快速公交預感應信號優先協調控制策略

孫　剛，楊　敏，顧　惠（.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 0804；.東南大學 交通學院，南京 0096；.東南大學 建筑學院，南京 0096）

快速公交預感應信號優先協調控制策略

孫剛1，楊敏2，顧惠3
（1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.東南大學 交通學院，南京 210096；3.東南大學 建筑學院，南京 210096）

提出了一種考慮交叉口協調控制的預感應公交信號優先策略，包括兩個部分：信號配時優化和協調控制。假設公交車行駛時間已知的情況下，該策略通過按綠信比分配理想時間差和基于公交車站點時空距離轉換的改進數解法來實現交叉口的配時優化和協調控制。為了獲得該策略的實施效果，以常州市通江南路兩相鄰交叉口的單個方向為例，設計了四種信號控制情景（無優先、傳統優先、預感應優先和預感應協調優先），并利用微觀仿真軟件VISSIM進行仿真分析。結果表明，四種情景中預感應協調優先策略大大減小了公交在交叉口的延誤，提升了公交服務的可靠性，并且對社會車流的干擾最小。

快速公交；預感應信號優先；協調控制；信號配時；微觀仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

快速公交系統（Bus Rapid Transit，簡稱BRT）已經在拉美、北美、歐洲和亞洲等地區的眾多城市得到了廣泛應用[1]。與傳統公交系統相比，BRT的先進交通設施（如公交專用道）減少了混行交通對公交車的干擾。但國內外許多BRT系統運營結果表明，公交車交叉口延誤占公交線路總延誤的50%左右[2-3]，因此公交信號優先措施對提高BRT系統運行效率至關重要。

現有BRT系統的公交信號優先控制策略以傳統的主動信號優先為主，主要包括綠燈延長、紅燈早斷、相位插入、相位分離、排隊跳躍等[4]。但傳統信號優先由于公交相位長度調整有限且變化幅度大，使得公交優先力度不夠且對其他交通方式造成很大干擾。針對上述不足，Head等人提出了“預測式”公交信號優先控制策略，該方法延長了公交車到達檢測器的設置距離，并按比例調整實際與理想到達時間差，這樣不僅實現了公交優先同時也減少了對社會車輛的影響[5]。Wadjas等人將“預測式”優先控制策略應用于多倫多一條有軌電車信號優先控制中，結果表明該方法大大減小了電車交叉口延誤[6-7]。但“預測式”優先控制策略以單個交叉口為對象，破壞了交叉口間的協調控制。Ekeila等人提出了一種基于實時的道路交通流特征和公交狀況的動態公交信號優先控制策略，該方法組合多種優先控制策略，并補償信號損失來保證交叉口間的協調控制，并利用微觀仿真軟件驗證了該方法的優越性[8]。國內快速公交系統信號優先控制的研究主要集中于單個交叉口，盡管考慮了公交動態性和對社會車輛的干擾，但忽略了交叉口間協調控制[9-11]。

綜上，傳統BRT主動公交信號優先控制策略的相位調整空間有限且變化幅度大，嚴重干擾了其他交通方式的正常通行，而自適應控制策略只考慮單個交叉口或協調控制只能服務于社會車流。為了克服上述不足，本文提出了預感應信號優先協調控制策略，并以江蘇省常州市通江南路兩相鄰交叉口為例，利用Vissim進行微觀仿真，評價其實施效果。

1　預感應信號優先協調控制策略

考慮主次要交叉口協調控制的預感應信號優先控制策略技術流程如圖1所示，包括信號配時優化和協調控制兩個部分。其中，信號配時優化包括主次要交叉口信號配時和綠時差的同步調整方法及信號周期約束條件；協調控制包括基于公交綠波的改進數解法。

