豐 格 李 楓

(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 上海 201804)

現(xiàn)代有軌電車既滿足大城市對(duì)多層次公交體系的需求，又為中小城市軌道交通的發(fā)展提供了更經(jīng)濟(jì)、更合適的途徑，以一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的方式緩解城市交通壓力。截至2016年底，我國開通運(yùn)營現(xiàn)代有軌電車線路的城市增加至11個(gè)，共計(jì)17條線，全長235.6km[1]，有軌電車迎來快速發(fā)展時(shí)期。

Lee[2]通過模擬不同優(yōu)先級(jí)的有軌電車優(yōu)先運(yùn)行場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)信號(hào)優(yōu)先算法可有效減少交叉口的延誤。目前我國對(duì)有軌電車平交口的信號(hào)優(yōu)先控制研究和實(shí)踐多集中于單條線路，且缺乏定量化的研究。在有軌電車發(fā)車密度不大的情況下，交叉口整體的通行效率不佳。有軌電車成網(wǎng)條件下與社會(huì)車輛在交叉口的交織更為復(fù)雜，通過探究合適的優(yōu)先控制方案以提升交叉口的通行效率與安全性顯得十分重要。

1 有軌電車優(yōu)先信號(hào)控制

本文采用的主動(dòng)優(yōu)先可分為相對(duì)信號(hào)優(yōu)先與絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先。相對(duì)信號(hào)優(yōu)先是指當(dāng)電車到達(dá)交叉口前，交通信號(hào)優(yōu)先系統(tǒng)經(jīng)過判斷，采取綠燈延長、紅燈早斷等策略來減少有軌電車延誤；絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先是指有軌電車到達(dá)交叉口時(shí)，信號(hào)即給予綠燈，直接通行[3]。

1.1 VisVAP感應(yīng)控制模塊

控制邏輯程序由VisVAP(vissim vehicle actuated programming)編譯而成，并與CROSSIG計(jì)算而來的相位過渡文件一起加載到VISSIM中進(jìn)行優(yōu)先控制與相位轉(zhuǎn)換[4]。感應(yīng)控制仿真文件結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 感應(yīng)控制文件結(jié)構(gòu)圖

1.2 信號(hào)檢測(cè)設(shè)備布局

進(jìn)口道檢測(cè)器的設(shè)置位置需兼顧安全與停車效率，計(jì)算見式(1)[5]。出口道的檢測(cè)器設(shè)置需考慮列車長度，及時(shí)檢測(cè)電車是否出清交叉口。

(1)

式中：Ld為檢測(cè)器距停車線的距離，m；Sb為有軌電車制動(dòng)距離(約60m)；vd為有軌電車通過檢測(cè)器時(shí)的速度，km/h；tp為最小相位時(shí)間，s；a為制動(dòng)加速度，m/s2。

本文進(jìn)口道檢測(cè)器距離停車線100 m，出口道檢測(cè)器距交叉口40 m，布設(shè)見圖2。

圖2 有軌電車檢測(cè)設(shè)備布置示意

1.3 仿真控制參數(shù)

1) 最小綠燈時(shí)間。初期綠燈時(shí)間是指不管本相位是否檢測(cè)到有車輛到達(dá)，都必須滿足的綠燈時(shí)間。滿足2個(gè)條件：①使停在檢測(cè)器內(nèi)的車輛全部出清停車線；②滿足行人過街的最小時(shí)間[6]。計(jì)算如式(2)。

Gmin=max{t1，t2}

(2)

式中：Gmin為最小綠燈時(shí)間，s；t1為檢測(cè)器與停車線之間有軌電車出清時(shí)間，s；t2為行人過街最短時(shí)間，s。

2) 綠燈極限延長時(shí)間。平衡與控制感應(yīng)信號(hào)中各相位的綠燈時(shí)間，若當(dāng)前某相位達(dá)到綠燈極限延長時(shí)間，則強(qiáng)制轉(zhuǎn)換至下一相位。綠燈極限延長時(shí)間一般為40～60 s[7]。

3) 綠燈間隔時(shí)間。需確保通過停車線的有軌電車均能在下一相位的首車到達(dá)之前安全出清交叉口，計(jì)算如式(3)[8]。

(3)

式中：I為綠燈間隔時(shí)間，s；t為駕駛員反應(yīng)時(shí)間，s；v為有軌電車接近路口速度，40 km/h；W為交叉口寬度，m；L為有軌電車長度，m。

2 交叉口有軌電車仿真建模

2.1 交叉口形式

以上海某道路交叉口為例(見圖3)，4個(gè)路口均為雙向8車道，設(shè)置左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)專用道，車道寬度為3.75 m，高峰小時(shí)各進(jìn)口道車流見表1。有軌電車線路沿路中敷設(shè)，采用半獨(dú)立路權(quán)，呈十字交叉形式，車輛長度為40 m。有軌電車區(qū)間平均運(yùn)行速度50 km/h，交叉口限速25 km/h，平均加速度分別為1.0，-1.1 m/s2，半專用路權(quán)高峰小時(shí)列車發(fā)車密度不應(yīng)小于20對(duì)/h[9]。為簡(jiǎn)化仿真，本文不考慮交叉口前后設(shè)置車站的情況。

