復雜道路交叉口有軌電車信號優先控制方法

唐君虞 張志云 華璟怡

(1. 上海城建市政工程(集團)有限公司， 200065，上海； 2. 公安部交通管理科學研究所， 214151, 無錫//第一作者，工程師)

現代有軌電車是從傳統有軌電車脫胎而出的一種新型交通工具, 具有更高的運行速度、更舒適的乘車空間及更快捷的換乘方式。國外大量實踐經驗表明，現代有軌電車具有帶動城市發展(如法國波爾多)、發揮交通聯運優勢(如德國卡爾斯魯厄)、提高公共交通吸引力(如荷蘭阿姆斯特丹)等多方面優勢[1-2]。為改善公交服務水平，優化城市出行結構，我國政府也日益加大了在現代有軌電車上的關注與投入。目前，北京、上海、南京、武漢、沈陽、廣州、蘇州、珠海、淮安等城市均展開了現代有軌電車項目的規劃與建設[3]。

擁有路段獨立車道與交叉口信號優先的現代有軌電車在為公共交通帶來更多路權優先的同時，也增加了道路交叉口交通流的復雜程度，給城市道路交叉口的管理與控制帶來了新的挑戰[4]。針對我國交通發展現狀，如何在多種交通方式參與的道路交叉口上進行合理的信號配時，如何在保證現代有軌電車路權優先的同時控制其對社會車輛產生的不利影響，已成為一個重要的研究課題。

針對這一問題，我國的科研工作者展開了大量研究，在有軌電車優先控制策略[5-6]、有軌電車與社會車輛的協調控制[7]、有軌電車交叉口交通組織設計[8]等多個方面開展了深入分析，并且在有軌電車信號優先下交叉口影響范圍內各流向交通流間的負荷均衡問題，以及單點交叉口的協調控制等方面取得了大量的研究成果。然而，現有研究都是以標準十字交叉口或丁字交叉口為研究對象，其研究成果不適用于大于4個進口道的復雜交叉口，而這些復雜交叉口如果包含有軌電車線路，則關系到整條有軌電車線路的信號優先控制效果。為緩解這一問題，本文從復雜道路交叉口有軌電車信號優先控制原則出發，研究其信號優先控制的設計與實現。

1 有軌電車信號優先控制策略

現代有軌電車在復雜道路交叉口的優先控制策略主要有兩種：綠燈延長控制和紅燈縮短控制。圖1舉例說明了兩種控制策略的作用原理。現代有軌電車的實時檢測/定位方式多采用感應線圈、信標定位、GPS/BD(全球定位系統/北斗)定位、RFID(射頻識別)系統、計軸輔助等方式或其組合的方式。如圖1所示：當檢測到有軌電車到達停車線的時刻處于相位1時，通過執行綠燈延長控制延長相位4的綠燈時間，使有軌電車無需停車等待直接通過交叉口；當檢測到有軌電車到達停車線的時刻處于相位2或相位3時，通過執行紅燈縮短控制使得相位放行時間縮短，減少有軌電車的停車等待時間。

a)原有配時

b)綠燈延長控制

c)紅燈縮短控制

圖1 復雜道路交叉口現代有軌電車信號優先控制策略示例

然而，上述兩種有軌電車優先控制策略的執行會導致交叉口出現不同流向交通流飽和度的失衡現象。伴隨有軌電車的通行相位(下文稱為“電車通行相位”，如圖1中相位4)的綠燈時間增加，會降低其放行流向的交通流飽和度；而其余非有軌電車通行相位(下文稱為“社會交通相位”，如圖1中相位1至相位3)的綠燈時間將會相應減少，導致對應放行流向交通流飽和度上升。這一變化顯然會產生電車通行相位與社會交通相位各自放行流向間飽和度的不平衡，形成電車通行相位空閑綠燈時間過長，造成社會交通相位車輛延誤與二次停車概率增大的現象。

