基于VISSIM仿真的公交停靠時間對交叉口延誤影響研究

孫祥龍，馮樹民

(1. 東北林業大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2. 哈爾濱工業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

隨著城市交通需求的快速增長，城市中交通阻塞呈現出了由點到線、由線到面的擴大趨勢。優先發展公共交通對于減緩交通擁擠、能源緊缺都有重要意義。公交信號優先是優先發展交通的策略之一，在信號交叉口處為公交車輛提供優先通行權。

城市道路網中，公交停靠站常布設于交叉口上游且距交叉口較近位置，這類公交站點處的公交停靠時間改變會對通過交叉口車輛的延誤產生影響。目前對交叉口公交信號優先研究主要集中在公交優先的控制方法，根據控制交叉口多少，分為多路口協調控制[1-4]和單路口控制[5-7]；根據行駛車道不同，分為公交專用道優先控制和非專用道優先控制[8-11]；根據優先對象多少，分為多公交線路優先和單線路優先[12-14]。

為探究公交停靠時間改變對公交信號優先系統的影響，筆者結合VISSIM仿真，設計了固定信號配時和公交優先信號配時兩種方案，探交叉口上游公交停靠站公交車輛停靠時間改變對車輛延誤的影響。

1 公交停靠時間模型

公交停靠時間是指公交車減速停靠站點至加速離開的時間。公交停靠時間一般包括：減速進站時間、打開車門時間、乘客上下車時間、關閉車門時間、加速出站時間。筆者研究的車輛采用前上后下方式，其停靠時間模型如式(1)：

z=max(x×t1,y×t2)+t3+t4

(1)

式中：x為上車乘客數；y為下車乘客數；t1為單位乘客上車時間；t2為單位乘客下車時間；t3為車輛減速進站和加速出站的時間之和；t4為車門打開和關閉時間之和。

2 仿真交叉口設計

2.1 交叉口平面設計

仿真擬采用一個單向三車道主路與單向雙車道次路相交形成的平面交叉口，車道寬度均為3.5 m，主路東西走向，設計車速為60 km/h；次路為南北走向，設計車速為40 km/h。公交線路只有一條，沿主干路由西向東直行，公交停靠站設置在交叉口進口道上游。交叉口西進口道右側有展寬增加車道，公交停靠站設置在展寬段之后20 m處，距離停止線130 m。設計15 m長公交站臺。設計交叉口處布設的檢入檢測器位于西進口道距離停止線160 m處，檢出檢測器布設在停止線處。仿真交叉口平面設計如圖1。

圖1 仿真交叉口平面基本情況

2.2 交叉口信號控制方案設計

交叉口渠化方案為：主路設置1條專左車道，2條直行車道，1條直右車道；次路設置1條直行車道，1條直左車道，1條直右車道。交叉口采用三相位控制，設定信號周期為114 s，第1相位放東西向直行和右轉，第2相位放東西向左轉，第3相位放南北向直左右，信號配時如圖2。

圖2 信號相位配時方案

3 仿真參數標定與設計

3.1 從檢入檢測器到停止線之間行程時間的標定

公交車從檢入檢測器到停止線之間行程時間包括站點停車時間以及路段行駛時間。

1)站點停車時間：通過對哈爾濱市公交站點調查，公交車上下車乘客數大部分都在20人以內，單位乘客上車時間為2.3 s；單位乘客下車時間為1.4 s。當上下車乘客數在20人內時，公交車乘客上下車時間總體小于40 s。

2)檢入檢測器到停止線之間的行駛時間：這個時間與交通狀態相關。鑒于檢入檢測器和停止線之間的距離只有145 m，故采用平均行駛時間來代替，該路段平均行駛時間為13 s。

3.2 綠燈亮后，車輛通過停車線時間的標定

根據道路通行能力調查方法，綠燈亮后，第1輛車啟動、通過停車線的時間為2.3 s，直行車輛通過停車線的平均時間為2.5 s。

3.3 交通組成及通行能力分析

設定小型客車比例為95%，大型車比例為5%。東西主路左轉車占進口車輛總和的5%，右轉車輛占15%，其余均為直行，南北次路與主路相同。

在仿真固定停靠時間和可變停靠時間場景中，東西主路交通量按照0.5、0.6、0.7、0.8、0.9的交通流量比來生成；次路交通量按照0.6的流量比來設定。交叉口通行能力計算方法如式(2)～(5)：

進口道直行車道通行能力：

Cs=(3 600/TC)×[1+(tg-t0/ti)]φ

(2)

直右車道通行能力：

Csr=Cs

(3)

直左車道設計通行能力：

(4)

進口應設專左車道而未設專右車道時的通行能力：

Cel=(Cs+Csr)(1-βl)

(5)

式中：Cs、Csr、Csl、Cel分別為一條直行車道、直右車道、直左車道、進口設有專用左轉車道而未設專用右轉車道的設計通行能力；TC為信號燈周期；tg為綠燈時間；t0綠燈亮后，第1輛車從啟動到通過停車線的時間；ti為直行車輛通過停車線的平均時間；φ為折減系數，這里φ=0.9；β1′為直左車道中左轉車所占比例；βl為左轉車占本面進口道車輛比例。