圖1　預感應信號優先協調控制策略技術流程圖

該策略中只有主要交叉口前設置公交檢測器（到達檢測器設置在進口道停車線前1~2個周期時長的行駛距離處，離開檢測器設置在停車線處），只有當離開檢測器檢測到公交車時，到達檢測器才能被激活（除路段第一輛公交車外）繼續接受公交優先申請。當前一輛公交車通過交叉口且無公交優先申請時，交叉口的信號配時在下個周期恢復初始設置，直至到達檢測器再次檢測到公交車輛到達。

1.1信號配時方案調整

1.1.1主要周期長度調整

主要周期是主要交叉口的信號周期，也是協調控制交叉口的公共周期。其調整方法包括信號相位長度延伸和壓縮兩種，調整過程如圖2（a）和圖2（b）所示。公交車的理想到達時刻為公交服務相位綠燈時間初5s，這樣既能滿足當前申請公交車的優先通行，同時為后續公交車提供更寬的綠燈通過間隔。理想時差ΔT（ΔText和ΔTcom分別表示相位延伸和壓縮方式的理想時差）是公交車預計到達目標交叉口時刻與理想到達時刻之差，可調整周期數N為公交檢測路段行駛時間預測值T與周期長度C的比值取整（延伸：N＝Mod(T/C)或壓縮：Mod(T/C)+1）。

圖2　 相位調整方法

1.1.2信號周期約束條件

本文考慮的信號周期約束條件包括兩個方面：①為使各相位的車流不發生排隊溢出，相位綠燈時間得到充分利用，交叉口信號周期長度需滿足最大周期長度約束，具體參考《城市道路交通設計指南》[12]；②在保持交叉口間公交車流協調控制的基礎上，公交車速能處于某一較快的速度區間內，既保證了公交車在交叉口間運行的高效和順暢，同時較快的帶速也能一定程度上服務于社會車流。交叉口間的協調控制約束條件為：式中：C為交叉口協調控制的公共周期值；s為理想信號位置間距值；v1和v2為公交車系統帶速區間的上限和下限。

1.2交叉口協調控制

本文交叉口間的協調控制方式以傳統的干線協調控制策略為基礎[13]，所不同的是綠時差的計算采用改進的數解法。改進數解法考慮了公交車與社會車流在交叉口間路段行駛的差異（公交車需要進出站及停靠上下客），因此將公交車在站點的停靠延誤t（進出站延誤和停靠時間的和）轉換為路段的空間距離s，路段修正空間距離L即為交叉口間的實際距離l與站點停靠延誤的時空轉換距離s的和，如圖3所示。根據修正后的路段空間距離L，采用數解法重新計算交叉口間的綠時差百分比，并根據實時的主要周期時長調整交叉口間協調控制的綠時差。

圖3　公交站點停靠延誤的空間距離轉換

2　微觀仿真情景

為了驗證預感應信號優先協調控制策略的實施效果，本文設計了3種對照信號控制模式，包括無信號優先模式、傳統信號優先模式和預感應信號優先模式。

（1）無信號優先模式：交叉口沒有采用公交信號優先控制措施，是大多數BRT系統的交叉口現狀控制模式。

（2）傳統信號優先模式：傳統公交信號優先控制算法由檢測系統和決策方案選擇兩部分組成。檢測系統的檢測器設置在目標交叉口停車線前50m處；決策方案包括綠燈延長和紅燈早段，當檢測器檢測到公交到達時，若信號燈為綠燈，則采用綠燈延長方法，否則采用紅燈早段方法。

（3）預感應信號優先模式：相比于傳統優先算法，預感應信號優先方法增加了檢測器的檢測距離，并根據相位調整幅度最小規則選擇最優決策方案（綠燈延長和紅燈早段）和按比例調整信號相位長度，但該方法只針對單獨交叉口使用，交叉口信號控制相互獨立。

