網聯環境下基于站點時刻表的公交信號優先方法

柏海艦，任桂香，董瑞娟，衛立陽

(合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

公共交通是緩解城市道路交通壓力的一種有效方法，已有研究中很多策略被用于提高運輸能力和服務質量，如快速公交、公交專用道等。在所有策略中，公交信號優先更經濟且易實現[1]。公交信號優先是提高公交運行效率的重要技術手段，在保證不對整個交通口或干線車輛運行產生嚴重影響的前提下，減少公交車輛的交叉口延誤，提高公交車輛的準點率，改善公交車輛的運行效率，對可持續發展的城市交通具有重要意義。關于公交優先的研究，大致分為兩個方面。一是建立優化模型優化信號周期及配時參數，這方面研究居多。國內一些學者分別選取不同指標為優化目標，如交通延誤、停車次數、實時交通狀況等建立優化模型得到新的信號周期與相位配時，從而體現公交優先的思想[2-4]。二是制定優先控制策略，調整信號配時參數。馬萬經等研究了綠燈延長、紅燈早斷和插入相位3種單點公交優先感應控制策略，應用延誤三角形方法建立了3種公交優先策略效益計算模型，以兩相位信號控制為對象，計算分析了模型的正負效益，并通過仿真進行了驗證分析[5]。

目前，國內大多城市在制定公交時刻表時僅存在發車時刻和到達終點或返回發車點的時刻，公交車輛只要在規定時間范圍內到達終點或返回起點，即為準點，對于中間站點運行狀態沒有規定[6]，導致乘客等車時間過長或幾輛公交車同時到達站點現象時有發生。準點率不僅包括終點運行準點性還包括中間站點運行準點性。對于晚點公交車，如何通過信號交叉口的公交優先控制，減少公交車交叉口延誤，盡可能使其到達時間接近時刻表時間，同時降低對周邊道路的負面影響，用以解決現有公交信號配時技術未考慮公交準點率不足問題，是研究的主要目的。國內外對基于時刻表的公交優先研究較少，國外學者側重于對時刻表的評價方法研究及公共交通可靠性評價[7-8]。陰炳成等將滿足時刻表為公交優先申請依據，運用綠燈延長和相位提前激活兩種方法給予晚點公交優先[9]；宋現敏等發明公開了基于運行時刻表的公交優先信號配時方法，采用綠燈提前啟亮和綠燈時間延長兩種優先方式在交叉口給予公交優先，其目的在于給予晚到公交優先，和使其到達下游站點盡量接近時刻表有一定區別[10]。以上學者的研究并沒有考慮公交車晚點時間的長短與到下一相位綠燈開啟時間長短的比較，且只考慮了綠燈早啟和綠燈延長兩種優先方式，有一定缺陷。筆者從制定優先策略入手，將綠燈相位時間分段，采取綠燈早啟、綠燈延長、相位插入3種優先方式，根據公交晚點時間與到下一相位綠燈開啟時間長短的比較采用不同的優先策略，建立公交車優先通行策略選擇模型。

1 變量定義與表達

車聯網技術巨大的信息采集及處理功能為本研究服務。網聯環境下，可以克服傳統檢測技術的一些缺點，如車輛位置的檢測與預測更加精確，車輛速度、加速度、乘客數也能更準確的提取，且公交車與交通信號控制器之間的雙向通信也能更加快速的傳遞信息。筆者考慮的是單個交叉口和其上下游的公交站點，當公交車在每個站點或者某些重要站點能盡量準點時，為整條線路的準點奠定基礎。假設在網聯環境下公交車的行駛時間可以準確的預測，如圖1，公交車從上游站點n出發，經過時間T到達下游站點n+ 1。

圖1 交叉口示意Fig. 1 Schematic diagram of intersection

1.1 公交行程時間預測

定義公交行程時間[11]為公交車從上游站點出發到下游站點所花費的時間，其表達式如式(1)：

T=t1+t2+t3

(1)

式中：t1為公交車從上游站點到停車線行駛時間；t2為公交車在停車線停靠時間，t2按式(2)進行確定；t3為公交車從停車線到下游站點行駛時間。

(2)

式中：tg為公交車離開停車線的時刻；t為公交車從上游站點出發的時刻。

在網聯環境下，t1和t3可準確預測。

1.2 晚點程度

晚點程度[10]表示公交車晚點到達下游站點相比正點時刻表的偏離程度，晚點程度臨界值設為β，晚點程度di用式(3)表示：

(3)

式中：di為第i輛公交車與運行時刻表的晚點程度；tw為公交車晚點到達下游站點的時刻；tz為公交車正點到達下游站點的時刻；h為公交車發車時間間隔。

公交車在交叉口會產生延誤，即使在交叉口給予優先，能降低的延誤時間也小于該交叉口的一個信號周期。所以，當公交車輛的延誤大于一個信號周期，則可調整公交車的速度，使其減少在路段上產生的延誤時間，以保證公交車準時到達下一個站點。

