現代有軌電車交叉路口優先控制管理方法研究綜述

王舒祺

(同濟大學經濟與管理學院，200092，上海∥本科生)

20世紀六、七十年代，現代有軌電車出現在布魯塞爾、哥德堡等多個城市，柏林、巴黎和倫敦等城市也紛紛建設了新型有軌電車，將其作為地鐵、輕軌的加密網絡或郊區的延伸線路［1］。有許多文獻研究了現代有軌電車的車輛特性和信號系統，對現代有軌電車在交叉路口的信號優先控制也有了相應的研究。

文獻［2］系統地介紹了現代有軌電車的車輛演變過程及優勢，對車輛的技術特性、結構配置、電氣集成等進行了詳細的闡述。文獻［3］分析了傳統有軌電車的缺陷，詳細介紹了新型有軌電車系統，并對加拿大高級輕軌交通技術、法國波爾多有軌電車等進行了概述。文獻［4］分析了現代有軌電車的特點，給出了現代有軌電車的行車安全控制方案，并通過計算和數據分析，針對現代有軌電車高效、廉價等特點，認為其信號系統采用站間閉塞行車間隔控制方案較為合理。文獻［5］對現代有軌電車理念的總體特性、運行控制和行車調度系統進行了說明。文獻［6－7］對城市軌道交通信號系統的分類、特點和系統組成進行了分析，詳細地介紹了有軌電車信號系統的組成。文獻［8］從保證系統車輛高效運行及適應未來ITS(智能交通系統)發展要求的角度出發，詳細地介紹了車載電子系統的設計目標。

現代有軌電車的環保和高運量等優點使得大力發展有軌電車成為一種新的趨勢，尤其是與其他車輛存在沖突時，為了確保有軌電車的高效運行，很有必要對其提供優先通行的權利。這種情況一般發生在交叉路口處。

1 優先控制的方法

結合不同的現代有軌電車系統構成和應用方式，可將現代有軌電車在交叉路口處的優先控制策略大體分為空間優先和時間優先兩個方面。

空間優先是通過改變現代有軌電車在交叉路口進口道的幾何設置，避免現代有軌電車與其他車輛的路權沖突，從而達到優先通行控制的目的。時間優先則體現在優先信號的控制上，對現代有軌電車提供優先通行的信號，從而保證其高效的運行。在空間優先方面，涉及到路權形式的選擇、交叉路口的處理、車道的布設方式等［9］。而時間優先涉及到被動優先策略、主動優先策略和實時優先策略［10］。文獻［9］中對現代有軌電車的優先控制從空間、時間上進行了分析。文獻［11］中給出了現代有軌電車在交叉路口的時間優先控制策略，其總體思路見圖1所示。

圖1 現代有軌電車交叉路口優先控制策略思路圖

2 空間優先

不同于道路公交車，現代有軌電車是在特定的軌道上行駛，在建設之初就對其路權、車道等進行了規劃。所以，實際中的空間優先大部分是需要結合信號控制系統來實現。

2.1 路權的選擇

現代有軌電車路權形式可以劃分為三種:完全獨立路權，半獨立路權，混行路權。選擇不同的路權形式依據于交叉路口的性質和有軌電車的優先級別［12］。

1)完全獨立的路權，即有軌電車在路段上獨享車道，在交叉路口路權立交化，以此來保證現代有軌電車在的高速、安全運行。目前，現代有軌電車線路中完全獨立路權的路段很少，一旦采用，其系統制式就接近輕軌的水平。此外，完全獨立路權適用于郊區線路和城市快速路。

2)半獨立路權是目前應用最為普遍的，在路段中設置專用的路權，而在交叉路口處采用與道路平交的方式。這種路權形式是在路段上進行嚴格的隔離，而在交叉路口與其他交通方式混行，因此，需要在交叉路口給有軌電車優先通行的信號措施。

3)混行路權是指線路上除了現代有軌電車運行之外，其他交通方式也運行于現代有軌電車的車道之上。混行路權適用于線路上其他交通流量較小，沿線有道路公交運營且車站通行能力富足的情況下，在城市次干道、支路，以及商業密集的步行街附近應用得較多。

文獻［13］指出，當現代有軌電車享有專用路權時，增加編組數量后其運能可以達到輕軌運能的下限;當客流量繼續增加后，需要設置完整的信號系統來確保現代有軌電車的高效運行。文獻［14］指出，當現代有軌電車享有專用路權、但與其它車道之間存在著平面交叉時，現代有軌電車在通過前方路口時也要受路口信號的控制，為了充分發揮現代有軌電車的快捷準點，有必要運用先進的信號控制系統進行現代有軌電車的優先通行控制。

