閆常鑫，謝覃禹，郭勁松

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，長沙 410013)

近年來，中國大多數(shù)城市道路交通擁堵日趨嚴重，小汽車等載量有限的非公交車輛與公交車相比占用了更多的道路資源，大力發(fā)展城市公共交通、實行公共交通優(yōu)先已成為許多城市緩解交通擁堵的重要手段。公交信號優(yōu)先是公共交通優(yōu)先戰(zhàn)略的重要組成部分，隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，將智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)與公交信號優(yōu)先相結(jié)合也成為智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的重要應(yīng)用場景。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(Intelligent and Connected Vehicle)具備復雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能[1]。智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)依托車載設(shè)備、路側(cè)設(shè)備與智能信號機，實現(xiàn)車輛與交叉口信號機之間的無線通信，將公交車輛的到達時間、實時位置傳遞給信號機，信號機動態(tài)調(diào)整信號優(yōu)先配時方案，實現(xiàn)交叉口公交信號優(yōu)先。

國內(nèi)外對于智能網(wǎng)聯(lián)公交的研究主要集中于車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的公交優(yōu)先控制方法研究，研究側(cè)重于如何將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與公交信號優(yōu)先相結(jié)合[2-6]，提出了很多理想化措施，在智能網(wǎng)聯(lián)化公交應(yīng)用初期很難得到廣泛應(yīng)用，因此當前階段有必要針對尚不成熟的智能網(wǎng)聯(lián)公交提出一種決策前評價方法來評估實施該項技術(shù)的條件。國內(nèi)外對于公交信號優(yōu)先控制策略[7-10]和交叉口信號配時方案優(yōu)化[11-12]的研究較多，對信號優(yōu)先技術(shù)進行評估方法研究的很少，僅有Qiu等[13]基于公交信號優(yōu)先技術(shù)實施對公交車通行效率提升和私家車延誤的影響，對上海市西藏路公交客流走廊實施公交信號優(yōu)先的效果進行了評估，但僅考慮了車均延誤，缺少對人均延誤的分析，也沒有考慮過飽和車道延誤計算的問題。

綜上所述，對于智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)和公交信號優(yōu)先技術(shù)的研究主要針對控制方法，對于技術(shù)實施前決策的研究則較少。智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)與公交信號優(yōu)先相結(jié)合，屬于新技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。在對道路交叉口應(yīng)用智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)前，評價實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)所帶來的影響，并反饋給決策部門，有利于減少后續(xù)工作推進的阻力。文中從人均總延誤計算和綜合指標評價兩個方面，提出兩種決策前評價方法，為管理部門決策具體城市道路是否適宜實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先提供參考。

1 智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)分析

1.1 公交信號優(yōu)先技術(shù)

公交信號優(yōu)先可以分為被動優(yōu)先、主動優(yōu)先和實時優(yōu)先三種控制策略[14]。核心手段是通過提高公交車所在相位的信號優(yōu)先級來提升公交車的運行速度。被動優(yōu)先即不考慮公交車的到達情況，靜態(tài)地提升公交車所在相位的綠燈時間，達到公交優(yōu)先的目的。主動優(yōu)先為通過設(shè)備檢測公交車到達情況，當公交車到達時，即給予信號優(yōu)先。實時優(yōu)先則是在主動優(yōu)先基礎(chǔ)上，根據(jù)實時信號交叉口的運行情況，甚至是交叉口所在片區(qū)的運行情況，動態(tài)計算信號配時方案，實現(xiàn)區(qū)域配時方案最優(yōu)。這三種策略代表了三種不同的發(fā)展階段，目前國內(nèi)公交信號優(yōu)先策略主要還是停留在主動優(yōu)先階段。主動優(yōu)先只要檢測到公交車就會提供優(yōu)先服務(wù)，由于沒有從整體運行最優(yōu)去考慮，因此也會給交叉口的運行效率帶來不利影響，尤其是對非優(yōu)先相位的影響較大。

