交叉口公交信號被動優先配時方法研究

李水富 周璇

摘要：隨著我國國民經濟的快速發展，城市化進程越來越快，機動車保有量也在迅速增加，由此引發的城市交通擁堵問題愈發嚴重。為了緩解這個問題，我國提出了優先發展公共交通的對策。交叉口作為城市道路的瓶頸，對公交車延誤影響最大，本文在對公交信號優先策略學習的基礎上，將被動優先控制策略實際應用于威海一交叉口。并通過VISSIM仿真對比前后延誤，具有一定現實意義。

關鍵詞：公交優先;被動優先;VISSIM仿真

1引言

公共交通作為一種大容量、低能耗的交通方式，實施公交優先是優化城市交通結構，保障城市可持續發展的必要措施。交叉口作為城市交通的瓶頸，在發展非快速公交時，應盡量保證公交車能快速、平穩的通過交叉口。信號優先正是保障公交優先的一種技術手段。本文正是在前人研究的基礎上，將被動優先中的配時優化方法實際應用于交叉口，并通過仿真對比前后差異，并分析該方法所適用的交叉口類型。

2公交信號優先策略

公交信號優先（transit signal priority，TSP）是指在道路運行層面給予公交車輛通行時間優先的信號控制策略。公交信號優先控制的理念是在不嚴重影響交叉口社會車輛的前提下給與公交車一定的優先通行權，達到公交車延誤降低、行程時間降低、準點率提高、運行效率上升的目的 [1] 。

2.1被動優先

被動優先控制策略是通過研究交叉口歷史交通流數據或者依據公交車的發車情況等運行特性，預先設定信號配時方案來實現公交優先，而不會直接響應公交優先請求。該策略的主要實現方法有下面幾種：

（1） 調整綠信比，為公交線路集中的車道增加有效綠燈時間。這種方式可以降低公交車到達時遇紅燈的概率，減少公交車輛的等待時間。后面將對該方法做具體研究。

（2） 縮短信號周期長度，減少公交車等待綠燈啟亮的時間。但這種方式會以減小交叉口通行能力為代價，如果交叉口已接近飽和，這種策略甚至會造成延誤增加。通常縮短周期的方式在交叉口通行能力很富余的情況下效果較好。

（3） 公交車所在道路綠燈相位分離策略。該方式在實現上類似于縮短周期。其原理是周期長度不變的情況下，將公交車所在道路的綠燈相位分開，用相交道路相位插入其間的方法。

（4） 綠波帶設計中的公交優先考慮。該方法是在確定綠波帶的時候，以公交車的路段平均運行速度代替一般車輛的平均運行速度作為線控參數確定的標準。由于公交車停靠的原因，會造成公交車輛運行速度不均勻且不易確定。這就決定了用靜態的協調方法在應用中的局限性。

2.2主動優先

主動優先主要是在進口道設置車輛檢測器以達到對公交車運行情況識別的目的，當預知公交車車輛即將到達交叉口時采取一定的措施，使得公交車無需等待順利通過交叉口。通常采用的策略包括：

（1） 延長綠燈時間。信號控制器在正常綠燈相位結束后為公交車輛延長綠燈時長。當公交車輛在綠燈相位結束時到達交叉口，這種策略可以使其通過而不用停車。

（2） 提前啟亮綠燈。在紅燈相位期間，有公交車輛發出公交優先請求時，信號控制器就會將非公交優先相位的持續時間縮短為最小綠燈時間，以此來提前公交優先相位的綠燈啟動時間。這種策略可以有效降低在紅燈期間到達交叉口的公交車輛的等待時間，也可以消散在公交車輛到達前而產生的排隊車輛。

（3） 插入專用相位。相位插入即在現狀相位相序中為公交車專門增加一個相位。當公交車輛到達交叉口進口道時，公交車輛所在相位為紅燈信號狀態，且該相位的下一個相位仍是紅燈相位，為實現公交車輛優先，可以在當前相位和下一個執行相位之間插入一個公交專用相位。