2.2 車道限界

在交叉路口處，現代有軌電車的車道常常只有標線指示而無其他隔離措施，這就導致了其他車輛侵入，為了確保優先通行，就需要使得其他機動車不得侵入有軌電車的線路限界。采用的方法是對現代有軌電車的車道進行限寬處理，這樣可減少干擾、確保優先通行。文獻［9］中詳細地介紹了車道限界的原則及效果。

2.3 車道布置

現代有軌電車線路敷設方式通常采用地面線。根據現代有軌電車的車輛技術參數要求，綜合國內外建設經驗，現代有軌電車在道路斷面上的布置方式有三種:中央布置、單側布置和兩側布置［12］。

中央布置的車道對有軌電車的通行干擾最小，同時也可以簡化交叉路口的交通組織和信號控制。單側布置將雙線的有軌電車車道布置于道路的一側，這樣可以簡化有軌電車的站臺布設和道路改造，但卻與同向機動車右轉車流形成交織，使得交叉路口信號控制較難處理，也降低了交叉路口的部分通行能力。兩側布置的缺點最為明顯，不僅干擾了兩側的出入車輛，而且增加了與機動車流的沖突點數，同時轉彎半徑小、運行不平順，因此，一般情況下不被采用。文獻［9］和文獻［12］中對此有明確的介紹。

3 時間優先

現代有軌電車線路目前普遍以隔離線路+平交道口共享的半獨立路權方式為主［9］，因此有必要對現代有軌電車在交叉路口的信號優先控制進行研究。

文獻［7］中，將現代有軌電車的在交叉路口的系統控制模式分為絕對優先控制和相對優先控制，并指出具體設計時需結合有軌電車線路布置情況和路口性質進行分析。文獻［11］中介紹了由某學者提出的兩種現代有軌電車在交叉路口處主動優先的控制方法，即絕對優先控制(top－priority)和條件優先控制(semi－priority)。

結合目前的研究情況，現代有軌電車在交叉路口處的信號優先控制策略的運用大體分為三類［15］:①被動優先控制策略;②主動優先控制策略;③實時優先控制策略。其中主動優先控制策略又可細分為絕對優先控制和條件優先控制。在條件優先控制中，按照其策略和原則不同，可將其分為完全優先策略和部分優先策略。文獻［16］重點研究了信號優先控制技術與檢測技術的實際應用，總結了被動信號優先、主動信號優先和相位差信號優先(實時信號優先)三種優先方式，提出為保障公交信號優先系統的運行，應該逐步建立全面的公交優先的路面保障系統，包括道路與路口的渠化優先、專用道的使用權保障及交通信息發布誘導等。

3.1 被動優先控制策略

被動優先控制策略的思路是:交叉路口采用固定信號配時，在每個信號周期內增加專用的有軌電車信號相位，結合交叉路口的渠化管理，減少與社會車流的潛在沖突，以達到優先的控制目的。

被動優先控制策略不需設置車輛檢測器，故成本較低。然而，并不是每個信號周期都有車輛通過，所以勢必會浪費掉一些信號時間，從而造成交叉路口整體延誤的增加。因此，理論上被動優先控制策略在一定程度上可以提高現代有軌電車的運營效率，但是一般情況下并不推薦采用。文獻［17］利用TRANSYT－7F模型對被動優先在降低公交車輛的延誤進行了研究，結果表明，被動優先并沒有明顯作用。然而，當現代有軌電車流量較大且運行狀態穩定時，被動優先策略可以達到很好的控制效果。文獻［18］研究了一種干線協調控制方法，利用被動優先和主動優先策略的對比研究，很好地說明了這一點。被動優先控制在國外研究得較少，主要是因為被動優先控制策略在有軌電車車流較小的情況下適應性較差。而對于車流量較大的城市，被動優先控制策略可以得到很好的發展［19］。文獻［20］提出了被動優先中，列車聯鎖信號和靠近交叉點的信號處理方法，從現代有軌電車、汽車司機、行人、自行車人的角度，就不同被動優先信號控制進行了探討。

3.2 主動優先控制策略

主動優先控制策略是指在交叉路口設置車輛檢測器，通過檢測現代有軌電車的位置確定是否給予其優先信號，其控制措施包括綠燈延長、紅燈早斷、相位插入等多種方法。根據其優先控制的條件可以分為絕對優先控制和條件優先控制。

