基于VAP編程的干線協調下公交優先仿真實現

王 杉

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司 上海 200125)

0 引 言

理想的信號控制系統應可靠地預測實時交通狀態、高效地計算干線協調.國內外學者針對干線公交優先這一問題提出不同的優化目標和優化模型.文獻[1-4]分別以公交準點下的人均延誤最小，乘客總延誤以及相位車輛排隊長度最小，社會車流綠波帶寬度最大、社會車流延誤最小，車輛通過交叉口群延誤偏差(正，負)最小化為優化目標，提出干線協調控制下的公交信號優先雙層模型、配時優化模型及方法.

近幾年在公共交通信號優先(transit signal priority，TSP)策略選取、策略有效實施，以及減少交叉口總延誤等方面，國內外研究取得了一定進步和發展.文獻[5]以空余綠燈時間利用率、干線協調綠波帶和公共交通準點率為評價指標，分析不同公交優先方式的影響并設計公交信號優先控制策略.文獻[6]分析不同TSP策略對干線交通運行穩定性的影響.文獻[7]提出干線協調控制下公交優先策略的有效優化模型，確保交叉口處優先策略實施的有效性.文獻[8]研究了干線控制系統中不同公交優先策略的成本和效益.

為解決干線協調下的公交優先問題，絕大部分研究選擇單純的數值分析方法，即確定優化目標、設定約束條件、選擇優化算法，求解結果即為信號控制底層設計參數取值.這類方法理論性較強，但是與實際情況的偏差較大，往往只針對部分問題進行研究，缺少對整個公交運行系統的分析.

本文以VISSIM仿真平臺為基礎，運用VAP編程方法，以公交專用車道為研究對象，尋求在不破壞社會車流干線協調前提下，通過分析公共汽車到達與常規信號相位綠燈時間窗的關系，采取綠燈延長、紅燈早斷和滯站控制等策略實現公共汽車的絕對優先.

1 信號控制框架

1.1 信號控制基本原理

一般情況下，道路交叉口采用定時控制，當檢測到公共汽車到達時采用感應控制.感應控制過程見圖1.檢測到公共汽車后，若預計公共汽車到達交叉口停車線時協調相位為綠燈，則保持原信號配時不變；否則，依據判定條件采取綠燈延長、紅燈早斷或滯站控制策略.實行感應控制后，為減小信號優先對相交道路交通流造成的負面影響，下一周期運行補償機制.

圖1 公交信號優先控制流程

1.2 公交優先策略

綠燈延長指某些信號燈組綠燈終止時間晚于預定時間，適用于車輛到達時刻為相位紅燈且在最大延長綠燈范圍之內的情況.當檢入檢測器檢測到公共汽車到達時，若預測公共汽車到達交叉口停車線時刻在協調相位綠燈延長的時間范圍內，則信號控制機采取綠燈延長策略，實現公共汽車優先通行.

紅燈早斷指某些信號燈組紅燈終止時間早于預定時間，適用于車輛到達交叉口的時刻大于相位有效綠燈時間小于信號周期長度的情況.當檢入檢測器檢測到公共汽車到達時，若預測公共汽車到達交叉口停車線協調相位顯示紅燈，且該時刻在協調相位實行紅燈早斷策略的時間范圍內，則信號控制機采取紅燈早斷策略，實現公共汽車優先通行.

滯站控制指為實現公交優先(本文中指公共汽車不停車通過道路交叉口)，公共汽車在車站除停留應有的服務時間外，額外停留一段時間，這段時間仍可提供乘客上下車服務.港灣式車站布置在公交車專用車道上，藍青色公共汽車已完成服務時間準備離站，但是公共汽車站關門信號燈為紅(圓框內標注)，即該公共汽車要等到綠燈啟亮才能通行，見圖2.

圖2 滯站控制示意圖

需要指出的是滯站控制是個復雜的過程，與車輛調度、車站泊位數、公共汽車流量、車站排隊等因素均有關系.綠燈延長和紅燈早斷控制調整有適應范圍，超出其彈性時間窗則公共汽車到達停車線時仍會遭遇紅燈.因此本文適當引用滯站控制概念，是為了實現絕對的公交優先.

1.3 約束條件

1.3.1固定周期及綠波帶上下限

干線公交優先控制的關鍵是在不破壞綠波帶的條件下，為公共汽車提供盡可能多的優先機會.為保證綠波的順利運行，本文在VAP實現的過程中采用固定信號周期、固定綠波帶上下限的方法，見圖3.

圖3 固定周期及綠波帶上下限

統一周期長度即使實行紅燈早斷策略，但周期時長仍為關鍵交叉口的周期，而不是初始相位啟亮則開始計算下一周期.

