基于微觀仿真的公交信號優先實施技術研究
——以南京市龍蟠中路為例

薛長松于小婉

1. 悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，蘇州215123

2. 蘇州市運輸管理處，蘇州215007

基于微觀仿真的公交信號優先實施技術研究
——以南京市龍蟠中路為例

薛長松1于小婉2

1. 悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，蘇州215123

2. 蘇州市運輸管理處，蘇州215007

公交信號優先控制策略一方面對于提升公交車輛運行效率發揮著重要作用，另一方面也可能給社會車輛的通行效率帶來負面影響。為權衡實施公交信號優先控制策略利弊，本文以南京市龍蟠中路為例，通過對五種不同的信號控制策略下道路交通運行情況的比較分析，在技術層面研究了公交單向協調控制下公交信號優先控制方法的可行性和有效性。

城市公共交通；公交信號優先；信號協調控制；微觀交通仿真

0 引 言

公交信號優先的概念早在20世紀60年代就出現在交通領域中，1962年在美國華盛頓特區首次進行了公交信號優先控制實驗［1］。

公交信號優先（Transit Signal Priority，TSP）可以被定義為是一種通過修改正常的信號控制邏輯來調整公交車輛到達交叉口時刻信號燈狀態，從而更好地為公交車輛順利通過信號控制交叉口提供便利的一種智能交通系統運營管理技術。其目的在于通過消除或減少公交車輛在信號控制交叉口的等待時間，使得公交行程時間降低，最終實現公交服務的可靠性、公交運行時刻表契合度以及公交服務質量的提高與改善，同時，盡可能減少對其他道路使用者帶來的負面影響，尤其是相交道路上的交通。

以往對于公交服務的相關研究表明［2］，絕大部分公交延誤不是發生在公交停靠站就是發生在信號控制節點。其中，公交停靠站造成的公交延誤主要取決于公交乘客隨機到達情況，減少這類延誤的策略較為有限。相對而言，在信號控制節點處減少公交延誤卻有著更大的可能。

信號控制延誤通常占公交行程時間的10％～20％，占公交總延誤的50％左右［1］。而在信號控制交叉口，通過采用公交信號優先控制策略，可以實現公交車輛平均停車延誤的減少，從而使總體的乘客延誤減少。

本文將以設置了“外側式”公交專用道的南京市龍蟠中路（北京東路—象房村路段）為例，通過對比分析5種不同的信號控制方案仿真分析結果，檢驗基于公交單向協調控制的公交信號優先控制方法的可行性和有效性。

1 研究對象

“外側式”公交專用道在國內外各大城市中應用都較為普遍，如韓國首爾、中國香港、臺北市羅斯福路、1999年昆明市北京路建成的公交專用道（目前已改造為“外側式”）、南昌市青山路、北京市復興門外大街與京通快速路以及南京市龍蟠中路等。

南京市龍蟠中路為南北向雙向6車道城市主干道，其中北京東路至象房村路段長約4 km，沿線設置了5個信號控制交叉口和3個路段行人過街信號控制節點，布設7對公交站，具體如圖1所示。

圖1　研究對象示意Fig.1 The sketch map of research object

2 微觀仿真建模

2.1 信號控制方案

為驗證公交信號優先協調控制方法的有效性，特對下面5種方案進行了仿真分析，分別說明如下：

（1）現狀無協調控制無公交信號優先控制模型

該方案使用現狀早高峰（7:00—9:30）調查獲取的信控方案（詳見文獻［9］）作為仿真模型中的信控方案。通過對既無協調控制又無公交信號優先控制的現狀路網運行情況的仿真分析，一方面可以進行模型參數的標定或校正，保證輸出參數的真實性和有效性；另一方面也使得后續仿真分析的可比性得以保證。

（2）南—北公交單向協調控制模型

該方案根據現狀高峰期間交通流量流向調查，對由南往北方向通行的公交進行了協調控制。為此，各交叉口的信號控制方案需根據公交單向協調控制的要求進行調整。VISSIM仿真模型中，構建如表1和表2所示的初始信號配時方案，并設置相位差。

表1　協調控制下各交叉口初始信號配時方案Tab.1 The initial signal control schemes of all the intersections based on coordinated control

表2　協調控制下各路段信控節點初始信號配時方案Tab.2 The initial signal control schemes of all the road segment based on the coordinated control

