現(xiàn)代有軌電車智能交通系統(tǒng)優(yōu)先控制策略方案研究

0 引言

目前，有軌電車作為城市公共交通的重要組成部分，結(jié)合我國現(xiàn)有公路交通的通行方式，綜合考慮現(xiàn)代有軌電車、汽車、行人等交通要素，研究一種相對科學(xué)合理的通行相序方案，合理制訂有軌電車優(yōu)先通過平交路口的控制策略方案極為重要。

1 現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外應(yīng)用情況

有軌電車通行方式一般包含同等條件下于路口處的通行準(zhǔn)許和通行順序。通行順序方面，目前在國內(nèi)一般不采用優(yōu)先控制模式，即有軌電車不設(shè)置專用信號燈或依賴于路口公路信號燈，在通行順序上有軌電車與道路汽車無異；另一種是采用有軌電車優(yōu)先模式。歐洲學(xué)者考慮到有軌電車作為大容量的公共交通設(shè)施，提高有軌電車的運行效率在一定程度上可以帶動交通系統(tǒng)整體效率，因而在歐洲一些道路運行中滲透了有軌電車通行優(yōu)先的思路，但具體的實現(xiàn)方式各異，效果也不盡相同。

1.2 國內(nèi)外優(yōu)先控制主要模式

智能交通優(yōu)先控制策略分2種：無條件絕對優(yōu)先和有條件相對優(yōu)先。無條件絕對優(yōu)先，其目的是實現(xiàn)有軌電車完全不停車通過路口；有條件相對優(yōu)先，其目的是盡可能使有軌電車不停車通過路口，當(dāng)停車時，盡可能減少停車時間。

2 優(yōu)先控制策略分析

2.1 優(yōu)先控制思路

2.1.1 無條件優(yōu)先控制策略

假設(shè)在A點檢測到有軌電車到達，到達停止線的行程時間為T，信號機判斷T時間后的相位運行狀態(tài)：

（1）若判斷有軌電車到達路口時有軌電車相位為綠燈，不需要調(diào)整信號方案，有軌電車可不停車通過停止線；

（2）若預(yù)測有軌電車到達路口時有軌電車相位為紅燈，則進一步判斷電車到達時刻正在執(zhí)行的相位是否已超過最小綠燈時間：若已超過最小綠燈時間，紅燈相位執(zhí)行完最小綠燈時間后切換到有軌電車所在相位；若未超過最小綠燈時間，則在前一相位結(jié)束時刻切換到有軌電車所在相位。

二級優(yōu)化：A檢測器檢測到電車信號，并按照上述思路執(zhí)行無條件優(yōu)先控制，可確保電車到達停止線時相位狀態(tài)基本處于優(yōu)先相位。為了進一步減少隨機性因素對優(yōu)先控制效果產(chǎn)生的影響，利用B檢測器檢測信號對優(yōu)先方案進行二級優(yōu)化。當(dāng)B檢測器檢測到信號時，根據(jù)電車從B檢測器到停止線的行程時間判斷電車相位執(zhí)行狀態(tài)，若存在相位尚未到達或時間不足情況，需對控制方案進行二次調(diào)整，確保電車通過，消除隨機性因素的影響。

根據(jù)C/D檢測器檢測到路口是否占用，進行最大路口占用時間控制，在占用時間內(nèi)保持公交相位為綠燈，當(dāng)檢測到路口出清或超過最大占用時間閾值時，清除信號優(yōu)先控制。

無條件優(yōu)先的相位為與電車相位同放的社會車輛相位，電車相位跟隨執(zhí)行，社會車輛可通行。

圖1為無條件優(yōu)先控制策略示意圖，該處以社會車輛相位為示例，在實施時，需單獨配置電車相位，并跟隨社會車輛相位執(zhí)行。

圖1 無條件優(yōu)先控制策略

2.1.2 有條件優(yōu)先控制策略

有條件控制方式包括綠燈延長、紅燈早斷和相位插入3種方式。3種不同的優(yōu)先控制方式根據(jù)車輛到達路口的時刻和當(dāng)前信號控制方案執(zhí)行情況進行選擇觸發(fā)，下文對每種策略下有軌電車駛過交叉路口后的相位變化進行闡述。