1.2 智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)概述

智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)原理如圖1所示，該技術(shù)是將LTE-V2X通信技術(shù)與公交信號優(yōu)先技術(shù)相結(jié)合，通過公交車配備車載設(shè)備(On board Unit)，實現(xiàn)路側(cè)設(shè)備(Road Side Unit)與車載設(shè)備的實時雙向通信，結(jié)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)，路側(cè)設(shè)備將公交車的高精度位置、速度等信息傳輸給路口信號機，信號機根據(jù)這些信息調(diào)整信號交叉口的配時方案，通過綠燈延長、紅燈截斷等方式減少公交車因信號控制而產(chǎn)生的延誤。與利用地感線圈、地磁、視頻進行公交車被動式檢測的非智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)相比，智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)可以實現(xiàn)對公交車位置、速度的實時跟蹤，從而使綠燈延長時間計算更為精準。但智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)尚有不成熟之處，尤其是信號優(yōu)先控制策略還未完善，目前所采用的優(yōu)先策略仍屬于主動優(yōu)先策略，與其他公交信號優(yōu)先技術(shù)的信號優(yōu)先策略一樣存在對交叉口非優(yōu)先相位的干擾問題。因此在開展智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)前期，有必要通過歷史數(shù)據(jù)，對擬優(yōu)先道路進行決策前評價，判斷擬優(yōu)先道路是否具備實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先的條件。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)原理

2 評價方法

2.1 評價思路

經(jīng)過對技術(shù)特點的分析，智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先對城市道路的影響主要發(fā)生在各個信控交叉口，因此文中提出將對擬優(yōu)先道路的評價拆解為對道路各個信控交叉口的評價，再將各個信控交叉口評價結(jié)果進行整合，最后形成擬優(yōu)先道路的評價結(jié)果。對于信控交叉口的評價方法，文中提出兩種策略:方法一為直接計算優(yōu)先前后的人均總延誤差值進行評價;方法二是將交叉口的數(shù)據(jù)形成多個評價指標，并利用組合賦權(quán)法進行綜合評分。

2.2 人均延誤法

智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先的目的是為了提高公交出行者的出行效率，提升公交的吸引力，但在實際操作過程中，優(yōu)先是有代價的。對交叉口某個方向進口道的優(yōu)先，即意味著其他方向進口道的延誤增加。文中提出以優(yōu)先后交叉口人均延誤減去優(yōu)先前交叉口延誤的差值為標準構(gòu)建智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)決策前評價方法。計算人均延誤差值主要涉及三個方面的計算：一是車均延誤的計算方法，二是人均延誤的計算方法，三是優(yōu)先配時方案的計算方法，計算流程如圖2所示。

圖2 人均延誤計算流程

2.2.1 車均延誤計算

車均延誤計算目前已經(jīng)有較多成熟方法，如適用于飽和度較低情況下的Webster模型和適用于過飽和情況下May的定數(shù)延誤模型，但各有其局限性。論文基于高楊斌提出的思路[15]，梳理同時適用于欠飽和和過飽和情況下的車均延誤計算流程：首先對進口道飽和度進行判定，當飽和度低于0.9時，即采用Webster模型；當飽和度大于0.9時，即采用Akcelik模型。

Webster車輛平均延誤模型是使用比較多的延誤模型，其在飽和度不高情況下具有較高的應(yīng)用效果，如式(1)所示。交叉口進口道的控制延誤主要受進口道通行能力(與車道數(shù)、車道寬度相關(guān))、所在相位的綠信比的影響[16]。式(1)中，第一項表示車輛的到達率為恒定值時產(chǎn)生的正常相位延誤，第二項和第三項則表示車輛的到達率隨機波動時產(chǎn)生的附加延誤時間。

(1)

Akcelik過渡函數(shù)延誤模型由三部分組成，分別為均衡相位延誤、隨機延誤和過飽和延誤，如式(2)所示，式中第一項為均衡相位延誤，第二項則包含了隨機延誤和過飽和延誤。當采用Akcelik模型時，Ti值的選取對延誤計算值有較大影響，當飽和度大于0.9但小于1時，可取為周期長度，當飽和度大于等于1時，Ti可取為觀測到的持續(xù)飽和時間長度。在優(yōu)先配時方案調(diào)整后，對于部分車道已經(jīng)飽和的非優(yōu)先相位，其車道排隊長度將進一步提高，為了簡化計算，在計算優(yōu)先后的車均延誤時，對于此類車道，可將車道的值增加一個信號周期，在此基礎(chǔ)上計算配時方案調(diào)整后i方向進口道的車均延誤。

