孫祥龍，馮樹民

(1. 東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

隨著城市交通需求的快速增長，城市中交通阻塞呈現(xiàn)出了由點(diǎn)到線、由線到面的擴(kuò)大趨勢。優(yōu)先發(fā)展公共交通對于減緩交通擁擠、能源緊缺都有重要意義。公交信號優(yōu)先是優(yōu)先發(fā)展交通的策略之一，在信號交叉口處為公交車輛提供優(yōu)先通行權(quán)。

城市道路網(wǎng)中，公交停靠站常布設(shè)于交叉口上游且距交叉口較近位置，這類公交站點(diǎn)處的公交?？繒r間改變會對通過交叉口車輛的延誤產(chǎn)生影響。目前對交叉口公交信號優(yōu)先研究主要集中在公交優(yōu)先的控制方法，根據(jù)控制交叉口多少，分為多路口協(xié)調(diào)控制[1-4]和單路口控制[5-7]；根據(jù)行駛車道不同，分為公交專用道優(yōu)先控制和非專用道優(yōu)先控制[8-11]；根據(jù)優(yōu)先對象多少，分為多公交線路優(yōu)先和單線路優(yōu)先[12-14]。

為探究公交停靠時間改變對公交信號優(yōu)先系統(tǒng)的影響，筆者結(jié)合VISSIM仿真，設(shè)計了固定信號配時和公交優(yōu)先信號配時兩種方案，探交叉口上游公交?？空竟卉囕v?？繒r間改變對車輛延誤的影響。

1 公交停靠時間模型

公交?？繒r間是指公交車減速停靠站點(diǎn)至加速離開的時間。公交?？繒r間一般包括：減速進(jìn)站時間、打開車門時間、乘客上下車時間、關(guān)閉車門時間、加速出站時間。筆者研究的車輛采用前上后下方式，其停靠時間模型如式(1)：

z=max(x×t1,y×t2)+t3+t4

(1)

式中：x為上車乘客數(shù)；y為下車乘客數(shù)；t1為單位乘客上車時間；t2為單位乘客下車時間；t3為車輛減速進(jìn)站和加速出站的時間之和；t4為車門打開和關(guān)閉時間之和。

2 仿真交叉口設(shè)計

2.1 交叉口平面設(shè)計

仿真擬采用一個單向三車道主路與單向雙車道次路相交形成的平面交叉口，車道寬度均為3.5 m，主路東西走向，設(shè)計車速為60 km/h；次路為南北走向，設(shè)計車速為40 km/h。公交線路只有一條，沿主干路由西向東直行，公交?？空驹O(shè)置在交叉口進(jìn)口道上游。交叉口西進(jìn)口道右側(cè)有展寬增加車道，公交?？空驹O(shè)置在展寬段之后20 m處，距離停止線130 m。設(shè)計15 m長公交站臺。設(shè)計交叉口處布設(shè)的檢入檢測器位于西進(jìn)口道距離停止線160 m處，檢出檢測器布設(shè)在停止線處。仿真交叉口平面設(shè)計如圖1。

圖1 仿真交叉口平面基本情況

2.2 交叉口信號控制方案設(shè)計

交叉口渠化方案為：主路設(shè)置1條專左車道，2條直行車道，1條直右車道；次路設(shè)置1條直行車道，1條直左車道，1條直右車道。交叉口采用三相位控制，設(shè)定信號周期為114 s，第1相位放東西向直行和右轉(zhuǎn)，第2相位放東西向左轉(zhuǎn)，第3相位放南北向直左右，信號配時如圖2。

圖2 信號相位配時方案

3 仿真參數(shù)標(biāo)定與設(shè)計

3.1 從檢入檢測器到停止線之間行程時間的標(biāo)定

公交車從檢入檢測器到停止線之間行程時間包括站點(diǎn)停車時間以及路段行駛時間。

1)站點(diǎn)停車時間：通過對哈爾濱市公交站點(diǎn)調(diào)查，公交車上下車乘客數(shù)大部分都在20人以內(nèi)，單位乘客上車時間為2.3 s；單位乘客下車時間為1.4 s。當(dāng)上下車乘客數(shù)在20人內(nèi)時，公交車乘客上下車時間總體小于40 s。

