專用道公交優先干線協調控制研究現狀及展望

北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室 張 驍

昆明市公安局交通警察支隊 張 靈

北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室 李正熙，劉小明，尚春琳

昆明市公安局交通警察支隊 常 賡

專用道公交優先干線協調控制研究現狀及展望

北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室 張 驍

昆明市公安局交通警察支隊 張 靈

北方工業大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室 李正熙，劉小明，尚春琳

昆明市公安局交通警察支隊 常 賡

公交信號優先干線協調具有實施方便、效果突出等特點，在公交專用道連續性得到提升的前提下，進一步研究干線優先控制方法將具有更強的實際應用價值。在收集國內外交織區大量研究文獻的基礎上，從公交駐站時間預測、公交信號優先干線協調控制子區劃分、公交信號優先干線協調控制、間歇式公交專用道等四個方面對國內外研究現狀加以綜述和分析，并針對后續可進一步工作研究的內容進行了展望。

專用道公交優先；公交駐站時間預測；干線協調控制子區；公交信號優先干線協調

1 引言

日趨嚴重的交通擁堵狀況已成為制約城市發展的世界性難題。根據2015年6月發布的《北京市道路交通運行分析報告》[1]，北京市區工作日高峰時段月平均交通指數達到7.2，同比增長24.1%。緩解道路擁堵問題已成為城市良性發展的關鍵性問題。公交車輛因其大載客率的特點決定了其出行高效性的優勢，《國務院關于城市優先發展公共交通的指導意見》[2]強調了優先發展公共交通是緩解交通擁堵的必然要求。

2015年5月1日北京市首次編制的地方標準《公交專用車道設置規范》[3]予以實施，其中規定：如果一條道路60%的路段滿足規劃條件應全線施劃公交專用道。而據上海市交通委員會發布信息顯示[4]，2015年底上?！笆濉逼陂g300公里公交專用道建設任務全部完成。公交專用道的設置對提高公共交通的運行效率起到了重要作用，但從現有公交專用道的使用情況來看，公交車雖占用較大道路資源卻并未達到預計的服務水平，其原因主要在于公交車輛車隊式運行引起的停站和交叉口延誤增大。統計數據表明，即便在公交優先線路上，若該線路的信號控制策略中未考慮公交優先，那公共交通的運行效率的提升也很有限[5]。

公交優先信號控制研究已從之前的單點優先逐步發展為如今的干線優先和網絡優先，其中，干線優先具有實施方便、效果突出等特點，在公交專用道連續性得到提升的前提下，進一步研究干線優先控制方法將具有更強的實際應用價值。

2 國內外研究現狀及發展動態分析

公交信號優先控制得到了國內外研究人員的廣泛關注，并做出了許多扎實的工作，結合專用道公交優先干線協調控制方法研究的關鍵問題及發展趨勢，本文將從公交駐站時間預測、公交信號優先干線協調控制及其子區動態劃分、公交信號優先干線協調控制、間歇式公交專用道等四個方面，對國內外研究現狀加以綜述和分析。

2.1 公交駐站時間預測方法

公交車輛駐站時間的波動變化將直接影響到公交車輛的路段時空軌跡分布，在路阻函數、建模仿真、評價線網、公交信號優先控制等領域的研究中有重要作用，據此國內外學者對公交駐站時間預測及其相關問題進行了深入研究，主要包括以下四個方面：

（1）影響公交駐站時間的因素分析。較典型的有：文獻[6]中，R Rajbhandari等人從駕駛者、乘客的屬性和習慣等方面出發，對公交駐站時間和其相關因素的非線性關系進行了研究；文獻[7]中，羅霞根據乘客上、下車動作與駐站時間構建模型，研究乘客行為與駐站時間的關系[7]；Jaiswal從公交車輛類型、收費方式以及上下車乘客等因素出發，建立了BRT駐站時間評估模型[8]等。

（2）基于回歸分析的公交駐站時間預測。較典型的有：Adamski采用準點率、車上乘客數和公交車頭時距等要素作為關鍵要素，建立了駐站時間同上述因素間的多重線性回歸模型[9]；楊兆升等在回歸分析的基礎上使用加權最小二乘估計用來減少異常數據，得出駐站時間估計和公交車頭時距之間的回歸模型[10]；Rashidi提出在多元線性回歸模型的基礎上，采用基因表達程序的方法去仿真評估公交車輛的駐站時間[11]；文獻[12]采用支持向量機中的ε-SVR 回歸模型，基于歷史數據對路段運行時間和停站時間的關系進行擬合，得出公交駐站時間的預測模型等。

