薛艷青

(臨沂市規(guī)劃建筑設計研究院，臨沂 276000)

1 問題的提出

城市道路交叉口是交通車輛不斷地分流、合流及交叉的場所，是交通網(wǎng)絡中的瓶頸，交通擁堵問題突出.通過提高公共交通在交叉口處的運行效率，可提高整個交叉口的通行能力、緩解城市道路交通擁堵問題.

城市平面交叉口也是一個比較復雜的車輛排隊服務系統(tǒng).在道路結構條件一定的情況下，如何采用信號配時智能控制的方法，提高交叉口的通行效率，一直是城市交通領域關注的課題.

基于公交優(yōu)先信號控制策略，利用VB編程，建立了基于交叉口四相位控制的公交優(yōu)先智能交通信號控制系統(tǒng)仿真模型，并進行了交叉口處時間通行權公交優(yōu)先系統(tǒng)仿真實驗.在實驗中利用計算機模擬技術[1]，建立了包含有車輛跟馳模型、車輛檢測模型和信號控制模型等微觀交通仿真模型，并采用VB編程設計開發(fā)了仿真實驗軟件系統(tǒng).在相同的車輛和道路條件下，分別進行公交優(yōu)先的智能交通信號控制方式以及定時信號控制方式的仿真試驗并進行結果分析.結果表明：在交叉口處利用信號控制實現(xiàn)時間通行權的公交優(yōu)先，對于減少交叉口處的公交車輛延誤以及提高公交車到達的準時性具有顯著的作用，對于提高信控路口的通行能力，緩解城市交通壓力具有顯著效果[6].

2 信號控制策略

城市道路平面交叉口公交優(yōu)先技術一般有2種類型，一是在交叉口布設公交專用道來實現(xiàn)空間上優(yōu)先通行權；二是在交叉口設置公交優(yōu)先信號配時實現(xiàn)時間上優(yōu)先通行權[6].本文主要是采用公交優(yōu)先信號控制策略，來實現(xiàn)時間優(yōu)先通行權的公交優(yōu)先[2].在交叉口處讓公交車優(yōu)先通行，提高公交車的到達準時性，在其他社會車輛利益稍有損失的基礎上，實現(xiàn)交叉口人均社會利益最大化.

結合我國交叉口的信號控制特點，本文采用主動優(yōu)先控制模式.即通過優(yōu)先車輛檢測裝置識別分析公交車輛運行情況，檢測到公交車即將到達后，采用綠相位調(diào)用策略，主動適應、合理確定信號配時.若公交車在紅燈狀態(tài)時到達，這時縮短當前綠燈時間，使公交車到達交叉口時顯示綠燈，可順利通過，并設置合理的最小綠燈時間，保證公交優(yōu)先的同時又能實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化.

主動式公交優(yōu)先信號配時控制模式主要由公交車輛檢測、優(yōu)先決策判斷、優(yōu)先信號配時方案執(zhí)行等3個功能模塊組成[3].具體工作流程如圖1所示.

圖1 主動式公交信號優(yōu)先控制流程[4]

3 智能信號控制系統(tǒng)的構架

四相位信號配時方案：第1相位南北左轉，第2相位南北直行，第3相位東西左轉，第4相位東西直行，所有右轉車輛均不予控制，其信號配時方案如圖2所示.

圖2 四相位控制方案

交叉口四相位控制的智能信號控制系統(tǒng)包括車輛檢測器、公交車輛檢測與定位系統(tǒng)、智能交通信號控制器、通信系統(tǒng)和控制中心等5部分[7-8].

3.1 車輛檢測器

在交叉口各進口車道上設置環(huán)形線圈車輛檢測器，對交叉口范圍內(nèi)所有車流量進行檢測.設置于停止線處的線圈檢測到車輛通過停止線后，進口車道排隊車輛數(shù)減少一輛；設置于停止線前100 m處的上游感應線圈檢測到車輛進入交叉口范圍內(nèi)后，進口車道排隊車輛數(shù)增加1輛.由此計算出各進口車道上的排隊車輛數(shù)，作為智能決策模塊的輸入信息，用于交叉口信號狀態(tài)的實時決策[10].

3.2 公交車檢測與定位系統(tǒng)

公交車的檢測與定位主要包括公交車上的車載移動單元(即信號發(fā)射裝置)和設置于公交站點處、路段間隔處以及臨近交叉口范圍處的固定單元(即信號標桿).其具體工作流程如圖3所示.