假設(shè)某一路口未采用任何優(yōu)先策略，其信號控制方案如圖2所示。

圖2 未采用任何優(yōu)先策略

（1）綠燈延長。

當(dāng)觸發(fā)時刻電車相位為綠燈，且剩余綠燈時間不足以保證電車通過，則執(zhí)行綠燈延長。假設(shè)綠燈延長時間為9 s，根據(jù)一定的算法得出每個非優(yōu)先相位放行綠燈時間為30 s，交通信號控制方案如圖3所示。

圖3 綠燈延長控制策略

（2）紅燈早斷。

若電車相位為當(dāng)前相位的后一相位（相位緊鄰），則采用紅燈早斷控制。判斷當(dāng)前相位是否執(zhí)行完畢最小綠燈時間，若執(zhí)行完畢，則結(jié)束當(dāng)前相位并切換到電車相位，交通信號控制方案如圖4所示。

圖4 紅燈早斷控制策略

（3）相位插入。

若電車相位為非當(dāng)前相位的后一相位（中間間隔1-N個相位），則采用相位插入控制。判斷優(yōu)先時刻當(dāng)前相位是否執(zhí)行完畢最小綠燈時間，若執(zhí)行完畢，則中斷當(dāng)前相位，插入電車專用相位；若未執(zhí)行完畢最小綠燈時間，則待執(zhí)行完畢后插入。假設(shè)專用相位為10 s，交通信號控制方案如圖5所示。

圖5 相位插入控制策略

有條件優(yōu)先中插入的相位為有軌電車專用相位，時長僅為電車通過路口的時間，在此期間社會車輛無通行權(quán)。

2.2 檢測器位置布置原則

對于每個道口，均設(shè)有A、B、C、D 4個檢測信標(biāo)，分別對應(yīng)預(yù)告、到達、進口、出口等狀態(tài)。

2.2.1 A點布置原則

A點位置檢測有軌電車到達信號并主要用于無條件優(yōu)先控制，因此A點檢測器位置與路口間距離較大，以保障擁有足夠的時間進行相位切換，保障路口行人通行安全。

其基本位置位于距離路口400 m處，依據(jù)為：有軌電車從A點行駛到停止線的時間需大于路口交叉方向的最小綠燈時間，按照電車以平均速度14 m/s（50 km/h）行駛，路口交叉相位最長的最小綠燈時間為30 s（一般大路口使用30 s均可滿足行人過街需求，而實際值則比30 s小很多，此處需要按照最長時間計算）。在岔區(qū)和路口重疊區(qū)，有軌電車路口信號燈的位置可能會做出調(diào)整，A點的布置也將進行相應(yīng)調(diào)整。

（1）上游出口處無?？空尽?/p>

若路段長度大于440 m，A點檢測器設(shè)置位置為距離路口400 m處；若路段長度小于440 m，A點檢測器可設(shè)置在上游路口出口處（圖6）。

圖6 A點位置

（2）上游出口處設(shè)有停靠站。

若站臺出口到路口距離大于450 m，A點檢測器設(shè)置位置為距離路口400 m處（圖7）。

圖7 A點位置

若站臺出口到路口距離小于450 m，大于（120+50）m，A點檢測器位置為距離站臺出口下游約50 m處。預(yù)留50 m的目的在于消除車輛?？空緯r定位數(shù)據(jù)存在靜態(tài)漂移現(xiàn)象的影響，避免定位誤差導(dǎo)致的優(yōu)先控制誤觸發(fā)（圖8）。