（3）北—南公交單向協調控制模型

該方案類似于第二種方案，只是對相反運行方向的公交進行了協調控制。各交叉口信號控制方案與方案二基本一致，區別在于相位差的設置。

（4）南—北公交單向協調TSP模型

該方案是在第二種方案的基礎上引入公交信號優先控制，為此相應的信控方案需要借助VisVAP模塊編程后進行進一步調整。

（5）北—南公交單向協調TSP模型

該方案是在第三種方案的基礎上引入公交信號優先控制，同樣需要利用VisVAP模塊對調整后的信控邏輯進行編輯。

2.2 最小綠燈時間

本文所述各相位“最小綠燈時間”是指該交叉口在未進行協調控制情況下，考慮行人過街需求后各相位所分配得到的顯示綠燈時間，可由下式計算獲得：

Cw為按Webster公式計算得到的信號控制節點j的最佳信號周期時長，s；

L為節點j每周期各相位i的損失時間Lij之和，s，即

Y為周期內各相位關鍵車道組的流率比之和；

Yij為節點j相位i對應的車道組關鍵車道流率比的最大值，且

Lij為節點j相位i的總損失時間，s；

Aij為節點j相位i的黃燈時間，s。

但考慮到公交協調控制的需要，因而，公交協調控制方向上的相位最小綠燈時間不能小于協調控制條件下關鍵交叉口的公交通行相位的最小綠燈時間，即其中p為協調控制交叉口的公交通行相位次序。

2.3 最大綠燈時間

本文所述公交信號優先通行相位“最大綠燈時間”是指某個交叉口在采用協調控制情況下，公交通行相位顯示綠燈時間與同一周期內其他各相位能夠用于公交信號優先的最大綠燈延長或提前時間之和，具體可由下式計算獲得：

Gkj為交叉口j在協調控制情況下公交信號優先通行相位k的正常顯示綠燈時間，s；

C為交叉口j在協調控制情況下的周期時長，s，

C0j為交叉口j在未進行協調控制情況下的周期時長，s，

Gij為交叉口j在協調控制情況下相位i的正常顯示綠燈時間，s；

Iij為交叉口j各相位i的綠燈間隔時間，s。

信號控制交叉口某一相位的最大綠燈時間一般為30～60s［3-4］，但就龍蟠中路沿線交叉口而言，考慮到可能最終算得的特別大的情況，因而本文將公交信號優先通行相位最大綠燈時間的上限界定為協調控制情況下公交通行相位綠燈時間的1.25倍［5］。

2.4 相位差

信控節點相位差是指相鄰的兩個信控節點的信號燈在某一通行方向上綠燈啟亮時間之差，即下游信號燈某一相位綠燈啟亮時間與上游信號燈對應相位綠燈啟亮時間的差值。

基于公交優先的思想，特對某一通行方向上公交車輛進行單向協調控制。區別于社會車輛協調控制下相位差的確定不需考慮停靠的情況，在公交協調控制下相鄰的兩個信號控制節點的相位差可根據下式計算得到：

Sn為節點i到節點j之間的路段上區段n的距離，m；

vn為節點i到節點j之間的路段上區段n的公交平均行駛速度，m/s；

就公式（4）中第二部分的取值原則是“取大不取小”，可以結合歷史調查數據進行確定，借鑒85％位車速的概念，建議將取為該站點高峰期間歷史停靠服務時間的85％位值，其原因分析如下。

如圖2所示，當公交車輛于綠波帶寬尾部時刻通過信控節點1時，其停站服務時間在正常情況下能夠保證其順利在綠燈期間通過信控節點2，即圖中實線A所示。然而，如果停站服務時間增加Δt，則該輛公交車將可能正好在紅燈啟亮的時刻到達停車線前，即圖中虛線B所示。因此，在公交停靠服務時間并不固定的情況下，宜取各停靠站歷史調查數據中較大值。

圖2　公交車輛停站服務時間對公交協調控制的影響示意Fig.2 Effect of transit stop time on transit coordinated control

根據調查，本文研究的龍蟠中路沿線各公交停靠站高峰期間85％位停靠服務時間為17s。為此，基于調查分析結果，根據公式（4）計算得到研究路段各信號控制節點的相位差如表3所示。

表3　協調控制下各節點間相位差Tab.3 Offsets of all the functions based on coordinated control

2.5 仿真預熱時間

在仿真模型中，交通流的輸入問題通常是通過車輛生成模型來解決的。由于仿真開始前路網尚處于零流量狀態，因而在采集分析數據之前應該保證路網中的流量輸入水平達到接近實際情況下的流量。從仿真開始到仿真路網中車輛開始相互交流影響這段過渡時間被稱為預熱時間。為保證用于分析研究的數據真實可靠，仿真運行輸出的數據應該在預熱時間之后某一時刻進行獲取。大多數仿真模型都是根據用戶需要，由用戶自己來定義仿真運行的預熱時間，因而仿真運行的預熱時間也不盡相同。但一般而言，預熱時間可以根據公式（5）來確定，即將仿真路網中最長路線的車輛行程時間作為仿真運行預熱時間［6］：