圖3 公交車檢測與定位系統(tǒng)工作流程

3.3 智能交通信號控制器

智能交通信號控制器的預處理模塊對不同時刻的車流量信息和公交優(yōu)先級信息進行處理，分別獲得綠燈的轉換度和紅燈的急切度，然后將此信息輸入模糊推理系統(tǒng)，通過推理得到1個輸出:延長綠燈或提前結束紅燈時間.當綠燈啟動時，信號控制器確定一個能滿足剛起步的機動車以及非機動車和行人順利通過交叉口的最小綠燈時間.即將結束最小綠燈時，控制器進行決策操作，獲得切換的相位狀態(tài)，或者下一刻的綠燈延長時間.其工作過程如圖4所示.

圖4 智能信號控制器工作流程

3.4 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)通過有線(電纜或光纜)或無線通信網(wǎng)鏈路實現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)以及控制中心與子系統(tǒng)的通信.

固定單元與控制器單向通信：固定單元將處理后的公交車輛的相關信息發(fā)送給控制器.

固定單元與控制中心雙向通信:①固定單元向控制中心發(fā)送處理后的公交車輛的相關信息;②控制中心向公交站的固定單元發(fā)送已經(jīng)處理后的公交車位置信息，該信息以電子站牌的形式顯示.

控制器與控制中心雙向通信:①控制器向控制中心發(fā)送路口的交通流量信息以及實時信號相位控制信息;②控制器更新數(shù)據(jù)通過控制中心來完成.

3.5 控制中心

控制中心是整個信號控制系統(tǒng)的大腦，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)實現(xiàn)集成，與其他公共系統(tǒng)建立了聯(lián)系與集成.控制中心通過對固定單元對車輛的識別信息的查詢實現(xiàn)對車輛的準確定位，根據(jù)對同一車輛接收不同數(shù)據(jù)包的時間信息，判別得到最新的數(shù)據(jù)，并不斷地對車輛定位信息進行更新.

交叉口公交優(yōu)先智能信號控制系統(tǒng)的實現(xiàn)原理如圖5所示.

圖5 交叉口公交優(yōu)先智能信號控制系統(tǒng)工作原理

4 實例仿真分析

以青島開發(fā)區(qū)阿里山路無公交轉彎的交叉口為例，進行了系統(tǒng)仿真實驗與分析.利用vb編程語言設計交通仿真系統(tǒng)，利用計算機模擬技術，建立仿真模型.模擬相同的交通流量、不同配時方案(定時控制和公交優(yōu)先智能控制)條件的交通狀況,由此來判斷公交優(yōu)先控制系統(tǒng)能否真正意義上實現(xiàn)時間通行權上的公交優(yōu)先.

4.1 問題描述

仿真交叉口路況：各進口道共3條機動車道，其中直右車道1條，直行車道1條，左轉車道1條，各車道寬度均為3.5 m，無中間分隔帶，一般路段限制速度為40 km/h，信號配時方案采用四相位.根據(jù)現(xiàn)狀交通量調(diào)查統(tǒng)計，各進口道車輛組成比例如表1所示，高峰小時各轉向交通流量如表2所示.

表1 各進口道車輛組成 %

表2 各進口道高峰小時交通量

4.2 交通仿真建模

4.2.1 車輛檢測模型

車輛檢測模型主要完成對所有車輛的檢測以及對公交車的檢測.

對所有車輛的檢測主要通過安裝于每個進口車道的環(huán)形感應線圈檢測器來實現(xiàn)，環(huán)形感應線圈分別設置于各進口車道的停止線處以及設置于上游距離停止線100 m處，車輛檢測線圈的具體設置如圖6所示.

交叉口每個進口車道的仿真區(qū)域為上游檢測器至停止線范圍，詳見圖6所示的矩形區(qū)域.仿真的開始點為上游距離停止線100 m處的線圈檢測器處，每檢測到該斷面通過1輛車，進口車道排隊數(shù)增加1輛；仿真終止點為停止線線圈檢測器處，每檢測到該斷面通過1輛車，進口車道排隊數(shù)減少1輛.

圖6 檢測器安裝位置

為了簡化仿真模擬過程，公交車優(yōu)先級預先設定完成，將控制器第1步預處理計算進行了省略.同時，由于只針對1個交叉口進行仿真，公交車的位置對仿真的影響不明顯，所以省略了對公交車的定位模塊，只保留了公交車的檢測模塊.

4.2.2 車輛跟馳模型

在交叉口范圍內(nèi)，車輛跟馳主要包括減速停車過程、車輛啟動加速過程以及勻速行駛過程，主要完成對車輛排隊和消散過程的動態(tài)模擬.

在跟馳模型中，為了簡化計算假設所有車輛交叉口范圍均以30 km/h(即8.3 m/s)的速度行駛.減速停車時，假設車輛總是以最大減速度-0.5 m/s2從8.3 m/s的車速一直減到零；啟動時，假設車輛總是以最大加速度0.5 m/s2加速至8.3 m/s，再以該速度勻速行駛.

