現代有軌電車不同等級交叉口優先配時方案研究

崔梁+鄧君

摘 要：文章基于不同等級的交叉口實施不同的有軌電車優先方案，主干路與主干路相交路口由于交通流量相當且都比較大，所以在傳統信號配時模型基礎上對固定信號配時進行優化以實現有軌電車的優先通行；主干路與次干路相交路口，主路交通量大次路交通量相對較少，計算綠燈延長策略和紅燈早斷策略下的優先相位和非優先相位的延誤，建立以車輛總延誤為目標函數的主動信號優先感應控制模型；主干路與支路相交路口，主路交通量遠遠大于支路交通量，可采取絕對信號優先感應控制模式，最后通過VISSIM仿真驗證文中方法的有效性。

關鍵詞：有軌電車；交叉口分類；定時控制；主動優先；絕對優先

中圖分類號：F570 文獻標識碼：A

Abstract： Different tramcar priority schemes were taken based on the different levels of the intersection in this paper. The intersection of the main road and the main road is relatively large， because of the relatively large traffic flow it is necessary to optimize the fixed signal timing in order to realize the priority of the tramcar. The main road and the road intersection， the main road traffic is large， the road traffic is relatively small， calculate the green light extension strategy and the delay of priority and non priority phases under the red light early fault strategy， established active signal priority control model based on total vehicle delay. The intersection of the main road and branch road， the main road traffic is much greater than the traffic volume， taken absolute signal priority control mode. Finally， the effectiveness of the proposed method is verified by VISSIM simulation.

Key words： tramcar； intersection classification； actued control； active priority； absolute priority

0 引 言

現代有軌電車是介于地鐵和公交之間的一種中低運量的新型城市軌道交通工具，它具有安全、舒適、環保、快速的特性，它不僅能夠緩解城市道路日益擁堵的壓力、減少廢氣排放的問題，而且可以為公共交通的建設提供新的解決方案。現代有軌電車在歐洲乃至全世界范圍內的迅速復興，足以證明它存在的合理性和未來在國內的廣闊發展前景，所以我們要在引進有軌電車技術的同時，提高對有軌電車的認識，加強有軌電車在實際運行中可能會存在的問題的研究。

現代有軌電車路權形式一般可劃分為3種[1]：完全獨立路權，即有軌電車在路段上獨享車道，在交叉路口路權立交化，以此來保證現代有軌電車在路段的高速、安全運行；半獨立路權，即有軌電車沿線線路擁有與其他交通方式的物理隔離措施（如路緣石或柵欄等），而在交叉路口處采用與道路平交的方式；混行路權，即線路上除了現代有軌電車運行之外，其他交通方式也運行于現代有軌電車的車道之上。其中半獨立路權形式在現代有軌電車系統中使用最為普遍。根據相關理論計算，路段的延誤遠小于交叉口延誤[2]。所以公交優先技術研究的落腳點就是有軌電車在交叉口的延誤分析和處理。本文根據不同相交道路等級來確定不同的有軌電車優先方案，不同等級的相交路口包括主路與主路相交路口、主路與次路相交路口、主路與支路相交路口。以上3類交叉口流量的組成特性不同，所以各自優先方案也不盡相同，研究的內容包括： 明確不同等級相交路口的信號配時方案原則與重點，確定不同等級相交路口的信號配時策略，建立適用于有軌電車運行特性的配時方案參數計算公式，選取典型交叉口進行配時方案的實例計算。

1 信號配時方案

有軌電車在路段擁有獨立路權不受社會車輛的影響，在交叉口處與社會車輛共同通行，根據路口交通信號的配時要求，與其他地面交通流分享路口的通行權利。所以，優先方案不僅要保證有軌電車的優先通行，還要保證路口其他交通流的正常秩序。兼顧以上因素，確定了各相交等級交叉口的優化原則。

1.1 主路與主路相交路口方案

在主干路與主干路相交路口，該相交路口的道路等級高且交通流量與有軌電車正線的交通流量相差不大，均比較大。而感應控制在交叉口交通量波動性較大、規律性較差、飽和度在0.6以下、相交路段交通量相差較大等情況下效果比較好[3]。所以，制定配時方案應著力突出現代有軌電車容易與地面交通親近的特征，選取定時控制模式，可對固定信號配時進行優化以實現有軌電車的優先通行。

