公交專用道綠波信號協調控制及仿真＊

陳炯迪 姜桂艷 劉 彬 黃正峰

（寧波大學海運學院1） 寧波 315211） （國家道路交通管理工程技術研究中心寧波大學分中心2） 寧波 315211）（現代城市交通技術江蘇高校協同創新中心3） 南京 210096）

0 引 言

已有的公交信號控制研究成果主要集中于2個方面.一是設置公交優先信號，如王殿海等建立了以干線協調控制為上層，以公交優先控制為下層的雙層干線公交信號優先模型，并將延長或提前啟亮公交通行信號作為公交優先的手段［1］.二是建立公交車流的干線綠波帶，如汪健等基于綠波帶優化基本模型，建立了公交信號綠波帶寬度模型［2］.本文將干線交叉口綠波協調控制原理與公交專用道的排他性相結合，設計一種公交專用道綠波信號協調控制方法，并以寧波市江南路的公交專用道部分路段為例進行實證分析.

1 公交專用道綠波信號協調控制方法設計

1.1 公交專用道綠波信號協調控制方法基本思想

目前，關于公交專用道和社會車道的綠波信號控制研究基本上都是基于經典的干線交叉口綠波協調控制原理［3］開展的.然而，公交車輛的行駛速度通常低于社會車輛的行駛速度.以圖1為例，若按公交車輛的行駛速度設計干線交叉口綠波協調控制，則社會車輛無法與同時通過交叉口1的公交車輛在交叉口2處同時獲得綠燈通行信號.同理，在圖2中，若按社會車輛的行駛速度設計綠波協調控制，則公交車輛無法獲得本次綠燈通行信號.圖中線段a，b為公交專用道的速度帶，線段c，d為社會車道的速度帶.

圖1 社會車道延誤示意圖

圖2 公交專用道延誤示意圖

因此，本文在社會車輛正常運行的前提下，提出了一種可跨周期的公交專用道綠波信號協調控制方法.其基本思想是先采用已有的成果對社會車道進行綠波信號優化設計，得到社會車道的干線交叉口綠波協調控制方案；然后在確保公交車輛行駛安全的前提下，通過速度誘導［4］適當改變公交車輛在公交專用道中的行駛速度，使公交車輛在下一交叉口的第m個周期內獲得綠燈通行信號，從而實現公交專用道的綠波信號協調控制.

與社會車輛的行駛過程不同，公交車輛需在站點停靠.因此，本文所提出的方法不再強調公交車輛以恒定的綠波速度連續通過若干個交叉口，而是針對單個路段上下游2個交叉口之間的綠波信號反向推算路段上的最佳行駛速度，從而減少公交車輛在交叉口的停車延誤.根據路段中是否有?？寇囌荆蓪⒂上噜徑徊婵诜指疃傻墓粚Ｓ玫缆范畏殖蔁o?？空韭范魏陀型？空韭范?

1.2 無停靠站路段的公交專用道綠波信號協調控制方法

設公交車輛的最大安全行駛速度為Vmax，社會車輛的綠波速度為Vcar，根據二者之間的關系可將速度誘導模式分為2類：Vmax與Vcar相近；Vmax與Vcar相差較大.這2種情況下所對應的限制條件也不完全相同.以圖3為例進行分析.

圖3 公交車輛運行速度限制條件說明圖

當Vmax與Vcar相近時，公交車輛誘導后的速度Vbus需滿足兩個限制條件，才能實現綠波信號協調控制.一是由于公交專用道的綠波信號協調控制是基于社會車道的干線交叉口綠波協調進行設計的.因此，Vbus應不大于Vcar，否則公交車輛將在本次綠燈通行信號啟亮之前到達交叉口，進行排隊等待.

