干線信號協調控制下的公交優先研究

高 靜, 張俊友, 齊婷婷

(山東理工大學 交通與車輛工程學院， 山東 淄博 255091)

國內外在公交優先方面進行了相關的研究，在單點公交優先方面，Peter G.Furth仿真驗證了有條件優先對交叉口延誤的影響優于完全優先和無優先控制策略[1].在干線公交優先方面，Francois Dion在分布智能控制中提出以延誤和停車次數加權最小的優化算法,建立了協調上下游車輛的轉換規則，根據優先級別的不同賦予不同的優先權重[2].劉騰飛提出了受協調控制約束的主動和被動公交優先控制模型,模型中引入了公交權重，建立了受協調控制約束的多目標優化函數[3].在國內外研究現狀的基礎上，提出了兩層優化方法：上層為干線信號協調控制，以安裝在干線各個交叉路口停車線后的社會車輛檢測器檢測到的社會車流量來優化各交叉口的周期、綠信比和協調相位差；下層為公交優先控制，以上層綠波帶上下限為約束，優化配時參數，采用主動公交優先策略[4]：綠燈延長和紅燈早斷，實現公交優先控制.

1 基本假定

(1)路段設置公交專用通道，在交叉路口設置公交專用進口道.

(2)在各進口車道的停車線前安裝公交車輛檢測器和社會車輛檢測器，檢測器檢測到的車輛信息能夠實時傳送到信號機.

(3)公交相位為干線協調相位[5].

2 干線信號協調控制配時參數優化

2.1 共同周期的確定

參與信號協調控制的交叉口周期長度計算采用Webster[6]計算，選取交叉口最大周期為協調控制公共周期.

(1)

C=MAXci

(2)

式中：L為周期損失時間；Y為交叉口關鍵流率比；ci為交叉口i的周期；C為干線信號協調控制的公共周期

2.2 綠信比分配

協調控制下，綠信比一般來說也是各個交叉口分別優化的，不考慮交叉口之間的關聯性.但是優化過程中為了提高協調效果，可以對非關鍵交叉口非協調相位設定較高的飽和度實用限值xp(0.9)[7]，將多余綠燈時間(交叉口按照等飽和度分配的綠燈時間減去非協調相位飽和度0.9對應的綠燈時間)分配給公交相位.無公交優先申請時，各交叉口綠信比仍按照等飽和度分配.

(3)

式中：gi為相位i綠燈時間；yi為相位i關鍵流量比.

2.3 相位差的確定

相鄰兩交叉路口綠燈起始時刻之差，稱為綠燈起步時差或相位差.本文采用數解法優化相位差和綠波帶寬度[8].

3 公交優先控制

3.1 控制總流程

公交車輛檢測器檢測到公交車輛有優先請求，判斷該請求處于哪一相位，如果公交車輛在公交相位綠燈期間到達停車線，則信號配時不變，若否，則采取綠燈延長策略；如果優先請求相位處于下一相位，預測公交車到達停車線是否為綠燈，若是，則信號配時不變，若否，則采取紅燈早斷策略.干線信號協調控制下的公交優先控制流程圖如圖1所示.

3.2 綠燈延長策略

綠燈延長控制策略流程圖如圖2所示：公交申請處于綠燈延長控制模塊時，判斷公交優先所需延長時間是否大于公交相位所能提供的最大綠燈時間，若是，則確定相位所需延長時間及后續相位壓縮后的綠燈時間，若否，則保持信號配時不變.

圖2 綠燈延長控制流程圖

3.3 綠燈提前啟亮策略

綠燈提前啟亮控制策略流程圖如圖3所示.

圖3 綠燈提前啟亮流程圖

4 仿真驗證

為了驗證干線公交優先協調控制算法的效益，本文采用Transmodeler軟件對該算法進行模擬驗證.為使仿真輸出結果具有科學性與可行性，需要對仿真參數進行標定[9]，標定參數主要是車輛停留時間和車頭時距及車輛行駛速度.

