結合車速引導的單點交叉口公交優先信號控制方法*

羅浩順 徐良杰 陳國俊 程加琪

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

公交優先信號控制是保障“公交優先”發展戰略，提升公交服務質量的常用手段.在公交通過交叉口時，調整當前信號配時方案，給予其一定優先通過權，降低交叉口處延誤.被動優先、主動優先，以及實時優先是公交優先信控的主要方法[1].其中，被動優先主要優化已有的離線配時方案，適用于公交線路較多，車輛車流行駛穩定的情況.主動優先和實時優先主要依托傳感器數據及車路通信等技術，動態優化信控方案，多運用于網絡控制優化與干線協調控制[2].部分學者考慮交叉口通行安全等因素，結合駕駛員心理及行為特征，建立相應信控模型[3-4].隨著智能交通的發展，公交優先信控結合車路協同技術，控制參數的標定也逐漸趨于精細化[5].

此外，有研究將車速引導方法與公交優先信號控制相結合，通過車載設備或者路側車速信息引導駕駛人控速，以期避開紅燈，降低延誤并減少停車次數[6].王寶杰等[7]針對交叉口信號管控特征，結合BRT系統運營特性，提出了基于卡爾曼濾波行程時間預測的BRT速度誘導模型.張鵬等[8]為解決交叉口高飽和等問題，建立考慮車速引導和信號配時集成優化的控制模型.上述國內外信號控制方法大多僅從信號配時單方面體現公交優先，難以保障信號控制策略按預期有效實施.且考慮車速引導方法的公交優先信號方案較少探究公交專用道上公共汽車的運行特性與信號控制之間的相互影響機理.

因此，本文考慮公交以車隊形式通行的需求，結合公交車速引導思想，構建單點交叉口信控優化方案，并通過預指令車速信息的引導使得公交車輛集中到達交叉口后不停駛通過，減少車隊截尾，從而降低交叉口延誤，提高交叉口通行效率.

1 公交車隊通行原則

當公交被交叉口紅燈攔截時，車輛停車等待會產生較大延誤，降低交叉口通行效率.因此，考慮公交車輛集結成車隊的形式，集中連續通過交叉口，充分利用有效綠燈時間.

基于此公交車隊的車速引導思想，本文構建單點交叉口信控優化方法，針對車隊不同的到達情況，設置預指令提示信息引導車隊調整車速，使車隊提前或延后到達交叉口以實現不停駛通過.

2 單點交叉口信控優化方案

2.1 最小綜合延誤模型

Webster模型是進行信號配時的常用方法，其中第i相位的車均延誤計算表達式為

(1)

式中：C為周期時長，s；gi為第i相位的有效綠燈時間，s；qi為第i相位關鍵車道組流量，veh/h；Si為第i相位關鍵車道組飽和流量，veh/h；di2，di3為隨機過飽和延誤.

考慮交叉口公交優先，基于公交車輛與社會車輛載客數、運營性質等差異，對兩者的延誤分別求解，之后加權平均，建立交叉口綜合延誤模型.

(2)

以交叉口綜合延誤最小為目標建立信號控制優化模型，表達式為

(3)

式中：gb為公交相位綠燈時長，s；htq為車隊首尾車輛間車頭時距，s；gmin，gmax分別為最短、最長綠燈時長；其余符號含義同前.

由模型優化信號周期和綠燈時長，為保障此信控方案有效實施，使公交車隊不停駛通過交叉口，需采用公交專用道預指令信息進行車速引導.

2.2 預指令車速信息

公交專用道上設置檢測器用于檢測公交車輛運行狀態，為信控方案采集基礎數據.檢測器設置于交叉口停止線前ld處，預指令車速信息牌位置與檢測器相同.ld應滿足公交車輛排隊長度且應保障車隊在接收引導信息后，車速調整期間所駛過的距離.

綠燈期間預指令車速信息見圖1.

圖1 綠燈期間預指令車速信息

設綠燈于Tg時刻啟亮，綠燈時長為g.車隊總車數為N，Ti為車隊中第i輛車到達預指令信息牌所在位置的時刻，第i輛車速度為vi.Tg≤T1表示車隊到達交叉口時綠燈已經啟亮.

(4)

式中：a為公交車輛加速度.

