有軌電車平交道口信號優先控制

溫曉文

（沈陽職業技術學院，遼寧 沈陽 110000）

1 沈陽渾南有軌電車的概述

與常規公交相比，有軌電車無論是從車輛特點還是從運行模式上都有其特殊性。首先有軌電車采用輪軌導向，具有一定的路權，雖然與道路交通同在一個平面運行，但是擁有固定的走行路線，不會像社會車輛那樣靈活，可以避讓其他車輛；其次，有軌電車是由控制中心集中控制，有獨立的列車運行圖，車輛的停車及發車都必須按列車運行圖的時間來運行，因此在交叉口前停車容易造成列車運行圖的偏移，而且有軌電車加速及制動都較慢，一旦在道口處經停后啟動較慢，需要經過長時間才能達到最高速，這樣設計的目的是為了讓車輛運行起來更為平穩，不僅使乘客感到舒服同時還能增加安全性，但速度較慢會延誤一定時間，所以在平交道口設計時應盡量避開紅燈。

2 有軌電車信號優先控制系統

現代有軌電車有著一套獨立的運行模式，有固定的發車時間及到站時間，一旦有軌電車發生延誤，那么對于后續的列車運行會帶來很大的影響。但一味只采取信號優先控制又會使平交道口處人均延誤時間加大，因此需要采取合理的信號優先控制策略，或根據實際需要設計多種策略混合的優先方式，既要保證有軌電車的準點率，又要保證平交道口處其他社會車輛的通行效率。

2.1 被動優先控制策略

被動優先控制是建立在統計學的基礎上，通過收集的歷史交通數據，對信號周期進行重新設定。優化優先相位的綠燈時間、綠信比等參數，使有軌電車在交叉口遇紅燈的概率降低，或者使有軌電車在交叉口等待時間減少，根據車流量的不同，在不同的時間段內設置不同的時間配比方案，從而提高優先控制的適應性。由于常規公交系統不具備檢測設備，對車輛進行實時定位，獲取交通信息無法實現。除此之外，常規的道路信號機沒有接收信息的功能，有軌電車發出的優先請求無法得到回應，如果預先設定的綠燈時間內沒有電車到達，那么就會浪費掉這段時間。因此交通流量大且有軌電車車流穩定的平交道口更為適用。

2.2 主動優先控制策略

主動優先適用于半封閉路權，在半封閉條件下，有軌電車在行駛區段享有專用路權，不受路面交通的影響，而在路口處會與社會車輛有沖突，因此需要在一定約束條件下實施優先策略。與被動優先控制的區別在于主動優先控制需要具備先進的檢測技術，通過在有軌電車車道旁設置檢測器、利用GPS 對車輛進行實時定位，將數據信息進行整合傳遞給信號控制系統，信號控制系統對有軌電車位置、速度以及有軌電車長度等相關數據進行處理，結合有軌電車到達路口時的相位運行情況，建立相應的數學模型，計算出信號優先的配時方案。盡可能減少或避免有軌電車在平交道口處的等待時間。通過延長綠燈時間、提前紅燈時間、插入相位、跳躍相位、重置相序等措施來減少對社會車流的干擾。根據實施過程中的優先條件有兩種優先策略可以選擇，具體如下：

2.2.1 絕對優先控制策略

絕對優先控制是指當信號控制器檢測到車輛到達信號后，無論當前信號處在什么相位，只要當前相位結束最小綠燈時間后立即插入有軌電車的綠燈相位，使有軌電車能夠在不停車的狀態下以規定的速度通過平交道口或者減少有軌電車在停車線的等候時間，以達到減少旅行時間的目的，當檢測裝置檢測到有軌電車離開平交道口后，恢復到原有的相位。

2.2.2 相對優先控制策略

相對優先控制是指降低有軌電車在平交道口的優先通行權，有時需要在平交道口前和其他社會車輛一樣停車等待。需要提前設定一個條件，當有軌電車滿足這個條件，并且能夠提升交叉口的整體效益的前提下，有軌單車才能獲取優先通行權。在信號控制器上提前設定好優先控制策略需要延長或縮點的各個相位的綠燈時間點，達到有軌電車在平交道口優先通行的目的，主要策略包括：將有軌電車通行相位紅燈時間提前斷開、有軌電車通行綠燈時間適當延長、插入有軌電車通行相位。

