基于邏輯規(guī)則的擁擠干道公交優(yōu)先控制策略＊

董玉璞 孫 劍 李克平

（1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海201804）

0 引 言

公交優(yōu)先信號控制可以有效減少公交車輛在交叉口的延誤，對于提高公交車服務(wù)水平、緩解交通擁堵具有重要意義［1］。根據(jù)優(yōu)先范圍的不同，公交信號優(yōu)先可以劃分為單點(diǎn)優(yōu)先、干線優(yōu)先和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先3類。然而當(dāng)前的研究多集中在單點(diǎn)優(yōu)先方面，針對不同的交通環(huán)境建立了豐富多樣的控制策略［2－4］；對于干線優(yōu)先和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先方面的研究而言，在目前的許多控制系統(tǒng)中包含了公交優(yōu)先的功能：SCATS的公交優(yōu)先邏輯包括綠燈延長，特殊相序及對非優(yōu)先相位的補(bǔ)償?shù)?；SCOOT提供公交綠燈延長和紅燈早斷等功能，系統(tǒng)基于用戶設(shè)定的飽和度指標(biāo)避免非優(yōu)先車流延誤的過度增加；UTOPIA、RHODES系統(tǒng)則通過滾動優(yōu)化的方法為公交車輛提供絕對優(yōu)先［5］；國內(nèi)的馬萬經(jīng)等［6］也在交叉口群公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制方法有諸多研究。

然而與西方發(fā)達(dá)國家相比，中國大城市的干道交通流存在如下特點(diǎn)：公交流量大，公交線路多；交叉口交通壓力大；交叉口間距短；交叉口大部分設(shè)有機(jī)動車倒計(jì)時(shí)；行人與非機(jī)動車流量大，慢行交通干擾大。

在應(yīng)用上述系統(tǒng)進(jìn)行公交優(yōu)先時(shí)，目前的研究多集中在對優(yōu)先約束條件的改進(jìn)，而對干道公交優(yōu)先背景下不同交叉口優(yōu)先策略的選擇方法卻鮮有涉及。本文根據(jù)中國干道的交通流特點(diǎn)以及國內(nèi)外干道公交優(yōu)先控制中的經(jīng)驗(yàn)，提出了適合中國干道交通流特點(diǎn)的3步多層公交優(yōu)先控制策略選擇方法。

1 方法體系

對干道公交優(yōu)先控制而言，沿線會有多個(gè)運(yùn)行特征迥異的交叉口，單一公交優(yōu)先策略效益很難得到充分發(fā)揮，例如，短間距［7］以及過飽和［1，8］交叉口中主動優(yōu)先策略實(shí)施的不良后果，以及倒計(jì)時(shí)信號燈［9］對公交車輛檢測器布設(shè)位置的約束等。因此如何根據(jù)不同交叉口特點(diǎn)以及上下游關(guān)系，從全局的觀點(diǎn)構(gòu)筑干道公交優(yōu)先策略顯得尤為重要。

本研究首先定性分析評估單交叉口可能實(shí)施的公交優(yōu)先策略（包括公交綠波、預(yù)信號、綠燈延長、紅燈縮短）；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于邏輯規(guī)則的多約束公交優(yōu)先控制策略選擇流程，涵蓋不同交叉口的優(yōu)先策略選擇以及多線路背景下的條件優(yōu)先線路選擇；然后基于微觀仿真模型對第2步的多個(gè)優(yōu)選方案進(jìn)行仿真評價(jià)，提出最終建議方案。該方法稱為3步多層策略，具體框架見圖1。

圖1 干道公交優(yōu)先三步多層策略Fig.1 Three－step multi－layer（TSML）strategy

1.1 步驟1：優(yōu)先策略適用性定性分析

在3步多層策略中，首先定性分析每種策略的優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)施的約束條件，然后根據(jù)不同交叉口的運(yùn)行特征以及在干道交通流中的定位，初步分析各種策略的適應(yīng)性，見表1。

