基于TransModeler軟件的公交信號優先模型研究

苗齊壯，孫鳳英，張梅美

(東北林業大學交通學院，哈爾濱150040)

隨著國民經濟的快速發展，我國的汽車產量也在逐年增長，私家車和出租車的數量不斷擴大，各城市交通擁堵現象日趨嚴重。在公交發車頻率不斷提高的繁忙市區內，尤其是早高峰和晚高峰的出行時段中，公交車輛的優先通行得不到保障。使得公交車在路口的延誤增加，難以發揮公共交通運輸高效、安全、快捷的特性。

公交優先的實現通常基于兩種方式——空間和時間。空間指通過設置公交專用道來實現公交路權優先;時間指通過對道路信號設置來實現公交車輛信號優先。公交優先戰略實現的主要技術之一就是信號優先。公交信號優先控制，是指依據道路檢測器檢測到的社會車輛和公交車輛的信息，通過信號配時技術賦予公交車輛在交叉口的優先通行權，達到公交車輛優先的目的，是一種對公交車輛利益優先考慮的信號配時技術。利用交通信號控制方法，能夠保障公交運行的快捷性和準時性，可減少公交車在道路交叉口產生的延誤，使居民出行得到更大的便利。

1 公交信號優先策略

目前，公交信號優先控制的方法主要表現在三個方面:主動公交信號優先控制、被動公交優先信號控制和實時信號優先控制［1］。

(1)主動優先。是指通過預置的路面檢測器檢測公交車輛行駛狀況，采取減少、增加、提前或延長相位的信號調整方法來滿足公交優先的條件，提高公交車的運行效率。主動優先包括有條件優先和無條件優先。

(2)被動優先。是指依據道路交叉路口的歷年交通流數據，預先設計好公交優先信號配時方案。但此優先方案不具備靈活性。

(3)實時優先。實時優先是近年來最新發展起來的公交信號優先控制理念。主要基于無線射頻、GPS等裝置估計道路系統運行狀態，分析道路網絡上的公交車上乘客數、公交車流量、社會車流量、公交車輛運行是否晚點或被堵塞等狀況，結合實時道路信息的公交交叉口信號配時優先策略。實時優先策略在縮短公交乘客出行時間和減少公交車延誤的同時，可對其余交通方式的影響降到最低［2］。

2 公交信號優先的控制方案

本文研究的內容主要基于公交專用道上的公交信號優先。公交信號的優先主要有以下幾種方法:相位跳轉、相位插入、綠燈提前及綠燈延長等［3］。

(1)相位跳轉。即忽略與公交運行方向相反相位的綠燈信號。當公交車輛駛入道路交叉口時，公交車輛通行方向信號為紅燈，在當前相位的執行綠燈時間即將結束，而下一個相位不是公交車輛通行方向的相位的條件下，公交車輛只有等到該相位執行完畢后，才可通過道路交叉口繼續運行。若交叉口下一執行相位等待通行的社會車輛較少，在權衡道路系統運行效益的基礎上，則可跳過該下一執行相位，直接跳入公交車輛通行方向的綠燈相位。從而使公交車輛以綠燈信號順利通過交叉口，降低公交車輛在道路交叉口的延誤時間。

(2)相位插入。指在正常的信號相位相序中為公交車輛添加一個特定的相位。當公交車輛駛入道路交叉口時，且公交車輛通行方向為紅燈信號，交叉口當前相位的下一執行相位仍不允許公交車輛通過，這時可在當前相位和下一相位之間插入一個公交專用相位，在信號優先的條件下使公交車輛順利通過交叉口。

(3)綠燈提前。指縮短車輛等待綠燈信號到來的時間。當公交車輛駛入道路交叉口時，公交車輛通行方向的相位為紅燈，這時可通過縮短交叉口當前相位的綠燈執行時間，使公交車輛運行方向的綠燈信號快速到來，讓公交車輛順利通過交叉口。在這種控制策略下，當綠燈提前方案發生時，在周期長度不變的情況下，可以在后續執行相位相序方案中對前一相位進行綠燈補償。

(4)綠燈延長。指延長當前綠燈相位時間。當公交車輛駛入道路交叉口時，若公交車輛行駛方向信號為綠燈，且該相位的綠燈信號即將結束，這時可采用延長該相位的綠燈時間方案，以使公交車輛有足夠的時間通過交叉口，達到公交優先的目的。公交車輛通過交叉口后，控制系統將恢復原有的信號配時［4-5］。

3 公交信號優先系統方案設計及實施影響

3.1 公交信號優先系統方案設計

本文主要基于主動優先方案和實時優先方案相結合的方法設計公交信號優先方案。其優先方案如圖1所示。

圖1 公交信號優先方案設計Fig.1 The scheme design of bus signal priority

此系統主要由路口檢測系統、信號控制中心、公交調度中心、信號系統、公交車輛檢測系統、傳輸系統等部分組成。

在進行公交信號優先方案設計時，從滿足公交車輛優先、減少交叉口延誤、提高乘客出行效率的角度出發，應著重考慮的幾個因素為:公交車輛定位精度、公交信號優先申請的方式、無線通信的可靠性、無線傳輸的正確性和保密性［6-7］。