3.2.1 絕對優先控制

在絕對優先控制中，當安裝在交叉路口上游的入口檢測器檢測到有現代有軌電車到達時，交通信號控制器就會中斷當前的信號相位，直接給予現代有軌電車的通過信號;當交叉路口下游的出口檢測器檢測到現代有軌電車已通過交叉路口后，再恢復原來的信號相位，其具體措施為包括綠燈延長和紅燈早斷。文獻［21］對現代有軌電車在交叉路口的信號優先控制進行了相應的研究，提出了現代有軌電車交叉路口絕對優先控制方法，并對其它相位車流進行相位補償。利用VISSIM軟件對某市現代有軌電車線路進行了研究，結果顯示，絕對優先控制方法對現代有軌電車的交通效益有很好的保證，但會對部分背景車流有一定的影響。文獻［22］指出，在實際操作中，由優先權引起的在信號控制策略中的變化必須要限制在一定程度上，如果優先權引起的時段變化太過頻繁，就需要在信號控制算法中加入另外的規則予以控制。

3.2.2 條件優先控制

考慮交叉路口的總體效益，決定是否給予優先通行權利。文獻［9］對條件優先控制進行了分類，分為完全優先控制和部分優先控制，并對這兩種控制進行了優先種類和優先方法的探討，指出了各自的特點和適用范圍。文獻［23］論證了現代有軌電車在交叉路口信號優先的措施，研究了公交優先感應信號技術，而且對基于公交優先通行的交叉路口預信號設置方法進行了研究，并對完全優先控制和部分優先控制這兩種信號控制方法的公交及社會車輛延誤做了分析和探討。文獻［24］報導了在荷蘭的Eindhoven實施了有條件優先控制方法，結果顯示，在絕對優先條件下社會車輛延誤成倍增長，但在有條件優先下卻沒有明顯變化。文獻［25］基于整個交叉路口的損失計算，分析了現代有軌電車離開靠近交叉路口的站臺的方式，提出了一個依據特定的優先請求來選擇優先模塊的方法，論證了現代有軌電車受控離開的優勢。

完全優先控制與絕對優先控制類似，這種控制策略中有兩種基本的信號調整方式:早斷和遲啟。通過早斷和遲啟等手段調整信號相位，可以為絕大部分的現代有軌電車提供優先通行條件，同時對橫向車流的影響較絕對優先控制策略減少［9］。因此，這種控制策略在國外輕軌及公共汽車的優先信號控制系統中被廣泛采用。文獻［26］研究了設置檢測器條件下的公交優先信號配時設計，討論了交叉路口實施公共汽車優先信號前后的效益對比，提出了系統最優的公交優先信號配時調整。文獻［11］中指出采用多智能體的方法對現代有軌電車車隊的車頭時距進行監控與控制，當多智能體發現車隊形成串車時，它將阻止串車現象的形成，并且在車隊中保持一個合理的車頭時距。與完全優先控制相結合，從而使得交叉路口的總體效益最大。

部分優先控制策略有選擇地為現代有軌電車提供優先控制，解決了當電車較密時，完全優先控制中為現代有軌電車提供優先權而造成相位頻繁調整，從而影響其他車流的運行問題。部分優先控制的選擇標準大致分為4種［9］:① 對提前或準時進行的現代有軌電車不提供優先信號，僅對偏離時刻表的晚點現代有軌點車提供優先信號;②在高峰期為現代有軌電車提供優先信號，平時不提供優先信號;③只對載客量超過一定數量的現代有軌電車提供優先信號，例如乘客超過200人的現代有軌電車;④權衡現代有軌電車延誤與機動車延誤，確定是否為現代有軌電車提供優先信號。

部分優先控制策略比完全優先控制策略的適用范圍更廣。但實現該策略需要其他額外的信息，以確定何種車輛在交叉路口能得到優先通行權，因而使整體成本會有所增加。文獻［14］介紹了PTIPS(公共交通信號和優先權控制)在上海浦東張江有軌電車的應用情況，指出公交信號優先以實現公共交通的綠波控制為目標，以動態優先策略為基點，在各種檢測設備信息反饋的基礎上，實現了單輛有軌電車的優先放行。

文獻［27］提出了在交通線路中高峰方向的部分優先控制策略，分析了在什么情況下可以實施部分公交優先策略，以及在確保公交系統利益的最大化情況下什么時刻可以停止優先服務;另外，還定義了一個啟發式算法來評價服務的可靠性。

3.3 實時優先控制策略

在實時控制系統中，信號配時是根據實時交通數據進行調整的。這種控制方法能實現交通效益的最優化，在對公交車輛優先控制的同時，能將對其他車輛運行的影響降到最低［28］。由于其控制機理較為復雜，對各個方面的技術要求都較高，受實現條件限制，因此實施起來相對困難。目前很多關于實時優先控制策略的研究集中于公交優先控制中，關于現代有軌電車的控制是可以借鑒這方面的成果。