1.3 效益函數

效益函數PI表示實施優先策略前后的效益問題，并包含下游交叉口等待此公交的乘客數的延誤變化，其表達式如式(4)：

(4)

式中：Oj為第j輛社會車輛的載客數；ΔDj為優先策略前后社會車輛的延誤之差；Obus為公交車的載客數；ΔDbus為優先策略前后公交車的延誤之差；ΔDp為優先策略前后下游站點乘客延誤變化，表示為：

ΔDp=(tw-t′w)Qi

(5)

當PI > 0時，綠燈延長、紅燈早斷或者相位插入方案可行，對信號配時進行調整生成新的配時方案，下傳至信號機，實現基于運行時刻表的公交優先。當PI<0時，維持原信號配時方案不變。

2 控制策略

考慮單個交叉口和其上下游公交站點，公交車從上游站點離開時模型開始生效，將公交車到達下游站點時刻和時刻表正點時刻進行比較，當晚點程度小于臨界值，則按照原配時方案執行；當晚點程度大于臨界值，根據不同情況選擇不同優先策略，具體情況如圖2[11]。

圖2 基于站點時刻表的公交信號優先流程圖Fig. 2 Flow chart of transit signal priority based on bus schedule

信號優先策略選擇是根據公交車到達停車線時間、延誤時間長短和到達時刻在此時綠燈相位的位置不同情況決定的，具體情況如表1。

表1 信號優先策略選擇Table 1 Signal priority strategy selection

3 信號優先控制算法

由表2可知，基于站點時刻表的公交信號優先使用3種優先策略，分別為綠燈延長、綠燈早啟和相位插入，根據公交車到達停車線的不同情況選取不同的優先策略，生成不同的配時方案。

公交車從上游站點離開的時刻為t，經過時間T到達下游站點，晚點到達下游站點時刻為tw，若此時達到下游站點的正點時刻為tz，則公交車晚點時間用式(6)表示：

(6)

檢測公交車從上游站點離開時刻信號燈的燈色，如果此時信號燈為綠色或者紅色，到達停車線時為綠色，公交車直接通過交叉口。下文著重介紹到達停車線時信號燈為紅色的兩種情況。

3.1 綠-紅情況

公交車從上游公交站點離開時信號燈為綠色，到達停車線時信號燈為紅燈，該種情況可以選擇綠燈延長策略、綠燈早啟策略或相位插入策略，具體情況根據到達時間、延誤時間長短和到達時刻在此時綠燈相位的位置具體分析。

表2 綠-紅情況三段式優先控制算法Table 2 Three-stage priority control algorithm of green-red situation

注：如果因插入相位影響下一相位的綠燈時間不能滿足其最小綠燈時間，則插入位置改為正好能保證下一相位可以滿足最小綠燈時間的位置。(下同)

表3 綠-紅情況二段式優先控制算法Table 3 Two-stage priority control algorithm of green-red situation

3.2 紅-紅情況

如果公交車離開上游站點時信號燈為紅色且公交車到達停車線時也為紅燈，下一相位可能是公交相位也可能不是公交相位。當下一相位是公交相位時，此時正在執行綠燈的相位達到最小綠燈時長時此相位綠燈早斷，提前開啟公交車到達相位的綠燈，即選擇綠燈早啟策略；當下一相位不是公交相位時，在公交車從上游站點到達停車線時間內可能未經過一個相位綠燈或者經過一個相位綠燈，根據不同情況選擇綠燈延長或者相位插入策略。

經過調查發現，蘋果主要貯藏病害是在果園或采收、分級、運輸等過程中感染的，在貯藏期間遇到適宜條件就會發病。因此，蘋果苦痘病、蘋果霉心病、蘋果虎皮病等主要貯藏病害的防治須采取綜合措施，部分措施要在蘋果生長期實施。同時要盡量減少病原體，加強果園管理，防止機械損傷，創造適宜的貯藏環境，確保貯藏質量。

3.2.1 中間未經過一個相位綠燈時

表4 紅-紅情況三段式優先控制算法Table 4 Three-stage priority control algorithm of red-red situation

表5 紅-紅情況二段式優先控制算法Table 5 Two-stage priority control algorithm of red-red situation

3.2.2 中間經過一個相位綠燈時

4 仿真分析

4.1 仿真條件與參數設置

4.1.1 路口渠化條件

選取城市某十字信號交叉口為目標交叉口進行公交優先控制仿真分析，上下游分別有一個公交站點，上游站點離交叉口300 m，下游站點離交叉口200 m。其中東西方向為主干道，交通量較大，雙向8車道，其中直行車道兩條，左右轉車道各一條；南北方向為次干道，交通量較小，雙向6車道，直行車道一條，左右轉車道各一條。右轉車輛不受信號控制，且對直行車流和左轉車流無干擾。

