新型有軌電車交叉路口信號優先控制研究
——以嘉興市有軌電車T1線為例

李 廷,王 康,陳浩田

(嘉興職業技術學院 智能制造學院,浙江 嘉興 314036)

0 引言

有軌電車具有高效、廉價、節能、環保等特點,被越來越多的城市采用,截至2021年2月3日,中國內地共有19個城市有軌電車已投入運營,共計35條線路,運營總里程470.242 km,軌道總里程419.726 km[1]。有軌電車運行在專用鋼軌上,其路權決定有軌電車的運行模式與控制模式。軌道交通的路權可分為專用路權、部分專用路權、無專用路權。大連、上海、香港等城市有軌電車系統采用無專用路權,與機動車混行,在平交路口遵守自動控制信號燈,道岔扳動由司機通過無線控制;大部分城市有軌電車采用部分專用路權,與社會車輛共享路權,采用在信號控制系統下人工駕駛的形式,如武漢、蘇州、嘉興等城市;部分城市有軌電車采用專用路權,線路與道路交通、行人隔離,運行效率與安全性顯著提升,但是成本較大,如佛山等[2]。

嘉興為中等城市,市區人口僅有92萬,出行距離以短距離為主。有軌電車作為軌道交通中低運量的軌道交通形式,適合嘉興現狀與未來規劃。嘉興有軌電車貫穿城市中心,遠期規劃7條線,總長約98 km,構成“網格放射”的網絡形態。近期規劃為35.7 km的“8字”放射軌道線路,實際投入運營線路T1線一期工程自安樂路站至嘉興南站,線路長13.8 km,平均站間距986 m[3]。

嘉興有軌電車采用部分專用路權,在交叉路口與其他道路參與者共享路權[4],在其他路段用欄桿或路緣石隔離形成部分專用路權。有軌電車到達交叉路口時間存在時間的隨機性特征,通行效率會受到其他道路交通參與者影響。另一方面,有軌電車體積大、加減速性能差,從而對信號的安全性、保障性要求更高;因此,在道路平面交叉口處采取必要的信號協同控制策略,將有軌電車通行信號適度優先,提高有軌電車的交叉口的通過能力和服務水平,不對其他道路交通造成較大的延誤。

2 新型有軌電車交叉路口交通沖突

新型有軌電車行駛在專用的鋼軌上,鋼軌一般是路中或路側鋪設,有軌電車直行或轉彎與其他道路參與者存在較多的沖突點。交叉路口是不同方向交通參與者集中沖突點,為保證交通安全以及提高通行效率,依次給予不同前進方向的車輛、行人相應的通行權與時長。用以控制交通流向的交通信號燈構成相位,平交路口一般是兩相位與四相位信號控制[5](見圖1)。有軌電車通行方向主要是中央直行、一側直行、中央轉中央、中央轉一側4種。當交通信號燈為兩相位布置,有軌電車在路中行駛時,直行方向與對向社會車輛的左轉相沖突,所以有軌電車不適合兩相位布置。交通信號四相位布置與兩相位對比,有軌電車等待時間會變長,通行效率會降低,但是四相位布置將直行與左轉分離,將有軌電車與社會車流沖突通過時間錯開的方式分離,從而保證交叉路口的交通安全。

圖1 平交路口信號控制方案

2.1 有軌電車中央直行

交通信號按照四相位布置,直行車輛與左轉車輛在兩個相位放行,時間上的分離可有效地消除沖突,其中有軌電車與同向直行車輛共用一個相位。有軌電車對于剛建設有軌電車的城市來說是新鮮事物,其他道路參與者不習慣與有軌電車處于同一個交通空間,容易產生交通事故。機動車駕駛者需要改變駕駛習慣,才能不會因為有有軌電車參與交通,從而增加交通事故。左轉的機動車駕駛者在直行綠燈的情況下,會將車習慣性轉到左轉待行區等待左轉綠燈亮,會與直行的有軌電車產生干涉,所以在有軌電車轉彎的路口,不允許社會車輛進入待轉區。地面標線與標志標識需要將禁止左轉待行區標示出來,才能有效避免交通事故。有軌電車與社會車輛的共存交叉路口不允許調頭,也需要在標志標識里面明確出來,用以警示駕駛員改變駕駛習慣。

