柏海艦，任桂香，董瑞娟，衛(wèi)立陽

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

公共交通是緩解城市道路交通壓力的一種有效方法，已有研究中很多策略被用于提高運(yùn)輸能力和服務(wù)質(zhì)量，如快速公交、公交專用道等。在所有策略中，公交信號(hào)優(yōu)先更經(jīng)濟(jì)且易實(shí)現(xiàn)[1]。公交信號(hào)優(yōu)先是提高公交運(yùn)行效率的重要技術(shù)手段，在保證不對(duì)整個(gè)交通口或干線車輛運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響的前提下，減少公交車輛的交叉口延誤，提高公交車輛的準(zhǔn)點(diǎn)率，改善公交車輛的運(yùn)行效率，對(duì)可持續(xù)發(fā)展的城市交通具有重要意義。關(guān)于公交優(yōu)先的研究，大致分為兩個(gè)方面。一是建立優(yōu)化模型優(yōu)化信號(hào)周期及配時(shí)參數(shù)，這方面研究居多。國內(nèi)一些學(xué)者分別選取不同指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，如交通延誤、停車次數(shù)、實(shí)時(shí)交通狀況等建立優(yōu)化模型得到新的信號(hào)周期與相位配時(shí)，從而體現(xiàn)公交優(yōu)先的思想[2-4]。二是制定優(yōu)先控制策略，調(diào)整信號(hào)配時(shí)參數(shù)。馬萬經(jīng)等研究了綠燈延長、紅燈早斷和插入相位3種單點(diǎn)公交優(yōu)先感應(yīng)控制策略，應(yīng)用延誤三角形方法建立了3種公交優(yōu)先策略效益計(jì)算模型，以兩相位信號(hào)控制為對(duì)象，計(jì)算分析了模型的正負(fù)效益，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證分析[5]。

目前，國內(nèi)大多城市在制定公交時(shí)刻表時(shí)僅存在發(fā)車時(shí)刻和到達(dá)終點(diǎn)或返回發(fā)車點(diǎn)的時(shí)刻，公交車輛只要在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)或返回起點(diǎn)，即為準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)于中間站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)沒有規(guī)定[6]，導(dǎo)致乘客等車時(shí)間過長或幾輛公交車同時(shí)到達(dá)站點(diǎn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。準(zhǔn)點(diǎn)率不僅包括終點(diǎn)運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)性還包括中間站點(diǎn)運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)性。對(duì)于晚點(diǎn)公交車，如何通過信號(hào)交叉口的公交優(yōu)先控制，減少公交車交叉口延誤，盡可能使其到達(dá)時(shí)間接近時(shí)刻表時(shí)間，同時(shí)降低對(duì)周邊道路的負(fù)面影響，用以解決現(xiàn)有公交信號(hào)配時(shí)技術(shù)未考慮公交準(zhǔn)點(diǎn)率不足問題，是研究的主要目的。國內(nèi)外對(duì)基于時(shí)刻表的公交優(yōu)先研究較少，國外學(xué)者側(cè)重于對(duì)時(shí)刻表的評(píng)價(jià)方法研究及公共交通可靠性評(píng)價(jià)[7-8]。陰炳成等將滿足時(shí)刻表為公交優(yōu)先申請(qǐng)依據(jù)，運(yùn)用綠燈延長和相位提前激活兩種方法給予晚點(diǎn)公交優(yōu)先[9]；宋現(xiàn)敏等發(fā)明公開了基于運(yùn)行時(shí)刻表的公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)方法，采用綠燈提前啟亮和綠燈時(shí)間延長兩種優(yōu)先方式在交叉口給予公交優(yōu)先，其目的在于給予晚到公交優(yōu)先，和使其到達(dá)下游站點(diǎn)盡量接近時(shí)刻表有一定區(qū)別[10]。以上學(xué)者的研究并沒有考慮公交車晚點(diǎn)時(shí)間的長短與到下一相位綠燈開啟時(shí)間長短的比較，且只考慮了綠燈早啟和綠燈延長兩種優(yōu)先方式，有一定缺陷。筆者從制定優(yōu)先策略入手，將綠燈相位時(shí)間分段，采取綠燈早啟、綠燈延長、相位插入3種優(yōu)先方式，根據(jù)公交晚點(diǎn)時(shí)間與到下一相位綠燈開啟時(shí)間長短的比較采用不同的優(yōu)先策略，建立公交車優(yōu)先通行策略選擇模型。