表1 公交優(yōu)先策略單點(diǎn)交叉口適應(yīng)性定性分析Tab.1 Qualitative analysis of priority strategy applicability at intersections

1.2 步驟2：基于邏輯規(guī)則的多約束公交優(yōu)先組

合策略集設(shè)計(jì)

首先根據(jù)不同的交叉口交通流量，生成不同周期時(shí)長的控制子區(qū)，在每個(gè)子區(qū)生成機(jī)動車背景協(xié)調(diào)方案；之后根據(jù)邏輯規(guī)則給予交叉口優(yōu)先策略；最后依據(jù)條件優(yōu)先規(guī)則選擇干道上的優(yōu)先公交線路，見圖2。

在已有的干道公交優(yōu)先控制研究中［1，8］，先于主動優(yōu)先策略，被動優(yōu)先策略總是首先被實(shí)施。因此先確定公交綠波和預(yù)信號可實(shí)施的交叉口。短間距與超飽和交叉口均不能實(shí)施主動優(yōu)先策略，但可以實(shí)施公交綠波策略，因此在規(guī)則的排序中這2種交叉口特點(diǎn)位于可以實(shí)施主動優(yōu)先策略的倒計(jì)時(shí)信號燈情況之前。

圖2 基于邏輯規(guī)則的干道公交優(yōu)先控制策略組合集技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Flow chart of ASTP strategy set selection based on logic rules

根據(jù)圖2，公交優(yōu)先策略選擇的邏輯規(guī)則包括：

規(guī)則1。同一子區(qū)交叉口群內(nèi)無公交站點(diǎn)的情況下，選擇使用公交綠波與該綠波第1個(gè)交叉口的預(yù)信號，反之執(zhí)行規(guī)則2。

規(guī)則2。在交叉口內(nèi)部有公交站點(diǎn)的情況下如果是短間距交叉口，則實(shí)施背景交通協(xié)調(diào)方案，反之執(zhí)行規(guī)則3。

規(guī)則3。在超飽和交叉口不實(shí)施主動優(yōu)先策略（因?yàn)樵谙到y(tǒng)周期時(shí)長中沒有充足的空余綠燈時(shí)間），以減少對相交道路車輛的負(fù)面影響，反之執(zhí)行規(guī)則4。

規(guī)則4。在倒計(jì)時(shí)交叉口，如果交叉口間距符合倒計(jì)時(shí)對檢測器布設(shè)位置要求，則實(shí)施綠燈延長／紅燈早斷策略，反之實(shí)施紅燈縮短策略或背景交通協(xié)調(diào)方案。若沒有倒計(jì)時(shí)裝置，則執(zhí)行規(guī)則5。

規(guī)則5。在干道內(nèi)剩余交叉口實(shí)施綠燈延長／紅燈早斷策略，但在為公交車輛提供優(yōu)先時(shí)，要考慮公交車輛到達(dá)下游交叉口時(shí)，相應(yīng)交叉口的信號狀態(tài)以及可采用的優(yōu)先控制方法，保證相鄰交叉口優(yōu)先策略的協(xié)調(diào)。繼續(xù)執(zhí)行規(guī)則6。

規(guī)則6。在上述交叉口公交優(yōu)先策略選擇的基礎(chǔ)上，在多申請優(yōu)先場景下利用條件優(yōu)先策略確定優(yōu)先線路，反之給予申請線路優(yōu)先，完成對象選擇。每0.5 h返回執(zhí)行規(guī)則6，完成優(yōu)先線路的更新。

上述公交優(yōu)先策略都在滿足多約束條件的情況下實(shí)施，約束條件包括最小綠燈時(shí)間，最大綠燈時(shí)間、飽和度、周期時(shí)長、不同時(shí)間段、交叉口流量的潮汐現(xiàn)象等，限于文章篇幅，有關(guān)約束條件研究另文發(fā)表。

