復(fù)雜道路交叉口有軌電車信號優(yōu)先控制方法

唐君虞 張志云 華璟怡

(1. 上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司， 200065，上海； 2. 公安部交通管理科學(xué)研究所， 214151, 無錫//第一作者，工程師)

現(xiàn)代有軌電車是從傳統(tǒng)有軌電車脫胎而出的一種新型交通工具, 具有更高的運(yùn)行速度、更舒適的乘車空間及更快捷的換乘方式。國外大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，現(xiàn)代有軌電車具有帶動(dòng)城市發(fā)展(如法國波爾多)、發(fā)揮交通聯(lián)運(yùn)優(yōu)勢(如德國卡爾斯魯厄)、提高公共交通吸引力(如荷蘭阿姆斯特丹)等多方面優(yōu)勢[1-2]。為改善公交服務(wù)水平，優(yōu)化城市出行結(jié)構(gòu)，我國政府也日益加大了在現(xiàn)代有軌電車上的關(guān)注與投入。目前，北京、上海、南京、武漢、沈陽、廣州、蘇州、珠海、淮安等城市均展開了現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目的規(guī)劃與建設(shè)[3]。

擁有路段獨(dú)立車道與交叉口信號優(yōu)先的現(xiàn)代有軌電車在為公共交通帶來更多路權(quán)優(yōu)先的同時(shí)，也增加了道路交叉口交通流的復(fù)雜程度，給城市道路交叉口的管理與控制帶來了新的挑戰(zhàn)[4]。針對我國交通發(fā)展現(xiàn)狀，如何在多種交通方式參與的道路交叉口上進(jìn)行合理的信號配時(shí)，如何在保證現(xiàn)代有軌電車路權(quán)優(yōu)先的同時(shí)控制其對社會(huì)車輛產(chǎn)生的不利影響，已成為一個(gè)重要的研究課題。

針對這一問題，我國的科研工作者展開了大量研究，在有軌電車優(yōu)先控制策略[5-6]、有軌電車與社會(huì)車輛的協(xié)調(diào)控制[7]、有軌電車交叉口交通組織設(shè)計(jì)[8]等多個(gè)方面開展了深入分析，并且在有軌電車信號優(yōu)先下交叉口影響范圍內(nèi)各流向交通流間的負(fù)荷均衡問題，以及單點(diǎn)交叉口的協(xié)調(diào)控制等方面取得了大量的研究成果。然而，現(xiàn)有研究都是以標(biāo)準(zhǔn)十字交叉口或丁字交叉口為研究對象，其研究成果不適用于大于4個(gè)進(jìn)口道的復(fù)雜交叉口，而這些復(fù)雜交叉口如果包含有軌電車線路，則關(guān)系到整條有軌電車線路的信號優(yōu)先控制效果。為緩解這一問題，本文從復(fù)雜道路交叉口有軌電車信號優(yōu)先控制原則出發(fā)，研究其信號優(yōu)先控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 有軌電車信號優(yōu)先控制策略

現(xiàn)代有軌電車在復(fù)雜道路交叉口的優(yōu)先控制策略主要有兩種：綠燈延長控制和紅燈縮短控制。圖1舉例說明了兩種控制策略的作用原理。現(xiàn)代有軌電車的實(shí)時(shí)檢測/定位方式多采用感應(yīng)線圈、信標(biāo)定位、GPS/BD(全球定位系統(tǒng)/北斗)定位、RFID(射頻識別)系統(tǒng)、計(jì)軸輔助等方式或其組合的方式。如圖1所示：當(dāng)檢測到有軌電車到達(dá)停車線的時(shí)刻處于相位1時(shí)，通過執(zhí)行綠燈延長控制延長相位4的綠燈時(shí)間，使有軌電車無需停車等待直接通過交叉口；當(dāng)檢測到有軌電車到達(dá)停車線的時(shí)刻處于相位2或相位3時(shí)，通過執(zhí)行紅燈縮短控制使得相位放行時(shí)間縮短，減少有軌電車的停車等待時(shí)間。

a)原有配時(shí)