2 信號優先控制基本思路

對于大于4個進口道的復雜道路交叉口而言，有軌電車與交叉口內大流向的社會車輛會產生交織沖突，故需綜合考慮右轉機動車、非機動車和行人的控制，其中信號控制的相位相序設置是緩解交叉口內交通沖突及保障電車安全通行的關鍵因素。同時，復雜道路交叉口通常為城市干道交叉口，交通壓力較大，是城市交通擁堵的常發節點，有軌電車優先控制帶來的社會交通相位壓縮會導致社會車輛排隊長度和停車延誤的增加，甚至導致交通擁堵頻率和程度的上升。因此，應盡量避免在復雜道路交叉口設置有軌電車線路，或優先通過交通組織措施簡化復雜道路交叉口內交通流沖突。對于部分必須設置有軌電車線路的復雜道路交叉口，則需要通過交叉口背景相位配時、優先控制參數的設置來均衡各進口道交通負荷，以緩解優先控制給社會車輛帶來的不利影響。

2.1 控制原則

復雜道路交叉口有軌電車信號優先控制既要保障和提升有軌電車運行效率、準點率和服務水平，同時也需要確保社會車輛通行的有序和暢通。在此目標下，有軌電車信號優先控制應體現如下原則。

(1) 有軌電車優先通行：復雜道路交叉口應給予有軌電車時間路權優先，減少有軌電車在通過交叉口時的停車概率與停車時間，從而保證有軌電車的運行效率、準點率與服務水平。

(2) 路口沖突消除：復雜道路交叉口內所有與有軌電車運行線路相沖突的機動車流、非機動車流、行人流均應配有相應的信號燈，且在有軌電車通過交叉口時，保證與有軌電車運行線路相沖突的機動車流、非機動車流、行人流均處于禁止通行狀態(信號燈紅燈)。

(3) 優先控制影響最小化：在保證有軌電車優先通行的基礎上，應實現優先控制對社會交通影響的最小化，實現復雜道路交叉口內社會車輛的通行效率優化。

2.2 實施流程

復雜道路交叉口信號優先控制實施流程如圖2所示。

步驟1：確定交叉口內與有軌電車產生交通沖突的社會交通流向，包括機動車、非機動車、行人各個流向，并需要考慮右轉機動車流和非機動車流與有軌電車產生的交通沖突。

步驟2：在不與有軌電車產生交通沖突的社會交通流向中確定有軌電車通行相位時的放行流向，重點考慮將與有軌電車同向行駛的機動車加入有軌電車通行相位的放行流向中。

圖2 復雜道路交叉口優先控制實施流程

步驟3：確定社會交通相位數及各相位的社會交通放行流向。在保證相位內機動車流、非機動車流間無嚴重沖突的前提下，盡可能地歸并社會交通放行流向，減少信號控制相位數。

步驟4：根據交叉口交通渠化和駕駛員的駕駛習慣，設置信號周期內有軌電車通行相位和社會交通相位的排列相序。

步驟5：設置無有軌電車優先請求時的信號周期長度和各相位綠燈時間。在分配相位時間時有針對性地提高社會交通相位綠性比，緩解有軌電車優先控制對社會交通的干擾；同時，對于存在機動車流與非機動車流交通沖突的社會交通相位，通過右轉信號燈遲開控制減少機動車與非機動車的相互干擾。

步驟6：在保證社會交通的通行效率和非機動車、行人安全通過需求的基礎上，設置有軌電車優先請求時綠燈延長/紅燈縮短策略下的優先控制參數值。

步驟7：設計有軌電車優先請求下的交叉口信號優先控制算法，根據各相位的交通流飽和度分配紅燈縮短時間，均衡交叉口交通負荷。

3 復雜道路交叉口優先控制模型

針對復雜道路交叉口交通壓力較大、交通沖突嚴重的特點，本文提出了復雜道路交叉口有軌電車優先控制目標：保證交叉口各進口道上社會車輛不會因為策略的實施而二次停車。為實現這一目標，本文對控制流程中設置背景信號相位配時、信號優先控制參數、信號優先控制算法中的計算模型進行了優化設計，實現了基于有軌電車到達頻率的相位綠燈時間補償和基于社會交通流量的壓縮時間按比分配，均衡復雜道路交叉口各流向間的交通負荷。

假設交叉口信號相位數為n，令相位n為有軌電車通行相位，則有軌電車在相位1到達時，執行綠燈延長策略；在相位2至相位n-1到達時，執行紅燈縮短策略；在相位n到達時，可直接不停車通過路口(如圖1所示)。相關優先控制模型如下。