2.2 有軌電車一側直行

在常規駕駛經驗中機動車右轉是允許的,不受交通信號燈的控制,但是有軌電車路側直行與社會車輛的右轉相沖突,需要增加右轉信號燈來避免沖突。對于地市級城市或者大城市郊區,一般交叉路口的流量相比大城市不大,交通信號燈沒有專設一個右轉彎標志標識,所以在有軌電車剛開通的城市需要專門設置交通引導員,幫助社會車輛駕駛員養成習慣,適應有軌電車帶來的變化。

2.3 有軌電車中央轉中央

有軌電車中央轉中央,涉及左右轉向,對于有軌電車右轉情況,有軌電車對于同向車輛的直行、對向車輛的左轉、垂直方向的直行會產生沖突。對于有軌電車左轉情況分析,對向車輛的直行、垂直方向的左轉、垂直方向的直行都會產生沖突。為避免距離過近造成的事故,有軌電車與同向轉向駕駛的社會車輛用一個相位。因為大部分有軌電車與社會車輛的事故是發生在左轉彎的情況下,最好社會車輛左轉右置,與有軌電車距離1個車道以上。

2.4 有軌電車中央轉一側

有軌電車中央轉一側,如果轉向的一側是靠近有軌電車的一側,對交通路口的影響較小,在上述相位設置下可以解決沖突。有軌電車轉向較遠的一側,有軌電車的通行影響區域較大,與直行、左轉都有沖突,需要單獨設立有軌電車通行相位,除同向社會車輛右轉外其余相位全部紅燈。

3 有軌電車信號優先控制策略

有軌電車通行需要交通信號聯鎖設備配合,涉及道岔、有軌電車信號控制機。有軌電車通行信號燈分為藍色橫杠常亮、藍色橫杠常亮+橙色菱形閃爍、藍色橫杠+藍色感嘆號常亮、白色豎狀常亮、白色圓燈閃爍、藍色橫杠常亮6個燈顯,分別代表禁止、禁止(優先請求被接受)、禁止(即將由禁止轉為通行)、通行、即將關閉通行信號、禁止6種含義。有軌電車通行依據有軌電車燈顯信號,其信號控制需要服從于常規紅綠道路信號燈。

信號優先策略主要包括3種:絕對優先、相對優先、實時優先[6]。信號優先控制策略如表1所示。絕對優先指的是任何時刻有軌電車擁有優先通過交叉路口的權力,當到達時刻為非通行相位時可等待最小綠燈時間后插入有軌電車通行信號。相對優先要根據有軌電車到達時間、交叉路口道路等級、交通流量等具體情況具體確定優先方案,某些情況下有軌電車需要與其他道路參與者一樣在路口等待。實時優先指的是信號控制器獲取有軌電車的位置、行駛速度、乘客數、社會車輛的流量、種類等參數,結合路網最優的指標函數,實現交叉路口交通效益最佳,實時優先由于控制機理復雜,目前還只存在理論驗證階段。

表1 信號優先策略對比

信號優先常用的控制方案是綠燈延長、紅燈早斷、插入相位等(見圖2)。綠燈延長指的是當有軌電車到達交叉路口時為綠燈,但是剩余時長不夠有軌電車安全通過,此時通行時長會被延長到對向交叉路口的信標檢測到有軌電車駛出交叉口,相位才會進行切換。紅燈早斷指的是當有軌電車到達交叉口時為紅燈,且下一個交通信號相位是有軌電車通行相位,為盡快切換相位,對紅燈相位進行壓縮,壓縮的時長要滿足交叉口另一方向通行路口的最小綠燈時間。插入相位指的是當有軌電車到達交叉口時為紅燈,且下一個交通信號相位非有軌電車通行相位,為減少有軌電車等待時間,為有軌電車插入一個專用通行相位,該時長為僅滿足有軌電車通過交叉路口,在這個相位內與其他交通形式無沖突。