b)綠燈延長控制

c)紅燈縮短控制

圖1 復(fù)雜道路交叉口現(xiàn)代有軌電車信號優(yōu)先控制策略示例

然而，上述兩種有軌電車優(yōu)先控制策略的執(zhí)行會(huì)導(dǎo)致交叉口出現(xiàn)不同流向交通流飽和度的失衡現(xiàn)象。伴隨有軌電車的通行相位(下文稱為“電車通行相位”，如圖1中相位4)的綠燈時(shí)間增加，會(huì)降低其放行流向的交通流飽和度；而其余非有軌電車通行相位(下文稱為“社會(huì)交通相位”，如圖1中相位1至相位3)的綠燈時(shí)間將會(huì)相應(yīng)減少，導(dǎo)致對應(yīng)放行流向交通流飽和度上升。這一變化顯然會(huì)產(chǎn)生電車通行相位與社會(huì)交通相位各自放行流向間飽和度的不平衡，形成電車通行相位空閑綠燈時(shí)間過長，造成社會(huì)交通相位車輛延誤與二次停車概率增大的現(xiàn)象。

2 信號優(yōu)先控制基本思路

對于大于4個(gè)進(jìn)口道的復(fù)雜道路交叉口而言，有軌電車與交叉口內(nèi)大流向的社會(huì)車輛會(huì)產(chǎn)生交織沖突，故需綜合考慮右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人的控制，其中信號控制的相位相序設(shè)置是緩解交叉口內(nèi)交通沖突及保障電車安全通行的關(guān)鍵因素。同時(shí)，復(fù)雜道路交叉口通常為城市干道交叉口，交通壓力較大，是城市交通擁堵的常發(fā)節(jié)點(diǎn)，有軌電車優(yōu)先控制帶來的社會(huì)交通相位壓縮會(huì)導(dǎo)致社會(huì)車輛排隊(duì)長度和停車延誤的增加，甚至導(dǎo)致交通擁堵頻率和程度的上升。因此，應(yīng)盡量避免在復(fù)雜道路交叉口設(shè)置有軌電車線路，或優(yōu)先通過交通組織措施簡化復(fù)雜道路交叉口內(nèi)交通流沖突。對于部分必須設(shè)置有軌電車線路的復(fù)雜道路交叉口，則需要通過交叉口背景相位配時(shí)、優(yōu)先控制參數(shù)的設(shè)置來均衡各進(jìn)口道交通負(fù)荷，以緩解優(yōu)先控制給社會(huì)車輛帶來的不利影響。

2.1 控制原則

復(fù)雜道路交叉口有軌電車信號優(yōu)先控制既要保障和提升有軌電車運(yùn)行效率、準(zhǔn)點(diǎn)率和服務(wù)水平，同時(shí)也需要確保社會(huì)車輛通行的有序和暢通。在此目標(biāo)下，有軌電車信號優(yōu)先控制應(yīng)體現(xiàn)如下原則。

(1) 有軌電車優(yōu)先通行：復(fù)雜道路交叉口應(yīng)給予有軌電車時(shí)間路權(quán)優(yōu)先，減少有軌電車在通過交叉口時(shí)的停車概率與停車時(shí)間，從而保證有軌電車的運(yùn)行效率、準(zhǔn)點(diǎn)率與服務(wù)水平。

(2) 路口沖突消除：復(fù)雜道路交叉口內(nèi)所有與有軌電車運(yùn)行線路相沖突的機(jī)動(dòng)車流、非機(jī)動(dòng)車流、行人流均應(yīng)配有相應(yīng)的信號燈，且在有軌電車通過交叉口時(shí)，保證與有軌電車運(yùn)行線路相沖突的機(jī)動(dòng)車流、非機(jī)動(dòng)車流、行人流均處于禁止通行狀態(tài)(信號燈紅燈)。

(3) 優(yōu)先控制影響最小化：在保證有軌電車優(yōu)先通行的基礎(chǔ)上，應(yīng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先控制對社會(huì)交通影響的最小化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜道路交叉口內(nèi)社會(huì)車輛的通行效率優(yōu)化。

