馬軍

上海平可行智能科技有限公司 上海 200235

1 引言

公交優(yōu)先指在信號控制交叉口給與公交車輛相對于其他車輛的優(yōu)先權(quán)。出于現(xiàn)實的巨大需求，公交優(yōu)先控制理論自創(chuàng)立開始，吸引了交通控制領(lǐng)域、公共交通領(lǐng)域等各領(lǐng)域研究者的注意力。公交優(yōu)先主要包含主動優(yōu)先和被動優(yōu)先。被動優(yōu)先指策略不考慮交叉口是否有公交車輛到達，同時不需要車輛檢測/優(yōu)先申請生成系統(tǒng)；主動優(yōu)先指為檢測到的特定車輛提供優(yōu)先，包括綠燈延長、紅燈早斷、相位插入等多種方法[2]。

SCATS（以下統(tǒng)稱為SCATS控制系統(tǒng)）是“Sydney Coordinated Adaptive Traffic System”的英文名稱縮寫，是一種在國際上被普遍采用的商用自適應(yīng)道路交通信號控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前在國內(nèi)應(yīng)用于上海、廣州、杭州、沈陽等多個城市，其在城市日常道路交通管理中扮演著極為重要的角色[3]。SCATS控制系統(tǒng)支持分時段或感應(yīng)式單點控制及協(xié)調(diào)控制，應(yīng)用較為靈活。除此外，其還提供特殊車輛預(yù)設(shè)路線、公交信號優(yōu)先等特殊控制功能。

國內(nèi)基于SCATS控制系統(tǒng)進行快速公交信號優(yōu)先工程實踐中，在確定SCATS控制系統(tǒng)外部干預(yù)信號的輸入時間窗口時，通常結(jié)合車輛的現(xiàn)場運行特征進行反復(fù)調(diào)試，缺乏科學(xué)的調(diào)控手段，不但影響工程的實際進展，對于公交信號的主動優(yōu)先控制也并不理想[4]。為了彌補上述不足之處，本文著重基于SCATS控制系統(tǒng)設(shè)計一種公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)，提出一種在設(shè)置公交專用道條件下的快速公交信號主動優(yōu)先的控制方法，同時以臨港新片區(qū)中運量公交T2線工程為例進行實例驗證。其特征在于結(jié)合SCATS控制系統(tǒng)的外部信號干預(yù)原理，利用實車運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)精細調(diào)控外部信號輸入的時機，從而有效干預(yù)SCATS控制系統(tǒng)控制策略的執(zhí)行。

2 基于SCATS控制系統(tǒng)的主動優(yōu)先控制機理

2.1 控制機理說明

實施公交主動優(yōu)先策略，通常的做法是在交叉口上游布設(shè)檢測器以感知車輛的到達，通過預(yù)判公交車輛由檢測器位置到達交叉口進口停車線行駛時間，結(jié)合交叉口當(dāng)前相位狀態(tài)在合適的時間點將優(yōu)先申請信號發(fā)送至交叉口信號控制機。交叉口信號控制機在接收到優(yōu)先申請信號后，會結(jié)合交叉口交通實際需求并在信號控制系統(tǒng)的總體控制下執(zhí)行相應(yīng)的控制方案。檢測器的布設(shè)位置如圖1所示[1]。

圖1 快速公交主動優(yōu)先檢測器布設(shè)示意圖

檢測器用于判定公交車輛的到達。其設(shè)置在交叉口進口停車線上游處，與交叉口公交相位綠燈倒計時和最大綠燈延長時間相關(guān)。在具體實踐過程中，不同廠家的信號控制機或交通信號控制系統(tǒng)在接收優(yōu)先申請信號及執(zhí)行方案時均有所不同。本文主要基于SCATS控制系統(tǒng)進行有關(guān)主動公交優(yōu)先控制的研究。