2.3 實時優先控制策略

實時優先控制策略是指利用GPS 和AVL 等先進的信息檢測設備，對軌電車及社會車輛的信息、位置、乘客數量、運行時刻等相關數據進行檢測，并賦予一定的權重區別有軌電車和道路交通車輛。實時調整周期信號、相位方案、相位差綠信比等相關參數，在給予有軌電車更高的優先權的同時也降低了社會車輛受到的影響，使整個路網的交通效益最大化。由此可見，實時優先控制機理比較復雜，需要較高的技術，如果真正實現實時優先控制還受到諸多條件的限制，所以目前主要還停留在理論研究階段。

通過對上述的平交道口三類信號優先控制策略的分析可知，每一種優先控制策略都有各自的實現條件以及適用范圍。當處于兩條主干路相交的路口時，兩條道路都屬于等級較高的路段，在這種交通流量都很大的路口，實行主動優先策略反而會加大敵對進路的交通壓力，使排隊車輛增多，部分車輛需要兩個信號周期才能通過，基于以上情況，采取被動優先的方式更為合適；當處于主干路與次干路的交叉路口時，有軌電車位于主干路，主干路的交通量稍大于次干路，并且存在一定的波動性，飽和度低，在這種情況下，采取主動優先的策略可以達到很好的控制效果，所以相對優先控制更適用于主干路和次干路交叉口；而實時優先控制在各種交叉口中都能達到很好的控制效果。

3 平交道口有軌電車信號優先控制的優化設計

有軌電車的主動優先控制是指利用在線路中布設的檢測裝置，通過向信號控制系統發送車輛的位置，速度等相關信息，信號控制系統將接收到的車輛信息進行邏輯運算，計算出有軌電車到達路口的相位時間以及通過路口時的相位時間，并將有軌電車的信號插入道路交通信號當中，保證有軌電車可以在平交道口優先通過。這種優先控制系統的優勢在于，利用了先進的檢測系統，可以準確地知道車輛的相關信息。通過相關信息加以計算，計算出通過路口的最短綠燈時間插入。這種方式既可避免采取被動優先時出現的綠燈信號的損失，也可以減少社會車輛的延誤，是目前采用最多的一種優先控制方式，有著廣泛的發展前景。有軌電車與社會車輛的到達率是主動優先控制首要考慮的因素，綠燈時間延長和提前切斷紅燈時間是主動優先最常用的控制方式。

而另外兩種方式：插入相位法和分割相位法雖然也可以保證有軌電車的優先通行，但是這兩種方法會使信號相位的優先順序發生改變，使后續的信號相位發生錯亂，這對列車運行存在較大的安全隱患。因此，采用不會改變相位順序的綠燈延長法和紅燈早斷法會更加穩定。

3.1 駛離停車線時間估計

當檢測器檢測到有軌電車位置時，信號控制器隨即開始響應。假設在t時刻，令檢測器1 檢測到的有軌電車車輛數為q1，檢測器2 檢測到有軌電車車輛數為q2，那么有軌電車的排隊長度即為：