3.1 背景信號相位配時設計

運用Webster法計算交叉口社會車輛延誤最小時間的信號周期長度和各相位綠燈時間。

式中：

C0——初始周期長度；

L——總損失時間；

Y——交叉口交通流量比；

gi——相位i的初始綠燈時間；

yi——相位i的交通流量比。

在相位初始綠燈時間的基礎上，根據有軌電車到達交叉口的頻率，修正可能被壓縮的社會交通相位的綠燈時間，提高有軌電車通過后社會車輛通行效率。修正后綠燈時間為：

式中參數F、Pi的計算式如下：

F=C0/f

(4)

式中：

F——一個信號周期內有軌電車的到達頻率；

Pi——有軌電車到達時相位i被壓縮概率；

f——有軌電車的發車間隔時間。

將式(4)與式(5)代入式(3)得到的背景信號相位配時模型，如式(6)所示。

3.2 信號優先控制參數設計

為保證社會交通等待時間不至于過長，有軌電車通行相位的綠燈延長時間最大值的設置如下：

式中：

tn,G——電車通行相位的最大綠燈延長時間；

gmax——防止社會交通相位排隊車輛過長的相位最大綠燈時間。

同時，為避免社會交通二次排隊，并保障非機動車、行人安全通行需求，社會交通相位紅燈縮短時間最大值設置如下：

式中：

ti,R——社會交通相位i的最大紅燈縮短時間；

gmin——保證非機動車、行人安全正常通過所需的相位最小綠燈時間。

3.3 信號優先控制算法設計

在設置了背景信號相位配時及信號優先控制參數的基礎上，通過信號優先控制算法實現有軌電車實時優先請求下的復雜交叉口信號優先控制。綠燈延長策略下，有軌電車通行相位的綠燈時間計算式為：

gn,G=gn+min(gx,G,tn,G)

(9)

式中:

gn,G——電車通行相位綠燈時間；

gx,G——有軌電車不停車通過所需的綠燈延長時間。

在紅燈縮短策略下，根據可壓縮相位的交通流量比來劃分各相位縮短時間，均衡被壓縮社會交通相位的交通負荷。社會交通相位的綠燈時間計算式為：

式中：

gi,R——社會交通相位i的綠燈時間；

gx,R——有軌電車不停車通過所需的紅燈縮短時間。

4 實例分析

淮安現代有軌電車一期工程線路建造在該城市的交通走廊上，道路系統復雜。有軌電車在沿線路段設有專用路權，在道路交叉口行人過街通道之處與各方向的社會交通流混行。本文所提出的復雜道路交叉口有軌電車信號優先控制設計方法在該線路中得到了采用。本文以該線路水渡口廣場交叉口早高峰為例進行詳細分析。

4.1 水渡口廣場交叉口狀況

水渡口廣場五岔路口為典型的復雜道路交叉口(見圖3)。翔宇大道、淮海東路兩條城市主干道在此交匯；和平路為單向交通組織，只有進口道而無出口道。早晚高峰時期，水渡口廣場路口匯聚了兩條主干路的通勤交通，且周邊亦有萬達廣場、缽池山公園兩大交通吸引點，高峰流量極大，其高峰主流向為南北直行、東西直行流向，與有軌電車運行線路產生沖突。若在高峰時段內執行常規的有軌電車優先控制，則會縮短主流向的放行時間，加劇主流向上的交通負荷，進而引發交通擁堵。水渡口廣場交叉口早高峰交通流量如表1所示，其優化前的控制方案如圖4所示。

圖3 水渡口廣場交叉口交通渠化圖表1 水渡口廣場交叉口早高峰交通流量

進口轉行交通流量/(輛/h)北進口左轉65直行1 144右轉520東進口左轉150直行666右轉112南進口左轉228直行864右轉243西進口左轉115直行483右轉645西南進口左轉130直行160右轉83

綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈30 s3 s0 s30 s3 s0 s40 s3 s0 s32 s3 s0 s27 s3 s0 sa)相位1b)相位2c)相位3d)相位4e)相位5

圖4 水渡口廣場交叉口早高峰信號控制方案(優化前)