4.1.2 交通量參數

據調查，得到交叉口流量，除公交車流量外，其他社會車輛均折換成標準當量小汽車，流量表如表6，由于右轉車輛不受控制，不考慮其延誤，因此不將右轉車輛列入其中。

表6 交叉口流量Table 6 Flows of intersection

4.1.3 原始信號參數

現狀交叉口信號配時采用四相位控制方案，信號周期為120 s，方案如表7。

表7 原始配時方案Table 7 Original signal timing scheme

各車道飽和流量為1 800 pcu/h，各相位最小綠燈時長為15 s。由于右轉車輛不受信號控制，因此不考慮右轉車輛的延誤。

4.1.4 公交車運行參數

公交車在第一相位到來，即公交車在東西直行方向，且以120 s的發車間隔出發，3 600 s為一個運行周期。假設公交車平均載客數為30人，社會車輛載客數為2人，公交車速度6～11 m/s，社會車輛7～14 m/s，車輛以隨機的速度到達交叉口，下游站點有5位乘客等待此公交車。由于公交車從上游站點出發模型生效，信號周期為120 s，所以公交車對應的出發時刻有120種，編程進行數值計算，為了減少系統誤差，運行120次。

4.2 公交車準點率分析

準點率分為平均準點率與總平均準點率，平均準點率為每一秒出發的車輛準點率的平均，總平均準點率為整個周期內所有車輛準點率的平均。設公交車準點時旅行時間為60 s，假設在正點前后5 s范圍內皆為準點，將運用筆者策略進行優先后的公交車準點率與原配時方案下的準點率進行比較，不同情況下公交車平均準點率、總平均準點率如圖3和表8。

圖3 不同情況下公交車平均準點率Fig. 3 Average punctuality rate of bus in different conditions

運行參數優先后優先前變化率/%總平均準點率/%46.8220.15+132.36總平均旅行時間/s67.8893.52-27.41

注：變化率=(優先后-優先前)/優先前×100%，“+”代表增加；“-”代表減少。(下同)

以提高公交車的準點率為目的，由圖3和表8可知，筆者提出的策略能有效提高公交車的準點率，總平均準點率從20.15%提高到46.82%，平均準點率能提高至70%。準點率也有不提高的情況，這是由于策略的不同造成的：當公交車到達交叉口為綠燈或者不滿足優先情況時則采用原配時方案，準點率將會不變；當公交車到達交叉口為紅燈時，則根據時間的分布采取不同的策略，準點率也將會有差別。

4.3 公交車旅行時間分析

公交車旅行時間分為平均旅行時間與總平均旅行時間，平均旅行時間為每一秒出發的車輛旅行時間的平均，總平均旅行時間為整個周期內所有車輛旅行時間的平均。將優先后的公交車平均旅行時間、總平均旅行時間與原配時方案下的平均旅行時間、總平均旅行時間進行比較，結果如圖4和表8。

圖4 不同情況下公交車平均旅行時間Fig. 4 Average travel time of bus in different conditions

由圖4可知，優先前公交車平均旅行時間變化范圍較大，公交車行駛過程很不穩定，優先后公交車平均旅行時間穩定在均值附近，系統穩定性增強。由表8和圖4可知，運用筆者策略，公交車的總平均旅行時間減少27.41%，平均旅行時間最高可減少51.04%。當公交車到達交叉口為綠燈或者不滿足優先情況時則采用原配時方案，公交車旅行時間將會不變，即圖4中重疊部分；當公交車到達交叉口為紅燈時，則根據時間的分布采取不同的策略，旅行時間改變程度不同。

4.4 公交車和社會車輛人均延誤分析

假設公交車平均載客數為30人，社會車輛載客數為2人，優先后公交車和社會車輛的人均延誤和原配時方案下公交車和社會車輛的人均延誤比較如表9。

表9 公交車和社會車輛總人均延誤Table 9 Total per capita delay of buses and socian vehicles

由表9分析可知，筆者策略能有效減少公交車的人均延誤，減少總百分比達46.75%。采用原配時方案時，公交車人均延誤沒有變化，采用筆者策略的優先方案時，人均延誤有不同程度的減少。當公交車所在相位采取優先方案時，則會對周邊社會車輛有一定程度的影響，社會車輛總人均延誤如表9。

分析得知，社會車輛的人均延誤有增加有減少，整體成增加趨勢，此種情況符合常理。由表9可知，社會車輛的人均延誤僅增加0.75%，在較大幅度減少公交車人均延誤的同時對周邊社會車輛的影響不大。

5 結 論

公交信號優先的相關理論已被提及多年，理論成果非常豐富，但公交車準點性的研究較少。筆者以提高公交車準點性為目標，提出車聯網環境下基于站點時刻表的公交優先配時方法。根據公交車從上游站點出發及到達停車線時信號燈燈色選擇不同的優先策略，并根據公交車到達停車線時間、延誤時間長短和到達時刻在此時綠燈相位的位置生成新的配時方案。最后通過實例分析，分析結果表明：公交車的平均準點率提高26.67%，總平均旅行時間減少27.41%，公交車人均延誤減少46.75%的同時周邊社會車輛的人均延誤僅增加0.75%，獲得了較好的控制效果。

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