由式(2)～(5)和車輛通過停車線時間(t0=2.3 s，ti=2.5 s)可計算出東西主路進口道的通行能力為1 983 pcu/h，南北方向一個進口道的通行能力為1 257 pcu/h，整個交叉口的通行能力為6 480 pcu/h。

根據仿真場景的需要，次干路南北方向的進口道的實際交通流量為754 pcu/h(即南北進口道通行能力的0.6倍)，車輛產生的位置到相應進口道停止線的距離為200 m；主干路東西進口道按照流量比實際的交通量為991、1 190、1 388、1 586、1 785 pcu/h。

3.4 公交在站點停靠時間

公交車從西至東駛入交叉口，發車位置在距離西進口停止線上游的450 m處，發車頻率設定為5 min。根據實際調查，當上下車人數小于20人時，乘客上下車時間小于40 s，因此仿真假定停靠時間服從N(10,5)、N(15,5)、N(20,5)、N(25,5)、N(30,5)、N(35,5)、N(40,5)的正態分布。

公交信號優先場景中，信號優先邏輯首先需要根據檢測器檢測到的信息預估公交車到達停止線時間。根據實際標定結果，檢入檢測器檢測到公交車后，將于23、28、33、38、41、46、51 s后到達停止線。公交優先采用綠燈延時和紅燈早斷策略。

4 仿真及結果分析

4.1 仿真場景及評價指標確定

論文共設計兩個仿真場景，場景1為交叉口固定信號配時方案；場景2交叉口采用公交優先信號配時方案。每個場景仿真2 h，為盡可能消除初始條件帶來的影響，前5 min內不采集數據。把距離各方向進口道停止線120 m的區域作為評價參數收集范圍，分別收集主次路所有車輛延誤的相關數據。

4.2 仿真結果分析

4.2.1 兩種場景對公交車延誤(圖3)

圖3(a)為固定信號配時條件下公交車輛延誤情況。當交通量確定時，公交車輛延誤隨停靠時間的增加圍繞一定值呈上下波動，這是因為停靠時間不同，公交車到達交叉口停止線所處的相位也跟著改變，位于綠燈時間概率也不同。

在圖3(b)中，與固定配時交叉口不同的是，當停靠時間小于25 s時，公交信號優先場景中的公交車輛延誤波動幅度很小；當大于25 s后，波動幅度較大。這是因為當停靠時間大于25 s后，因停靠時間增加，同向車輛對公交車輛的干擾變大，公交信號優先系統預估的到達停止線時間與實際存在偏差增大。

根據仿真結果可得到公交車輛平均延誤時間，如表1。相對于固定信號配時的交叉口，公交信號優先配時的交叉口公交車輛延誤時間減少了12.5%～16.5%；隨著交通量增加，公交車輛延誤時間減少幅度逐漸降低。

圖3 兩種場景對公交車延誤

表1 公交車平均延誤時間

4.2.2 兩種場景對同向社會車輛延誤(圖4)

由圖4(a)中可看出：主路車輛的延誤與公交停靠時間無關；主路流量越大，其車輛延誤也就越大。圖4(b)為公交優先信號配時下主路車輛延誤情況。當流量比相同，公交停靠時間為10～30 s時，主路車輛延誤時間相差不大；當停靠時間為35、40 s時，延誤明顯降低。這是因為相位設計方案中，主路車輛通行時間增加，其延誤自然減小。

公交線路同向社會車輛在公交信號優先配時的交叉口延誤明顯低于固定信號配時。這是因為主路上的社會車輛也隨著公交優先信號得到了更多的通行權，其延誤降低。

圖4 兩種場景對同向社會車輛延誤

4.2.3 兩種場景對相交道路社會車輛延誤(圖5)

圖5分別為固定信號、公交信號優先下相交道路社會車輛的延誤情況，固定信號下次路車輛延誤明顯低于公交信號優先方案。圖5(a)中：車輛延誤時間不隨停靠時間的變化而變化，這是因為次路車輛在時間上的通行權已經確定，車輛延誤不變。圖5(b)中：當停靠時間為10～30 s時，次路車輛延誤基本一樣；停靠時間為35、40 s時，次路車輛延誤顯著增加。在交通量一定，停靠時間為35、40 s時，公交信號優先帶來的主路通行時間大幅增加，次路通行時間相應減少，從而使得次路車輛延誤增加。

圖5 兩種場景對相交道路社會車輛延誤

5 結 論

筆者通過仿真分析了在固定信號和公交信號優條件下，交叉口進口道上游公交停靠對各種車輛延誤影響，得到如下結論：

1)交叉口采用固定信號時，由于各方向車輛的通行權明確，故公交車停靠時間改變對主路社會車輛和公交車輛延誤基本沒有影響；當采用公交信號優先時，公交車輛得到優先通行權，公交車輛延誤時間減少了12.5%～16.5%；

2)在公交優先信號條件下，公交停靠時間為10～30 s時，主路社會車輛延誤時間相差不大；當停靠時間為35、40 s時，延誤明顯降低；

3)采用固定信號時，次路車輛延誤時間不隨主路公交停靠時間的變化而變化；在公交信號優先情況下，當主路公交停靠時間為10～30 s時，次路車輛延誤基本不變；停靠時間為35、40 s時，次路車輛延誤顯著增加。