(2)

(3)

式中：x0=0.67+sgi/600。

2.2.2 交叉口人均延誤

(4)

2.2.3 優(yōu)先配時方案計算

(5)

(6)

2.2.4 歸一化計算

(7)

2.3 綜合指標法

人均延誤法通過直接計算得到交叉口延誤情況，通過人均延誤差值進行評價，缺少對城市優(yōu)先發(fā)展公共交通的考慮。對于智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)決策前評價，從倡導公交優(yōu)先的角度考慮，宜賦予公交客流延誤相對于小車延誤更多的權(quán)重，僅計算人均延誤還不能充分反映智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)所帶來的影響。綜合指標法通過建立綜合指標體系，加入了對公交客流、公交車流等指標的評價，并運用組合賦權(quán)法進行綜合評價。

2.3.1 評價指標體系構(gòu)建

智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)的實施對優(yōu)先相位和非優(yōu)先相位都會產(chǎn)生影響，優(yōu)先相位和非優(yōu)先相位的車流量、綠信比、公交車流量、公交載客量是實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先的重要考慮因素?；诖?，文中依據(jù)指標體系的有效性、全面性、定量化及可行性的設(shè)計原則[18]，從3個方面建立如圖3所示的智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先道路決策前評價指標體系。

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先道路決策前評價指標體系

1)優(yōu)先相位公交優(yōu)先效益。實施公交信號優(yōu)先技術(shù)能夠提升優(yōu)先相位的公交客流在交叉口的通行效率，公交客流、公交車流越大，優(yōu)先相位的公交優(yōu)先效益也就越大。文中選取優(yōu)先相位公交客流和優(yōu)先相位公交車流兩個指標來測度優(yōu)先相位公交優(yōu)先效益。兩個指標均為效益型指標，即指標值越大，優(yōu)先效益越高。

2)優(yōu)先相位公交優(yōu)先效果。優(yōu)先相位公交優(yōu)先效果是指實施公交信號優(yōu)先技術(shù)能夠提升優(yōu)先相位公交通行效率的程度。比如優(yōu)先相位車流量很小的情況下，公交車不需要在交叉口排隊，能夠比較快地通過交叉口，賦予公交優(yōu)先能夠提升的效果并不明顯。文中選取優(yōu)先相位車流量和優(yōu)先相位綠信比兩個指標，優(yōu)先相位車流量為效益型指標，優(yōu)先相位車流量越大，實施公交優(yōu)先的效果越好。優(yōu)先相位綠信比為成本型指標，指標值越大，說明該優(yōu)先相位的公交車在該交叉口已經(jīng)得到了很高的優(yōu)先級，實施公交優(yōu)先的效果將不會很理想。

3)非優(yōu)先相位影響。實施公交信號優(yōu)先將會降低非優(yōu)先相位的社會車和公交車的通行效率。論文選取非優(yōu)先相位車流量、非優(yōu)先相位公交客流量、非優(yōu)先相位公交車流量3個指標，3個指標均為成本型，指標值越大，則實施公交信號優(yōu)先的負面影響越大。