首先要算出傳統信號配時方案下的車均延誤。目前就我國實際情況，由于發車間隔相對較大每個周期內只能通過一組有軌電車，所以考慮車輛延誤的意義不大，本文考慮社會車輛的車均延誤，采用的車均延誤計算公式如下[4]：

d■=■+■ （1）

式中：d■為第i相位第j流向的車均延誤；λ■為第i相位的綠信比；x■為第i相位第j流向的飽和度；q■為第i相位第j流向的進口道交通量。建立基于社會車輛平均延誤的模型：

■ （2）

式中：g■為第i相位的有效綠燈時間；L為交叉口信號總損失時間；C■為交叉口最小周期時長；C■為交叉口最大周期時長；g■為第i相位的最小有效綠燈時間；x■為交叉口的最大飽和度。

再對基于有軌電車優先的信號配時方案進行優化。本文固定信號配時優化模型主要考慮社會車輛的人均延誤、有軌電車的人均延誤兩部分。社會車輛的人總延誤計算公式如下：

D■=■■d■q■P■ （3）

一個周期內有軌電車通行相位只能通過一組列車，因此Webster信號延誤計算公式并不適用。由于有軌電車車流屬于離散型交通流，所以從到達分布角度進行考慮。本文假設有軌電車到達交叉口時刻的概率相等，根據列車到達和延誤分析可得出有軌電車的人總延誤計算公式如下：

D■=1-λ■■cq■P■ （4）

式中：λ■為有軌電車的綠信比；q■為有軌電車流量；p■為每輛有軌電車的平均載客數。要特別強調的是，對于同一相位共同放行的有軌電車、社會車輛，雖然其綠燈時間、黃燈時間、綠燈間隔時間均相同，但是由于二者起動損失時間不同，所以有效綠燈時間也存在差距，因此其綠信比也不一樣，應通過如下公式計算：

λ■=λ■-■ （5）

式中：λ■為社會車輛的綠信比；l■為有軌電車的起動損失時間；l■為社會車輛的起動損失時間。綜上，可計算交叉口的人均延誤，其計算公式如下：

■ （6）

1.2 主路與次路相交路口方案

在主干路與次干路相交路口，相交道路的等級次之，道路的交通流量小于電車正線的交通流量；根據上文感應控制的描述，此情況下感應控制效果較好。大容量有軌電車需要優先通行，同時還要協調主干路和次干路地面交通的關系，盡量減少次干路的交通延誤，所以可選采取相對優先的感應控制策略。以車輛總延誤為目標函數，根據交叉口車輛總延誤的變化來判斷是否需要給予有軌電車優先通行權，具體實現手段是綠燈延長策略和紅燈早段策略。首先計算綠燈延長策略和紅燈早段策略下的車總延誤，公交優先控制針對不同相位分別產生不同延誤影響。其延誤可分為：（1）優先相位減少的總延誤；（2）非優先相位增加的總延誤。

如果相位i不執行綠燈時間延長Δt■，則該時間段內到達進口道的車輛需要等待下一次相位i的綠燈時間才能離開交叉口，因此有可能會產生相位i上的延誤。圖1中四邊形陰影部分面積表示相位i沒有延長綠燈時間Δt■的延誤，由于相位i綠燈延長Δt■時間，這就是相位i一個進口道k上減少的延誤[5]。

Δd■■=■2r■+■-Δt■ （7）

其中：q■為相位i第k進口道的車輛到達率，r■為相位i的紅燈時間，q■■為相位i第k進口道的車輛離散率。

由于有軌電車和社會車輛的到達率、離開率均不同，假設有軌電車處于第一相位第一車道，所以可以得到整個交叉口綠燈延長策略下的優先相位減少的延誤。

Δd■=q■r■Δt-■+■q■r■Δt-■ （8）

在優先相位i執行延長綠燈時間Δt■時，非優先相位的車輛需要多等待Δt■時間才能通行，因此增加了非優先相位的延誤。圖2中四邊形陰影部分面積表示非優先相位i+1由于優先相位i綠燈延長Δt■時間產生的延誤，但相位i+1綠燈時間向后移，相當于相位i+1延長綠燈時間Δt■，減少了非優先相位在該段內的相位延誤（如圖2所示）。其非優先相位i+1進口道k上增加的人均延誤[5]。