SCATS控制系統(tǒng)分兩個層次進行信號控制（定義為戰(zhàn)略控制和戰(zhàn)術(shù)控制），以適應(yīng)交通流量的需求，特別是控制影響路口協(xié)調(diào)的周期、綠信比和相位差三個重要參數(shù)。戰(zhàn)略控制是以區(qū)域為基礎(chǔ)計算上述三個參數(shù)以決定信號網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的高層控制，由區(qū)域控制計算機完成。戰(zhàn)術(shù)控制是以路口為基礎(chǔ)，在不違反區(qū)域控制計算機制定的戰(zhàn)略控制參數(shù)的條件下來滿足路口交通需求的變化，是低一級的控制，由信號控制機完成。中央管理計算機負責(zé)控制數(shù)據(jù)的輸入、采集、監(jiān)測、分析以及系統(tǒng)的管理等工作。

SCATS控制系統(tǒng)通過戰(zhàn)略控制和戰(zhàn)術(shù)控制的結(jié)合提供公交信號優(yōu)先控制功能。戰(zhàn)術(shù)控制提供外部優(yōu)先申請觸發(fā)信號的輸入并向戰(zhàn)略控制傳達，根據(jù)戰(zhàn)略控制指令具體執(zhí)行；戰(zhàn)略控制在接受戰(zhàn)術(shù)控制的申請后，依據(jù)預(yù)設(shè)的特殊控制先決條件及當(dāng)前的信號進行邏輯計算，以此向戰(zhàn)術(shù)控制下達執(zhí)行指令及目標控制參數(shù)，或下達拒絕指令。

對于戰(zhàn)術(shù)控制提供外部優(yōu)先申請觸發(fā)信號的輸入，須額外設(shè)計一套設(shè)施用于向交叉口信號控制主機發(fā)送優(yōu)先申請信號。而SCATS控制系統(tǒng)路口信號控制機實際僅提供干觸點輸入通道，即僅支持采用開關(guān)量接口方式[2]接收公交優(yōu)先通行請求。

2.2 信號優(yōu)先控制系統(tǒng)構(gòu)成

信號優(yōu)先控制系統(tǒng)按照上述SCATS控制系統(tǒng)公交優(yōu)先功能的實現(xiàn)方式進行設(shè)計。系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖2所示。

圖2 基于SCATS控制系統(tǒng)的快速公交信號主動優(yōu)先控制系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖

系統(tǒng)以優(yōu)先控制主機為核心，輔以路側(cè)檢測器完成向SCATS控制系統(tǒng)申請優(yōu)先通行。優(yōu)先控制主機主要承擔(dān)向信號控制主機發(fā)送優(yōu)先申請信號的任務(wù)，具體實現(xiàn)以下三方面功能：

①接收檢測器采集的數(shù)據(jù)進行車輛運行特征的計算，判斷車輛到達交叉口進口停車線的時間；

②實時采集交叉口交通控制方案的數(shù)據(jù)，判斷交叉口當(dāng)前相位狀態(tài)及是否處于公交相位倒計時時間區(qū)段；

③在特定時刻通過路口信號控制機向SCATS控制系統(tǒng)發(fā)出優(yōu)先申請信號，并接收申請反饋。

3 控制方法

以某一四相位交叉口為例，重點討論基于SCATS控制系統(tǒng)的快速公交交叉口優(yōu)先通行控制中綠燈延長和紅燈縮短[3]兩種響應(yīng)方式的控制方法。同時本文僅研究交叉口具有單一公交相位的情況，對于多公交相位的交叉口不在本文討論之列。

3.1 控制模型及關(guān)鍵參數(shù)分析

如圖3所示，Phase A、Phase B、Phase C及Phase D為交叉口的四個相位及相應(yīng)相序，其中Phase A為公交相位。

圖3 相位相序示意圖

圖中：

T1— Phase A原綠燈時間開始時刻；

T2— Phase A原紅燈時間開始時刻；

T3— Phase D的綠燈時間開始時刻；

Ta— SCATS控制系統(tǒng)接收到優(yōu)先請求通知的時刻，等同于優(yōu)先控制主機發(fā)出優(yōu)先請求時刻；

Tcd— Phase A綠燈時間的倒計時時間段；

Tapply—綠燈時間延長控制可響應(yīng)時段；即SCATS控制系統(tǒng)僅支持Ta處于Tapply時段內(nèi)并且收到綠燈延長指令時，才能在Phase A實施綠燈時間延長策略，其余時間區(qū)段發(fā)出綠燈延長指令則無效。其中，Tapply的結(jié)束時刻為Tcd的開始時刻，Tapply的開始時刻可記為Tapply(s)，其需要事先于SCATS控制系統(tǒng)中設(shè)定；