式中：Tw是指一次仿真運行的預熱時間，s；

Lmax是指仿真路網中最長線路的距離，即車輛通行距離最遠的兩個車源點（不斷產生新的車輛的節點）之間的路徑距離，km；

v是指仿真路網中車輛的平均行程車速，km/h。

鑒于本文仿真路網最遠的兩個車源點之間的路徑距離約為4km，按36km/h的車速測算，一次仿真運行的預熱時間約為400s。

2.6 仿真次數

為了確保仿真結果具有統計學意義，需要進行多次仿真運行［7］。所需仿真運行次數計算方法如下式所示［8］：

式中：μ和δ分別是已經進行的仿真運行獲取的評價指標的平均值和標準偏差；

ε是通過仿真運行獲取的評價指標均值μ的最大允許誤差；

tα2是指在顯著性水平α條件下t分布的臨界值；N是指需要進行的仿真運行次數。

2.7 交通相關數據

仿真輸入的交通量、車輛構成、公交線路及發車頻率、車速等交通相關數據，主要來源于早晚高峰實際調查，詳見文獻［9］。

3 公交信號優先控制方法

3.1 公交信號優先控制決策

信號相位首先應基于公交車輛主流通行方向（專用道條件下即為公交專用道通行方向）進行單向協調控制，并在保持各信號周期固定不變的基礎上，針對各交叉口公交信號優先請求對各相位進行如下調整。

首先，確保各交叉口所有相位“最小綠燈時間”，同時限制公交信號優先通行相位“最大綠燈時間”。其目的在于保證實行公交信號優先控制的同時不至于給其他相位車輛通行帶來較大的負面影響。

為便于分析，假設一個周期共有n個相位，公交優先通行相位為第1個相位。在進行公交信號優先控制時，僅對各相位的顯示綠燈時間進行調整，而周期時長C保持固定不變。以每個周期第1個相位的通行綠燈啟亮時刻為計時零點，記Tc=0，且Tc隨著信號周期的運行而增長，即在每個信號周期開始時，Tc自動歸零，每個周期結束時，Tc隨時間自然增長到C，即Tc=C。Ta為自檢測到公交車輛通過檢測器位置到該車預期到達下游交叉口停車線的時間。

（1）檢測到公交經過時，當前相位為公交通行相位（相位序號記為1）

（2）檢測到公交經過時，當前相位（相位序號記為s）為非公交通行相位。

由于本周期公交通行相位綠燈時間已經結束，公交車輛只能等到下一周期公交相位綠燈或者等到本周期即將結束時紅燈早斷期間通過停車線。下面將分三種情況進行討論。

① 當前相位已經顯示的綠燈時間尚未達到最小顯示綠燈時間的情況下，即1＜s≤n且時，則可以將當前相位以及本周期剩余相位的顯示綠燈時間都調整為最小顯示綠燈時間，從而為檢測到的公交車輛提供紅燈早斷這一優先策略。

② 當前相位并非本周期最后一個相位，且已經顯示的綠燈時間已達到最小顯示綠燈時間的情況下，即1＜s＜n且時，則可以保持當前相位正常顯示的同時將本周期剩余相位的顯示綠燈時間都調整為最小顯示綠燈時間，亦為檢測到的公交車輛提供紅燈早斷策略，從而實現公交車輛停車等待時間的縮短。

③ 當前相位為本周期最后一個相位，且已經顯示的綠燈時間達到了本信號相位最小顯示綠燈時間的情況下，即s=n且時，則應當保持本信號相位正常顯示，不響應該公交車輛的優先通行請求。

3.2 協調控制下公交信號優先控制邏輯

就本文所研究的沿線公交優先而言，一方面體現在單向公交協調控制獲取的公交綠波帶寬；另一方面則體現在協調控制基礎上，為雙向直行公交車輛提供的公交信號優先控制策略。本文在某一方向公交協調控制的基礎上，主要根據對向以及協調方向上公交車輛到達情況，合理地進行公交信號優先控制策略的選擇，從而實現公交車輛的快速、便捷、安全通行。

