協(xié)同環(huán)境下動(dòng)態(tài)公交車速引導(dǎo)模型及信號(hào)控制調(diào)整分析

摘 要：隨著無(wú)線通訊技術(shù)以及傳感器探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，依托車載智能系統(tǒng)與路側(cè)設(shè)備通信技術(shù)，指導(dǎo)公交車駕駛員精準(zhǔn)控制車速，從而為公交車實(shí)現(xiàn)車速控制與信號(hào)同步協(xié)調(diào)成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。基于此文章以車速引導(dǎo)的公交信號(hào)優(yōu)先控制理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了適應(yīng)車路環(huán)境的動(dòng)態(tài)速度引導(dǎo)下的公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制模型。并通過(guò)定義主干道路公交車速及車流量數(shù)據(jù)，利用VISSIM仿真軟件對(duì)某道路進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)調(diào)度，結(jié)果表明提出的車速引導(dǎo)模型與傳統(tǒng)綠波控制方法相比，能夠大大公交車輛的停車次數(shù)減少公交車行駛過(guò)程中停車次數(shù)及延誤時(shí)間，同時(shí)降低了乘客的人均延誤時(shí)間。

關(guān)鍵詞：公交車輛調(diào)度 信號(hào)協(xié)同控制 調(diào)度優(yōu)化

0 引言

公交車作為一項(xiàng)社會(huì)公共設(shè)施，以其大容量、高效率及較低的道路占用率而著稱，在調(diào)和城市交通需求與道路空間之間的緊張關(guān)系上展現(xiàn)了無(wú)可比擬的優(yōu)越性。隨著各個(gè)城市公交優(yōu)先政策的出臺(tái)，在追求整體交通信號(hào)控制效益最大化的同時(shí)，如何兼顧公交車與私家車在交通運(yùn)行中的整體效益，成為了亟待解決的關(guān)鍵難題。而隨著計(jì)算機(jī)科技、無(wú)線通訊技術(shù)以及傳感器探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，極大地推動(dòng)了車路協(xié)同系統(tǒng)的快速發(fā)展。因此以車—車、車—路間的信息交換為核心，依托車載智能系統(tǒng)與智能路側(cè)設(shè)備的無(wú)線通信，綜合考量道路實(shí)時(shí)交通狀態(tài)的各項(xiàng)因素，指導(dǎo)公交車駕駛員精準(zhǔn)控制車速，從而為公交車實(shí)現(xiàn)車速控制與信號(hào)同步協(xié)調(diào)提供了可能。

1 車速引導(dǎo)的公交信號(hào)優(yōu)先控制理論分析

本文主要集中探討如何構(gòu)建適應(yīng)車路環(huán)境的動(dòng)態(tài)速度引導(dǎo)下的公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制模型，從而實(shí)現(xiàn)公交系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)協(xié)調(diào)控制。對(duì)于公交車協(xié)調(diào)控制來(lái)說(shuō)一方面需要去實(shí)時(shí)監(jiān)控交通狀況，動(dòng)態(tài)調(diào)整引導(dǎo)范圍和信號(hào)周期，以增強(qiáng)公交運(yùn)行效率；另一方面則是要對(duì)處于速度引導(dǎo)區(qū)域的公交車實(shí)施速度建議，此過(guò)程需依托于適應(yīng)性強(qiáng)、響應(yīng)迅速的動(dòng)態(tài)模型。其核心步驟是：1. 計(jì)算協(xié)調(diào)相位下綠燈時(shí)長(zhǎng)的可調(diào)節(jié)范圍。2. 結(jié)合綠燈時(shí)長(zhǎng)與可能的延長(zhǎng)時(shí)間，以及車輛的速度限制，確定初始引導(dǎo)區(qū)及動(dòng)態(tài)引導(dǎo)區(qū)。3. 當(dāng)識(shí)別到動(dòng)態(tài)引導(dǎo)區(qū)內(nèi)的延誤公交時(shí)，根據(jù)其距交叉口的距離調(diào)整綠燈延長(zhǎng)策略，同時(shí)指導(dǎo)公交專用道上的車輛調(diào)整速度。整個(gè)模型的最終目標(biāo)是提升下游交叉口公交車輛的通行能力，進(jìn)而縮短乘客的平均等待時(shí)間[1]。圖1為公交速度引導(dǎo)區(qū)域示意。