圖8 A點位置

若站臺出口距離較小，且下游路口在切換相位時所需時間大于電車行駛到停止線的行程時間時，按照“站臺出口到路口距離小于（120+50）m”布設(shè)A檢測器，即若站臺出口到路口距離小于（120+50）m，A點檢測器位置為?？空旧嫌挝恢茫捎谕？空緯r間存在隨機性，A點布置以時間為依據(jù)：A檢測器檢測到車輛時，其行駛到停止線的時間（包含停站時間）大于相位調(diào)整時間（30 s）。

（3）下游路口進口處設(shè)有?？空?。

若下游路口進口處設(shè)有?？空?，則按照上述“站臺出口到路口距離小于（120+50）m”情況設(shè)置A點檢測器。

上述為A點檢測器布置需遵循的基本原則，均基于30 s相位調(diào)整時間，由于不同路口的物理結(jié)構(gòu)不同，執(zhí)行優(yōu)先控制時相位調(diào)整時間也不盡相同，因此應(yīng)根據(jù)路口實際情況對A點位置進行單獨配置。

2.2.2 B點布置原則

B點檢測器主要功能：對于無條件優(yōu)先路口，在A檢測器觸發(fā)無條件優(yōu)先控制后，根據(jù)電車到達路口情況執(zhí)行二級優(yōu)化控制，確保電車不停車；對于有條件優(yōu)先路口，檢測車輛到達路口情況，并執(zhí)行有條件優(yōu)先控制。B點的布置原則主要針對有條件優(yōu)先中的相位插入，需滿足相位插入時擁有充足的時間進行相位過渡，同時也能滿足綠燈延長和紅燈早斷算法的感應(yīng)需求。

B點檢測器基本位置位于距離路口100～120 m處，依據(jù)為：當(dāng)執(zhí)行相位插入時，插入有軌電車專用相位，需保證正在執(zhí)行的其他相位擁有足夠的時間進行過渡，過渡時間一般為3 s綠閃+3 s黃燈+3 s全紅 =9 s（此為最大值，實際可能沒有全紅，實際時間比該時間小），按照路口通行最高限速11 m/s（40 km/h）計算，B點位置需布設(shè)在距離停止線100～120 m處。在岔區(qū)和路口重疊區(qū)，有軌電車路口信號燈的位置可能會做出調(diào)整，B點的布置也將進行相應(yīng)調(diào)整。

（1）入口處無?？空?，B檢測器布置在距離停止線100～120 m處（圖9）。

圖9 B點位置

（2）入口處設(shè)有停靠站且?？空境隹谂c停止線距離大于120 m，B檢測器設(shè)置在距離停止線100～120 m處（圖10）。

圖10 B點位置

（3）入口處設(shè)有?？空厩彝？空境隹谂c停止線距離小于120 m，采用RTS技術(shù)，即司機在發(fā)車時按下RTS按鈕，觸發(fā)優(yōu)先請求（圖11）。

圖11 B點位置

2.2.3 C點布置原則

C點檢測器主要功能是判斷路口是否處于占用狀態(tài)，并執(zhí)行有軌電車相位駐留控制。C點主要根據(jù)現(xiàn)場情況制訂布置方案。

C檢測器布置在距離停止線1 m處（圖12）。

圖12 C點位置

2.2.4 D點布置原則

D點檢測器主要作用是判斷路口出清，并解除相關(guān)的優(yōu)先控制。D點的布置原則為，以確保行車安全為前提，當(dāng)車身完全駛出路口時觸發(fā)路口出清信號。

D點檢測到有軌電車時，確保電車已經(jīng)離開交叉口，因此D點檢測器布設(shè)位置為出口下游40 m處（一個車身長度）（圖13）。

圖13 D點位置

2.3 檢測器異常處理策略

2.3.1 A、B檢測器異常處理策略

對配置為無條件優(yōu)先的路口，A檢測器為主要觸發(fā)控制檢測器，B為調(diào)整檢測器，2個檢測器均檢測到信號時，執(zhí)行完整的二級優(yōu)化控制策略。若A檢測器檢測到車輛，則根據(jù)A執(zhí)行無條件優(yōu)先控制；若A未檢測到車輛而B檢測到，則根據(jù)B執(zhí)行（如果有條件優(yōu)先控制可以保證不停車，或者讓電車等待時間更少，該處也可根據(jù)優(yōu)先效果降級為有條件優(yōu)先控制，需視實際情況確定）。