1.3 步驟3：優(yōu)選方案仿真分析

基于步驟2所論述的各項(xiàng)邏輯規(guī)則，可篩選出幾套可行的優(yōu)先策略組合集。本步驟的工作是利用微觀仿真模型對多個(gè)可能組合策略集進(jìn)行仿真評價(jià)，最終給出建議方案。其基本過程見圖3。

圖3 基于仿真平臺的多優(yōu)選方案分析Fig.3 Multi preference plan analysis based on simulation

2 案例分析

2.1 仿真環(huán)境

研究區(qū)域?yàn)樯虾Ｊ兄鞲傻缆烦啥悸窂男麻l路到龍華路段沿線22個(gè)交叉口，根據(jù)調(diào)查的高峰小時(shí)機(jī)動車、公交車、自行車及行人流量和渠化設(shè)計(jì)方案，建立仿真模型。

2.2 結(jié)果分析

在成都路的Vissim仿真模型中，通過上述基于邏輯規(guī)則的優(yōu)先策略選擇流程后，生成2個(gè)公交優(yōu)先控制組合策略集優(yōu)選方案，在仿真平臺中進(jìn)行分析比較，運(yùn)用Vissim模型通過其外部程序接口Visvap實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先組合策略集，進(jìn)行仿真評價(jià)，每個(gè)方案分別選擇5個(gè)隨機(jī)數(shù)種子取平均結(jié)果。

實(shí)施公交優(yōu)先控制組合策略集后，與現(xiàn)狀交通控制方案相比，根據(jù)條件優(yōu)先策略選擇的對象36路公交車在2種方案下行程時(shí)間分別減少6.9%和7.80%，車均延誤分別減少11.2%和12.7%。

現(xiàn)狀方案控制下，36路平均車頭時(shí)距為165 s，波動范圍為120～227 s，方差為1 278.2；策略集1優(yōu)先控制下，平均車頭時(shí)距為172 s，波動范圍為153～195 s，方差為140.0：策略集2優(yōu)先控制下，平均車頭時(shí)距值為174 s，波動范圍為158～184 s，方差為56.6，見圖4。

圖4 36路公交車車頭時(shí)距分布圖Fig.4 Headway along the arterial of Bus Line 36

干道社會車輛在實(shí)施公交優(yōu)先控制后，兩個(gè)優(yōu)選方案下行程車速分別提高2.02%和2.99%，車均延誤分別降低2.33%和3.31%，表明實(shí)施公交優(yōu)先控制后干道社會車輛同時(shí)受益。路網(wǎng)范圍內(nèi)的車均延誤僅增加1.5%。結(jié)果表明，在干道實(shí)施公交優(yōu)先的同時(shí)不會對路網(wǎng)范圍內(nèi)的社會車輛的效益造成明顯的干擾。

結(jié)合上述分析，在3個(gè)方案的比較中策略集2的綜合效益最好，可以得出最終建議方案為策略集2。

3 結(jié)束語

結(jié)合中國干道的交通流特點(diǎn)以及國內(nèi)外干道公交優(yōu)先控制中的經(jīng)驗(yàn)，提出了適合中國干道特點(diǎn)的3步多層公交優(yōu)先控制策略選擇方法。在上海市成都路的實(shí)證分析表明：主干道優(yōu)先線路36路車在2個(gè)優(yōu)先策略集方案下行程車速分別提高7.3%和8.5%，主干道社會車輛行程速度分別提高2.02%和2.99%，而同時(shí)沒有對路網(wǎng)社會車輛的效益造成負(fù)面影響。

應(yīng)用條件優(yōu)先策略優(yōu)先線路的過程中，目前的研究限于每隔固定時(shí)長對優(yōu)先的線路進(jìn)行更新，在后續(xù)研究中可增強(qiáng)優(yōu)先控制對象選擇的實(shí)時(shí)性和動態(tài)性，同時(shí)可以兼顧不同線路的效益，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)化。

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