這里主要考慮綠燈延長和綠燈早啟這兩種公交信號優先控制策略的選用問題。根據前文分析，下面分別針對四相位控制十字交叉口、三相位控制T型交叉口以及兩相位控制路段提出相應的公交信號優先控制邏輯。

為便于研究，將公交協調相位作為第1相位，且假定每個信號周期固定不變。同時，在未檢測到有公交車輛到達或排隊的情況下，各交叉口所有信號相位綠燈顯示時長都按照協調控制后定時式運轉。而僅在檢測到公交車輛到達或排隊，并滿足上文分析中提出的相應優先條件時才給予信號優先控制。

（1）四相位控制十字交叉口TSP控制邏輯

有無公交車輛到達或者排隊是進行公交信號優先控制的前提，而檢測到公交車輛到達的時刻所對應的信號燈狀態則是合理選擇公交信號優先控制策略的依據和關鍵。

為此，就四相位控制十字交叉口而言，其公交信號優先控制邏輯具體如圖3所示。

圖3　四相位控制十字交叉口公交信號優先控制邏輯Fig.3 TSP control logic of four-phase controled intersections

而對于在后續相位某一相位檢測到公交車輛到達的情況，也主要通過壓縮當前相位以及后續相位可壓縮的時間，在下一周期相位1綠燈啟亮之前“節流開源”，提供一個“綠燈前延”的控制策略，盡可能減少公交車輛停車等待時間。這種情形下，特別是對于在相位4期間檢測到公交處車輛到達的情況下，所能提供的綠燈提前啟亮時長可能很有限。同時，為便于分析，這里將同一周期中由其他相位壓縮獲得的時間，不論用于本周期相位1的綠燈后延還是用于下一周期相位1的綠燈前延，都統一計算在本周期時長內，這就保證了每個分析周期時長的一致相等。

（2）三相位控制T型交叉口TSP控制邏輯

就三相位控制T型交叉口而言，其公交信號優先控制邏輯，類似于四相位十字交叉口，如圖4所示。

（3）兩相位控制路段TSP控制邏輯

兩相位信控路段公交信號優先控制邏輯相對最為簡單，如圖5所示。

4 結果分析與結論

通過對以往研究中所采用的公交信號優先評價指標的篩選，同時結合VISSIM軟件的輸出參數，選取最大排隊長度、平均排隊長度、車均停車次數、車均延誤、車均停車延誤以及人均延誤等指標進行不同方案的比較分析。

通過對五種不同信號控制方案的仿真分析，得到以下結果：

（1）排隊長度

① 最大排隊長度

由表4可以看出，公交信號優先協調控制方案下的最大排隊長度最小，而現狀無公交信號優先無協調控制方案下的最大排隊長度最長，是公交信號優先協調控制方案下的2倍多。

圖5　兩相位控制路段公交信號優先控制邏輯Fig.5 TSP control logic of two-phase control road segment

就現狀而言，早高峰期間最大排隊長度達到了500m以上，主要發生在龍蟠中路—中山東路交叉口，其原因在于南進口左轉車流較大，而現狀交叉口渠化中兩條左轉專用進口車道有一條車道長僅能容納一輛小汽車，因此實際上相當于僅有一條左轉專用車道，道路時空資源不能滿足左轉車輛需求，從而造成左轉車道排隊延伸至正常通行的兩車道路段（考慮到公交專用道占用了最右側一條車道），進一步阻礙了正常的直行社會車輛的通行，最終造成直行相位時空資源浪費的同時道路排隊不斷加劇。為此，建議將最內側左轉進口車道進行延長改造，同時將近交叉口處路段拓寬至3車道。

② 平均排隊長度

由表4可以看出，五種方案中現狀平均排隊長度最大，約為50.6m，而公交信號優先協調控制方案和公交單向協調控制方案下的平均排隊長隊相對較小，大約僅有現狀的一半。

表4　五種信號控制方案對排隊長度的影響Tab. 4 Impact of five signal control schemes on the queue length

公交信號優先協調控制方案下平均排隊長度略小于公交單向協調控制的情況，其原因在于公交信號優先協調控制方案，在協調控制的基礎上考慮對協調方向上公交車流提供了更多的綠燈時間，這也同時為協調方向上社會車流的疏解提供了便利。但協調方向上的優先并未造成相交道路上平均排隊長度的較大增加，其原因在于公交信號優先時間受到最大綠燈時間等因素的制約，從而使得所有交叉口協調相位有12s以下（龍蟠中路—北京東路交叉口最大為12s、龍蟠中路—中山東路最多為5s、龍蟠中路—瑞金路最多為11s、龍蟠中路—白下路最多為4s）的綠燈延長/早啟時間，同時不至于對其他相位的車輛通行造成太大的影響。