1 變量定義與表達(dá)

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)巨大的信息采集及處理功能為本研究服務(wù)。網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，可以克服傳統(tǒng)檢測技術(shù)的一些缺點(diǎn)，如車輛位置的檢測與預(yù)測更加精確，車輛速度、加速度、乘客數(shù)也能更準(zhǔn)確的提取，且公交車與交通信號(hào)控制器之間的雙向通信也能更加快速的傳遞信息。筆者考慮的是單個(gè)交叉口和其上下游的公交站點(diǎn)，當(dāng)公交車在每個(gè)站點(diǎn)或者某些重要站點(diǎn)能盡量準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，為整條線路的準(zhǔn)點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。假設(shè)在網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下公交車的行駛時(shí)間可以準(zhǔn)確的預(yù)測，如圖1，公交車從上游站點(diǎn)n出發(fā)，經(jīng)過時(shí)間T到達(dá)下游站點(diǎn)n+ 1。

圖1 交叉口示意Fig. 1 Schematic diagram of intersection

1.1 公交行程時(shí)間預(yù)測

定義公交行程時(shí)間[11]為公交車從上游站點(diǎn)出發(fā)到下游站點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間，其表達(dá)式如式(1)：

T=t1+t2+t3

(1)

式中：t1為公交車從上游站點(diǎn)到停車線行駛時(shí)間；t2為公交車在停車線停靠時(shí)間，t2按式(2)進(jìn)行確定；t3為公交車從停車線到下游站點(diǎn)行駛時(shí)間。

(2)

式中：tg為公交車離開停車線的時(shí)刻；t為公交車從上游站點(diǎn)出發(fā)的時(shí)刻。

在網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，t1和t3可準(zhǔn)確預(yù)測。

1.2 晚點(diǎn)程度

晚點(diǎn)程度[10]表示公交車晚點(diǎn)到達(dá)下游站點(diǎn)相比正點(diǎn)時(shí)刻表的偏離程度，晚點(diǎn)程度臨界值設(shè)為β，晚點(diǎn)程度di用式(3)表示：

(3)

式中：di為第i輛公交車與運(yùn)行時(shí)刻表的晚點(diǎn)程度；tw為公交車晚點(diǎn)到達(dá)下游站點(diǎn)的時(shí)刻；tz為公交車正點(diǎn)到達(dá)下游站點(diǎn)的時(shí)刻；h為公交車發(fā)車時(shí)間間隔。

公交車在交叉口會(huì)產(chǎn)生延誤，即使在交叉口給予優(yōu)先，能降低的延誤時(shí)間也小于該交叉口的一個(gè)信號(hào)周期。所以，當(dāng)公交車輛的延誤大于一個(gè)信號(hào)周期，則可調(diào)整公交車的速度，使其減少在路段上產(chǎn)生的延誤時(shí)間，以保證公交車準(zhǔn)時(shí)到達(dá)下一個(gè)站點(diǎn)。

1.3 效益函數(shù)

效益函數(shù)PI表示實(shí)施優(yōu)先策略前后的效益問題，并包含下游交叉口等待此公交的乘客數(shù)的延誤變化，其表達(dá)式如式(4)：

(4)

式中：Oj為第j輛社會(huì)車輛的載客數(shù)；ΔDj為優(yōu)先策略前后社會(huì)車輛的延誤之差；Obus為公交車的載客數(shù)；ΔDbus為優(yōu)先策略前后公交車的延誤之差；ΔDp為優(yōu)先策略前后下游站點(diǎn)乘客延誤變化，表示為：

ΔDp=(tw-t′w)Qi

(5)

當(dāng)PI > 0時(shí)，綠燈延長、紅燈早斷或者相位插入方案可行，對(duì)信號(hào)配時(shí)進(jìn)行調(diào)整生成新的配時(shí)方案，下傳至信號(hào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)基于運(yùn)行時(shí)刻表的公交優(yōu)先。當(dāng)PI<0時(shí)，維持原信號(hào)配時(shí)方案不變。

2 控制策略

考慮單個(gè)交叉口和其上下游公交站點(diǎn)，公交車從上游站點(diǎn)離開時(shí)模型開始生效，將公交車到達(dá)下游站點(diǎn)時(shí)刻和時(shí)刻表正點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行比較，當(dāng)晚點(diǎn)程度小于臨界值，則按照原配時(shí)方案執(zhí)行；當(dāng)晚點(diǎn)程度大于臨界值，根據(jù)不同情況選擇不同優(yōu)先策略，具體情況如圖2[11]。

