交叉口處現代有軌電車與其他機動車的平衡感應信號控制方法

呂柯興

(西南交通大學交通運輸與物流學院,610031,成都//碩士研究生)

交叉口處現代有軌電車與其他機動車的平衡感應信號控制方法

呂柯興

(西南交通大學交通運輸與物流學院,610031,成都//碩士研究生)

介紹了現代有軌電車與機動車在交叉口的平衡感應信號控制方法,通過對現代有軌電車交叉口各入口排隊車輛數的監測,實時改變信號配時,從而平衡各入口車輛排隊長度;通過賦予現代有軌電車更高的排隊權重,使現代有軌電車與同向機動車流減少停車時間,獲得更多的通行時間,從而在保證其他機動車輛通行效率的同時,間接地實現現代有軌電車優先通行權。運用交通仿真軟件對比分析各入口車輛平均排隊長度、最大排隊長度、總停車次數、平均延誤與平均排隊時長,確定各信號相位近似最優的最大感應綠燈信號時長。仿真結果表明,在排隊長度與車輛延誤方面,感應信號配時遠優于定時信號配時;相比單純的公共交通信號優先,感應信號控制更注重現代有軌電車和機動車每個乘客的通行權利。

現代有軌電車; 交叉口; 平衡感應信號控制; 最大感應綠燈時長

Author′s address School of Transportation and Logistics,Southwest Jiaotong University,610031,Chengdu,China

現代有軌電車憑借運量大、速度快、成本低、環境友好等特點逐漸應用于各大城市的主干道路中。隨著城市優先發展公共交通政策的出臺[1],為提升公共交通服務品質,現代有軌電車作為大運量公共交通方式在交叉口應享有一定優先通行權。但目前的現代有軌電車信號優先控制方式[2]并沒有考慮到交叉口其他機動車輛的運行效率與通行權利。若現代有軌電車遵循傳統的定時信號控制,則不能凸顯公共交通在運行效率上面的優勢;若對現代有軌電車實施強制信號優先,則會嚴重影響高峰時段沖突車流的運行效率,造成擁堵。本文提出的現代有軌電車與機動車在交叉口的平衡感應信號控制方法可保證各個機動車的通行權利,并間接實現現代有軌電車優先通行的策略,保證交叉口通行效率的最大化。

1 交叉口信號相位設計

現代有軌電車軌道在交叉口多采用平面交叉設計,以有效節約建造成本,方便乘客上下車。但這種設計使得現代有軌電車在交叉口必須遵守信號控制策略,同時造成沖突車流的跨軌道行駛。現代有軌電車軌道具有多種平面排布方式,常用的現代有軌電車軌道斷面布置形式如圖1所示[3]。

圖1 現代有軌電車線路橫斷面布置形式

本文以現代有軌電車雙線軌道中央布置形式為例,其平面布置形式如圖2所示。現代有軌電車軌道鋪設于城市主干道路之中,與之交叉的是城市次主干道或次干道。這里的城市干道等級是通過高峰時段車流量劃分的。

圖2 現代有軌電車交叉口平面圖

由于現代有軌電車軌道采用中央布置形式,所以交叉口的所有入口左轉車流都要橫跨軌道,這對現代有軌電車的運行效率影響很大；又由于左轉車流一般需要單獨安排一個相位,所以交叉口各相位綠信比大大降低,車輛延誤也隨之增加。因此,該示例中實行機動車禁左通行,需要左轉的車流可在直行后在下一次級交叉口左轉,當前現代有軌電車交叉口信號相位由原來的四相位縮減至二相位[4]。如圖3所示。

2 感應信號邏輯設計

由于交叉口主次干道到達車流數量隨時間具有很強的隨機性,因此感應信號控制系統應實時監測交叉口各入口路段的車輛到達數量,以改變信號相位的綠燈時長和轉換相位。示例中通過在各入口路段添加車輛感應器來實時記錄路段內運行車輛的數量,如圖4所示。以路段1為例,在停車線各車道上設置車輛感應器,并在距停車線約100 m的路段上游位置各車道設置車輛感應器,通過計算兩組車輛感應器感應到的車輛數目之差,可準確計算出當前時刻兩組感應器之間的運行車輛數目。實時改變信號配時與轉換相位,以平衡東西向路段1、3和南北向路段2、4的車輛數量。

圖3 現代有軌電車交叉口信號相位

圖4 路段上的車輛感應器位置設置

監測各入口路段車輛數的優勢在于:第一,在車輛制動進入排隊之前就監測出可能發生排隊的車輛數,從而使系統提前判斷是否延長綠相時長或切換到紅燈相位;第二,監測路段內的車流在該信號控制下可以形成車隊,從而盡量避免二次排隊的發生。現代有軌電車是大運量公共交通,可在現代有軌電車路段單獨設置車輛感應器,若監測到現代有軌電車,則給現代有軌電車的車輛數目增加一定倍數的權重,并累加到同向車流的車輛數目之中。示例中,當監測到現代有軌電車時,在原有東西路段車輛數目的基礎之上增加20,以縮短東西走向車流的停車時間或延長通行時間,從而間接實現現代有軌電車的優先通行。感應信號控制系統的邏輯圖如圖5所示。

