)果如表圖7所示。

圖7 交叉口各流向優(yōu)化前后車均延誤對比圖

從圖7中可看出，采用優(yōu)化雙環(huán)控制方法后，交叉口的總延誤由24.7 s變?yōu)?0 s，下降了18.8%[15]。同時可看到，優(yōu)化后的雙環(huán)控制得到的各車道平均延誤均有所下降。由此可見，優(yōu)化后的雙環(huán)控制得出的優(yōu)化方案優(yōu)于現(xiàn)有控制方案，在較大程度上提高了交叉口的服務水平，從而證明了此模型的實用性。

5 結(jié)束語

本文研究了單點交叉口的信號配時優(yōu)化問題，建立一個以各車道機動車平均延誤為優(yōu)化目標、考慮路中型公交專用道的優(yōu)化模型，并用遺傳算法進行求解，利用算例對模型的有效性進行驗證。得出以下結(jié)論：(1)經(jīng)算例分析，得出了優(yōu)于現(xiàn)狀的信號參數(shù)，從而證明了優(yōu)化模型的有效性。(2)達到了交叉口優(yōu)化信號配時的目的，理論上可用于實際交叉口的配時方案中。

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Optimization of Intersection Signal Timing with the Consideration of Median Bus Lanes

HAN Xiaochun，MA Xiaodan，ZHAO Jing

(Department of Transportation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

In order to solve the traffic congestion of the intersection and improve operational efficiency, this paper is to optimize the signal timing of the optimization while considering the middle of the road bus lanes. We will use the new dual-loop control method to establish the optimization model of average delay that using each vehicle lane average delay as the optimization objective and considering the middle of the road bus lanes. We will use genetic algorithm, using examples to verify the validity of the model. Findings showed that the method of the signal timing can effectively reduce the resulting overall average delay (19%) of the intersection, and significantly improve the service level of social vehicle on the basis of maintaining the operation level of basic busway.

medium road bus lanes; signal control; intersection; delays

2016- 04- 10

上海市科委基金資助項目(13510501700)。

韓曉春(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：交通運輸規(guī)劃與控制。馬曉旦(1966-)，男，副教授，碩士生導師。研究方向: 交通規(guī)劃等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.037

TP319; U491

A

1007-7820(2017)01-135-04