車輛速度引導(dǎo)區(qū)域可以分為兩個(gè)部分進(jìn)行考慮。第一部分是在協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間保持不變情況下的速度引導(dǎo)區(qū)域，也就是初始引導(dǎo)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的范圍可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算[2]：

式中：g—在當(dāng)前協(xié)調(diào)相位下的綠燈持續(xù)時(shí)間；—公交車在站臺(tái)延誤時(shí)間；—車輛的最大允許速度；

第二部分可變引導(dǎo)區(qū)域涉及協(xié)調(diào)相位中綠燈時(shí)間延長(zhǎng)的情況。這種情況下，速度引導(dǎo)區(qū)域的計(jì)算會(huì)考慮到額外的綠燈時(shí)間，從而允許更遠(yuǎn)距離的車輛有機(jī)會(huì)在不減速的情況下通過(guò)交叉口。可變引導(dǎo)區(qū)域的范圍計(jì)算公式可以表示為：

式中：—協(xié)調(diào)相位下可擴(kuò)展時(shí)間；

2 車路協(xié)同環(huán)境下車速引導(dǎo)模型建立

2.1 模型假設(shè)

為了保證本次模型的數(shù)據(jù)精確性，本文對(duì)其進(jìn)行了如下假設(shè)：

（1）公交車均裝備多功能智能終端，能實(shí)時(shí)監(jiān)控車速、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、精確定位，支持即時(shí)通訊與信息展示。

（2）車輛均嚴(yán)格在公交專用車道上行駛，依據(jù)優(yōu)化的車速指南平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）未考慮行人及非機(jī)動(dòng)車流動(dòng)對(duì)公交服務(wù)的影響。

（4）假設(shè)交通設(shè)施與車輛系統(tǒng)之間的通信暢通無(wú)阻，信息傳輸極少遇到中斷。

2.2 公交信號(hào)控制模型創(chuàng)建

公交車輛抵達(dá)交叉口的具體時(shí)間受交通流量動(dòng)態(tài)變化的影響，存在不確定性。在每一輪信號(hào)控制周期中，部分公交車能及時(shí)在綠燈期間通過(guò)路口；而另一些車輛因在紅燈時(shí)段到達(dá)，不得不減速或停車，等待下一次綠燈開啟。對(duì)此需要計(jì)算出綠燈最大延長(zhǎng)時(shí)間以及協(xié)調(diào)相位下的綠燈時(shí)間。

公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的核心是在保持綠波帶穩(wěn)定性的同時(shí)，確保公交車享有信號(hào)優(yōu)先。需要當(dāng)前周期中協(xié)調(diào)相位的綠燈延長(zhǎng)時(shí)間小于非協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)長(zhǎng)。由此，協(xié)調(diào)相位綠燈時(shí)間的最大可延長(zhǎng)量可通過(guò)以下公式計(jì)算得出[3]：

式中：協(xié)調(diào)相位下i周期內(nèi)的綠燈最大延長(zhǎng)時(shí)間，s；

—非協(xié)調(diào)相位下i周期內(nèi)綠燈k可以縮減的時(shí)間，s；

—非協(xié)調(diào)相位下i+1周期內(nèi)綠燈k可以縮減的時(shí)間，s；

在綠燈最大延長(zhǎng)時(shí)間確定后，協(xié)調(diào)相位下的綠燈時(shí)間便可以由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：為協(xié)調(diào)相位下i周期內(nèi)的綠燈實(shí)際持續(xù)時(shí)間；分別為協(xié)調(diào)相位下i周期內(nèi)的綠燈初始及延長(zhǎng)時(shí)間。