對配置為有條件優(yōu)先的路口，若A未檢測到車輛而B檢測到，優(yōu)先控制不受影響；若B檢測器未檢測到車輛到達，則不執(zhí)行有條件優(yōu)先控制，僅執(zhí)行常規(guī)信控。

2.3.2 C、D檢測器異常處理策略

C/D點配合完成優(yōu)先控制消除，若C/D無法檢測到信號，則有軌電車相位跟隨機動車相位正常執(zhí)行；若檢測到車輛一直占用路口，占用狀態(tài)不消除，則在控制算法中設(shè)置時間閾值，觸發(fā)優(yōu)先控制后，超過時間閾值將自動解除優(yōu)先控制。

3 執(zhí)行優(yōu)先控制的條件

（1）執(zhí)行絕對優(yōu)先的條件：路口交通飽和度小于特定閾值；A、B檢測器至少其中之一無故障；路口信號機未執(zhí)行優(yōu)先級更高的控制，如勤務(wù)、手動控制等；信號機無嚴(yán)重故障，未觸發(fā)降級控制。

（2）執(zhí)行相對優(yōu)先的條件：路口交通狀況不滿足絕對優(yōu)先的飽和度閾值，無法采用絕對優(yōu)先時，可采用相對優(yōu)先；相位早斷需滿足路口飽和度閾值；A、B檢測器至少其中之一無故障；路口信號機未執(zhí)行優(yōu)先級更高的控制，如勤務(wù)、手動控制等；信號機無嚴(yán)重故障，未觸發(fā)降級控制。

（3）執(zhí)行相對優(yōu)先控制時，以下情況可能導(dǎo)致路口停車：壓縮方向的飽和度均高于調(diào)整閾值，導(dǎo)致相位壓縮時間不足，算法執(zhí)行失??；按最大程度進行相位調(diào)整后，電車到達停止線時仍然未過調(diào)整相位的最小綠燈時間，為保證行人安全，必須等待最小綠燈時間完畢之后再進行相位切換；突發(fā)事件等隨機因素影響，如觸發(fā)綠燈延長控制后，有軌電車中途由于突發(fā)事件停車延誤，錯過延長時間。

4 結(jié)語

根據(jù)上述方案的討論可知，無條件優(yōu)先控制主要采用插入有軌電車方向相位的方式實現(xiàn)，其目標(biāo)是實現(xiàn)電車完全不停車通過路口。考慮交叉路口行人過街等安全因素，執(zhí)行無條件優(yōu)先控制時需要充足的相位調(diào)整時間， 因此采用A檢測器進行控制策略觸發(fā)。同時，考慮到電車行駛過程中存在隨機性因素（如駕駛行為差異性等），在利用A檢測器進行優(yōu)先控制的基礎(chǔ)上，采用B檢測器對控制策略進行二級調(diào)整，由于B檢測器距離路口較近，識別進入路口狀態(tài)比較準(zhǔn)確，可以確保無條件優(yōu)先控制效果。

有條件優(yōu)先控制主要采用綠燈延長、紅燈早斷和插入電車專用相位的方式實現(xiàn)。其目標(biāo)在于盡可能使電車不停車通過路口，當(dāng)出現(xiàn)停車時，盡可能縮短停車時間。由于有條件優(yōu)先控制為精細(xì)化的信號控制，如綠燈延長時，可能只延長幾秒鐘，需要對電車到達路口的狀態(tài)進行準(zhǔn)確檢測，因此主要采用B檢測器來實現(xiàn)有條件優(yōu)先控制。

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