Toccupy1— Phase A啟用綠燈延長優(yōu)先策略時，SCATS控制系統(tǒng)實際給予Phase A的綠燈延長時間，也即相應(yīng)占用的Phase B的綠燈時間；

Toccupy2— Phase A啟用紅燈縮短優(yōu)先策略時，SCATS控制系統(tǒng)實際給與Phase A的紅燈縮短時間，也即相應(yīng)占用的Phase D的綠燈時間；

同時，定義如下參數(shù)：

T'1— Phase A啟用紅燈縮短優(yōu)先策略后，下一周期Phase A綠燈時間的開始時刻；

T'2— Phase A啟用綠燈延長優(yōu)先策略后，Phase A紅燈時間的開始時刻；

CL— 周期時長；

TL— 優(yōu)先控制主機獲知車輛到達上游處檢測器的時刻；

ts— 車輛預(yù)計到達時間，即從TL時刻起至對象車輛到達交叉口停止線所經(jīng)歷的時間；由優(yōu)先控制主機根據(jù)相應(yīng)規(guī)則計算；

3.2 控制模型參數(shù)計算

3.2.1 約束條件

受現(xiàn)有優(yōu)先控制系統(tǒng)及工程條件的相關(guān)限制，將下列約束條件列為研究前提：

①SCATS控制系統(tǒng)在一個信號周期內(nèi)至多響應(yīng)1次優(yōu)先通行請求；在一個信號周期內(nèi)系統(tǒng)沒有其它特殊控制策略影響公交優(yōu)先控制；

②優(yōu)先控制主機無法實時精確獲知交叉口信號狀態(tài)的讀秒時刻，但能通過采集信號燈的燈色變化判斷當(dāng)前時刻所處的相位狀態(tài)及是否處于當(dāng)前相位綠燈的倒計時區(qū)段；

③Toccupy1、Toccupy1因分別受到Phase B、Phase D飽和度（于綠燈時間被占用后）及必要綠燈時間（如倒計時時間）等的限制而存在一個最大值，可分別記為Toccupy1(M)、Toccupy2(M)。其根據(jù)交叉口實際流量情況及交通管控需求事先約定。

3.2.2 控制方法核心要素及關(guān)鍵參數(shù)求解

首先定義優(yōu)先控制主機和路口信號控制機間至少有2路開關(guān)量通路連接。優(yōu)先控制主機通過該2路通道單向通知路口信號控制機：開關(guān)量1代表綠燈延長；開關(guān)量2代表紅燈縮短。

預(yù)設(shè)SCATS控制系統(tǒng)的Tapply（s），可令Tapply=toccupy1（M），則有

由優(yōu)先控制主機確定Ta，則有

由優(yōu)先控制主機進行判斷并發(fā)出優(yōu)先請求：

SCATS控制系統(tǒng)同步于Ta時刻收到優(yōu)先控制主機發(fā)出的開關(guān)量后，進行如下判斷及回復(fù)：

當(dāng)收到開關(guān)量1，且Ta處于Tapply區(qū)段，即時，Phase A啟用綠燈延長優(yōu)先策略，此時有：，由公式（1）和公式（2），得到：

當(dāng)收到開關(guān)量1，而Ta不在Tapply區(qū)段時，優(yōu)先請求失??；

當(dāng)次車輛ts的計算，由于受到車輛工況、駕駛行為、道路條件、L0位置等多個因素的影響，較難精準計算。國內(nèi)大多設(shè)定車輛以近似勻速運行的條件進行L0、ts的相關(guān)研究。本文給出ts的基于車輛運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的一種迭代確定的工程方法，可應(yīng)用于優(yōu)先控制主機主程序的自主運算。