本文采用微觀仿真軟件VISSIM進行模擬仿真，但由于VISSIM中信號控制方式為靜態固定式，因此利用Visual Basic（VB）2010編程與VIS?SIM的COM端口鏈接，在VISSIM中實現動態公交信號優先控制功能。由于VISSIM是一個基于駕駛行為的微觀仿真軟件，駕駛行駛模型參數的驗證十分重要，本文參考了Berkhout關于中國駕駛行為模型參數校準的研究成果[14]，對VISSIM的駕駛行為的參數修正如表1所示。

表1　駕駛行為參數修正值

除此之外，根據前文對轉換距離s的定義，VISSIM模型中的公交車站點停靠時間的設置至關重要，VISSIM中有兩種停靠時間模型，選取正態分布模型進行仿真，模型的建立需要均值和標準差兩個參數，這兩個參數由具體的調查數據得到。

3　結果分析

3.1實例分析對象

本文實例分析對象為江蘇省常州市中心城區南北向干道——通江南路的部分路段。該路段全程約1.8km，包括4個交叉口和2個公交站點，飛龍路-通江南路交叉口位于兩條主干路交匯處，交通量大，因此作為主要交叉口，而錦繡路-通江南路交叉口為主干路與支路相交，作為次要交叉口，關河西路-通江南路交叉口至飛龍路-通江南路交叉口路段為檢測路段，具體如圖4所示。

VISSIM所需資料分為靜態和動態數據兩個部分，靜態數據包括道路交通基礎設施、交叉口渠化設計與公交線路配車等；動態數據包括道路交通流特征、公交站客流特征、信號配時數據和公交線路運營數據，道路交通流特征、公交站客流特征和交叉口信號配時數據由2012年12月某正常工作日的晚高峰（17：30—18：30）時段調查獲得，公交線路運營數據由常州市公交公司提供。

圖4　研究路段交叉口示意圖

通過研究路段的BRT線路有3條，即B1、B16 和B19，公交發車頻率累計約為15~20輛/h，三條線路的晚高峰斷面小時客流量達2 567人次；晚高峰小時兩個站點客流量約550人次和650人次。

3.2仿真結果

仿真結果評價分析包括公交評價和社會車流評價兩個部分，公交評價指標分為公交車交叉口車均延誤和公交站點公交車頭時距一致性（某段時間內，某條公交線路到站時間間隔的標準差與該條線路平均到站時間間隔的比值），社會車流評價指標分為社會車流交叉口車均總延誤和交叉口平均排隊長度。

3.2.1公交評價

（1）交叉口延誤

公交車交叉口車均延誤見表2。表2顯示與現狀相比，傳統優先模式下主要交叉口延誤減少2.1s，但次要交叉口延誤上升0.7s，這是由于主要和次要交叉口信號控制缺乏協同，且多條公交線路和高發車頻率使得交叉口前優先申請沖突增多，導致延誤增加。采用預感應信號優先策略，主要交叉口延誤比傳統優先下降12.3%，次要交叉口延誤下降34.8%。這是由于預感應信號優先策略增加檢測路段長度和按比例方法減少了相位調整幅度。考慮交叉口協調控制后，預感應協調控制方法表現更為出色，協調控制使得主要和次要交叉口延誤進一步減少1.4s和6s。

表2　公交車交叉口車均延誤

（2）車頭時距一致性

飛龍路公交站車頭時距一致性見表3。從表3可以看出，采用公交優先控制措施后，三條公交線路在公交站點的車頭時距一致性均有不同程度的降低（到站間隔差異變小）。傳統信號優先模式下，B16 和B19的車頭時距一致性幾乎沒有變化，這表明傳統信號優先在改善公交服務可靠性方面效果不明顯。在預感應信號優先協調控制模式下，三條線路的車頭時距一致性指標分別減少了現狀的38.1%、40.7%和37.5%，這表明在該種控制方法下公交服務可靠性最高，這也呼應了公交交叉口延誤指標。