圖2 基于站點(diǎn)時(shí)刻表的公交信號(hào)優(yōu)先流程圖Fig. 2 Flow chart of transit signal priority based on bus schedule

信號(hào)優(yōu)先策略選擇是根據(jù)公交車到達(dá)停車線時(shí)間、延誤時(shí)間長短和到達(dá)時(shí)刻在此時(shí)綠燈相位的位置不同情況決定的，具體情況如表1。

表1 信號(hào)優(yōu)先策略選擇Table 1 Signal priority strategy selection

3 信號(hào)優(yōu)先控制算法

由表2可知，基于站點(diǎn)時(shí)刻表的公交信號(hào)優(yōu)先使用3種優(yōu)先策略，分別為綠燈延長、綠燈早啟和相位插入，根據(jù)公交車到達(dá)停車線的不同情況選取不同的優(yōu)先策略，生成不同的配時(shí)方案。

公交車從上游站點(diǎn)離開的時(shí)刻為t，經(jīng)過時(shí)間T到達(dá)下游站點(diǎn)，晚點(diǎn)到達(dá)下游站點(diǎn)時(shí)刻為tw，若此時(shí)達(dá)到下游站點(diǎn)的正點(diǎn)時(shí)刻為tz，則公交車晚點(diǎn)時(shí)間用式(6)表示：

(6)

檢測公交車從上游站點(diǎn)離開時(shí)刻信號(hào)燈的燈色，如果此時(shí)信號(hào)燈為綠色或者紅色，到達(dá)停車線時(shí)為綠色，公交車直接通過交叉口。下文著重介紹到達(dá)停車線時(shí)信號(hào)燈為紅色的兩種情況。

3.1 綠-紅情況

公交車從上游公交站點(diǎn)離開時(shí)信號(hào)燈為綠色，到達(dá)停車線時(shí)信號(hào)燈為紅燈，該種情況可以選擇綠燈延長策略、綠燈早啟策略或相位插入策略，具體情況根據(jù)到達(dá)時(shí)間、延誤時(shí)間長短和到達(dá)時(shí)刻在此時(shí)綠燈相位的位置具體分析。

表2 綠-紅情況三段式優(yōu)先控制算法Table 2 Three-stage priority control algorithm of green-red situation

注：如果因插入相位影響下一相位的綠燈時(shí)間不能滿足其最小綠燈時(shí)間，則插入位置改為正好能保證下一相位可以滿足最小綠燈時(shí)間的位置。(下同)

表3 綠-紅情況二段式優(yōu)先控制算法Table 3 Two-stage priority control algorithm of green-red situation

3.2 紅-紅情況

如果公交車離開上游站點(diǎn)時(shí)信號(hào)燈為紅色且公交車到達(dá)停車線時(shí)也為紅燈，下一相位可能是公交相位也可能不是公交相位。當(dāng)下一相位是公交相位時(shí)，此時(shí)正在執(zhí)行綠燈的相位達(dá)到最小綠燈時(shí)長時(shí)此相位綠燈早斷，提前開啟公交車到達(dá)相位的綠燈，即選擇綠燈早啟策略；當(dāng)下一相位不是公交相位時(shí)，在公交車從上游站點(diǎn)到達(dá)停車線時(shí)間內(nèi)可能未經(jīng)過一個(gè)相位綠燈或者經(jīng)過一個(gè)相位綠燈，根據(jù)不同情況選擇綠燈延長或者相位插入策略。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蘋果主要貯藏病害是在果園或采收、分級(jí)、運(yùn)輸?shù)冗^程中感染的，在貯藏期間遇到適宜條件就會(huì)發(fā)病。因此，蘋果苦痘病、蘋果霉心病、蘋果虎皮病等主要貯藏病害的防治須采取綜合措施，部分措施要在蘋果生長期實(shí)施。同時(shí)要盡量減少病原體，加強(qiáng)果園管理，防止機(jī)械損傷，創(chuàng)造適宜的貯藏環(huán)境，確保貯藏質(zhì)量。

3.2.1 中間未經(jīng)過一個(gè)相位綠燈時(shí)

表4 紅-紅情況三段式優(yōu)先控制算法Table 4 Three-stage priority control algorithm of red-red situation

表5 紅-紅情況二段式優(yōu)先控制算法Table 5 Two-stage priority control algorithm of red-red situation