當有軌電車到達第一個檢測器時，路口信號燈的顯示顏色會有不同，那么有軌電車離開停車線的時間也同樣不同。下面主要針對有軌電車到達路口的不同時間段進行討論。

當有軌電車通過第一個檢測器時，優先相位顯示綠燈，則剩下的綠燈時間內通過的車輛數為：

其中：

tEG為優先相位實際綠燈時間。

tEG-pass為優先相位未通過綠燈時間。

H 為有軌電車平均車頭時距。

若檢測在路口信號剩余的綠燈時間內，有軌電車車輛可以全部通過平交道口，即qEG-pass≥qL，則有軌電車離開交叉口停車線的時間為：

若檢測到有軌電車車輛不能在剩余綠燈時間內通過，即：qEG-pass＞qL，則有軌電車離開交叉口的時間為：

當有軌電車通過第一個檢測器時，優先相位顯示紅燈。

假設在正常信號配時方案中，優先相位的綠燈時間內可通過的最多有軌電車車輛數即為：

在優先相位顯示紅燈的情況下，若qL≤qEG，有軌電車可以在下一個綠燈通過，其駛離停車線的時間為：

若qL＞qEG，則意味著有軌電車不能在下一個綠燈時間內全部通過。其離開平交道口的時間為：

3.2 到達下一站點時間估計

有軌電車通過交叉口后仍以正常行駛速度行駛至下個站點，到達下一個站點的時間為：

其中：

Ls為交叉口橫向寬度。

LB為交叉口與下一個站點的距離。

V為有軌電車正常行駛速度。

3.3 車頭時距估計

估算兩有軌電車間的車頭時距需要同線路上上一輛有軌電車的到達時間設為tpre-3，則該時段車頭時距表示為：

3.4 發車頻率偏移度

信號優先主要采用相對優先而非絕對優先，是否實施優先方案通過計算出發車輛頻率的偏移度θ來進行判斷。

其中：Tpain為計劃發車頻率。

設置一個臨界值ε：

若θ≤ε，則表示有軌電車偏移量在可接受范圍內，不需要采取任何優先措施。

若θ＞ε，則表示發車頻率偏移度超過可接受范圍，為了不影響列車的正常運行方案，需要實施有軌電車的信號優先策略。

3.5 有軌電車的延誤

設有D 為有軌電車在平交道口產生的延誤，當通行時間T2=HqL時，有軌電車在交叉路口不產生延誤。

1.若在當前綠燈時間內有軌電車可以到達，但不能在設定的綠燈時間內全部通過，則會產生車輛的延誤。其在交叉口產生的延誤為：

2.若在信號周期中的紅燈時間有軌電車到達，則該列車可以在下一個綠燈時間內通過，其在交叉口產生的延誤為：

設置一個極值Dp當D＜Dp時，有軌電車產生的延誤很小，即使調整配時對于車輛配時的改善也不是很大，所以不需要做出調整，維持原有配時方案即可。

3.6 有軌電車主動優先方法的選擇

信號交叉路口有軌電車主動優化方法包括延長綠燈時間、紅燈時間早斷、插入相位和分割相位四種類型，但是有軌電車車道過多，采用相位插入或分割相位的方法會使偏移量加大，頻繁地轉換信號會對機動車和行人造成影響，因此延長綠燈時間和紅燈時間早斷這兩種方法更為適用。

3.6.1 綠燈時間延長

當在優先相位顯示綠燈時，當θ＞ε且D＞Dp時，可以延長綠燈時間。對于后續車輛的位置需要通過檢測系統再次進行檢測，若檢測到后續有軌電車會在信號延長后的最大綠燈時間內到達，則可將信號切換至下一個相位，如果后續列車到達時間不是在最大綠燈時間內，那么需要繼續進行上一步的比較；如果檢測到沒有后續列車的到達，則可直接切換至下一個相位。

3.6.2 紅燈時間早斷

當有軌電車在交叉口顯示紅燈時到達則采取此方法。當θ＞ε且D＞Dp時判斷當前相位是否達到最小綠燈時間，如果達到切換下一相位。

當θ＞ε且D＞Dp時，執行原有配時方案。繼續檢測后續車輛。

4 結語

有軌電車作為一種新型的交通模式，為公共交通的發展帶來了新的選擇，廣泛地被大中小城市所接受。但渾南有軌電車仍然存在運營方式的落后以及技術方面的缺乏。在過去的有軌電車優先控制方式中，只是一味地采取公交車的絕對優先控制，并沒有結合有軌電車的運行特點、交叉路的集合特征。同時，現有優先控制策略包括主動優先控制和被動優先控制，都是以時間為背景，并沒有準確地對有軌電車給社會車輛帶來的影響進行分析。