Δd■■=■2r■+Δt■-■2r■+■-Δt■ （9）

由于有軌電車和社會車輛的到達率、離開率均不同，假設有軌電車處于第一相位第一車道，所以可以得到整個交叉口綠燈延長策略下的非優先相位減少的延誤。

Δd■■=■■■2r■+Δt■-■2r■+■-Δt■ （10）

同理可計算出紅燈早斷策略下優先相位有軌電車和同相位發的社會車輛減少的車總延誤：

Δd■=■2r■-Δt+■■2r■-Δt （11）

紅燈早斷策略下非優先相位所有車輛增加的延誤：

Δd■■=■■■2r■+Δt■ （12）

所以，主路與次路相交路口有軌電車信號優先的目標函數就是優先相位減少的車總延誤減去非優先相位增加的車總延誤。

PI=Δd■-Δd■■ （13）

當PI>0時，說明優先相位減少的延誤大于非優先相位增加的延誤，整體的延誤是降低的，此時可以給予有軌電車優先通行權；當PI<0時，說明優先相位減少的延誤小于非優先相位增加的延誤，整體的延誤是增加的，此時不可以給予有軌電車優先通行權，其邏輯流程圖見圖3。

1.3 主路與支路相交路口方案

在主干路與支路相交路口，相交支路的道路等級低，交通流量與電車正線有明顯差異，所以制定半感應信號控制方案，即針對主干路采取絕對信號優先的控制方式。絕對信號優先策略控制設計思想：在現代有軌電車線路上進口處100～150米處鋪設感應線圈檢測器，用來判斷是否有電車進入交叉口。平常狀況交叉口以固定配時方案控制信號燈運作。當有軌電車進入交叉口上游的檢測器后，信號控制系統即在控制計劃中插入有軌電車通行相位供列車通過，同時與有軌電車相互沖突的社會車輛被禁止通行；而與有軌電車不沖突的社會車輛相位被給予通過信號；有軌電車通過設置在下游30～50米處的檢測器后，即結束有軌電車相位回到原控制方案。該控制策略只要有軌電車觸發優先信號，即為列車提供通行需求，使有軌電車完全不受延滯地通過交叉口。其控制邏輯見圖4。

2 案例仿真

對采取有軌電車固定信號配時優化模型、主動優先感應控制模型、絕對優先感應控制模型選擇相應的相交路口，假設有軌電車線路呈東西走向，采用“路中直行”的敷設形式，東西向道路為雙向8車道，其中有軌電車的車道寬度為4米，位于道路最內側2條車道，其他社會車道寬度均為3.75米；南北向道路為雙向6車道，車道寬度均為3.75米。設置計算好相應參數，在軟件VISSIM中進行仿真驗證，得到采取本文的優先控制策略后結果，見表1。

本文有軌電車優先策略不僅考慮了城市道路現狀、交通運行特性，而且使有軌電車的運輸能力得到了最大的利用，取得了較好的運營效果。隨著我國交通運輸水平、管理水平的提高以及有軌電車的良好發展，現代有軌電車與城市傳統交通領域協調同步將是一項重要而有意義的課題。

參考文獻：

[1] 衛超. 現代有軌電車的適用性研究[D]. 上海：同濟大學（碩士學位論文），2008.

[2] 趙雅秀，陸佰川. 交叉口公交優先技術現狀與問題[J]. 重慶交通大學學報（社科版），2010，10（1）：32-34.

[3] 郝斌斌. 多通道感應信號控制優化模型研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學（碩士學位論文），2014.

[4] 張飛舟，范耀祖. 交通控制工程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2002.

[5] 張衛華，石琴，劉強. 公交優先信號交叉口延誤計算與配時優化方法[J]. 華中科技大學學報（城市科學版），2004，21（4）：30-33.

[6] 張宇. 基于延誤的單個交叉口公交優先信號控制方法研究[D]. 長春：吉林大學（碩士學位論文），2008.

[7] 劉立龍，李建成. 基于VISSIM的現代有軌電車交叉口信號優先控制策略研究[J]. 公路與汽運，2005（6）：56-58.

[8] 張春. 基于公交優先的單點交叉口信號控制改進方法研究[D]. 北京：北京交通大學（碩士學位論文），2011.

[9] 張春. 沈陽市渾南新城現代有軌電車一期工程可行性研究報告[R]. 北京：北京城建設計研究總院有限責任公司，2012.

[10] 季彥婕. 交叉路口公共交通優先通行方法研究[D]. 南京：東南大學（碩士學位論文），2003.