車隊尾車需在綠燈結束前到達交叉口，方能保障車隊完全通過，因此：

(5)

求解滿足式(5)的引導車速取值區間v≥vmin.

考慮實際道路限速要求，且行車過程中的車速不宜劇烈變化，最終引導車速設置為

V=min(v,vR,1.5vN)

(6)

式中：V為預指令引導車速；vR為道路限速；其余符號含義同前.

紅燈期間預指令車速信息見圖2.

圖2 紅燈期間預指令車速信息

設紅燈于Tr時刻啟亮，紅燈時長為r.Tr≤T1為車隊到達交叉口時紅燈已經啟亮.

車隊頭車需在紅燈結束后到達交叉口，且尾車到達時綠燈未結束，即：

(7)

求解滿足式(7)的引導車速取值區間v≤vmax.

考慮交通流運行狀況，且行車過程中的車速不宜劇烈變化，最終引導車速設置為

V=max(v,vR,0.5v1)

(8)

式中：vR為道路最低車速，由實測標定；其余符號含義同前.

3 試驗設計

3.1 基礎數據

實地調查武漢市中北路上兩個連續信號交叉口，采集實測交通數據.該路段主路雙向六車道，于交叉口展寬，路側設置公交專用道.兩個交叉口之間停車線間距550 m，基于調查數據與經驗做法，仿真模型中ld設置為70 m.

原始交叉口采用三相位信號控制方案，主路直行相位與公交車輛通行相位一致，且公交通行相位的綠信比為0.26.各信號控制相位綠燈時長見表1.

表1 各信號相位綠燈時長 s

在實施公交專用道時段(07:00—09:00,16:00—19:00)進行實地調查，分別統計交叉口社會車輛與公交車輛流量.結合高峰期間公交車輛實際載客情況，取公交車輛權重η=55[9].此外，調查知該路段社會車輛與公交車輛平均車速分別為45和30 km/h.上、下游交叉口處交通流量見表2～3.

表2 上游交叉口處交通流量 veh/h

表3 下游交叉口處交通流量 veh/h

3.2 仿真試驗與結果

利用COM端口對VISSIM仿真軟件進行二次開發，利用信號機控制接口優化信號配時方案，利用車輛控制接口完成預指令信息對車速的速度引導.模型中預指令信息僅設置于西向東方向行駛的公交專用道上.將公交車輛生成起點設置于目標交叉口所在路段的遠端，并設置信號控制，以模擬初始公交車隊的集結.仿真實驗結果如下.

單點交叉口信控優化方案具體參數見表4.

表4 信控優化方案各參數

最短、最長綠燈時長體現了信控優化方案中公交通行相位的優先度，單點交叉口信控優化方案中公交通行相位綠信比區間為[0.35，0.44]，較原始方案有較大提高.

上、下游交叉口參數優化結果見表5～6，單點交叉口信控優化方案有效降低社會車輛與公交車輛在交叉口的車均延誤與平均停車次數，較大程度優化了交叉口評價指標.

表5 上游交叉口參數優化結果

表6 下游交叉口參數優化結果

上下游交叉口進口道公交車輛排隊長度見圖3.

圖3 交叉口進口道公交排隊長度

由圖3可知，上游交叉口處公交車輛最大排隊長度下降44%，平均排隊長度下降42%；下游交叉口處公交車輛最大排隊長度下降50%，平均排隊長度下降54%.因此單點交叉口信控優化方案能有效降低公交車隊停車和截尾車輛數目，提高單點交叉口通行效益.

4 結 束 語

本文基于交叉口綜合延誤最小的優化目標，針對不同信號時期車隊到達交叉口的情況，設置預指令信息引導公交車隊提前調整速度，使車隊在綠燈期間不停駛通過交叉口，建立結合車速引導的單點交叉口信控優化方案.①該優化方案能有效提高單點交叉口綠信比，為公交車輛提供較好的條件優先通行條件；②減少社會車輛與公交車輛交叉口車均延誤與停車次數，降低交叉口進口道公交排隊長隊，提升有效綠燈時間的利用率，優化交叉口公交車輛的通行效率；③后續研究可進一步探討相鄰交叉口間信號協調機理，并考慮行人過街等因素對交叉口信控方案的影響.