采用傳統的Maxband方法和CROSSIG專業軟件方法優化相位差和綠波帶寬度，再根據主要協調方向求得理想雙向綠波帶后，為不破壞社會車輛綠波帶，在以后的公交優先策略實施中固定綠波帶上下限.綠波帶上下限時刻為協調相位的最早結束時間和最晚啟亮時間，根據綠波帶帶寬確定，用以保證干線綠波的穩定.無論感應控制如何調整信號配時參數，固定綠波帶上下限時刻是強制約束、剛性條件.在公交優先控制中，協調相位除綠波帶上下限時刻限定的時間范圍外，兩側綠燈時間根據實際需求可靈活調整長度，即綠燈啟亮時刻可早于綠波帶下限時刻，綠燈結束時刻可晚于綠波帶上限時刻.

1.3.2可壓縮時間

干線協調背景下的公交優先，為了既不破壞綠波帶寬度，又實現公共汽車優先通行，在中低流量的交通條件下可以壓縮公共交通非協調相位的綠燈時間，將壓縮的時間分配給協調相位.可壓縮時間為按等飽和度原則分配對應的綠燈時間與飽和度壓縮至0.9時對應綠燈時間的差值，是進行公交優先控制時可以挪用的彈性時間.

采用韋伯斯特法計算各交叉口的周期長度，并以最大周期作為干線協調控制的關鍵周期.按等飽和度原則確定每個相位的綠燈時間，從而可以計算得到交叉口非協調相位的可壓縮時間.

在公交優先控制中，公共交通需要恰當的綠燈時間，而非更多的綠燈時間.信號控制機通過壓縮非協調相位的綠燈時間實現綠燈延長、紅燈早斷策略，為到達的公共汽車提供適時的優先，盡量避免其停車.當檢測到公共汽車到達時，信號機根據實際情況判斷是否使用可壓縮時間.實際壓縮時間可以小于等于可壓縮時間.當需要的彈性時間小于各非協調相位可壓縮時間之和時，等比例利用各非協調相位的可壓縮時間.

1.4 補償機制

采用公交優先策略時，無論是綠燈延長、紅燈早斷還是滯站控制(需結合紅燈早斷策略)，都會挪用其他相位的可壓縮時間，對該相位通行車輛造成影響，剝奪其通行權.為減小公交優先對其他車流的負作用，在可補償周期(通常為感應控制的下一周期)運行補償機制，將協調相位多利用的部分綠燈時間償還給已壓縮綠燈時間的相位.在應用補償機制的過程中，同樣不能破壞雙向綠波帶的帶寬.

2 關鍵技術

2.1 雙向綠波求解方法

本文使用Maxband方法和專業配時軟件CROSSIG設計雙向協調方案進行比較.Maxband求解結果不夠理想，最終選用CROSSIG設計雙向綠波方案.CROSSIG為交通信號控制系統輔助設計軟件，可用于信號控制方案的創建、編輯和設計，可以根據交通流量設計信號控制和綠波.綠波的調整可以手動控制和自動控制，具有一定的靈活性.

2.2 公共汽車檢測

信息檢測是交通信號控制的基礎，為提前檢測到公共汽車到達并預測其到達交叉口停車線的時刻，需要布設公交檢測器.遠端停靠站時，考慮到信號控制機響應時間較為充裕，若不考慮公共汽車車隊離散特征，可減少檢測器數量；近端停靠站時，由于信號機響應時間有限，需進行多步檢測并進行預測，見圖4.但是，為確保公交優先策略的有效運行，無論何種停靠站形式，均需要在停車線后設置檢出檢測器，即圖4的檢出檢測，以使系統確認公共汽車通過停車線，從而取消優先申請請求.

圖4 公共汽車多步檢測

2.3 干線協調下公交優先的實現方法

干線協調下公交優先的策略主要體現在不同公交優先策略的最大調整范圍、約束條件、感應控制的影響周期以及補償機制的應用等方面.不同的公交優先策略適用范圍不同.例如，只有當檢測到公共汽車的時間與公共汽車在檢測器到交叉口停車線間的運行時間兩者之和在綠燈延長的可控范圍內，才可以進行綠燈延長控制.公交優先策略的影響因素主要有三個方面：①檢測到公共汽車的周期時間；②檢測器到停車線的距離；③檢測到公共汽車到達時交叉口當前相位.

在不實行感應控制時，主要進行的是定時控制.一旦開始進行公交優先的感應控制，則會對改變原周期相位的運行狀態，因此還需運行補償周期.補償范圍最長可至補償周期下一周期的綠波帶上限，一次公交優先會影響3個周期.

實現該方法涉及到的關鍵問題包括以下幾個方面.

2.3.1綠燈延長

當本周期協調相位需要綠燈延長時，綠波帶上下限時刻已經運行完畢，若不壓縮非協調相位，綠燈延長可能破壞下一周期綠波帶的上下限.因此，在保證非協調相位飽和度不超過0.9且不影響下一周期綠波帶上下限時刻的前提下，所有彈性時間均可用于本次綠燈延長，可以延長的最大時間范圍，見圖5.

(1)

式中：Ge為可以用于綠燈延長的最大時間范圍；(tc)ij為交叉口i相位j的可壓縮時間，s；ga為協調相位綠燈啟亮時刻，lower為綠波帶下限時刻.