（3）基于公交車輛停靠過程的駐站時間預測。文獻[13]通過對影響公交車駐站時間各因素的詳細分析，建立了基于站點停靠延誤的車輛駐站時間預測模型；文獻[14]通過分析乘客上下車過程、多車門客流分配情況以及駐站時間三部分之間的關系，建立了相應的公交車駐站時間預測模型；文獻[15]考慮了在單停靠泊位和多?？坎次坏牟煌闆r下公交車輛的站外等待、減速進站、站內停靠和加速離站情況，并通過分別對其建立預測模型進而得到了公交駐站總時間預測模型等。

（4）基于人工智能的駐站時間預測。Xin利用公交車輛的GPS所獲取的歷史和實時信息，建立了基于K近鄰算法的公交車站駐站時間預測模型[16]。文獻[17]建立了基于BP和RBF的公交駐站時間預測模型，并利用貝葉斯網絡驗證預測結果同實際數據間相符度；文獻[18]在ANN駐站時間預測模型中引入車頭時距；Meng等提出了在非單線路狀況下的考慮多因素綜合影響作用下的公交駐站時間概率估計[19]等。其他公交駐站時間預測模型相關研究中所采用的技術方法與上述研究思想基本類似。

綜上，現有的公交駐站時間預測模型研究成果較為豐富，在提升公交運營、運行水平等方面也起到了一定的作用，但仍存在以下問題：

（1）公交駐站時間預測方法研究中，應考慮到不同時段乘客出行及公交運行特征對公交駐站時間的影響；

（2）重疊線路其他班次公交到達可能會對所預測班次公交產生乘客分流，間接導致所預測班次公交駐站時間發生較大變化；

（3）基于回歸分析的公交駐站時間預測是其中重要方法之一，但由于公交駐站時間的強隨機性，僅靠單一的回歸模型難以描述公交駐站時間與其主要影響因素間的關系，應考慮建立回歸模型庫，并隨著觀測數據的更新使庫內回歸模型持續優化。

2.2 專用道公交信號優先控制干線協調子區動態劃分

為確保道路交通信號協調控制效果，國內外眾多學者對基于社會車輛交通流的干線協調控制子區劃分領域做出了諸多研究，取得了顯著的成果。Yagoda等從路段流量、長度等要素入手，結合交叉口間的關聯性，采用了兩者的比值權重來衡量交叉口間的關聯程度[20]；Moore以流量比為交叉口的特征屬性，應用聚類方法建立交通子區劃分方法，該方法能同時考慮所有信號交叉口間的關聯程度[21]；Chang綜合考慮路段交通流狀態與車隊行駛離散性影響，給出了相鄰交叉口關聯指數的計算公式，據此實現相鄰交叉口之間的分合[22]；Lin等通過對車隊完整通過率和車隊長度的關系入手，研究分析相鄰交叉口之間的協調控制關系，在不同的交通需求下實現了臨近交叉口的動態分區[23]；李瑞敏等將交叉口的固有屬性同交叉口的流量分布構造特性相結合，根據相關因素建立了基于模糊推理的協調系數模型[24]；盧凱等通過對相鄰路口的關聯度建模，設計了最佳子區的選取流程，實現了協調控制子區的動態劃分[25]；馬萬經等通過對比分析相鄰路口的信號相位、排隊、車道數等因素對交叉口關聯度的不同作用，進而得出相應的計算模型[26]；趙勝川等采用最大閾值模型實現了帶寬最大化，克服了干線分區協調控制的端點閾值過于主觀的弊端，得以主動干線分區等[27]。

總之，在對該問題的研究中，如何確定路口間關聯度或協調系數是其核心目標。相對于社會車流而言，專用道公交運行由于受公交駐站、公交運營調度、交叉口信號控制等因素影響，其運行特征、控制目標等均發生了較大變化，因此傳統的針對社會車流而設置的干線協調子區劃分規則難以直接應用于專用道公交信號優先的干線協調控制子區劃分中，需要針對這一問題進行專門研究。楊希銳在其博士論文中對這一問題進行了初步研究，分析了公交優先下制約控制子區劃分的影響因素，推導了公交車輛延誤及公交路徑的關聯度模型，提出了公交優先下控制子區的劃分流程[28]。鑒于目前公交信號優先領域中關于干線協調控制的研究多是基于社會車流干線協調控制的情況，公交信號優先控制干線協調往往無獨立子區，專門針對專用道公交信號優先干線協調控制子區劃分方面相關研究成果還很少，還未能形成系統的理論方法和應用。

2.3 公交信號優先干線協調控制方法

隨著公交信號優先控制技術方法的發展和應用，公交信號優先干線協調控制越來越受到國內外研究人員的重視，并取得了一系列研究成果。結合近年來的研究可以將公交信號優先的干線協調控制方法分為三類：一是考慮社會車輛干線協調綠波帶寬約束；二是考慮社會車輛和公交車輛的綜合控制；三是社會車輛協調控制條件下考慮公交車輛權重。具體如下：