2.3實時優先

實時優先是近年來受到人們廣泛關注的公交信號優先控制方式，該種方式更為先進。被動和主動信號優先控制策略都是在沒有考慮實際交通流運行狀態下，對信號配時方案進行調整。自適應優先策略是基于一些交通影響因素，例如延誤、停車次數等，建立實時優化模型，更加強調對這種實變交通流的考慮。

實時優先情形下，信號控制機能夠獲取公交車輛信息、社會車輛流量信息、車輛位置、乘客數以及時刻表等信息，通過一些優化性能指標函數不斷地優化信號控制方案，使整個路網系統運行最優。而對于單點信號控制交叉口，也通過實時數據，調整信號配時參數諸如信號周期，相位方案，綠信比，相位差等。該方法能實現交通效益的最優化，在公交車輛優先控制的同時，能將其它車輛的影響降到最低。

正是由于實時優先的功能如此強大，帶來的問題是其控制機理復雜，對信號控制系統的各方面要求都較高，受實現條件的限制較為嚴重，此方法仍處在理論研究中。

3被動優先信號配時方法分析及實例驗證

被動優先策略為定時控制策略，不需要在路口設置車輛檢測裝置，適用于公交車比重大，交通流飽和度小的交叉口，因為被動優先控制策略通常會使交叉口的總體運行效率降低，在交通流飽和度較高的交叉口采用短周期策略以及增加公交車流綠時可能加劇交叉口的擁堵，所以被動優先控制策略在現在的城市交通狀況下（交通量大，交通流飽和度高，交通工具多樣化等）具有很大的局限性，但是現在還是被廣泛的應用，因為其控制方式投資最為節省（不需要檢測、預測裝置等），同時也不需要公交專用道配置，這在一定程度上減少了給社會車輛帶來的影響。

3.1配時方法的確定

3.11基于公交優先通行的交叉口相位設計方法

在傳統的信號配時過程中，是以每個相位中流量比最大的車流來計算信號周期時間和綠燈時間。這樣只要流量比最大的車流能夠獲得足夠的通行能力，相位中的其他車流所需要的通行能力也就都能夠得到滿足。如果在某一相位中，流量比最大的車流的客流量也最大，則這種方法是可行的。但如果流量比最大的車流的客流量不是最大，則無法體現公交優先的思想。

按我國右行交通規則，交叉口任何一個右轉向機動車流量不會與其它機動車流向發生沖突，如果不考慮與行人和非機動車的沖突，交叉口右轉機動車流量是可以不受信號控制的[2]。

交叉口車流運行示意圖如圖3-1假設各個直行和左轉流向的車流量和客流量存在如下關系：

車流量：A2>B2>D2>C2>B3>A3>D3>C3

客流量：A2>A3>B2>D2>C2>B3>D3>C3

首先各個流向中流量比最大的流向為A2，如果不考慮非機動車和行人的影響，與流向A2無沖突的左轉和直行流向有：A3、B2、C3。則可與流向A2置于同一相位的流向有以下組合：① A2、A3;② A2、B2;③ A2、C3。由于按照一般相位設計原則，應選用組合② ，即將流向A2和B2置于一個相位中。但是考慮到以人為本的設計思想，A3、B2和C3三個流向中A3的客流量最大，因此，選用組合①，將A2和A3置于同一相位中。繼續在余下的流向中選出流量比最大的流向B2，在與流向B2無沖突的兩個流向B3和D3中，B3的客流量較大，為此將B2和B3置于一個相位中。余下各個流向繼續按上述方法組合，將D2和C2置于一個相位中，D3和C3置于一個相位中。由此可得各相位車流流向示意圖如圖3-2。

3.12確定配時參數

相位方案設計完成后，即根據相位進行配時參數的計算：

（1）

式中：

C——最佳周期時間（s）;

L——每個周期的總損失時間（s）;

Y——組成周期的全部信號相位的各最大流量比yi的和。

（2）

（3）

式中：

——啟動損失時間（取3s）;

