楊曉宇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢∥高級(jí)工程師)

道路平交路口是有軌電車運(yùn)行延時(shí)的主要節(jié)點(diǎn)。同其它地面交通工具相比，有軌電車的車輛性能、行駛特征及運(yùn)營(yíng)模式存在較大差異，故常規(guī)平交路口優(yōu)先控制方法難以有效提高有軌電車的通行效率。本文以有軌電車的運(yùn)行特征與道路設(shè)施為依據(jù)，構(gòu)建了有軌電車平交路口信號(hào)優(yōu)先控制方法。

1 信號(hào)優(yōu)先控制方法

在平交路口采用空間優(yōu)先控制方法和時(shí)間優(yōu)先控制方法能提高有軌電車通行效率?？臻g優(yōu)先控制方法包括路權(quán)形式選擇和車道布設(shè)方式等[1]。有軌電車擁有獨(dú)立車道路權(quán)和平交路口專用進(jìn)口道，其空間需求能優(yōu)先得到保障。在采用時(shí)間優(yōu)先控制方法的模型中， 應(yīng)用較廣的MAXBAND(最大頻帶)模型和AM-BAND(不對(duì)稱多頻帶)模型[2]，通過調(diào)節(jié)干道上各信號(hào)平交路口之間的相位差、公共信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，可以使電車獲得盡可能不停頓的通行權(quán)[3-5]。隨著定位檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前主流研究是將人均延誤和車均延誤作為目標(biāo)函數(shù)，利用綠燈延長(zhǎng)、紅燈早斷和插入相位等實(shí)現(xiàn)有軌電車實(shí)時(shí)優(yōu)先控制[6-7]。然而，現(xiàn)有的實(shí)時(shí)優(yōu)先控制方法多以延誤作為優(yōu)化指標(biāo)[8]，而延誤發(fā)生多為車輛排隊(duì)以及行人與沖突車流干擾。有軌電車擁有空間優(yōu)先路權(quán)，基于車均延誤的實(shí)時(shí)信號(hào)優(yōu)先控制方法，并不能較好體現(xiàn)有軌電車系統(tǒng)特性。

本文在有軌電車站間綠波控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)有軌電車到達(dá)時(shí)刻所處相位位置，以及平交路口相位、相序和有效綠燈時(shí)間，提出有軌電車到達(dá)時(shí)刻的工況分類，進(jìn)而提出相位優(yōu)先控制方法;結(jié)合非電車相位壓縮約束限制，計(jì)算電車相位實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間，提出一種有軌電車實(shí)時(shí)信號(hào)優(yōu)先控制方法。

1.1 有軌電車到達(dá)工況

平交路口1個(gè)信號(hào)周期中電車相位為s。相關(guān)時(shí)間參數(shù)為：非電車相位r的最小綠燈時(shí)間tr,min，指保障機(jī)動(dòng)車交通需求與非機(jī)動(dòng)車及行人過街需求的最短時(shí)間；電車相位s的有效綠燈時(shí)間ts,vaild，指能被有軌電車?yán)玫臅r(shí)間；電車相位的清空時(shí)間指保障有軌電車安全通過最遠(yuǎn)沖突點(diǎn)的時(shí)間[1]。將非電車相位r的起始時(shí)刻tr,s、非電車相位r的最小綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)刻、電車相位s的起始時(shí)刻ts,s、電車相位s的有效綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)刻、電車相位s結(jié)束時(shí)刻作為臨界值，則根據(jù)有軌電車到達(dá)平交路口時(shí)刻t所處的相位，將有軌電車到達(dá)工況劃分為四類，如圖1所示。

圖1 有軌電車到達(dá)工況示意圖Fig.1 Diagram of tram arrival working condition

1) 工況一：有軌電車在tr,min內(nèi)到達(dá)平交路口。tY為黃燈時(shí)間,則有：

tr,s≤t

2) 工況二：有軌電車在相位r的最小綠燈時(shí)間結(jié)束后到達(dá)平交路口。此時(shí)有：

tr,s+tr,min+tY≤t

式中：

tr,nor——r相位的初始綠燈時(shí)間。

3) 工況三：有軌電車在電車相位s的有效綠燈時(shí)間內(nèi)到達(dá)。此時(shí)有：

ts,s≤t

4) 工況四：有軌電車在電車相位s的清空時(shí)間內(nèi)到達(dá)。ts,nor為s相位的初始綠燈時(shí)間,此時(shí)有：

ts,s+ts,valid+tY≤t

1.2 有軌電車相位控制方法

利用有軌電車車載定位系統(tǒng)，結(jié)合有軌電車行駛特征，能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)t。本文按有軌電車到達(dá)工況，提出有軌電車相位的早啟控制和延長(zhǎng)控制方法，可有效縮短有軌電車在路口的平均運(yùn)行時(shí)間，提高有軌電車通行效率。

1.2.1 相位早啟控制方法

在工況一及工況二下，有軌電車到達(dá)平交路口的預(yù)測(cè)時(shí)刻位于電車相位s開始前，則應(yīng)縮短當(dāng)前相位的綠燈時(shí)間，使信號(hào)燈提前進(jìn)入電車相位s，以保證電車能夠優(yōu)先通過平交路口(如圖2所示)。本信號(hào)周期的電車相位s早啟時(shí)間，是電車相位s之前的非電車相位綠燈時(shí)間壓縮量之和。

圖2 有軌電車相位早啟控制方法示意圖Fig.2 Diagram of tram phase advanced control method

1.2.2 相位延長(zhǎng)控制策略

工況四下，如果t位于電車相位s的清空時(shí)間，則可通過延長(zhǎng)s相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)，使信號(hào)燈繼續(xù)保持綠燈，以保證有軌電車能夠順利通過平交路口(如圖3所示)。本信號(hào)周期的s相位延長(zhǎng)時(shí)間，為s相位之后的非電車相位綠燈時(shí)間壓縮量之和。