3.2.2 中間經(jīng)過一個(gè)相位綠燈時(shí)

4 仿真分析

4.1 仿真條件與參數(shù)設(shè)置

4.1.1 路口渠化條件

選取城市某十字信號(hào)交叉口為目標(biāo)交叉口進(jìn)行公交優(yōu)先控制仿真分析，上下游分別有一個(gè)公交站點(diǎn)，上游站點(diǎn)離交叉口300 m，下游站點(diǎn)離交叉口200 m。其中東西方向?yàn)橹鞲傻溃煌枯^大，雙向8車道，其中直行車道兩條，左右轉(zhuǎn)車道各一條；南北方向?yàn)榇胃傻溃煌枯^小，雙向6車道，直行車道一條，左右轉(zhuǎn)車道各一條。右轉(zhuǎn)車輛不受信號(hào)控制，且對(duì)直行車流和左轉(zhuǎn)車流無干擾。

4.1.2 交通量參數(shù)

據(jù)調(diào)查，得到交叉口流量，除公交車流量外，其他社會(huì)車輛均折換成標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量小汽車，流量表如表6，由于右轉(zhuǎn)車輛不受控制，不考慮其延誤，因此不將右轉(zhuǎn)車輛列入其中。

表6 交叉口流量Table 6 Flows of intersection

4.1.3 原始信號(hào)參數(shù)

現(xiàn)狀交叉口信號(hào)配時(shí)采用四相位控制方案，信號(hào)周期為120 s，方案如表7。

表7 原始配時(shí)方案Table 7 Original signal timing scheme

各車道飽和流量為1 800 pcu/h，各相位最小綠燈時(shí)長為15 s。由于右轉(zhuǎn)車輛不受信號(hào)控制，因此不考慮右轉(zhuǎn)車輛的延誤。

4.1.4 公交車運(yùn)行參數(shù)

公交車在第一相位到來，即公交車在東西直行方向，且以120 s的發(fā)車間隔出發(fā)，3 600 s為一個(gè)運(yùn)行周期。假設(shè)公交車平均載客數(shù)為30人，社會(huì)車輛載客數(shù)為2人，公交車速度6～11 m/s，社會(huì)車輛7～14 m/s，車輛以隨機(jī)的速度到達(dá)交叉口，下游站點(diǎn)有5位乘客等待此公交車。由于公交車從上游站點(diǎn)出發(fā)模型生效，信號(hào)周期為120 s，所以公交車對(duì)應(yīng)的出發(fā)時(shí)刻有120種，編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，為了減少系統(tǒng)誤差，運(yùn)行120次。

4.2 公交車準(zhǔn)點(diǎn)率分析

準(zhǔn)點(diǎn)率分為平均準(zhǔn)點(diǎn)率與總平均準(zhǔn)點(diǎn)率，平均準(zhǔn)點(diǎn)率為每一秒出發(fā)的車輛準(zhǔn)點(diǎn)率的平均，總平均準(zhǔn)點(diǎn)率為整個(gè)周期內(nèi)所有車輛準(zhǔn)點(diǎn)率的平均。設(shè)公交車準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)旅行時(shí)間為60 s，假設(shè)在正點(diǎn)前后5 s范圍內(nèi)皆為準(zhǔn)點(diǎn)，將運(yùn)用筆者策略進(jìn)行優(yōu)先后的公交車準(zhǔn)點(diǎn)率與原配時(shí)方案下的準(zhǔn)點(diǎn)率進(jìn)行比較，不同情況下公交車平均準(zhǔn)點(diǎn)率、總平均準(zhǔn)點(diǎn)率如圖3和表8。

圖3 不同情況下公交車平均準(zhǔn)點(diǎn)率Fig. 3 Average punctuality rate of bus in different conditions

運(yùn)行參數(shù)優(yōu)先后優(yōu)先前變化率/%總平均準(zhǔn)點(diǎn)率/%46.8220.15+132.36總平均旅行時(shí)間/s67.8893.52-27.41

注：變化率=(優(yōu)先后-優(yōu)先前)/優(yōu)先前×100%，“+”代表增加；“-”代表減少。(下同)