圖3 交叉口布局

車流轉(zhuǎn)向各進(jìn)口道車輛數(shù)/veh東進(jìn)口西進(jìn)口南進(jìn)口北進(jìn)口直行568700511632左轉(zhuǎn)13815498137右轉(zhuǎn)259234177166合計(jì)9651088786935

2.2 共享相位設(shè)置方案

對(duì)于十字形交叉線路來說，不設(shè)有軌電車專用相位，在各進(jìn)口直行方向采用社會(huì)車輛共享相位，各進(jìn)口道有軌電車放行時(shí)，同相位的社會(huì)車輛亦可通行，可大大減少因相位頻繁轉(zhuǎn)換帶來的交叉口社會(huì)車輛通行效率的降低。相位1為東西向有軌電車與社會(huì)車輛直行，相位2為東西向社會(huì)車輛左轉(zhuǎn)，相位3為南北向社會(huì)車輛與有軌電車直行，相位4為南北向社會(huì)車輛左轉(zhuǎn)，交叉相位見圖4。

圖4 交叉口相位圖

將定時(shí)信號(hào)參數(shù)輸入Synchro系統(tǒng)中，可得定時(shí)信號(hào)配時(shí)：相位1時(shí)長38 s；相位2時(shí)長18 s；相位3時(shí)長35 s；相位4時(shí)長17 s。

2.3 相對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制

相對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制設(shè)計(jì)原理：當(dāng)檢測(cè)到有軌電車接近交叉口時(shí)，首先判斷當(dāng)前相位是否為有軌電車同向相位，再比較電車抵達(dá)交叉口的時(shí)間與當(dāng)前相位最小、最大綠燈時(shí)間的關(guān)系，最后執(zhí)行紅燈早斷、綠燈延長或插入相位等策略實(shí)現(xiàn)有軌電車信號(hào)優(yōu)先，控制邏輯見圖5。

圖5 相對(duì)信號(hào)優(yōu)先邏輯控制圖

具體邏輯控制程序在VisVAP中實(shí)現(xiàn)如下。

當(dāng)相位1處于當(dāng)前相位，檢測(cè)器1或2檢測(cè)到有軌電車，且當(dāng)前相位剩余綠燈時(shí)間不能滿足有軌電車從檢測(cè)器抵達(dá)交叉口，則進(jìn)行綠燈延長，檢測(cè)器5和6均檢測(cè)到有軌電車后即可結(jié)束相位1；當(dāng)檢測(cè)器3或者4檢測(cè)到有軌電車，且相位1滿足最小綠燈時(shí)間，則從當(dāng)前相位切換至相位3，直至檢測(cè)器7和8均檢測(cè)到有軌電車即可結(jié)束相位3。

當(dāng)相位2處于當(dāng)前相位，檢測(cè)器1或2檢測(cè)到有軌電車，且當(dāng)前相位滿足最小綠燈時(shí)間，則從當(dāng)前相位切換至相位1；同理當(dāng)檢測(cè)器3或4檢測(cè)到有軌電車，且滿足最小綠燈時(shí)間，則從當(dāng)前相位切換至相位3。

相位3或4處于當(dāng)前相位時(shí)的相位切換邏輯可以此類推。

2.4 絕對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制

絕對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制設(shè)計(jì)原理：有軌電車的優(yōu)先控制不需要考慮社會(huì)車輛的通行效益，無需停車即可通過交叉口，當(dāng)有軌電車到達(dá)交叉口時(shí)，信號(hào)控制機(jī)通過本相位綠燈時(shí)間延長和轉(zhuǎn)換相位等保證電車優(yōu)先，控制邏輯見圖6。

具體邏輯控制程序在VisVAP中實(shí)現(xiàn)如下。

當(dāng)相位1處于當(dāng)前相位，檢測(cè)器1或2檢測(cè)到有軌電車，且當(dāng)前相位的剩余綠燈時(shí)間不能滿足有軌電車從檢測(cè)器抵達(dá)停車線，則執(zhí)行綠燈延長，直到檢測(cè)器5和6均檢測(cè)到有軌電車時(shí)則結(jié)束相位1，若剩余綠燈時(shí)間能滿足電車從檢測(cè)器抵達(dá)停車線，則維持原相位；檢測(cè)器3或4檢測(cè)到有軌電車，則進(jìn)入綠燈間隔時(shí)間，將相位1切換至相位3。