2)檢入檢測器到停止線之間的行駛時間：這個時間與交通狀態(tài)相關(guān)。鑒于檢入檢測器和停止線之間的距離只有145 m，故采用平均行駛時間來代替，該路段平均行駛時間為13 s。

3.2 綠燈亮后，車輛通過停車線時間的標(biāo)定

根據(jù)道路通行能力調(diào)查方法，綠燈亮后，第1輛車啟動、通過停車線的時間為2.3 s，直行車輛通過停車線的平均時間為2.5 s。

3.3 交通組成及通行能力分析

設(shè)定小型客車比例為95%，大型車比例為5%。東西主路左轉(zhuǎn)車占進(jìn)口車輛總和的5%，右轉(zhuǎn)車輛占15%，其余均為直行，南北次路與主路相同。

在仿真固定?？繒r間和可變停靠時間場景中，東西主路交通量按照0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的交通流量比來生成；次路交通量按照0.6的流量比來設(shè)定。交叉口通行能力計算方法如式(2)～(5)：

進(jìn)口道直行車道通行能力：

Cs=(3 600/TC)×[1+(tg-t0/ti)]φ

(2)

直右車道通行能力：

Csr=Cs

(3)

直左車道設(shè)計通行能力：

(4)

進(jìn)口應(yīng)設(shè)專左車道而未設(shè)專右車道時的通行能力：

Cel=(Cs+Csr)(1-βl)

(5)

式中：Cs、Csr、Csl、Cel分別為一條直行車道、直右車道、直左車道、進(jìn)口設(shè)有專用左轉(zhuǎn)車道而未設(shè)專用右轉(zhuǎn)車道的設(shè)計通行能力；TC為信號燈周期；tg為綠燈時間；t0綠燈亮后，第1輛車從啟動到通過停車線的時間；ti為直行車輛通過停車線的平均時間；φ為折減系數(shù)，這里φ=0.9；β1′為直左車道中左轉(zhuǎn)車所占比例；βl為左轉(zhuǎn)車占本面進(jìn)口道車輛比例。

由式(2)～(5)和車輛通過停車線時間(t0=2.3 s，ti=2.5 s)可計算出東西主路進(jìn)口道的通行能力為1 983 pcu/h，南北方向一個進(jìn)口道的通行能力為1 257 pcu/h，整個交叉口的通行能力為6 480 pcu/h。

根據(jù)仿真場景的需要，次干路南北方向的進(jìn)口道的實(shí)際交通流量為754 pcu/h(即南北進(jìn)口道通行能力的0.6倍)，車輛產(chǎn)生的位置到相應(yīng)進(jìn)口道停止線的距離為200 m；主干路東西進(jìn)口道按照流量比實(shí)際的交通量為991、1 190、1 388、1 586、1 785 pcu/h。

3.4 公交在站點(diǎn)?？繒r間

公交車從西至東駛?cè)虢徊婵?，發(fā)車位置在距離西進(jìn)口停止線上游的450 m處，發(fā)車頻率設(shè)定為5 min。根據(jù)實(shí)際調(diào)查，當(dāng)上下車人數(shù)小于20人時，乘客上下車時間小于40 s，因此仿真假定停靠時間服從N(10,5)、N(15,5)、N(20,5)、N(25,5)、N(30,5)、N(35,5)、N(40,5)的正態(tài)分布。

公交信號優(yōu)先場景中，信號優(yōu)先邏輯首先需要根據(jù)檢測器檢測到的信息預(yù)估公交車到達(dá)停止線時間。根據(jù)實(shí)際標(biāo)定結(jié)果，檢入檢測器檢測到公交車后，將于23、28、33、38、41、46、51 s后到達(dá)停止線。公交優(yōu)先采用綠燈延時和紅燈早斷策略。

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 仿真場景及評價指標(biāo)確定

論文共設(shè)計兩個仿真場景，場景1為交叉口固定信號配時方案；場景2交叉口采用公交優(yōu)先信號配時方案。每個場景仿真2 h，為盡可能消除初始條件帶來的影響，前5 min內(nèi)不采集數(shù)據(jù)。把距離各方向進(jìn)口道停止線120 m的區(qū)域作為評價參數(shù)收集范圍，分別收集主次路所有車輛延誤的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 兩種場景對公交車延誤(圖3)