文獻［29］對自適應交通控制(adaptive signal control)策略進行應用研究，討論了目標函數的確定。目標函數一般包括目標車輛、社會車輛延誤費用和社會車輛停車費用。文獻［30］描述了交叉路口自適應信號控制優先策略的實施，用VISSIM軟件的仿真試驗評估了自適應交通信號控制在交通信號優先條件下的性能。

文獻［31］提出了一種基于規則的實時公交信號優先控制方法。文中的在線公交行程時間預測模型，確保了實時優先控制策略能夠運用于交叉路口順暢或擁堵的情況。該文分析了包括綠燈的延長和紅燈的早斷，以及排隊清空6種不同組合的情況，來研究模型的適用性。文獻［11］研究了現代有軌電車運行條件下的交叉路口信號控制基本參數的確定方法，同時也對現代有軌電車交叉路口單點在線優先控制和離線協調優先控制方法進行了研究。文獻［9］研究了現代有軌電車的適用性，其中涉及到現代有軌電車在交叉路口處的優先控制策略分析。文獻［32］研究了混合交通下公交信號實時優先模式。

4 綜述分析

在我國乃至世界范圍內，一方面，城市交通擁擠形勢逐漸加劇，并呈現從特大城市、大城市向中等城市、小城市擴展的趨勢;另一方面，隨著經濟的發展出行者對于出行時間、出行可靠性、出行品質等提出了更高的要求。尤其是在我國，如何更有效地發展大運量、高服務水平的公共交通方式，促進出行者從非機動出行和小汽車出行向公共交通出行轉移，是尤為重要和突出的問題。現代有軌電車的運量大、造價低、靈活方便等優點使得其成為研究和實踐的熱點。處理好地面現代有軌電車在交叉路口處的優先通行問題，不但會帶來很好的運營效率和經濟效益，也是保證其吸引力的關鍵因素。本文就實際運用于現代有軌電車的交叉路口優先控制策略進行了總結和歸類，對每種控制方式進行了說明和舉例，以助于人們系統地了解現代有軌電車在交叉路口處的信號優先控制方法。通過上述總結分析可以看出，現代有軌電車的優先控制與管理應在以下諸方面展開更加深入的研究:

1)如何將現代有軌電車的優先管理控制與城市道路交通控制系統有機整合。現代有軌電車的空間優先并不是一個孤立的系統，任何一個優先控制策略的實施不但影響現代有軌電車的運行，也影響小汽車、非機動車、行人等的運行。尤其在干線協調控制系統中，不考慮社會車輛控制的信號優先會打斷信號協調、顯著影響社會車流的運行。因此，如何有機地整合現代有軌電車優先控制系統和社會車流的控制系統，并綜合考慮二者的效益進行優先控制，在理論研究和實踐運行方面，都需要更加深入的探索。

2)如何處理交叉路口多優先申請的問題。尤其是在我國，道路公交線網密集、流量大，交叉路口常常會出現有軌電車、常規道路公交車乃至快速公交車輛同時到達的情況。以往研究在處理多優先申請的問題時，大多采用先到先服務的規則。然而，實際中每個到達車輛的運行狀態(準點、晚點等)、載客量等都不相同，尤其是在現代有軌電車存在的情況下，如何有效針對多申請的排序和控制問題進行研究，是一個迫切需要解決的關鍵理論問題。

3)如何協調現代有軌電車優先通行與站點設計及乘客過街的協調問題。為更方便地服務乘客，縮短乘車步行距離，現代有軌電車的車站常設置在交叉路口處。尤其是在交通擁擠的交叉路口處，如何協調利用空間資源，實現乘客上下站點和現代有軌電車優先通行的相互協調，也是一個非常值得深入研究的關鍵問題。

4)車路協同環境下的信號優先控制方法。在車路協同環境下，車輛和交通控制系統可以雙向通信和相互協調。如何在新技術的支撐下綜合考慮優先通行、可靠性、節能減排及乘客的舒適性等多方面的因素，發展新的優先控制方法與模型是值得探索的研究方向。

5)優先控制系統與現代有軌電車調度控制系統的協同問題。現代有軌電車在交叉路口處的優先控制除了與信號相位有關，還與其調度控制系統有關。如何實現在信息共享、策略協同等方面的綜合考慮，無論在建模解析還是在實踐應用方面，都是需要深入研究的問題。

5 結語

近年來，關于現代有軌電車優先控制的理論研究成果已在許多大城市中得到了應用。本文對其研究成果進行了深入分析和綜合評價。總體而言，在這一領域已經取得了非常多的進展。但是，如何結合我國實際交通特征和需求，如何更有效地利用新技術，更充分地考慮相關影響因素以進行更高效的優先控制，仍需做更加深入的研究和探索。

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