圖6 絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先邏輯控制圖

當(dāng)相位2處于當(dāng)前相位，檢測(cè)器1或2檢測(cè)到有軌電車，則進(jìn)入綠燈間隔時(shí)間，將相位2切換至相位3；檢測(cè)器3或4檢測(cè)到有軌電車，若有軌電車抵達(dá)停車線的時(shí)間大于當(dāng)前相位綠燈時(shí)間，則維持原相位，否則，則進(jìn)入綠燈間隔時(shí)間，將相位2切換至相位3。

相位3或4處于當(dāng)前相位時(shí)的相位切換邏輯可以此類推。

3 VISSIM仿真結(jié)果分析

將路網(wǎng)模型、路段流量以及優(yōu)先邏輯控制文件加載到VISSIM中進(jìn)行仿真。仿真時(shí)間取第600～3 600 s，選取不同的隨機(jī)種子數(shù)進(jìn)行5次仿真，結(jié)果取平均值，仿真效果見圖7。

圖7 仿真效果圖

3.1 社會(huì)車輛影響評(píng)價(jià)

在VISSIM中設(shè)置評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行仿真得到3種不同信號(hào)控制下各進(jìn)口道社會(huì)車輛的排隊(duì)長度和平均延誤情況，見表2。

表2 各進(jìn)口道社會(huì)車輛排隊(duì)長度與平均延誤

以上結(jié)果表明，不同信號(hào)控制對(duì)社會(huì)車輛在交叉口的排隊(duì)長度及平均延誤的影響程度各不相同。

1) 由表2可見，與定時(shí)信號(hào)控制相比，相對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制由于有軌電車與社會(huì)車輛采用共享相位，有軌電車優(yōu)先通行時(shí)，同相位社會(huì)車輛亦可通行，所以直行相位社會(huì)車輛的排隊(duì)長度增加程度并不明顯，左轉(zhuǎn)相位車輛排隊(duì)長度影響較大。而絕對(duì)優(yōu)先情況下社會(huì)車輛各進(jìn)口道的車輛排隊(duì)均出現(xiàn)較大程度的增長，特別是左轉(zhuǎn)相位車輛。

2) 對(duì)于平均延誤來說，相對(duì)信號(hào)優(yōu)先以及絕對(duì)信號(hào)優(yōu)先條件下各進(jìn)口道的直行車輛的延誤增加不明顯，左轉(zhuǎn)相位車輛延誤影響較大。

3.2 有軌電車影響評(píng)價(jià)

設(shè)置有軌電車發(fā)車間隔為3 min，運(yùn)行不同信號(hào)控制下仿真模型，得到表3所示的評(píng)價(jià)結(jié)果。

表3 各進(jìn)口道有軌電車平均延誤和停車次數(shù)

由表3可見，相對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制下的有軌電車從排隊(duì)長度、延誤時(shí)間及停車次數(shù)均有明顯降低，而絕對(duì)優(yōu)先信號(hào)控制由于可使有軌電車不停車通過交叉口，不存在排隊(duì)長度、延誤及停車次數(shù)。

4 結(jié)語

本文通過建立3種不同信號(hào)控制的交叉口仿真模型，得到社會(huì)車輛與有軌電車的車輛延誤時(shí)間、排隊(duì)長度及停車次數(shù)等指標(biāo)。結(jié)果表明，在相交道路流量差別不大且左轉(zhuǎn)流量較小的交叉口，采用基于共享相位的相對(duì)信號(hào)優(yōu)先能較好保證有軌電車的通行效率，且能降低對(duì)交叉口社會(huì)車輛的影響程度。在本文的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮有軌電車車站的設(shè)置、運(yùn)行延誤等對(duì)通行效率的影響，是未來交叉口信號(hào)優(yōu)先控制研究的方向。

[1] 龐瑾，顧保南.2016年中國城市軌道交通運(yùn)營線路統(tǒng)計(jì)和分析:中國城市軌道交通“年報(bào)快遞”之四[J].城市軌道交通研究，2017(1)：1-5.

[2] LEE J. Microsimulation modeling and advancements of transit priority options at major arterials[J].Simulation,2001，24(3):38-42.

[3] 章瑀,陳榮武,王堅(jiān)強(qiáng).基于VISSIM的有軌電車交叉口信號(hào)控制策略研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(2):112-116.

[4] KARLSRUHE. VISSIM user manual-version 4.30[M].Germany:PTV Planung Transport Verkehr AG,2007.

[5] 楊海霞.現(xiàn)代有軌電車信號(hào)優(yōu)先協(xié)調(diào)控制實(shí)踐[J].地下工程與隧道,2017(1):49-53.

[6] 吳兵,李曄.交通管理與控制[M].4版.北京：人民交通出版社,2009.

[7] 崔梁,鄧君.現(xiàn)代有軌電車不同等級(jí)交叉口優(yōu)先配時(shí)方案研究[J].物流科技,2017,40(5):79-83.

[8] 劉立龍.有軌電車信號(hào)系統(tǒng)平交路口信號(hào)燈控制策略研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2015.

[9] 王灝.現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實(shí)踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.