2.3 車速引導(dǎo)模型創(chuàng)建

對(duì)于任意一輛公交車，其抵達(dá)下游交叉口的時(shí)間窗可通過(guò)分析其行駛速度的最低與最高限值來(lái)界定[4]。與此同時(shí)，信號(hào)控制的交叉口受到綠燈可延長(zhǎng)的最大時(shí)限、紅燈可縮短的范圍以及綠波帶寬度等因素的約束。因此本文假設(shè)公交車經(jīng)過(guò)速度引導(dǎo)后能夠以優(yōu)化后的速度 實(shí)現(xiàn)不停車通過(guò)信號(hào)交叉口，則公交車到達(dá)下游路口的時(shí)間可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：—公交車到達(dá)路口時(shí)間點(diǎn)，s；—公交車開始進(jìn)行車速引導(dǎo)的時(shí)間點(diǎn)，s；

—公交車車輛引導(dǎo)初始速度，m/s；—公交車車輛引導(dǎo)最終速度，m/s；—公交車引導(dǎo)時(shí)距離路口距離，m；a—公交車加速度，m/s2；

在調(diào)控公交車輛行進(jìn)速度時(shí)，前車的速度會(huì)間接制約后車的速度調(diào)整空間。倘若僅針對(duì)后方車輛實(shí)施速度引導(dǎo)，在前車速度的既定框架下，后車的加速或減速將受限，便會(huì)導(dǎo)致后車無(wú)法充分利用綠燈時(shí)段順利通行。對(duì)此本文依據(jù)公交車特有的運(yùn)行規(guī)律，將綠燈周期細(xì)分為若干個(gè)階段，如圖2所示。其中，階段一（A-B）對(duì)應(yīng)的是排隊(duì)車輛的啟動(dòng)與加速過(guò)程；階段二（B-C）代表車輛可維持現(xiàn)有速度穩(wěn)定通過(guò)的時(shí)段；階段三（C-D）則是需通過(guò)速度調(diào)控協(xié)助車輛完成通過(guò)的時(shí)段。

路口紅燈時(shí)，公交車量剩余等待時(shí)間為：

路口綠燈剩余引導(dǎo)時(shí)間為：

設(shè)想在交通流中，每輛公交車通過(guò)交叉口時(shí)需保持一個(gè)安全的前車距離，我們將其記作（車頭時(shí)距）。在實(shí)施速度引導(dǎo)措施的區(qū)域內(nèi)，假設(shè)最后一輛公交車（標(biāo)記為n）以該區(qū)域允許的最大速度閾值通過(guò)交叉口。因此為保障公交車輛n在后續(xù)路口的通行不受阻礙，前一輛公交車輛n-1必須在規(guī)定的時(shí)間窗口（）內(nèi)順利通過(guò)當(dāng)前路口。因此，需遵守的速度指導(dǎo)值可表達(dá)為：

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境參數(shù)搭建

為檢驗(yàn)本文建立的車輛速度調(diào)控的公交優(yōu)先級(jí)同步管理策略的實(shí)際可行性，本文選取一條由數(shù)個(gè)交匯點(diǎn)構(gòu)成的關(guān)鍵道路作為試驗(yàn)環(huán)境。并采用交通仿真軟件VISSIM作為核心的模擬工具，借助Visual Basic 6.0編程環(huán)境與VISSIM的COM接口功能，對(duì)其進(jìn)行深度定制化開發(fā)。

仿真步驟如下：

1. 仿真環(huán)境搭建：在VISSIM中精確復(fù)現(xiàn)選定道路的交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括但不限于信號(hào)燈布局、交通流量特征等細(xì)節(jié)。

2. 算法集成：運(yùn)用VB6.0編程語(yǔ)言，通過(guò)COM接口將公交優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)速度引導(dǎo)算法融入至仿真體系中，確保其實(shí)時(shí)響應(yīng)及控制能力。