二是在確保不超過Vmax的前提下，對其進行速度誘導，使Vbus趨近于Vcar，從而使兩者在下一交叉口處同時獲得通行信號，即圖3中所示的線段a′，b′，線段c，d.以上兩個限制條件的公式為

當Vmax與Vcar相差較大時，則Vbus無法趨近于Vcar.因此，兩者無法同時獲得通行信號.公交車輛將通過速度誘導，使其在下一交叉口的第m個周期內獲得綠燈通行信號，即跨周期如圖3中所示的線段a，b.跨周期的公交專用道綠波信號協調控制除需滿足上述兩個限制條件外，還需滿足另外兩個限制條件.

首先，從圖3可知，要使公交車輛在交叉口2的第m個周期內獲得綠燈通行信號，則其在交叉口1與交叉口2之間的行駛時間T應大于交叉口2信號周期C的整數倍與初始交叉口絕對相位差Q之和.其中，C為社會車道干線綠波協調控制中的共用周期.

其次，公交車輛在交叉口1與交叉口2的行駛時間T須小于交叉口2的周期C的整數倍、綠燈時間G以及絕對相位差Q三者之和，否則，公交車輛到達交叉口時，交叉口顯示的為紅燈，需要排隊等待.以上四個限制條件可表達為

式中：Ln為第n個交叉口與第（n＋1）個交叉口的間距，m；Rn＋1為社會車道干線交叉口綠波協調控制中的第（n＋1）個交叉口的絕對相位差，s；Gn＋1為第（n＋1）個交叉口公交車直行相位的綠燈時間，s；T1，T2分別為公交車輛通過社會車道干線交叉口綠波協調控制系統中第一個交叉口時顯示的最早和最遲綠燈時間，s.

1.3 有?？空韭范蔚墓粚Ｓ玫谰G波信號協調控制方法

公交車輛的站點停靠以及所需要的減速和加速過程，都將使其在一定程度上損失在下一個路口的綠波通行時間［5］.因此，無?？空韭范蔚目刂品椒?，無法完全滿足有?？空韭范喂粚Ｓ玫赖木G波需求.根據公交車輛在站點的實際?？繒r間，在確保安全的情況下，對其?？亢蟮乃俣冗M行適當誘導，使其在下一個交叉口趕上本周期或第m個周期的綠燈信號，如圖4所示.

圖4 公交車輛速度誘導示意圖

當Vmax與Vcar相近時.公交車輛經?？恐螅鶕？繒r間的長短，對?？亢蟮乃俣冗M行誘導，可增加或減慢公交車輛的行駛速度，使其趕上本次周期或第m個周期，即圖中的線段a′，b′，線段a″，b″.同理，當Vmax與Vcar相差較大時，也可增加或減少行駛速度，使其趕上本次周期或第m個周期.誘導后的加速或減速的計算如式（3）和（4）所示.

在式（3）和（4）中，V″bus、V″bus分別為?？空局暗乃俣群屯？空局蟮恼T導速度，km／h；L為有?？空镜墓粚Ｓ玫乐新范伍L度，m；Lstop為停靠站距上游交叉口的長度，m；T0為?？繒r間，s.

2 仿真驗證

2.1 實驗路段選擇

本文選取寧波市江南路部分路段為研究對象.實驗路段由連續3個交叉口組成，分別由楊木碶路、世紀大道、滄海路與江南路交叉形成，編號分別為1，2，3.各路段的長度和?？空镜奈恢茫妶D5.其中停靠站1的?？繒r間為20s，?？空?為30s，停靠站3為25s，停靠站4為35s，以上停靠站時間包括車輛的制動和啟動的損失時間.

圖5 江南路公交專用道設置情況

2.2 實驗路段現有信號控制方案與效果評價

實驗路段尚未實施綠波信號控制，采用的是多段定周期控制方案，3個交叉口都未設置右轉專用相位，早高峰期間的交通量及信號控制參數實地調查結果見表1和表2.

目前，用于評價交叉口信號控制效果的指標主要以延誤為主［6］.本文選取人總延誤作為評價指標，并采用VISSIM軟件對目標路段的信號控制效果進行評價，結果見表3.