圖5 感應信號控制邏輯圖

在實際交叉口中,可通過其他技術手段監測各入口路段的車輛數目,如視頻監測、GPS (全球定位系統)監測、車輛指紋識別、電子車牌識別等[5]。

3 示例仿真

示例為一個簡化的現代有軌電車交叉口模型。模型中不考慮行人過街,且所有機動車輛禁止左轉,機動車右轉不受限制;東西走向機動車流量為2 400輛/h,南北走向機動車流量為1 600輛/h,且兩個方向的機動車流量均衡,由東至西和由西至東的現代有軌電車發車間隔為2.5 min。機動車輛的產生均服從泊松分布,且機動車輛速度滿足一定的線性分布,這樣可很好地擬合到達車輛的隨機性。模型的建立使用PTV Vissim交通仿真軟件實現。感應信號控制的邏輯算法使用Vissim的Visvap模塊實現[6]。為體現現代有軌電車交叉口感應信號控制的優勢,本文以最佳定時信號控制為參照,制定了幾組最大感應綠燈時長。通過Synchro交叉口配時仿真軟件,確定了該模型的最佳定時信號配時方式[7],如圖6所示。其中相位1分配時長26 s,相位2分配時長24 s,周期為50 s。為保證交叉口車輛的安全疏散,在感應配時與定時配時中設置了3 s的全紅時長,3 s黃燈時長,1 s紅黃燈時長[8],但這里的Synchro軟件中沒有設置紅黃燈時長,因此相位1的綠燈時間(G1)約為20 s,相位2的綠燈時間(G2)約為18 s。

圖6 Synchro交叉口配時結果

感應信號控制的各相位最大綠燈時長是根據定時配時確定的,表1為幾組仿真中的最大感應綠燈時長。

表1 感應信號控制仿真環境 s

從表1中可以看出,每個仿真的相位1與相位2最大綠時比相似;仿真2的最大綠時和定時信號的綠時相同。通過對定時信號和4組感應信號的仿真,得到了5組仿真環境下各交叉口入口車輛的平均排隊長度、最大排隊長度、總停車次數、平均延誤與平均排隊時長。

3.1 平均排隊長度與最大排隊長度

表2為5組仿真環境下各車流入口處在每個仿真步長的平均排隊長度。其中入口1～4為機動車流入口,入口5～6為現代有軌電車入口。由于現代有軌電車車流量遠小于機動車流量,所以平均排隊長度很小,入口6在仿真1、仿真3和仿真4環境下平均排隊長度為零,表示入口6的現代有軌電車在這三種仿真環境下沒有發生排隊。

表2 不同仿真環境下各入口車流平均排隊長度

由表2可知,定時信號的入口1、3平均排隊長度最長,仿真1、3、4各入口平均長度較短且分布均衡,沒有出現某個入口平均排隊長度過長的情況。仿真2的平均排隊長度表現一般,其中入口2、4的平均排隊長度相比主干道明顯長出很多,通過觀察仿真動畫,該仿真環境下的次主干道容易發生二次排隊,在現實情況下容易產生擁堵。

平均排隊長度只能反映交叉口各入口整體排隊情況,而最大排隊長度可反映各仿真環境下最差的排隊情況。最大排隊長度可體現各仿真環境對二次排隊和交叉口擁堵的容錯與疏散能力[9]。表3為各仿真環境下所有仿真步長中的最大排隊長度。2節編組的現代有軌電車的排隊長度等同于40輛機動車(有軌電車的排隊權重為20)。由表3可知,現代有軌電車沒有出現在同一入口多輛車同時排隊的情況。

表3 不同仿真環境下各入口車流最大排隊長度

由表3可知,所有感應信號控制環境的1、3車流入口的最大排隊長度均小于定時信號控制的1、3入口最大排隊長度,體現出該模型中感應信號控制在疏散較長車流排隊的效率。

綜合平均排隊長度和最大排隊長度來看,仿真1、3、4表現良好。

3.2 總停車次數和平均停車時間

表4統計了在1 h的實際仿真時間里,不同仿真環境下各車流入口的總停車次數。總停車次數可反映各入口車流通過交叉口的流暢度。

表4 不同仿真環境下各入口車流總停車次數

由表4可知,定時信號控制在入口1、3的總停車次數高于其他仿真環境的總停車次數,而感應信號控制的2、4入口的總停車次數相比定時信號控制表現一般。現代有軌電車在各仿真環境下的總停車次數變化不大,所以現代有軌電車的優先通行權利在停車次數上沒有反應出來。