（1）考慮社會車輛干線協調綠波帶寬約束。較典型的有：Balke等從影響度最小出發提出了一種基于線控的優化方法，從系統綠波的角度為主線公交提供優先[29]；Vasudevan等人在系統綠波的基礎上引入了最優信號配時概念，進而構建出一個多層線性控制系統[30]；王殿海等在原有的信號配時基礎上引入了綠波帶的上下限作為協調相位的約束，在保證原有社會車輛所屬協調控制相位綠波帶的前提下采取了綠燈延長或紅燈早斷的方式為公交車輛提供優先信號[31]；文獻[32]等在前人工作的基礎上采用了干線協調和公交優先雙層優化的方法，體現公交優先信號的主動性，并根據其約束來調整相應優先方案。

（2）考慮社會車輛和公交車輛的綜合控制。較典型的有：鄒難等以干線人均總延誤最小為目標，將社會車輛綠波帶同公交車輛綠波帶統籌管理，協調兩者間的需求，通過綜合控制的方法降低人均總延誤[33]；李鳳等在建立了傳統綠波帶同公交車輛綠波帶的優選模型，凸顯了公交優先協調控制的主動性[34]；文獻[35]考慮社會車輛和公交車輛行駛車速的隨機特性，設計了線控系統運行綜合評價指標，將信息熵理論同眾多策略一并搭建出線控模型。

（3）社會車輛協調控制條件下考慮公交車輛權重。較典型的有：Shen等通過設定公交車輛優先權重并結合相應的優化策略實現干線協調情況下的公交優先[36]；文獻[37]借助于實時信息采集系統，對路口的集散信息分析處理，通過對公交權重和車均延誤綜合分析得出自適應公交優先動態模型；劉小明等考慮過飽和交通狀態下的公交優先需求，設計了動態相位組合方法，針對路口過飽和狀態下對公交車輛加權處理得到關鍵信號控制參數的方法[38]；文獻[39]通過引入公交權重和多約束條件建立了公交優先的主動和被動協調控制模型，實現了多目標優化。

值得強調的是，王正武等人利用分層遞階控制技術建立干線協調控制模型[40]，從公交信號優先與干線綠波控制中尋找協調平衡，其控制思想從一定意義上真正體現了公交信號優先控制在不同交叉口之間的協調問題。

總體而言，國內外學者在公交信號優先干線協調控制方法研究方面已做出了許多扎實的工作，有助于解決社會車流干線協調與公交優先綜合應用問題，對于公交信號優先的應用范圍、控制效果都具有重要作用。但就目前研究情況而言，仍存在以下問題：

（1）現有方法多是建立在社會車流干線協調控制基礎之上，如在何種情況下適合獨立進行公交信號優先干線協調控制、如何設計真正滿足不同交叉口間協調需求的公交信號優先干線協調控制算法等問題仍需深入研究；

（2）現有方法多是基于社會車流干線協調子區進行公交信號優先控制，較少考慮公交優先干線協調子區與社會車流干線協調子區不同關系下如何進行協同控制的問題。

2.4 間歇式公交專用道

為取得公交優先效率和道路資源利用率的雙效提高，Viegas和Lu提出了間歇式公交專用道（Intermittent Bus Lane，IBL）系統[41]。該系統設計思想提出后，得到了該領域學者的廣泛關注，并針對其中的問題進行了擴展性研究，主要包括以下幾方面：

（1）間歇式公交專用道通行能力分析。較典型的有：Daganzo等利用集散波理論分析發現，社會車流飽和度、公交發車頻率等是影響間歇式公交專用道作用效益的關鍵因素[42]；文獻[43]對間歇式公交專用道的通行能力借助于移動瓶頸理論進行了研究，推算出相應的計算公式；文獻[44]利用交通波驗證分析間歇式專用道的相關影響因素，并據此考慮公交減速進站、加速離站等過程。

（2）間歇式公交專用道仿真與實施。較典型的有：H.B.Zhu利用元胞自動機模型來模擬傳統專用道和間歇式專用道的控制策略并對比分析[45]；文獻[46]選取了交通流相關特性作為研究指標，采用元胞自動機的模型對傳統專用道和間歇式專用道進行分析用以確定最佳專用道方式；Vladimir Zyryanov用微觀交通流模型仿真驗證了間歇式公交專用道的優點[47]；墨爾本設置了間歇式公交專用道的示范性工程，從運營效果來看，間歇式公交專用道能在提高公交車輛運營效率的同時降低對社會車輛的影響[48]。