3. 功能測(cè)試：在模擬環(huán)境下運(yùn)行并監(jiān)控，評(píng)估算法在處理公交車輛優(yōu)先通行、交通流均衡等方面的效能。

仿真對(duì)象道路分布見(jiàn)圖3-1所示，其由3條交叉口組成分別命名為交叉口1、交叉口2和交叉口3，各路段長(zhǎng)度分別為466米、636米、526米，公交車最大運(yùn)行速度均設(shè)置為40公里/小時(shí)，正常行駛速度設(shè)定為40公里/小時(shí)；飽和流量取值為1800 pcu/h，其代表在理想條件下，單位時(shí)間內(nèi)能夠通過(guò)交叉口的最大車輛數(shù)量；公交車飽和車頭時(shí)距設(shè)為4秒，代表在飽和狀態(tài)下，兩輛公交車之間的最小時(shí)間間隔。仿真各方向進(jìn)口車道數(shù)及基本交通量見(jiàn)表1所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

絕對(duì)相位差通常是指在一個(gè)周期性的系統(tǒng)中，實(shí)際事件發(fā)生的時(shí)間與預(yù)期（理想）時(shí)間之間的差異。在交通信號(hào)控制領(lǐng)域，相位差可以表示不同的交通信號(hào)燈相對(duì)于主周期開始時(shí)刻的啟動(dòng)時(shí)間。通過(guò)仿真系統(tǒng)使用Webster計(jì)算法，本文將80秒視為一個(gè)完整的周期，在此周期下計(jì)算出的三個(gè)絕對(duì)相位差分別為73秒、26秒和74秒。圖4給出了相位差的計(jì)算結(jié)果。

為評(píng)估動(dòng)態(tài)公交車輛速度引導(dǎo)結(jié)合公交信號(hào)優(yōu)先配時(shí)控制策略的有效性，本文進(jìn)行兩組對(duì)比仿真試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)采用傳統(tǒng)的公交優(yōu)先策略，即綠波帶協(xié)調(diào)控制，但不包含對(duì)公交車輛速度的具體引導(dǎo)措施[5]；第二組試驗(yàn)則實(shí)施了本文提出的綜合控制方法，其中包含了動(dòng)態(tài)的速度引導(dǎo)和信號(hào)配時(shí)優(yōu)化。仿真持續(xù)時(shí)間均設(shè)定為為3600秒（即1小時(shí)），最終提取了兩種方法的公交車輛平均延誤時(shí)間（衡量公交車輛在各個(gè)交叉口的等待時(shí)間）；人均平均延誤時(shí)間（乘客從上車到下車的總時(shí)間，包括途中在各站點(diǎn)的等待和行駛時(shí)間）進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比。

根據(jù)表2的結(jié)果可以看出，相較于傳統(tǒng)的綠波控制方案，本文提出的車速引導(dǎo)模型顯著提升了公交運(yùn)營(yíng)效率。具體表現(xiàn)為公交車輛的停車頻率降低了13.07%，平均延誤時(shí)間減少了4.97%，人均延誤時(shí)間更是減少了6.34%。另外在整條干線上，車輛平均延誤時(shí)間下降了2.15%，人均延誤時(shí)間則減少了4.56%。究其原因主要是因?yàn)槟Ｐ蛯?shí)現(xiàn)了3條路口間的協(xié)調(diào)控制，并運(yùn)用動(dòng)態(tài)速度引導(dǎo)技術(shù)優(yōu)化了公交車輛的行駛速度，確保公交車能更高效地利用下游交叉口的綠燈時(shí)間，從而大大減少了延誤和停車次數(shù)，保證了公交車的順暢通行。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)位于速度引導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的公交車輛實(shí)施速度指導(dǎo)，構(gòu)建了適應(yīng)車路環(huán)境的動(dòng)態(tài)速度引導(dǎo)下的公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制模型。通過(guò)定義出協(xié)調(diào)相位下可擴(kuò)展的綠燈時(shí)長(zhǎng)，結(jié)合車輛最大允許速度以及道路車輛信息，對(duì)某道路進(jìn)行了車輛動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)調(diào)度VISSIM仿真測(cè)試。研究結(jié)果表明本模型與傳統(tǒng)綠波控制方法相比，測(cè)試道路在進(jìn)行通車后，能夠使公交車輛的停車次數(shù)減少了13.07%，平均延誤時(shí)間降低了4.97%，人均延誤時(shí)間降低了6.34%；極大縮短了公交車輛在交叉口的有效通行綠燈時(shí)間。

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