表3　飛龍路公交站車頭時距一致性

3.2.2社會車流評價

（1）交叉口延誤

社會車流交叉口車均總延誤見表4。表4反映出相比于現狀，傳統信號優先和預感應信號優先方式對于社會車流的影響較大，累計延誤分別增加了34.1%和27.3%；而預感應協調控制方式的影響最小，延誤僅增加了現狀的9.2%，這是由于較快的公交帶速與社會車流速度相近，使得部分社會車流受益于交叉口間的協調控制作用。

表4　社會車流交叉口車均總延誤

（2）平均排隊長度

交叉口信號周期的調整對不同方向社會車流排隊長度的影響不同，因此本次研究分別觀測了主次兩個交叉口主要（南北向）和次要（東西向）兩個方向上社會車流平均排隊情況見圖5。從圖5（a）中可以看出，相比于傳統優先模式，飛龍路交叉口預感應優先方法造成的交叉口主向排隊長度增加了52%（其中主向直行排隊長度占79%），這主要是由于預感應優先方式減小了主向直行相位時間，因此主向排隊長度增加。從圖5（b）中可以看出，飛龍路交叉口傳統優先方法造成的次要方向排隊長度增加了現狀的1倍多，這是由于主向綠燈時間增加而使得次向紅燈時間增加。相比而言，預感應控制和預感應信號協調措施對飛龍路交叉口的次要干道社會車流影響較小，且后者的影響更小。從圖5（c）可以看出，傳統優先方式和預感應信號優先方式的交叉口總平均排隊長度分別增加了現狀的48.0%和41.7%，而預感應協調控制方式的總排隊長度僅增加了現狀的16.4%，這表明協調控制對社會車流的影響更小。

圖5　交叉口社會車流排隊情況評價指標

綜上所述，相比于現狀和傳統優先方法，預感應信號優先方式能夠顯著降低公交交叉口的延誤和提高公交服務可靠性，在對社會車流的干擾方面也小于傳統信號優先方式。而在考慮了交叉口間協調控制之后，預感應協調控制方法表現更為出色，不僅進一步減小了公交交叉口延誤，同時對社會車流的干擾更小。

4　結論及展望

公交信號優先不僅關系到公交系統本身的服務可靠性和服務質量，同時也對交叉口系統的整體利益產生很大影響。本文提出的預感應信號優先協調控制策略通過按信號相位綠信比分配公交車到達目標交叉口的理想時間差和明確相位長度約束條件等手段減小信號相位調整幅度，并創新性地提出基于公交站點時空距離轉換的改進數解法來實現交叉口間公交協調控制。常州市的實例微觀仿真結果表明，在減小公交交叉口延誤和提升公交服務可靠性方面，預感應信號優先協調控制均優于其他3種信號控制策略，而對社會車流的干擾最小。然而，本文還存在一些不足，需要在合理處理交叉口多個方向的公交優先申請方面做進一步的研究。

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Pre-Detective Signal Priority Coordination and Control Method for Bus Rapid Transit

SUN Gang1,YANG Min2,GU Hui3
(1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China; 3.School of Architecture,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A pre-detective signal priority method for Bus Rapid Transit(BRT)with coordination and control between intersections along the arterial was proposed,and two parts were included:signal optimi?zation and coordination control.As the bus travel time was known,the signal timing was optimized by ad?justing ideal signal lag in green ratio of each phase and coordinating the intersections by the improved numerical method to exchange the dwell time at bus stop to the distance in space.To examine the effect of this method,one direction of South Tongjiang Road in Changzhou,Jangsu,was experimented with the microscopic traffic simulator VISSIM,and four simulation scenarios were set:no signal priority,tradition?al signal priority,pre-detective signal priority and pre-detective signal priority with coordination.The results show that pre-detective signal priority with coordination has the best effect in the four scenarios for BRT,but the least negative effects of signal priority for social traffic.

Bus Rapid Transit;pre-detective signal priority;coordinated control;signal timing;mi?croscopic simulation

U491.2

A

2095-9931（2015）01-0059-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.011

2014-10-04