A——黃燈時長（取3s）;

I——綠燈間隔時間（s）;

K——一個周期內綠燈間隔數。

周期時長確定后，下面就是各相位綠燈時間的確定，傳統的交叉口信號配時方法中的綠燈時間是按照流量比來分配的，這種分配方法可以確保各進口道方向具有相同的飽和度，但不利于公交車輛的通行。為減少交叉口的人總延誤，本模型認為，綠信比的確定應由乘客流量比和機動車飽和度兩個因素來共同決定。具體地說就是將綠信比正比于相位乘客流量比，而不是相位車輛流量比。但對客流量較少的相位來說，按相位乘客流量比計算出的綠燈時間可能出現小于最小綠燈時間的情況，或者使得一些相位（通常為社會車輛比例較大的相位） 出現接近飽和或過飽和的情況[3]。為避免這種情況帶來交通惡化，本方法將相位飽和度不大于某一給定值xm和相位綠燈時間不小于最小綠燈時間gmin作為確定綠信比的約束條件，最短綠燈時間以及各相位流量的飽和度，相應計算公式如下：

（4）

式中：

Lp——行人過街道長度（m）;

Vp——行人過街步（取1.0m/s）。

（5）

式中：

q——小時交通流量（pcu/h）;

S——飽和流量（pcu/h）;

——該相位綠信比。

由公式4及公式5可得：

（6）

（7）

由此可得i相位的最小綠信比 為：

（8）

根據下式判斷交叉口在滿足各相位最小綠信比的前提下是否有過剩的綠燈時間：

（9）

當ΔG<0時，表示交叉口通行能力不能滿足現有交通需求，沒有過剩的綠燈時間;當ΔG=0時，表示交叉口通行能力恰好滿足現有交通需求，沒有過剩的綠燈時間;當ΔG>0時，表示交叉口通行能力能滿足現有交通需求，且有過剩的綠燈時間。

當交叉口有過剩綠燈時間時，將過剩綠燈時間按照各相位客流量在交叉口總的客流量中所占的比例分配給各相位。

（10）

式中：

Pi——i相位客流量（人）;

Pt——交叉口總的客流量（人）。

（11）

3.13適用范圍

該配時方法實際是給予公交車所占比重較大的方向較長的綠燈時間，從而體現公交優先。故本方法對于兩主干路相交的交叉口并不適用。

通過上述分析及配時方法本身的確定過程不難看出，該配時方法適用于主干路與次干路相交的交叉口或者是某一方向上的公交車所占比重較大的交叉口。像威海市青島北路上的各交叉口及新威路上除世昌大道外的交叉口可以通過該方法實行公交優先，因為青島北路方向公交車所占比重較大而且與青島北路相交的道路的交通量與青島北路相比有明顯差別。

考慮威海市的交通情況及生活節奏，并且交叉口本身就沒有出現擁擠情況，所以，該配時方法可以取得這樣的效果，說明該方法確實有效。

4結論

本文先是介紹了公交優先中信號優先的各種策略，然后在對實際交叉口進行調查的基礎上利用被動優先控制下的固定配時方法對該交叉口進行了重新配時，并通過VISSIM對配時結果進行了仿真，結果表明該配時方法對于該交叉口減少公交車延誤具有一定作用。但該策在應用范圍上具有一定的局限性，且調查數據不夠充分，存在一定誤差。

參考文獻

[1] 吳兵，李曄.交通管理與控制[M].人民交通出版社.

[2] 季彥婕.基于公交優先通行的交叉口相位設計方法研究[J].公里交通科技， 2004，21：119-122

[3] 張衛華.公交優先的信號交叉口配時優化方法[J].交通運輸工程學報， 2004，4（3）：49-53.

作者簡介：李水富（1993-），男，漢族，湖南郴州人，助教，工學碩士，西南交通大學希望學院軌道交通學院交通運輸系，研究方向：交通規劃、交通經濟。