圖5 協調相位綠燈延長示意

(2)

2.3.2紅燈早斷

紅燈早斷的最大調整范圍為非協調相位的可壓縮時間之和.若檢測到公共汽車到達時，信號相位正在運行j+2相位，在這種情況下，紅燈早斷可以利用的彈性時間僅為j+2相位可以壓縮的綠燈時間.

圖6 協調相位紅燈早斷示意

(3)

2.3.3滯站控制

當檢入檢測器檢測到公共汽車到達時，若預測公共汽車到達交叉口停車線協調相位顯示紅燈，且該時刻不在協調相位實行綠燈延長策略或紅燈早斷策略的時間范圍內，則信號控制機采取滯站控制策略，直至信號運行到可實行紅燈早斷策略時間范圍的起始時刻，開始實行紅燈早斷策略，實現公共汽車優先通行.

2.3.4補償機制

實行公交優先控制時，無論是采用綠燈延長，紅燈早斷還是結合紅燈早斷的滯站控制策略，都會挪用非協調相位的可壓縮時間，對道路交通流造成負面影響.為減小負面影響，在可補償周期(通常為公交信號優先的下一周期)運行補償機制，即將上一周期協調相位多利用的綠燈時間償還給已壓縮綠燈時間的相位.在應用補償機制的過程中，同樣不能破壞雙向綠波帶的帶寬.補償機制的判定條件為

如果

(4)

那么

(5)

否則

(6)

如果

(7)

那么

(8)

否則

(9)

圖7以一種綠燈延長情況為例，在滿足式(4)的情況下，給出了正常周期n、采用綠燈延長策略實現公交優先的周期n+1、運行補償機制的周期n+2中各相位配時方案.上述判定條件中描述的其他情況同理.

(10)

3 案例分析

3.1 基礎數據

四個交叉口選用相同的渠化結構圖，東西方向和南北方向道路等級相同，東西方向為協調方向，存在雙向公交專用車道.各個交叉口各車道組交通流量信息見表1.

交叉口間距及東西方向停車線距離見表2，VISSIM路網模型中協調方向停車線距離較大主要為理論研究考慮.

表2 交叉口距離指標m

交叉口序號間距西向東東向西東西進口道停車線距離123455657560059757858055747173

3.2 方案設計

3.2.1雙向帶寬

綠波帶速設置為40 km/h，基于基礎數據優化相位差和綠波帶寬度.根據雙向綠波帶中心線交點與交叉口的距離關系，以CROSSIG軟件為工具調整雙向綠波，得到求解結果.正向(1號至4號交叉口方向)帶寬為35 s，反向帶寬為30 s，雙向綠波見圖8.

圖8 雙向綠波結果

3.2.2信號配時

最佳周期公式確定周期，等飽和度的綠信比方案確定各交叉口信號配時初步方案后，確定干線協調關鍵周期，重新調整各交叉口信號配時.隨后，在調整雙向綠波最大帶寬的過程中，修改交叉口的相位相序結構，得到各交叉口信號配時最終結果，見表3.1～3號交叉口采用圖9a)的五相位結構，4號交叉口采用圖9b)的四相位結構.

表3 信號配時s

交叉口相位差周期信號配時相位1相位2相位3相位4相位5123452594711514231312331151323131333115132316113211514401233

圖9 相位結構及相序

3.2.3公交信號優先策略的應用方法

構建仿真平臺時，公共汽車發車間隔2 min，停靠站上下客時間設置服從正態分布N(20 s，2 s).通過分析公共汽車預計到達停車線時刻與協調相位綠燈時間窗的關系，盡可能在不過度損害社會車輛利益的條件下，選取優先策略實現公交優先.公共汽車優先通行后，下一周期運行社會車輛的補償機制.補償結束后，信號相位正常運行.

3.3 仿真評價

本案例實現了干線協調下公交優先，可以在仿真平臺上觀察到公共汽車不停車連續通過沿線交叉口.干線協調方向，統計了1 h的仿真結果數據，得到雙向社會車輛的評價結果.

表4 雙向綠波評價結果

由表4可知，雙向綠波評價結果較為理想，社會車輛延誤、平均停車時間及平均停車次數均較小，使得公共汽車優先的同時基本沒有對社會車輛干線綠波下運行的穩定性造成負面影響.

4 結 束 語

本文以VISSIM仿真平臺為基礎，以公交專用車道為研究對象，運用VAP編程方法，尋求在不破壞社會車流干線協調前提下，采取綠燈延長、紅燈早斷和滯站控制等策略實現公共汽車的絕對優先.并通過案例分析進行詳細說明，完成干線協調框架下公交優先的仿真平臺實現.實現公交信號優先的途徑不僅是信號控制參數的調整，而應是時空一體化的考慮，即還需結合公共交通站位的調整和優化.本文在該方向進行了初步探索，但尚未得到理想結果，將在后續研究中進行拓展.