（3）間歇式公交專用道關聯控制。較典型的有：Viegas和Lu提出并構建了間歇式公交專用道設計思想，并從社會車輛、公交車輛的特性入手分析了單交叉口和區域信號控制[49][50]；Daganzo等為干線公交協調控制中配以間歇式公交專用道提供算法策略[42]；S.Ilgin Guler提出了一種類似間歇式公交專用道的提前信號控制策略，在干線信號等上下游安裝輔助信號燈來控制公交車的運行方式[51]；文獻[52]將公交行程時間同專用道清空時間建模分析，據此設計了間歇式專用道的信號控制策略；文獻[53]設計的信號控制策略意圖控制間歇式公交專用道入口的開放時段來控制公交專用道的空間利用率。

綜上，間歇式公交專用道能夠實現公交優先和道路空間高效利用的雙贏，進而在一定程度上緩解城市交通擁堵問題。與此同時，在對間歇式公交專用道作用下交通流特性分析的基礎上，如何將間歇式公交專用道設置與公交優先信號控制相結合也越來越受到人們的關注，因此，在下一步推廣間歇式公交專用道的工作過程中，既要注重公交優先的實施效果，還要注意以下幾個問題：

（1）間歇式公交專用道設置的前提是不能對專用道公交運行產生影響，需要在考慮公交站點位置、公交駐站時間、信號配時等因素影響的基礎上，探究不同交通流量下公交專用道間歇式控制時段、區段與路段上游公交到達屬性、公交間距及速度等參量之間的定性、定量關系；

（2）間歇式公交專用道控制區段、時段會對關聯路口信號控制周期、綠信比產生的影響，需要考慮如何構建間歇式公交專用道控制區段、時段影響下的信號控制配時模型；

（3）間歇式公交專用道控制區段、時段與干線協調控制策略之間存在相互作用關系，為提升間歇式公交專用道和公交信號優先實施效益，需要就專用道公交優先干線協調與間歇式公交專用道協同控制方法展開研究。

3 總結及展望

綜上所述，專用道公交優先干線協調及其相關問題已得到了研究人員的廣泛關注，并已取得了大量的研究成果，但仍有諸多核心問題亟待得到進一步解決?；谏鲜龅目偨Y分析，后續工作可針對以下內容展開研究：首先對公交干線協調子區動態劃分方法等基礎工作展開研究；繼而考慮未實施公交車速引導和實施公交車速引導兩種情況，對應社會車流干線協調與公交優先干線協調子區間獨立、包含、交叉三種形態，綜合利用分布式協同控制、分層遞階控制、多學科優化設計等技術方法構建相應的專用道公交優先干線協調控制模型；在此基礎上，考慮公交專用道路資源利用率，應用移動瓶頸、集散波、車道流量均衡模型等理論方法，分析間歇式公交專用道控制區段、時段與相關交通參量、公交車車速引導策略、上下游交叉口信號配時之間的相互作用關系，設計三種形態下專用道公交優先干線協調與間歇式公交車道協同控制方法；最終，應用軟件在環仿真，驗證分區及控制方法的有效性。上述內容的研究成果可為解決公交信號優先干線協調控制難題提供新的方法和途徑，在城市交通控制實踐中具有重要的應用前景，同時對城市交通控制理論與方法的進一步發展具有極大的推動作用。

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Status and Perspective of Arterial Cooperative For Bus Lanes Priority

The priority arterial coordination of bus signal has the characteristics of convenient implementation and outstanding effect. The further research about arterial priority control methods will be of great practical value once the bus transit lane is continually promoted. Based on the collection of a large number of research literatures at home and abroad, this paper studies and analyzes domestic and foreign research on four aspects, including bus transit station time prediction, bus signal priority trunk coordination control subarea division, bus signal priority trunk coordination control and intermittent bus lane. Finally, the contents of the follow-up research on the further work are discussed.

Bus lanes priority; Bus dwell time prediction; Control work zonefor arterial cooperative; Coordination control of bus signal priority arterial cooperative

“十二五”國家科技支撐計劃項目——動靜態一體化城市交通智能聯網聯控技術集成及示范（2014BAG03B01）

張驍（1991-），男，河北邢臺人，碩士研究生，現就讀于北方工業大學，研究方向為交通信號控制。

張靈（1982-），男，云南建水人，碩士，現就職于昆明市交警支隊科信處，研究方向為交通組織和信號控制。

李正熙（1955-），男，黑龍江人，教授，博士，學科帶頭人（正高），現就職于北方工業大學，研究方向為智能系統。

劉小明（1974-），男，河北唐山人，教授，博士，系主任（正高），現就職于北方工業大學，研究方向為智能交通控制。

尚春琳（1989-），男，山東日照人，碩士研究生，現就讀于北方工業大學，研究方向為公交優先控制。

常賡（1973-），男，云南昆明人，碩士，現就職于昆明市交警支隊科信處，研究方向為信息系統集成開發。