表5為不同仿真環境下各入口車流的平均停車時間。平均停車時間可很好地體現出現代有軌電車在各仿真環境下相比其他機動車輛在停車時間方面的優勢,也能體現交叉口車輛運行的流暢度。

表5 不同仿真環境下各入口車流平均停車時間

由表5可以看出,所有感應信號控制環境的現代有軌電車平均停車時間均優于定時信號控制環境,但感應信號控制環境下與現代有軌電車沖突的2、4入口的平均停車時間要大于1、3入口的平均停車時間。這是由于現代有軌電車具有更高的排隊權重,與現代有軌電車同向的車流也能夠享受高權重帶來的高通行率的好處。事實上,給現代有軌電車增加排隊權重,是將車輛的通行利益平均分配給了乘客個人。現代有軌電車的乘客人數要遠大于私家車乘客人數,模型中賦予現代有軌電車20倍的排隊權重,相當于現代有軌電車的乘客人數是普通私家車乘客人數的20倍。這一數值也可根據實際情況做相應改變。對比仿真與定時信號控制環境的平均停車時間可知,仿真1、3在各入口平均停車時間上普遍優于定時信號。

綜合來看,仿真1、3在縮短停車次數與停車時間上表現良好。

3.3 平均延誤

平均延誤可以體現一個交叉口在疏散交通上的效率[10],表6為各車流入口在不同仿真環境下的車輛平均延誤。從表中可以看出,感應信號控制環境下的現代有軌電車入口5、6的平均延誤遠小于定時信號控制環境下的平均延誤。感應信號控制環境在車流入口1、3上縮短車輛延誤具有優勢,仿真1、3在入口2、4的車輛延誤上也表現良好。

表6 不同仿真環境下各入口車輛平均延誤

綜合來看,仿真1、3的表現遠優于其他感應信號控制環境和定時信號控制環境。

3.4 結果分析

綜合以上各種指標,仿真3的表現最優。在仿真3的運行環境下,雖然現代有軌電車的總停車次數相比定時信號控制環境沒有優勢,但平均停車時間和車輛平均延誤大大減少,有效提高了現代有軌電車的通行效率,相當于間接賦予了現代有軌電車一定的優先通行權利。比較各類參數可知,該平衡感應信號控制可有效縮短車輛排隊長度,從而減少二次排隊和交叉口擁堵的發生;同時,機動車的平均停車時間比定時信號控制環境下縮減了許多,保證了機動車通過交叉口的流暢度;且各機動車流入口的車輛平均延誤也遠小于定時信號控制環境下的機動車平均延誤。

4 結語

本文提出的平衡感應信號控制方法可在提高現代有軌電車通行效率的同時,保證其他機動車的通行權利。賦予現代有軌電車更高排隊權重的做法,相當于把車輛的通行利益分配給了個人,能夠凸顯公交先行、以人為本的策略,有利于城市公共交通的發展。該平衡感應控制系統在提高交叉口通行效率上具有優勢,且算法設計簡單,硬件易于實現。在實際應用中,可根據該交叉口各入口車流隨時間分布的大致情況,通過多次仿真確定各時間段近似最優的最大感應綠燈時長,從而協調現代有軌電車與其他機動車流的運行,達到整體運行效率最優的目的。

今后將進一步研究各相位最大感應綠燈時長與車流量的關系,從而確定各車流密度下最大綠時的判斷方法,并將單點控制拓展到現代有軌電車線網的混合感應信號控制。

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Equalized Actuated Signal Control for Modern Trams and Moter Vehicles at Intersection

LYU Kexing

The equalized actuated signal control for modern trams and moter vehicles at intersection is introduced.The signal timing is changing over the detection of the number of approaching vehicles at a tram intersection in order to balance vehicle queue length at each approach.By assigning a higher queuing weight to the tram,the stopping time of the approaching trams and motoer vehicles on the same direction is reduced and more passing time is provided.As a consequence,the tram enjoys indirectly a transit priority without increasing the delay time of motor vehicles,and the passing right for both trams and vehicles is equalized.By studying the average vehicle queue length,the maximum vehicle queue length, the total vehicle stopping time,the average vehicle delay time and the average vehicle stopping time,an approximate optimal maximum actuated green time is confirmed.By analyzing the output of a traffic simulation software,the equalized actuated signal control outperforms the optimal fixedtime control in respect of vehicle queue length and vehicle delay time.In comparison with aggressive transit signal priority,the equalized actuated control focuses more on every passenger′s passing right.

modern tram; intersection; equalized actuated signal control; maximum actuated green time

U482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.04.015

2015-05-26)