（2）停車次數

由表5可以發現，就車均停車次數而言，公交信號優先協調控制方案最小，現狀最大，兩者相差大約為0.20～0.24次/輛。其原因可能在于，單向協調控制使得協調方向上部分車輛的停車次數減少，而公交信號優先控制進一步減少了協調控制方向上部分車輛的停車次數。

表5　五種信號控制方案對車均停車次數的影響Tab.5 Impact of five signal controlled schemes on average stop time

（3）延誤

由表6可以看出，就車均延誤、車均停車延誤和人均延誤而言，從現狀控制方案到公交單向協調控制方案到公交信號優先協調控制方案，都是由大到小依次減少。但就人均延誤而言，公交信號優先協調控制方案相比于公交單向協調控制方案減少幅度不大，其原因在于協調控制基礎上公交信號優先控制帶來的額外效益受到綠燈延長/早啟時長大小的影響。

表6　五種信號控制方案對延誤的影響Tab.6 Effect of five signal control schemes on delays

因此，從排隊長度、停車次數以及延誤這三類指標的比較分析中可以發現，公交單向協調控制方案優于現狀無協調控制無公交信號優先控制方案，而公交信號優先協調控制方案又優于公交單向協調控制方案。通過采用公交信號優先協調控制，仿真分析的龍蟠中路沿線，高峰期間最大排隊長度和平均排隊長度可以在現狀情況下減少50％以上，車均停車次數可以比現狀減少19％～22％，車均延誤和車均停車延誤可以降低到現狀的75％左右，而人均延誤也可以減少為現狀的80％～83％。

而就所提出的方法對社會車輛所帶來的影響而言，主要從行程時間和行程車速兩個方面進行分析。

表7　公交單向協調下研究路段上車輛行程時間比較Tab.7 Comparison of vehicle travel speeds on the research section under the unidirectional coordination control of bus

由表7和表8可見，就行程時間而言，協調控制方向上，無論是社會車輛還是公交車輛，都小于現狀情況。其中，對于公交車輛而言，其行程時間相比于現狀減少了10％～15％，而其行程車速卻提高了41％～54％。而非協調控制方向上，對于社會車輛而言，其行程時間最大值幾乎與現狀持平，而對于公交車輛，其行程時間最小值接近于現狀平均值11.4min，但最大值卻高出現狀平均值近35％。相應的，非協調方向上，公交車輛的行程車速低于現狀的平均水平15.2km/h，約為現狀的95％。

表8　公交單向協調下研究路段上車輛行程車速比較Tab.8 Comparison of vehicle travel speeds on the research section under the unidirectional coordination control of bus

綜上分析可以發現，基于公交單向協調控制的公交信號優先控制方法，在確保非協調控制方向上車輛運行狀況基本不受影響的前提下，能夠實現協調控制方向上車輛運行狀況的極大改善。而且，通過實施基于公交單向協調控制的公交信號優先控制方法，可以實現整個路網上車輛運行狀況的整體改善。該方法對于改善當前我國各大城市公交專用道運行效果具有一定的參考價值，可結合具體道路實際情況合理選用具體的公交信號優先控制方案。

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［9］ 薛長松.城市公交專用道公交信號優先協調控制方法研究［D］. 南京: 東南大學,2014.

（中文編輯：劉娉婷）

Microscopic Simulation of Transit Signal Priority Implementation along Longpan Zhonglu of Nanjing

XUE Chang-song1YU Xiao-wan2
1. CCDI（SuZhou） Exploration & Design Consultant CO. Ltd., Suzhou 215123, China
2. Suzhou Transport Management Department, Suzhou 215007, China

Transit signal priority is a control strategy, which plays an important role in promoting transit operating efficiency. However，this strategy has also shown potential to bring negative impact on the social vehicles. To weigh the pros and cons of the strategy, this paper took Longpan zhonglu of Nanjing city as an example, and the traffic performanceof five different signal control strategies was compared by using microscopic traffic simulation model in VISSIM. It is found that transit signal priority control method based on one-way coordinated control for transit vehicles is feasible and effective.

Urban public transportation, transit signal priority, signal coordinated control, microscopic traffic simulation

U491.5+1

A

1672-4747（2015）03-0102-11

10.3969/j.issn.1672-4747.2015.03.017

2014-10-22.

薛長松（1988-），男，漢族，江蘇蘇州人，悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司助理工程師。