首先可設(shè)計檢測器采用RFID[4]方式檢測識別車輛。通過車載電子標簽及安裝于路側(cè)的閱讀器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，能夠采集車輛當(dāng)前身份、運行速度等重要數(shù)據(jù)，其中運行速度對于求解ts至關(guān)重要。

在圖1基礎(chǔ)上再增加一組檢測器2，如圖4所示，檢測器2位于停車線處，優(yōu)先控制主機用于標識車輛到達停車線的時刻T'L。

圖4 用于標識到達交叉口時刻的快速公交優(yōu)先檢測器布設(shè)示意圖

其次確定L0，由于公交車輛行駛的不確定性，在工程條件允許的情況下，L0需要根據(jù)實際情況確定，可利用優(yōu)先控制主機算法控制延長優(yōu)先申請呼叫時刻，從而綜合考慮L0的取值。這里假設(shè)車輛由檢測器位置行駛至下游交叉口停車線的平均速度為(可綜合調(diào)查實際項目中運營車輛運行情況或目標速度確定其取值）。于是可令[5]。

定義車輛經(jīng)過L0時的瞬時速度為（由RFID閱讀器采集得到，單位精確到0.1米/秒），實際存在j個不同的v值，以步進制表，設(shè)計表 1如下所示。

表1 v-ts映射統(tǒng)計表

tij（i、j取正整數(shù)）表示車輛以速度vj第i次通過RFID檢測器1后，到達停車線的時間，有

填入表 1；

于是，當(dāng)時，可近似得到：

由優(yōu)先控制主機維護表 1，持續(xù)記錄tij并迭代ts。設(shè)定當(dāng)時公式（6）演進為：

3.2.3 交叉口進口道有公交站臺的處理

實際的快速公交線路中，交叉口進口道附近設(shè)置有公交站臺的情況普遍存在。由于車輛在站臺?？繒r間的不確定性，L0及ts的取值將受到較大影響，上述控制方法需要進行優(yōu)化。

在圖1基礎(chǔ)上再增加1組RFID檢測器3，布設(shè)如圖5所示。

圖5 進口道設(shè)有公交站臺的快速公交優(yōu)先檢測器布設(shè)示意圖

RFID檢測器3設(shè)置在站臺頭部。L1依賴于站臺建設(shè)的位置和幾何尺寸。RFID檢測器3可用于判定公交車輛的到達和優(yōu)先申請呼叫時刻的參照，利用優(yōu)先控制主機算法控制延長優(yōu)先申請呼叫時刻，從而模擬無站臺情況下，車輛到達L0的近似場景。

L0的取值沿用上述控制方法不變。通過RFID檢測器1可獲取車輛身份信息，能夠用于判定車輛是否為跨站運營。如果是，則控制方法不變。如果不是，則有如下方法：

重新定義TL— 優(yōu)先控制主機獲知車輛到達RFID檢測器3的時刻；T'1則不發(fā)生變化，于是，公式（1）、（2）、（3）、（4）均成立。

設(shè)ti（i為整數(shù)）表示車輛第i次通過RFID檢測器3且停站后，到達停車線所經(jīng)過的時間，設(shè)計表 2如下所示。

表2 ti統(tǒng)計表

有

填入表 2于是，可近似得到：

由優(yōu)先控制主機維護表2，持續(xù)記錄ti并迭代ts。設(shè)定當(dāng)時，公式（9）演進為：

4 控制方法的系統(tǒng)實現(xiàn)

參照圖2及上述控制方法，設(shè)計如圖6優(yōu)先控制系統(tǒng)：

圖6 優(yōu)先控制系統(tǒng)設(shè)計示意圖

優(yōu)先控制主機與3組RFID檢測器以千兆以太網(wǎng)組網(wǎng)，后臺配套設(shè)計1套公交信號優(yōu)先管理系統(tǒng)，用于提供信號狀態(tài)展示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等輔助功能。

梳理控制方法的主要業(yè)務(wù)流程如下：

第一步，車輛到達RFID檢測器1位置，車載標簽與路側(cè)閱讀器進行數(shù)據(jù)交互，閱讀器采集車輛身份、速度等數(shù)據(jù)，確認車輛到達；