2.2 實(shí)施流程

復(fù)雜道路交叉口信號優(yōu)先控制實(shí)施流程如圖2所示。

步驟1：確定交叉口內(nèi)與有軌電車產(chǎn)生交通沖突的社會(huì)交通流向，包括機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人各個(gè)流向，并需要考慮右轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車流和非機(jī)動(dòng)車流與有軌電車產(chǎn)生的交通沖突。

步驟2：在不與有軌電車產(chǎn)生交通沖突的社會(huì)交通流向中確定有軌電車通行相位時(shí)的放行流向，重點(diǎn)考慮將與有軌電車同向行駛的機(jī)動(dòng)車加入有軌電車通行相位的放行流向中。

圖2 復(fù)雜道路交叉口優(yōu)先控制實(shí)施流程

步驟3：確定社會(huì)交通相位數(shù)及各相位的社會(huì)交通放行流向。在保證相位內(nèi)機(jī)動(dòng)車流、非機(jī)動(dòng)車流間無嚴(yán)重沖突的前提下，盡可能地歸并社會(huì)交通放行流向，減少信號控制相位數(shù)。

步驟4：根據(jù)交叉口交通渠化和駕駛員的駕駛習(xí)慣，設(shè)置信號周期內(nèi)有軌電車通行相位和社會(huì)交通相位的排列相序。

步驟5：設(shè)置無有軌電車優(yōu)先請求時(shí)的信號周期長度和各相位綠燈時(shí)間。在分配相位時(shí)間時(shí)有針對性地提高社會(huì)交通相位綠性比，緩解有軌電車優(yōu)先控制對社會(huì)交通的干擾；同時(shí)，對于存在機(jī)動(dòng)車流與非機(jī)動(dòng)車流交通沖突的社會(huì)交通相位，通過右轉(zhuǎn)信號燈遲開控制減少機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車的相互干擾。

步驟6：在保證社會(huì)交通的通行效率和非機(jī)動(dòng)車、行人安全通過需求的基礎(chǔ)上，設(shè)置有軌電車優(yōu)先請求時(shí)綠燈延長/紅燈縮短策略下的優(yōu)先控制參數(shù)值。

步驟7：設(shè)計(jì)有軌電車優(yōu)先請求下的交叉口信號優(yōu)先控制算法，根據(jù)各相位的交通流飽和度分配紅燈縮短時(shí)間，均衡交叉口交通負(fù)荷。

3 復(fù)雜道路交叉口優(yōu)先控制模型

針對復(fù)雜道路交叉口交通壓力較大、交通沖突嚴(yán)重的特點(diǎn)，本文提出了復(fù)雜道路交叉口有軌電車優(yōu)先控制目標(biāo)：保證交叉口各進(jìn)口道上社會(huì)車輛不會(huì)因?yàn)椴呗缘膶?shí)施而二次停車。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文對控制流程中設(shè)置背景信號相位配時(shí)、信號優(yōu)先控制參數(shù)、信號優(yōu)先控制算法中的計(jì)算模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于有軌電車到達(dá)頻率的相位綠燈時(shí)間補(bǔ)償和基于社會(huì)交通流量的壓縮時(shí)間按比分配，均衡復(fù)雜道路交叉口各流向間的交通負(fù)荷。

假設(shè)交叉口信號相位數(shù)為n，令相位n為有軌電車通行相位，則有軌電車在相位1到達(dá)時(shí)，執(zhí)行綠燈延長策略；在相位2至相位n-1到達(dá)時(shí)，執(zhí)行紅燈縮短策略；在相位n到達(dá)時(shí)，可直接不停車通過路口(如圖1所示)。相關(guān)優(yōu)先控制模型如下。

3.1 背景信號相位配時(shí)設(shè)計(jì)

運(yùn)用Webster法計(jì)算交叉口社會(huì)車輛延誤最小時(shí)間的信號周期長度和各相位綠燈時(shí)間。

式中：

C0——初始周期長度；

L——總損失時(shí)間；

Y——交叉口交通流量比；

gi——相位i的初始綠燈時(shí)間；

yi——相位i的交通流量比。

在相位初始綠燈時(shí)間的基礎(chǔ)上，根據(jù)有軌電車到達(dá)交叉口的頻率，修正可能被壓縮的社會(huì)交通相位的綠燈時(shí)間，提高有軌電車通過后社會(huì)車輛通行效率。修正后綠燈時(shí)間為：