4 嘉興有軌電車信號優先控制策略

嘉興有軌電車信號優先控制系統采用區域控制模式,在交叉路口設置車輛檢測設備,當檢測到有軌電車到達信號,將信號傳輸至路口交通信號控制器,由信號控制器控制做出判斷和執行(見圖3)。有軌電車裝有實時發出高頻信號的車載信號發送器,該信號可以被地面信標接收。列車的定位精度是有軌電車信號控制的基礎,有軌電車在單一路口單一方向依次裝備4個信標,分別為P1、P2、P3、P4。P1為預檢信標,用于預告有軌電車即將到達,信號機內部開始做出相應的配時調整,目的減少有軌電車路口停車次數;P2為起動信標,用于檢測有軌電車即將進入該路口,請求路口做好相應的放行決策工作;P3名稱定義為停車信標,用于檢測有軌電車進入該路口;P4名稱定義為清空信標,用于檢測有軌電車離開該路口。有軌電車是雙向通行,為了兼顧對向有軌電車行車,路口交通信號控制器需要采集對向有軌列車位置,使得雙向有軌電車通行效率更高。

圖3 嘉興有軌電車(T1線)信號優先的原理

嘉興有軌電車實際運營的T1線一期工程沿線有38處信控路口/行人過街,其中行人過街7個,T型路口3個。為減少有軌電車與社會車輛相撞而產生交通事故,交警在中山路建國路口、中山路禾興路口、中山路禾興路口實施左轉右置,使有軌電車與社會車輛在左轉時車輛距離更遠。

在保障路口安全的前提條件下,有效減少有軌電車在路口停車次數及等待時長,針對不同路口采取不同信號優先策略,以提高有軌電車通行效率與兼顧其他道路參與者的體驗。針對主支相交路口采用絕對優先信號控制方案,即有軌電車當前通行道路為主干道,由于相交支路道路等級低,總體流量較小,且交通流量波動性較大,當有軌電車接近路口且提出優先請求后,信號控制器采用插入相位、延長綠燈(有軌電車通行相位)的方案來實施信號優先。絕對優先典型應用場景行人過街、小區出入口(T型路口)、流量較小支線路口;針對主次相交路口采用相對優先信號控制方案,適當兼顧沖突相次干道的交通情況,在保證主干道有軌電車順暢通行的同時,盡量減少對次干道的交通延誤影響。當有軌電車接近路口且提出優先請求后,道路交通控制系統根據當前的相位情況進行判斷,采用延長綠燈(有軌電車通行相位)、紅燈早斷(早斷非有軌電車通行相位)、插入相位的方案;針對個別流量較大的主主相交路口,由于各個路口流量都較大,目前采取不優先策略,提升道路參與者對于有軌電車的好感度。

有軌電車優先策略跟道路流量影響較大,所以在早晚高峰以及平峰在同一路口會采取不同的策略,高峰期要更體現公交優先戰略,信號優先等級會提升。有軌電車的信號優先控制策略只有在有軌電車到達或接近交叉路口時才會觸發,平時無電車經過時按照常規的交通信號燈控制。

5 結語

有軌電車作為中運量的軌道交通形式,是中等城市以及地級市城市為提高現代化水平、疏解交通擁堵的較佳選擇。有軌電車交叉路口信號優先策略可以降低有軌電車的等待時間,提升有軌電車的服務水平,有效推動公共交通優先戰略。針對有軌電車各個不同交通流量匯聚的交叉路口,實行不同的優先信號控制方案。信號優先策略提升有軌電車通行效率的同時兼顧其他道路交通參與的行車效率,同時與有軌電車相同前進方向的社會車輛,會因為現代有軌電車信號優先而獲益,減少通行延誤。