4.1 仿真環境

以張店區世紀路為例，選取世紀路—新村西路、世紀路—共青團路、世紀路—人民西路、世紀路—華光路、世紀路—聯通路5個交叉口，調查各交叉口流量為模擬提供基礎數據，5個交叉口間距分別為620m、610m、840m、820m，圖4為干線交叉口基本機構圖.

圖4 干線交叉口基本機構圖

世紀路方向為協調方向，給予該向公交車輛信號優先，公交車檢測器布設在停車線前80m處，Transmodeler中各個車道飽和流率為2 000pcu/h，與世紀路實測交通狀況基本一致，相位綠燈損失時間為4s，公交車均載客25人，小汽車載客1.5人，公交車對標準小汽車的轉換系數為3，現狀交叉口基礎流量數據見表1和表2.

4.2 仿真方案

為對干線公交優先控制算法進行驗證分析，在Transmodeler中仿真無公交優先的干線信號協調控制和干線公交優先協調控制兩種仿真環境.

4.3 仿真結果分析

通過對Transmodeler輸出的評價指標進行統計，獲得無公交信號優先協調控制和干線公交優先信號協調控制協調相位的車均延誤、人均延誤、干線車均延誤、人均延誤指標，見表3和表4.

表1 現狀交叉口公交車流量

表2 現狀交叉口公交車流量

表3 無公交信號優先控制下干線評價指標統計表

表4 干線公交優先信號協調控制評價指標統計表

對比分析表3和表4，得采取公交優先策略后干線獲益表，見表5.

表5 干線公交優先效益評價

采用t檢驗方法驗證兩種控制策略的效益是否存在顯著差異.在顯著性水平α=0.05下，分別對每個交叉口基于公交車優先的干線公交優先與無優先時的控制效益進行驗證.對每種場景仿真10次，查表t0.05(18)=1.734 1.詳細對比結果如下：

(1)通過表5可以看出實施干線公交優先后,協調相位公交車輛延誤和人均延誤都有了大幅的降低.如世紀路與新村西路交叉口，公交車均延誤從76.5降低到60.5，降低幅度為20.9%，人均延誤從53.9降低到44.9，降低幅度為16.71%.

(2)實施公交優先控制策略總體人均延誤有一定程度的降低.如世紀路與新村西路交叉口，實施干線公交優先后，干線總體車均延誤從16.3s增加到16.6s，提高幅度1.91%，基本不變；但是人均延誤從15.8降低到14.1，降低幅度11.04%.

5 結束語

論文在干線信號協調控制的基礎上，采用主動公交優先信號控制策略綠燈延長和紅燈早段為公交車輛提供信號優先，仿真結果表明，該控制算法能有效降低干線人均延誤和公交車輛延誤.文中的模型假設路段設置了公交專用道,并延伸到交叉口停車線，無公交專用道條件下的公交信號優先有待于進一步研究.

[1]Furth P G, Muller T H J. Conditional bus priority intersection: better service quality with less traffic disruption[J]. Transportation Research Board：Journal of the Transportation Research Board, 2000,1731:23-30.

[2]Dion F,Hellinga B. A rule-based real-time traffic responsive signal control system with transit priority application to an isolated intersection [J]. Transportation Research Part B:alethodological, 2002,36(4):325-343.

[3]劉騰飛.協調控制下公交優先控制方法的研究[D].大連：大連理工大學,2009.

[4]梁乙朝.公交信號優先技術助力北京公共交通發展[J].公路交通科技，2011,28(7):26-30.

[5]王彬,劉新,李月高,等.一種基于干線協調的公交信號優先方法及其驗證分析[J].公路交通科技,2011,28(增刊):36-39.

[6]周商吾.交通工程[M].上海：同濟大學出版社，1987.

[7]李鳳.公交信號優先協調控制理論與方法研究[D].長春：吉林大學，2009.

[8]謝紀祥.城市干線道路信號協調優化控制研究[D].長沙：長沙理工大學，2010.

[9]楊慧,成衛,肖海成,等.基于Transmodeler的擁堵區域交通流量調控方法研究[J].科學技術與工程,2011(3):1 746-1 750.