由表3可知，實驗路段在未實施綠波協調控制之前，社會車輛和公交車輛的人總延誤都較大，公交專用道的優勢也未成體現.

表1 實驗路段交叉口早高峰各進口道交通量 pcu·h－1

表2 實驗路段交叉口早高峰信號控制參數 s

2.3 實驗路段聯合綠波方案生成與效果評價

本文基于經典的干線交叉口綠波協調控制原理，得到了交叉口1，2，3的最佳信號控制周期，依次為158，160，87s，取160s為系統共用周期.然而，高峰期的信號周期以不超過120s為宜，因此取其周期的一半作為共用周期，并對各交叉口的信號配時進行重新優化，與圖解法結合，設計其綠波信號控制方案，結果見表4和圖6.其中，楊木碶路與江南路的所有關鍵相位的最大流量比之和Y大于0.9，對其相位進行了調整，由目前的五相位調整為四相位，得到Y值為0.853 7.

表3 實驗路段交叉口各進口道現狀評價結果 s

從圖6可知，社會車輛的干線綠波行駛速度為54km／h.由于所得到的Vcar與Vmax相差較大.因此，運用所提出的跨周期公交專用道綠波信號協調控制方法和圖解法，得到了公交專用道綠波信號協調控制方案.

如圖7所示，公交車輛經過?？空?后的誘導速度27km／h，?？空?和停靠站4的后誘導速度為20km／h，?？空?處不需要再次速度誘導.以上速度均滿足速度誘導限制條件.對其進行模擬驗證，結果如表5所示.其中，干線綠波為社會車道的綠波協調控制，差值為現狀的人總延誤與聯合綠波下的人總延誤之差.

圖6 社會車道的干線交叉口綠波協調控制方案

圖7 公交專用道綠波信號協調控制方案

表4 實驗路段交叉口信號控制優化方案s

表5 實驗路段聯合綠波方案效果評價表 s

由表5可見，實驗路段實施了社會車道的綠波協調控制之后，社會車道人總延誤得到了較為明顯的改善，而公交專用道的人總延誤并未得到改善.在實施了聯合綠波方案之后，公交專用道的人總延誤也得到了明顯的改善，而且社會車道的綠波信號控制效果并未受到影響.此外，由于本文優化得到的共用周期小于優化前的各交叉口周期，一定程度上減少了各進口道的車輛綠燈通行時間，從而增加了個別進口道的人總延誤.

3 結束語

本文將干線交叉口綠波協調控制原理與速度誘導相結合，根據公交車輛最大安全行駛速度的不同，提出了一種可跨周期的公交專用道綠波信號協調控制方法，并以寧波市江南路公交專用道的部分路段為例進行了模擬驗證.結果表明，所提出的公交專用道綠波信號協調控制方法能在不增加社會車道的延誤下，減少公交專用道在交叉口的停車延誤.但在設計時只考慮了沿直線行駛的公交車輛，未考慮其他相位.因此，對其他相位公交車輛信號綠波控制方法的研究將是今后工作的重點.

［1］王殿海，朱 慧，別一鳴，等.干線公交優先信號協調控制方法［J］.東南大學學報：自然科學版，2011，41（4）：859－865.

［2］汪 健，胡娟娟，李 鳳，等.兩交叉口間主動式公交信號優先協調控制配時優化方法［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013，37（4）：703－706，712.

［3］吳 兵.交通管理與控制［M］.4版.北京：人民交通出版社，2009.

［4］同濟大學.服務于城市干線道路綠波控制的速度引導方法［P］.中國：CN201010604148.8.2011－04－20.

［5］劉樂敏，胡小平，籍永強，等.公交車進站停靠對綠波控制的影響［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013，37（2）：357－361.

［6］姚裔虎，趙躍萍.信號交叉口延誤分析幾種常用方法的比較［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（4）：687－690.