在本信號優先方案設計中，在公交車輛檢測完成后，需要按照階段化的處理方式將檢測結果送至信號控制器。在實現過程中，需要提供與車輛檢測設備、信號控制器獨立的接口設備，完成檢測結果向信號控制器的傳輸，其三者的關系如圖2所示。

圖2 公交信號優先申請過程Fig.2 The application process of bus signal priority

3.2 實施信號優先對交叉口服務水平的影響

道路交叉口的服務水平影響因素主要有:車輛延誤和車頭時距。延誤是反映駕駛員不舒適、油耗和行駛時間受損的指標。服務水平通常用15 min分析期間內每輛車平均停車延誤來表達。根據司機對各種延誤的可能接受程度，《通行能力手冊》規定信號交叉口服務水平分為六個等級，見表1［8］。

表1 道路信號交叉口服務水平標準Tab.1 The standard of service levels for road signal intersections

4 基于TransModeler軟件仿真的實例分析

TransModeler是美國Caliper公司推出的多功能交通仿真軟件包。以地理信息系統 (GIS)為基礎，采用最新的交通行為仿真模型，提供城市交通規劃、仿真，仿真結果評價和分析等功能。

應用TransModeler軟件進行仿真，其仿真參數標定的目標是使仿真輸出的結果能夠體現出優化方案的科學性與可行性。標定的主要參數是車輛停留時間和車頭時距及車輛行駛速度［9］。

4.1 公交線路模擬仿真

本文以哈爾濱市第5路公交車為仿真對象。主要對哈爾濱市第5路公交車進行兩次模擬仿真運行，第一次為模擬現狀，將現實公交運行狀況模擬到系統中運行。第二次為在公交專用道上設置公交信號優先權后的5路公交車運行方案仿真。其仿真運行界面如圖3所示。

圖3 哈爾濱新陽路與安寧街交叉口3D仿真運行圖Fig.3 The picture of 3D simulation for the intersection between Xinyang road and Anning street in Harbin

在仿真過程中設置仿真系統主要記錄系統運行中交叉口的車輛延誤狀況和道路上車輛的車頭時距和行駛速度。TransModeler軟件在仿真過程中記錄延誤所應用的模型為:

式中:d為車輛平均延誤，s/veh;c為信號周期長，s;u為綠信比;x為飽和度;Q為交通流量，輛/h;T為系統運行時間;m，n為參數;x0為公式中第二項小于零時的飽和度;w為常數。

x0可表示為:

式中:s為飽和流率;g為有效綠色時間，s;a，b為參數

4.2 公交線路模擬仿真輸出

本文在交通仿真過程中輸出的主要數據包括有:交叉口車輛延誤時間、路段車輛行駛速度、交叉口車輛行駛速度、擁堵狀態時的車輛排隊長度、公交車行駛時間、公交車進站出站時間長度、公交車行駛速度和車輛交叉口延誤時間。表2、表3為設置信號優先前后5路公交車的運行服務時間。

表2 設置信號優先前5路公交車運行服務時間Tab.2 The operation time of No.5 bus before setting priority on signal

表3 設置信號優先后5路公交車運行服務時間Tab.3 The operation time of No.5 bus after setting priority on signal

通過表2和表3中數據對比可以看出，在設置公交信號優先后每小時車站經過的公交車數增加，車頭時距也比之前小很多，車頭時距小表明乘客在站點的候車時間減少，從而減少了乘客出行的候車等待時間。

公交信號優先的設置是為了減少公交車在道路交叉口的延誤時間。表4和表5為安升街與新陽路交叉口設置信號優先前后的車輛延誤狀況。安升街為由北向南單行街。

表4 設置信號優先前的安升街與新陽路交叉路延誤狀況Tab.4 The delays in the intersection between Ansheng street and Xinyang road before setting priority on signal

表5 設置信號優先后的安升街與新陽路交叉路延誤狀況Tab.5 The delays in the intersection between Ansheng street and Xinyang road after setting priority on signal

通過數據對比分析，得出設置公交信號優先后公交車交叉口延誤降低，服務水平由原來的D級升為C級。雖然對社會車輛的交叉口延誤有所影響但并沒有影響到交叉口對社會車輛的服務水平。

5 結論

應用TransModeler軟件對哈爾濱市第5路公交車運行狀況進行模擬仿真，得出5路公交車的運行現狀，與實際道路運行狀況吻合。對5路公交車行駛道路設置公交信號優先權，得出設置公交信號優先勸后公交車在交叉口的延誤時間減少，公交車的車頭時距減少，運行速度提高，減少了乘客的出行時間，同時公交自身效益也有所增加。

應用TransModeler軟件對道路網絡進行優化，技術優勢突出，效果明顯，可進行優化方案的對比，提高優化方案選擇的科學性和效率，降低方案差錯的風險。

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