式中參數(shù)F、Pi的計(jì)算式如下：

F=C0/f

(4)

式中：

F——一個(gè)信號周期內(nèi)有軌電車的到達(dá)頻率；

Pi——有軌電車到達(dá)時(shí)相位i被壓縮概率；

f——有軌電車的發(fā)車間隔時(shí)間。

將式(4)與式(5)代入式(3)得到的背景信號相位配時(shí)模型，如式(6)所示。

3.2 信號優(yōu)先控制參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證社會(huì)交通等待時(shí)間不至于過長，有軌電車通行相位的綠燈延長時(shí)間最大值的設(shè)置如下：

式中：

tn,G——電車通行相位的最大綠燈延長時(shí)間；

gmax——防止社會(huì)交通相位排隊(duì)車輛過長的相位最大綠燈時(shí)間。

同時(shí)，為避免社會(huì)交通二次排隊(duì)，并保障非機(jī)動(dòng)車、行人安全通行需求，社會(huì)交通相位紅燈縮短時(shí)間最大值設(shè)置如下：

式中：

ti,R——社會(huì)交通相位i的最大紅燈縮短時(shí)間；

gmin——保證非機(jī)動(dòng)車、行人安全正常通過所需的相位最小綠燈時(shí)間。

3.3 信號優(yōu)先控制算法設(shè)計(jì)

在設(shè)置了背景信號相位配時(shí)及信號優(yōu)先控制參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過信號優(yōu)先控制算法實(shí)現(xiàn)有軌電車實(shí)時(shí)優(yōu)先請求下的復(fù)雜交叉口信號優(yōu)先控制。綠燈延長策略下，有軌電車通行相位的綠燈時(shí)間計(jì)算式為：

gn,G=gn+min(gx,G,tn,G)

(9)

式中:

gn,G——電車通行相位綠燈時(shí)間；

gx,G——有軌電車不停車通過所需的綠燈延長時(shí)間。

在紅燈縮短策略下，根據(jù)可壓縮相位的交通流量比來劃分各相位縮短時(shí)間，均衡被壓縮社會(huì)交通相位的交通負(fù)荷。社會(huì)交通相位的綠燈時(shí)間計(jì)算式為：

式中：

gi,R——社會(huì)交通相位i的綠燈時(shí)間；

gx,R——有軌電車不停車通過所需的紅燈縮短時(shí)間。

4 實(shí)例分析

淮安現(xiàn)代有軌電車一期工程線路建造在該城市的交通走廊上，道路系統(tǒng)復(fù)雜。有軌電車在沿線路段設(shè)有專用路權(quán)，在道路交叉口行人過街通道之處與各方向的社會(huì)交通流混行。本文所提出的復(fù)雜道路交叉口有軌電車信號優(yōu)先控制設(shè)計(jì)方法在該線路中得到了采用。本文以該線路水渡口廣場交叉口早高峰為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1 水渡口廣場交叉口狀況

水渡口廣場五岔路口為典型的復(fù)雜道路交叉口(見圖3)。翔宇大道、淮海東路兩條城市主干道在此交匯；和平路為單向交通組織，只有進(jìn)口道而無出口道。早晚高峰時(shí)期，水渡口廣場路口匯聚了兩條主干路的通勤交通，且周邊亦有萬達(dá)廣場、缽池山公園兩大交通吸引點(diǎn)，高峰流量極大，其高峰主流向?yàn)槟媳敝毙?、東西直行流向，與有軌電車運(yùn)行線路產(chǎn)生沖突。若在高峰時(shí)段內(nèi)執(zhí)行常規(guī)的有軌電車優(yōu)先控制，則會(huì)縮短主流向的放行時(shí)間，加劇主流向上的交通負(fù)荷，進(jìn)而引發(fā)交通擁堵。水渡口廣場交叉口早高峰交通流量如表1所示，其優(yōu)化前的控制方案如圖4所示。