第二步，閱讀器通過計算機網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至優(yōu)先控制主機，觸發(fā)優(yōu)先控制主機主程序；主程序首先根據(jù)當(dāng)前車輛身份判定車輛是否停站及車輛在交叉口的通行相位并記錄；

第三步，優(yōu)先控制主機主程序依據(jù)是否停站選擇開始公交信號優(yōu)先策略計算及確定向路口信號控制機發(fā)起優(yōu)先申請呼叫的時刻（以車輛到達RFID檢測器1位置或車輛到達RFID檢測器3作為參照），依據(jù)該時刻進入主程序后續(xù)控制流程；

第四步，優(yōu)先控制主機主程序以輸出開關(guān)量信號方式觸發(fā)路口信號控制機（發(fā)起優(yōu)先申請）；

第五步，路口信號控制機接收到開關(guān)量信號后，按照“2.1控制機理說明”章節(jié)描述的基于SCATS控制系統(tǒng)戰(zhàn)略控制和戰(zhàn)術(shù)控制的公交信號優(yōu)先功能機理完成整個業(yè)務(wù)流程。

實現(xiàn)上述控制方法的核心業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7 控制方法實現(xiàn)的核心業(yè)務(wù)流程

5 案例分析

上海臨港新片區(qū)中運量公交T2線是設(shè)置公交專用道的快速公交線路，列車采用膠輪低地板數(shù)字軌道導(dǎo)向電車（DRT）。工程線路總長度為8.7km，途經(jīng)16個信號控制交叉口，均采用SCATS控制系統(tǒng)，工程對其中13個交叉口實施了主動優(yōu)先控制策略。本文利用列車運行調(diào)度控制系統(tǒng)提供的列車定位數(shù)據(jù)計算列車全線的旅行時間，對比實施主動優(yōu)先控制策略前后的運行情況，驗證基于SCATS控制系統(tǒng)的快速公交信號主動優(yōu)先控制方法及系統(tǒng)的實現(xiàn)效果。

分別選取2022年10月16日～2022年10月30日（實施主動優(yōu)先控制策略前），2022年12月30日～2023年1月13日兩個時間片段（實施主動優(yōu)先控制策略后）的早高峰（7:00-9:00），晚高峰（17:00-19:00），平峰（15:00:00-17:00）及低峰（22:00-24:00）時段，分別對列車的平均旅行時間進行分析計算，實施主動優(yōu)先控制策略前后的對比效果如表3所示。

表3 實施主動優(yōu)先控制策略前后效果對比分析

通過表3可以看出，在采用了主動優(yōu)先控制方法，實施了優(yōu)先控制策略后，能有效降低列車的平均旅行時間。其中，早晚高峰時段上行線路平均節(jié)省約13.6%和12.8%，下行線路平均節(jié)省約21.9%和16.6%；平峰時段上行線路平均節(jié)省約12.7%，下行線路平均節(jié)省約17.9%；低峰時段上行線路平均節(jié)省約5.4%，下行線路平均節(jié)省約9.9%。

6 結(jié)論

本文結(jié)合SCATS控制系統(tǒng)進行公交信號優(yōu)先控制的工作機理，針對國內(nèi)在利用SCATS控制系統(tǒng)進行快速公交信號優(yōu)先工程實踐中偏重于經(jīng)驗調(diào)試的現(xiàn)狀，提出一種公交信號優(yōu)先控制方法，并在該方法基礎(chǔ)上設(shè)計了一套控制系統(tǒng)。系統(tǒng)彌補了在檢測到目標車輛到來后無法科學(xué)確定外部信號干預(yù)SCATS控制系統(tǒng)最佳時間窗口的不足，尤其對進口道附近設(shè)置有公交站臺的情況做了相應(yīng)優(yōu)化。系統(tǒng)依托上海臨港新片區(qū)中運量公交T2線工程進行了實踐，并利用列車定位數(shù)據(jù)進行分析計算，結(jié)果表明該系統(tǒng)完全適用于公交專用道場景下公交信號優(yōu)先控制的工程實施，對提升公交專用道車輛運行速度效果顯著。