以提高公交車的準(zhǔn)點(diǎn)率為目的，由圖3和表8可知，筆者提出的策略能有效提高公交車的準(zhǔn)點(diǎn)率，總平均準(zhǔn)點(diǎn)率從20.15%提高到46.82%，平均準(zhǔn)點(diǎn)率能提高至70%。準(zhǔn)點(diǎn)率也有不提高的情況，這是由于策略的不同造成的：當(dāng)公交車到達(dá)交叉口為綠燈或者不滿足優(yōu)先情況時(shí)則采用原配時(shí)方案，準(zhǔn)點(diǎn)率將會(huì)不變；當(dāng)公交車到達(dá)交叉口為紅燈時(shí)，則根據(jù)時(shí)間的分布采取不同的策略，準(zhǔn)點(diǎn)率也將會(huì)有差別。

4.3 公交車旅行時(shí)間分析

公交車旅行時(shí)間分為平均旅行時(shí)間與總平均旅行時(shí)間，平均旅行時(shí)間為每一秒出發(fā)的車輛旅行時(shí)間的平均，總平均旅行時(shí)間為整個(gè)周期內(nèi)所有車輛旅行時(shí)間的平均。將優(yōu)先后的公交車平均旅行時(shí)間、總平均旅行時(shí)間與原配時(shí)方案下的平均旅行時(shí)間、總平均旅行時(shí)間進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4和表8。

圖4 不同情況下公交車平均旅行時(shí)間Fig. 4 Average travel time of bus in different conditions

由圖4可知，優(yōu)先前公交車平均旅行時(shí)間變化范圍較大，公交車行駛過程很不穩(wěn)定，優(yōu)先后公交車平均旅行時(shí)間穩(wěn)定在均值附近，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。由表8和圖4可知，運(yùn)用筆者策略，公交車的總平均旅行時(shí)間減少27.41%，平均旅行時(shí)間最高可減少51.04%。當(dāng)公交車到達(dá)交叉口為綠燈或者不滿足優(yōu)先情況時(shí)則采用原配時(shí)方案，公交車旅行時(shí)間將會(huì)不變，即圖4中重疊部分；當(dāng)公交車到達(dá)交叉口為紅燈時(shí)，則根據(jù)時(shí)間的分布采取不同的策略，旅行時(shí)間改變程度不同。

4.4 公交車和社會(huì)車輛人均延誤分析

假設(shè)公交車平均載客數(shù)為30人，社會(huì)車輛載客數(shù)為2人，優(yōu)先后公交車和社會(huì)車輛的人均延誤和原配時(shí)方案下公交車和社會(huì)車輛的人均延誤比較如表9。

表9 公交車和社會(huì)車輛總?cè)司诱`Table 9 Total per capita delay of buses and socian vehicles

由表9分析可知，筆者策略能有效減少公交車的人均延誤，減少總百分比達(dá)46.75%。采用原配時(shí)方案時(shí)，公交車人均延誤沒有變化，采用筆者策略的優(yōu)先方案時(shí)，人均延誤有不同程度的減少。當(dāng)公交車所在相位采取優(yōu)先方案時(shí)，則會(huì)對(duì)周邊社會(huì)車輛有一定程度的影響，社會(huì)車輛總?cè)司诱`如表9。

分析得知，社會(huì)車輛的人均延誤有增加有減少，整體成增加趨勢，此種情況符合常理。由表9可知，社會(huì)車輛的人均延誤僅增加0.75%，在較大幅度減少公交車人均延誤的同時(shí)對(duì)周邊社會(huì)車輛的影響不大。

5 結(jié) 論

公交信號(hào)優(yōu)先的相關(guān)理論已被提及多年，理論成果非常豐富，但公交車準(zhǔn)點(diǎn)性的研究較少。筆者以提高公交車準(zhǔn)點(diǎn)性為目標(biāo)，提出車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于站點(diǎn)時(shí)刻表的公交優(yōu)先配時(shí)方法。根據(jù)公交車從上游站點(diǎn)出發(fā)及到達(dá)停車線時(shí)信號(hào)燈燈色選擇不同的優(yōu)先策略，并根據(jù)公交車到達(dá)停車線時(shí)間、延誤時(shí)間長短和到達(dá)時(shí)刻在此時(shí)綠燈相位的位置生成新的配時(shí)方案。最后通過實(shí)例分析，分析結(jié)果表明：公交車的平均準(zhǔn)點(diǎn)率提高26.67%，總平均旅行時(shí)間減少27.41%，公交車人均延誤減少46.75%的同時(shí)周邊社會(huì)車輛的人均延誤僅增加0.75%，獲得了較好的控制效果。

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