2.3.2 指標權(quán)重分析

建立智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先道路決策前評價指標體系后，運用AHP和熵值法相結(jié)合的組合賦權(quán)法對指標體系進行賦權(quán)。首先根據(jù)指標體系層次結(jié)構(gòu)，在各層元素中進行兩兩比較，構(gòu)建比較判別矩陣[19]。判斷矩陣標識針對上一層次因素，本層次與之有關(guān)因素之間相對重要性的比較[20]。然后，通過方根法求解判斷矩陣的最大特征值及其特征向量，并對判斷矩陣進行一致性檢驗[19，21]，得到AHP賦權(quán)權(quán)重。其次，利用熵值法[22]計算各個指標的權(quán)重。在信息論中，熵反映了信息的不確定性，指標的信息熵越小，則該指標提供的信息量越大，權(quán)重越大，熵值法通過對原始數(shù)據(jù)樣本進行無量綱化處理，計算各項指標的熵值，基于熵值計算各指標差異性系數(shù)，根據(jù)不同指標差異性系數(shù)占所有指標差異性系數(shù)之和的比重，即可得到各項指標的熵值法權(quán)重。最后利用拉格朗日乘數(shù)法[22]求解AHP賦權(quán)和熵值法賦權(quán)的組合權(quán)重。文中以長沙市金星路、銀杉路共20個交叉口數(shù)據(jù)為樣本，計算得到各個指標的權(quán)重,如表1所示。

表1 評價指標權(quán)重

比較AHP賦權(quán)法和熵值法賦權(quán)結(jié)果，可以看出，AHP賦權(quán)法為主觀賦權(quán)，對優(yōu)先相位公交優(yōu)先效益權(quán)重賦值較大，熵值法根據(jù)不同指標的樣本差異性大小進行賦權(quán)，由于公交客流走廊相交道路情況差異較大，因此對非優(yōu)先相位影響權(quán)重賦值較大，組合賦權(quán)法則取兩種方法的折中結(jié)果。根據(jù)組合賦權(quán)結(jié)果，在智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先決策前評價指標體系中，權(quán)重較大的準則層為非優(yōu)先相位影響和優(yōu)先相位公交優(yōu)先效益。其中C6非優(yōu)先相位公交客流量權(quán)重最高，為0.35，其次為C7非優(yōu)先相位公交車流量和C1優(yōu)先相位公交客流量，分別為0.20和0.19。優(yōu)先相位公交優(yōu)先效果準則對決策前評價影響較小，兩個指標優(yōu)先相位車流量和優(yōu)先相位綠信比的權(quán)重均為0.04。

3 實例分析

研究對象為長沙市區(qū)的金星路、銀杉路兩條城市道路。金星路和銀杉路為長沙河西城區(qū)南北向主干道，也是重要的公交客流走廊，兩條道路途經(jīng)公交線路均為10條以上，高峰小時公交車流量雙向180輛以上，高峰小時最大斷面公交客流量超2 000人次。這兩條道路在功能、走向、公交客流指標上具有一定相似性，較難通過主觀判斷哪條道路更適宜實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先。金星路待評價路口共9個，銀杉路待評價路口共11個。

金星路、銀杉路各個交叉口各個相位的車流量、公交車流量現(xiàn)狀情況如圖4所示，圖中相位一為擬優(yōu)先相位。

圖4 金星路、銀杉路各個交叉口各個相位現(xiàn)狀交通流量圖

3.1 人均延誤法計算結(jié)果

文中以延長優(yōu)先相位綠燈時間30 s、減少其他相位綠燈時間30 s為公交信號優(yōu)先措施，優(yōu)先相位綠信比優(yōu)先前后的變化如圖5所示。計算實施優(yōu)先措施前后各交叉口人均總延誤變化，各交叉口人均延誤法評估計算結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，銀杉路北津城路口、銀杉路佑姆塘路口、銀杉路景秀路口、銀杉路岳華路口、金星路佑姆塘路口、金星路含光路口、金星路銀雙路口7個交叉口得分較高，高于0.7。此外根據(jù)計算結(jié)果，這7個交叉口優(yōu)先后人均延誤差值較小，表示這7個交叉口實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先后對交叉口延誤影響較小或有利于整體延誤減少。銀杉路長望路口等13個交叉口優(yōu)先后人均延誤差值較大，其中銀杉路長望路口、銀杉路桐梓坡路口、金星路岳麓大道路口、金星路杜鵑路口、金星路咸嘉湖路口、金星路楓林路口人均總延誤顯著增加，評分不大于0.4。將兩條道路交叉口優(yōu)先前后人均延誤變化差值歸一化，結(jié)果取平均值，銀杉路人均總延誤變化歸一化值為0.61，金星路為0.51。從人均延誤總差值計算結(jié)果來看，銀杉路與金星路相比更適宜實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)。