4.2 有軌電車優先控制方案

(1) 確定與有軌電車產生交通沖突流向。有軌電車線路經由和平路轉入翔宇大道中間，與西進口右轉(淮海東路)、北進口直行(翔宇大道)、東進口左轉(水渡口大道)、西南進口直行/左轉(和平路)的機動車/非機動車存在交通沖突，與南進口(翔宇大道)和西南進口的行人存在交通沖突。

(2) 確定有軌電車通行相位放行流向。有軌電車伴隨南北左轉社會車輛一起放行，同時放行除西進口右轉外的其余進口道右轉流向(如圖4中相位4所示)。

(3) 確定社會交通相位放行流向。根據交叉口避免嚴重交通沖突和減少信號控制相位數的需求，將剩余的社會交通流向歸并為3個相位，即：東西直行相位——東、西、西南進口直行流向，除西進口右轉外的其余進口道右轉流向，南、北進口行人過街；東西左轉相位——東、西、西南進口左轉流向，除西進口右轉外的其余進口道右轉流向；南北直行相位——南、北進口直行流向，所有進口右轉流向，東、西、西南進口行人過街。

(4) 設置優先控制信號相序。根據淮安市先直行后右轉的進口道信號控制習慣，設置4個相位的信號相序(見表2)。

(5) 設置背景信號相位配時。根據式(1)、式(2)、式(6)獲取背景信號相位配時，其中南北直行相位中西進口右轉與北進口的非機動車存在交通沖突，因此，西進口右轉遲開10 s，保障在停車線等待通過的北進口非機動車快速通過。背景信號相位配時如圖5所示。

綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈37 s3 s1 s30 s3 s1 s44 s3 s2 s27 s3 s1 s最大紅燈縮短時間8 s西進口右轉遲開10 s,最大紅燈縮短時間17 s最大綠燈延長時間44 sa)相位1b)相位2c)相位3d)相位4

圖5 水渡口廣場交叉口早高峰背景信號控制方案(優化后)

(6) 設置信號優先控制參數。根據式(7)、式(8)，獲取信號優先控制參數，相位2的最大紅燈縮短時間為8 s，相位3的最大紅燈縮短時間為17 s，相位4的最大綠燈延長時間為44 s。

(7) 設計信號優先控制算法。將背景信號相位配時和信號優先控制參數代入式(9)、式(10)，獲取交叉口早高峰時期的信號優先控制算法。

4.3 優先控制實施效果

為進一步驗證復雜道路交叉信號優先控制方法的有效性，采用VISSIM仿真軟件對水渡口廣場交叉口早高峰背景信號優先控制方案執行前后分別建立仿真模型，并對有軌電車平均延誤及社會交通平均延誤進行前后對比分析(如圖6所示)。

在仿真階段，每次仿真時間為4 000 s，其中包括400 s路網車流初始化時間。考慮到仿真結果的隨機性，本次仿真中進行5次仿真運行。仿真得到的有軌電車和社會交通延誤時間對比如表2所示。

圖6 水渡口廣場交叉口VISSIM仿真圖

表2 水渡口廣場交叉口有軌電車和社會交通延誤時間仿真對比 s/輛

從表2可以看到，5次信號優先控制實施前后的仿真對比中，有軌電車的車均延誤時間平均值由24.2 s下降為7.3 s，降幅超過70%；同時，優先控制執行下的社會交通的車均延誤平均值由30.7 s上升為33.6 s，升幅不到10%。相較于交叉口有軌電車服務水平由C級提升為A級，社會交通服務水平維持在C級不變，對交叉口的整體運行影響不大。

5 結語

提出了一種復雜道路交叉口有軌電車信號優先控制優化設計方法，并從信號相位、信號相序、配景配時、優先參數、控制算法等多個方面進行綜合分析，以期在保障有軌電車優先通行的同時，降低對社會交通的不利影響。本文所提出的復雜道路交叉口優先控制模型能夠在分配相位時間時有針對性地提高社會交通相位綠性比，緩解有軌電車優先控制對社會交通的干擾；能夠根據各相位的交通流飽和度分配紅燈縮短時間，均衡交叉口交通負荷。淮安現代有軌電車一期工程水渡口廣場交叉口的實例仿真結果表明，本文提出的優先控制方法的實施能夠在不顯著增加社會交通延誤的同時，有效減少有軌電車的延誤。