1) 減速停車過程

由實測可知，進口車道排隊車輛平均間距約為1.5 m.紅燈或黃燈時，車輛先確定減速開始位置，該位置前車輛勻速行駛，經(jīng)過該位置后，車輛以-0.5 m/s2的減速度開始減速，直至速度為零.

2) 啟動加速過程

綠燈初期，進口車道排隊車輛按順序依次啟動，第1輛排隊車輛在剛啟動綠燈時即刻啟動，以最大加速度加速至8.3 m/s后勻速行駛.由于后車受前車的影響，后車司機需要有足夠的反應時間以及后車在足夠的時間內(nèi)才能啟動，因此會產(chǎn)生啟動延遲.在仿真過程中，啟動延遲采用偽隨機數(shù)動態(tài)分配延遲時間，取0.8～1.6 s.

3)勻速行駛過程

綠燈期間，進口車道無排隊現(xiàn)象，車輛以8.3 m/s的速度勻速暢通行駛，直至駛離仿真區(qū)域.

4.2.3 交通信號控制模型

系統(tǒng)中設置了定時信號以及公交優(yōu)先智能交通信號控制器，用于不同信號配時方案情況下的交通分析.

方案1，四相位定時信號控制方案：信號周期為110 s，全紅時長為2 s，黃燈時長為3 s.相位1：南北向左轉，綠燈時長為13 s；相位2：南北向直行，綠燈時長為17 s；相位3：東西向左轉，綠燈時長為20 s；相位4：東西向直行，綠燈時長為40 s.

方案2，四相位公交優(yōu)先智能信號控制配時方案：仿真交叉口無轉彎公交車，綠燈時間實時調(diào)整，控制器按照實時交通流量以及公交優(yōu)先信息對直行綠燈時間進行延長或提前結束紅燈.在延長綠燈時間時，最長綠燈時間假設南北直行30 s，東西直行50 s；在縮短紅燈時間時，最短綠燈時間假設為15 s.

4.3 仿真程序設計

運行仿真過程:①仿真前:選擇信號控制配時方案，設定仿真演示速度以及總的仿真時間；②仿真程序運行中，可通過運行、繼續(xù)、暫停等按鈕控制仿真過程；③通過退出按鈕結束仿真程序.

仿真中，仿真步長設置為0.1 s.每個仿真時間步長內(nèi)主要完成以下任務：①相位信號處理:判斷什么時刻進行仿真相位切換，或者判斷什么時刻進行下一次延長綠燈，并執(zhí)行相關操作；②車輛掃描:按照對每個車道上車輛的掃描情況以及該信號狀態(tài)下的跟馳動作的執(zhí)行情況，實現(xiàn)對0.1 s后每輛車的位置進行定位；③動畫顯示:顯示車輛新的位置，顯示信號燈更新后的狀態(tài)以及相應的時間.程序對每個仿真時間步長的動作不斷地進行重復執(zhí)行，直至仿真結束或暫?；蛲Ｖ?

仿真程序的用戶界面如圖7所示.

圖7 交通仿真程序的用戶界面

仿真開始前，設置相關的仿真參數(shù)，設置參數(shù)及紅綠燈信號配時方案如圖8所示.

圖8 信號配時及仿真參數(shù)表

4.4 仿真實驗

分別對以上2種信號控制配時方案進行仿真實驗[5].由于仿真初始階段交通流不穩(wěn)定，因此需要采用一個較長的仿真時間用于提高仿真精度，本次仿真時間設定在20 min以上.

4.5 結果分析

為了提高仿真的精確度，仿真運行時段為0～2 000 s，其中路網(wǎng)初始化時間為200 s,數(shù)據(jù)采集時段為200～2 000 s.

在仿真過程中，當檢測到公交車時，通過延長綠燈時間或縮短紅燈時間來實現(xiàn)公交車時間通行權的優(yōu)先.2種方案的仿真分析結果如表3所示.

表3 交叉口公交優(yōu)先實施前后仿真結果匯總

從表3可看出：實行公交優(yōu)先的智能信號控制方式后，公交乘客平均延誤時間減少28.26%，所有車輛的平均延誤時間減少12.83%，交叉口平均排隊長度減少22.41%.由此可見，交叉口處的公交延誤明顯降低，提高了公交車輛調(diào)度的準時性.

5 結束語

通過對不同信號控制方式的仿真結果分析，交叉口公交優(yōu)先智能信號控制配時方案實現(xiàn)了公交車時間通行權的優(yōu)先，提高了公共交通的通行效率，降低了公交車的延誤以及交叉口處的排隊長度.將交叉口的交通組織渠化設計與智能信號控制方式相結合，能大大提高交叉口的通行能力，緩解城市道路的交通擁堵問題.