圖5 金星路、銀杉路各個交叉口各個相位優(yōu)先前后的有效綠燈時間

圖6 金星路、銀杉路各個交叉口人均延誤法計算結(jié)果

3.2 綜合指標法計算結(jié)果

根據(jù)各指標值和權(quán)重進行加權(quán)計算，各交叉口綜合指標法評估計算結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖示結(jié)果，評分較高的交叉口為銀杉路北津城路口、銀杉路佑姆塘路口、銀杉路茶子山路口、銀杉路杜鵑路口、銀杉路景秀路口、金星路佑姆塘路口、金星路岳麓大道路口、金星路銀雙路口，組合賦權(quán)法評分大于0.7。將兩條道路各個交叉口分值取平均值，銀杉路交叉口平均得分為0.68，金星路交叉口平均得分為0.54。根據(jù)綜合指標法評價結(jié)果，銀杉路得分高于金星路，更適宜開展智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)。

圖7 綜合指標法計算結(jié)果

3.3 兩種方法結(jié)果比較

可以看出綜合指標法的評分結(jié)果與人均延誤法趨勢上有一定相似性，兩種方法結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.48，兩種方法結(jié)果的相關(guān)性t檢驗p值為0.25，兩種方法結(jié)果不具有統(tǒng)計學意義上的相關(guān)性。

兩種方法對于銀杉路長望路口、銀杉路佑姆塘路口、銀杉路景秀路口、金星路銀雙路口取得了較為一致的結(jié)果。但對于金星路杜鵑路口、金星路岳麓大道路口則存在分歧。其原因是人均延誤法通過計算交叉口整體人均延誤的差值來評價，計算過程中小汽車參與者延誤和公交參與者延誤是平等的，而綜合指標法對公交車流量和公交客流量賦予了更高的權(quán)重，如杜鵑路和岳麓大道非優(yōu)先相位車流量大，如果實施公交信號優(yōu)先必然會對道路交通產(chǎn)生影響，根據(jù)人均延誤法的評價結(jié)果，這兩個路口不適宜開展公交信號優(yōu)先。但是杜鵑路和岳麓大道非優(yōu)先相位公交客流量小，開展公交信號優(yōu)先對交叉口公交運行影響較小，因而根據(jù)綜合指標法，這兩個路口適宜開展公交信號優(yōu)先。綜合來看，如城市交通政策導向側(cè)重于公交優(yōu)先，則可以選用綜合指標法，反之則宜選用人均延誤法。

4 結(jié) 論

1)從道路層面看，人均延誤法和綜合指標法的評價結(jié)果較為一致，從交叉口層面看，則存在一些分歧，對于部分交叉口的評分差別較大，其差異主要是因為綜合指標法對公共交通客流指標賦予了更大的權(quán)重。在實際操作中可以結(jié)合本地交通發(fā)展戰(zhàn)略選擇合適的評價方法。

2) 評價結(jié)果表明不同交叉口之間的智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先實施影響差異較大，一條道路上不可避免會存在一些瓶頸節(jié)點制約智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)的應(yīng)用，為避免對整體交通系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，可只對道路中的部分交叉口實施智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先。對于文中的實例，建議優(yōu)先選取銀杉路實施公交信號優(yōu)先，考慮長沙為“國家公交都市建設(shè)示范城市”，建議決策以綜合指標法評價結(jié)果為主，兼顧人均延誤法評價結(jié)果，同時考慮公交優(yōu)先的連續(xù)性，建議優(yōu)先實施銀杉路佑姆塘路口、銀杉路茶子山路口、銀杉路含光路口、銀杉路杜鵑路口4個交叉口作為智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)示范路口。

文中研究的前提是智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先技術(shù)尚未發(fā)展成熟，開展智能網(wǎng)聯(lián)公交信號優(yōu)先可能存在正反兩方面影響，因此需要進行決策前評估來明確是否需在具體道路應(yīng)用該項技術(shù)，未來工作將進一步結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的特點對現(xiàn)階段公交信號優(yōu)先策略進行優(yōu)化。