圖3(a)為固定信號配時條件下公交車輛延誤情況。當(dāng)交通量確定時，公交車輛延誤隨?？繒r間的增加圍繞一定值呈上下波動，這是因?yàn)橥？繒r間不同，公交車到達(dá)交叉口停止線所處的相位也跟著改變，位于綠燈時間概率也不同。

在圖3(b)中，與固定配時交叉口不同的是，當(dāng)停靠時間小于25 s時，公交信號優(yōu)先場景中的公交車輛延誤波動幅度很小；當(dāng)大于25 s后，波動幅度較大。這是因?yàn)楫?dāng)?？繒r間大于25 s后，因?？繒r間增加，同向車輛對公交車輛的干擾變大，公交信號優(yōu)先系統(tǒng)預(yù)估的到達(dá)停止線時間與實(shí)際存在偏差增大。

根據(jù)仿真結(jié)果可得到公交車輛平均延誤時間，如表1。相對于固定信號配時的交叉口，公交信號優(yōu)先配時的交叉口公交車輛延誤時間減少了12.5%～16.5%；隨著交通量增加，公交車輛延誤時間減少幅度逐漸降低。

圖3 兩種場景對公交車延誤

表1 公交車平均延誤時間

4.2.2 兩種場景對同向社會車輛延誤(圖4)

由圖4(a)中可看出：主路車輛的延誤與公交?？繒r間無關(guān)；主路流量越大，其車輛延誤也就越大。圖4(b)為公交優(yōu)先信號配時下主路車輛延誤情況。當(dāng)流量比相同，公交?？繒r間為10～30 s時，主路車輛延誤時間相差不大；當(dāng)停靠時間為35、40 s時，延誤明顯降低。這是因?yàn)橄辔辉O(shè)計方案中，主路車輛通行時間增加，其延誤自然減小。

公交線路同向社會車輛在公交信號優(yōu)先配時的交叉口延誤明顯低于固定信號配時。這是因?yàn)橹髀飞系纳鐣囕v也隨著公交優(yōu)先信號得到了更多的通行權(quán)，其延誤降低。

圖4 兩種場景對同向社會車輛延誤

4.2.3 兩種場景對相交道路社會車輛延誤(圖5)

圖5分別為固定信號、公交信號優(yōu)先下相交道路社會車輛的延誤情況，固定信號下次路車輛延誤明顯低于公交信號優(yōu)先方案。圖5(a)中：車輛延誤時間不隨?？繒r間的變化而變化，這是因?yàn)榇温奋囕v在時間上的通行權(quán)已經(jīng)確定，車輛延誤不變。圖5(b)中：當(dāng)?？繒r間為10～30 s時，次路車輛延誤基本一樣；停靠時間為35、40 s時，次路車輛延誤顯著增加。在交通量一定，?？繒r間為35、40 s時，公交信號優(yōu)先帶來的主路通行時間大幅增加，次路通行時間相應(yīng)減少，從而使得次路車輛延誤增加。

圖5 兩種場景對相交道路社會車輛延誤

5 結(jié) 論

筆者通過仿真分析了在固定信號和公交信號優(yōu)條件下，交叉口進(jìn)口道上游公交停靠對各種車輛延誤影響，得到如下結(jié)論：

1)交叉口采用固定信號時，由于各方向車輛的通行權(quán)明確，故公交車停靠時間改變對主路社會車輛和公交車輛延誤基本沒有影響；當(dāng)采用公交信號優(yōu)先時，公交車輛得到優(yōu)先通行權(quán)，公交車輛延誤時間減少了12.5%～16.5%；

2)在公交優(yōu)先信號條件下，公交?？繒r間為10～30 s時，主路社會車輛延誤時間相差不大；當(dāng)?？繒r間為35、40 s時，延誤明顯降低；

3)采用固定信號時，次路車輛延誤時間不隨主路公交?？繒r間的變化而變化；在公交信號優(yōu)先情況下，當(dāng)主路公交?？繒r間為10～30 s時，次路車輛延誤基本不變；?？繒r間為35、40 s時，次路車輛延誤顯著增加。