圖3 有軌電車相位延長(zhǎng)控制方法示意圖Fig.3 Diagram of tram phase extended control method

1.3 不同工況下各相位實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間計(jì)算

1.3.1 工況一

ti,real=(1-α)ti,min+αti,nor

其中,

式中：

ti,real——i相位的實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間；

k——受電車相位s綠燈延長(zhǎng)方法影響的最大相位；

ts,real——s相位的實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間。

1.3.2 工況二

ti,real=(1-α)ti,min+αti,nor

其中:α同前,tr,real=t-tr,s。

式中：

tr,real——r相位的實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間。

1.3.3 工況三

在工況三下，相位[1,s)和(s,k]的綠燈時(shí)間采用初始綠燈時(shí)間ti,nor。此時(shí)，電車相位的綠燈早啟時(shí)間為0，其它非電車相位的綠燈時(shí)間為：

ti,real=ti,nor,i∈[1,s)∪(s,k]

ts,real=ts,nor

1.3.4 工況四

2 仿真驗(yàn)證

依托中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司與東南大學(xué)共同承擔(dān)的科研課題，以南京市江東中路-奧體大街平交路口為案例路口，實(shí)測(cè)采集道路設(shè)施與交通運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在Vissim軟件構(gòu)建交通仿真環(huán)境，對(duì)信號(hào)優(yōu)先控制方法的應(yīng)用進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

江東中路是南京河西新城南北向主干道，雙向共14條車道，道路寬74 m；奧體大街是河西新城的東西向主干道，雙向共6條車道。沿江東中路敷設(shè)有路側(cè)直線式有軌電車線路。本研究于2015年4月6～10日、2018年6月18～22日(正常工作日)的9:00—16:00，分別實(shí)測(cè)采集了連續(xù)5 d的數(shù)據(jù)。

2.1 仿真環(huán)境與評(píng)價(jià)方法

實(shí)時(shí)信號(hào)控制的仿真工具采用Vissim仿真軟件中的VAP模塊。交通運(yùn)行數(shù)據(jù)由站點(diǎn)?？繒r(shí)間短時(shí)預(yù)測(cè)模型標(biāo)定，由有軌電車到達(dá)檢測(cè)器檢測(cè)，并由運(yùn)行效率評(píng)價(jià)檢測(cè)器標(biāo)定與獲取。案例路口原信號(hào)控制方案采用普通四相位信號(hào)配時(shí)方案，其信號(hào)周期為140 s，相位黃燈時(shí)間為3 s。其中，有軌電車相位與江東中路常規(guī)地面交通直行相位共用相位3。具體信號(hào)配時(shí)方案見圖4。

圖4 江東中路-奧體大街平交路口信號(hào)配時(shí)方案Fig.4 Traffic signal control scheme at the test intersection

根據(jù)基于效率最優(yōu)的信號(hào)優(yōu)先控制方法，有軌電車到達(dá)平交路口的時(shí)刻可劃分為7個(gè)時(shí)間區(qū)間。按有軌電車到達(dá)平交路口時(shí)刻和實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間的相關(guān)計(jì)算式，有軌電車在各個(gè)區(qū)間到達(dá)平交路口時(shí)，各相位的實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 有軌電車在不同時(shí)間區(qū)間到達(dá)時(shí)的實(shí)時(shí)綠燈時(shí)間

2.2 實(shí)時(shí)優(yōu)先控制方法對(duì)電車通行效率的影響

為研究通行效率，本研究將包括平交路口寬度在內(nèi)的250 m路段作為檢測(cè)范圍，以有軌電車在檢測(cè)范圍內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間作為通行效率指標(biāo)。由此可知，運(yùn)行時(shí)間越短，通行效率越高。試驗(yàn)中的有軌電車到達(dá)檢測(cè)器設(shè)置在平交路口停車線前45 m處。在仿真計(jì)算中，將平交路口的飽和度設(shè)置為0.3，將有軌電車的發(fā)車間隔設(shè)置為280 s、420 s、700 s、840 s，選擇有軌電車在檢測(cè)路段的行程時(shí)間作為評(píng)價(jià)平交路口運(yùn)行效率的指標(biāo)，則得到案例路口采用基于效率最優(yōu)的有軌電車信號(hào)優(yōu)先控制方法前后的有軌電車路口運(yùn)行時(shí)間，如圖5所示。

由圖5可知，有軌電車上行線路在平交路口的運(yùn)行時(shí)間減少了6～10 s，下行減少了5～9 s。說明根據(jù)有軌電車預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)刻所屬的區(qū)間，通過壓縮非電車相位的綠燈時(shí)間，對(duì)電車相位進(jìn)行早啟或延長(zhǎng)控制，能顯著提升有軌電車在平交路口的通行效率。

a) 發(fā)車間隔為280 s

c) 發(fā)車間隔為700 s

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于運(yùn)行效率最優(yōu)的有軌電車實(shí)時(shí)信號(hào)優(yōu)先控制方法。該方法按有軌電車到達(dá)平交路口時(shí)刻劃分了4種工況，并針對(duì)不同工況，選擇非電車相位時(shí)間壓縮策略，計(jì)算電車相位早啟或延長(zhǎng)時(shí)間。選取南京市江東中路-奧體大街平交路口作為案例路口，借助Vissim交通仿真軟件對(duì)所提方法的實(shí)施效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，本文提出的控制方法在不同發(fā)車間隔水平下，均能降低有軌電車在平交路口的平均運(yùn)行時(shí)間，有助于提高電車在平交路口處的通行效率。