圖3 水渡口廣場交叉口交通渠化圖表1 水渡口廣場交叉口早高峰交通流量

進(jìn)口轉(zhuǎn)行交通流量/(輛/h)北進(jìn)口左轉(zhuǎn)65直行1 144右轉(zhuǎn)520東進(jìn)口左轉(zhuǎn)150直行666右轉(zhuǎn)112南進(jìn)口左轉(zhuǎn)228直行864右轉(zhuǎn)243西進(jìn)口左轉(zhuǎn)115直行483右轉(zhuǎn)645西南進(jìn)口左轉(zhuǎn)130直行160右轉(zhuǎn)83

綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈30 s3 s0 s30 s3 s0 s40 s3 s0 s32 s3 s0 s27 s3 s0 sa)相位1b)相位2c)相位3d)相位4e)相位5

圖4 水渡口廣場交叉口早高峰信號控制方案(優(yōu)化前)

4.2 有軌電車優(yōu)先控制方案

(1) 確定與有軌電車產(chǎn)生交通沖突流向。有軌電車線路經(jīng)由和平路轉(zhuǎn)入翔宇大道中間，與西進(jìn)口右轉(zhuǎn)(淮海東路)、北進(jìn)口直行(翔宇大道)、東進(jìn)口左轉(zhuǎn)(水渡口大道)、西南進(jìn)口直行/左轉(zhuǎn)(和平路)的機(jī)動(dòng)車/非機(jī)動(dòng)車存在交通沖突，與南進(jìn)口(翔宇大道)和西南進(jìn)口的行人存在交通沖突。

(2) 確定有軌電車通行相位放行流向。有軌電車伴隨南北左轉(zhuǎn)社會(huì)車輛一起放行，同時(shí)放行除西進(jìn)口右轉(zhuǎn)外的其余進(jìn)口道右轉(zhuǎn)流向(如圖4中相位4所示)。

(3) 確定社會(huì)交通相位放行流向。根據(jù)交叉口避免嚴(yán)重交通沖突和減少信號控制相位數(shù)的需求，將剩余的社會(huì)交通流向歸并為3個(gè)相位，即：東西直行相位——東、西、西南進(jìn)口直行流向，除西進(jìn)口右轉(zhuǎn)外的其余進(jìn)口道右轉(zhuǎn)流向，南、北進(jìn)口行人過街；東西左轉(zhuǎn)相位——東、西、西南進(jìn)口左轉(zhuǎn)流向，除西進(jìn)口右轉(zhuǎn)外的其余進(jìn)口道右轉(zhuǎn)流向；南北直行相位——南、北進(jìn)口直行流向，所有進(jìn)口右轉(zhuǎn)流向，東、西、西南進(jìn)口行人過街。

(4) 設(shè)置優(yōu)先控制信號相序。根據(jù)淮安市先直行后右轉(zhuǎn)的進(jìn)口道信號控制習(xí)慣，設(shè)置4個(gè)相位的信號相序(見表2)。

(5) 設(shè)置背景信號相位配時(shí)。根據(jù)式(1)、式(2)、式(6)獲取背景信號相位配時(shí)，其中南北直行相位中西進(jìn)口右轉(zhuǎn)與北進(jìn)口的非機(jī)動(dòng)車存在交通沖突，因此，西進(jìn)口右轉(zhuǎn)遲開10 s，保障在停車線等待通過的北進(jìn)口非機(jī)動(dòng)車快速通過。背景信號相位配時(shí)如圖5所示。

綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈綠燈黃燈全紅燈37 s3 s1 s30 s3 s1 s44 s3 s2 s27 s3 s1 s最大紅燈縮短時(shí)間8 s西進(jìn)口右轉(zhuǎn)遲開10 s,最大紅燈縮短時(shí)間17 s最大綠燈延長時(shí)間44 sa)相位1b)相位2c)相位3d)相位4

圖5 水渡口廣場交叉口早高峰背景信號控制方案(優(yōu)化后)

(6) 設(shè)置信號優(yōu)先控制參數(shù)。根據(jù)式(7)、式(8)，獲取信號優(yōu)先控制參數(shù)，相位2的最大紅燈縮短時(shí)間為8 s，相位3的最大紅燈縮短時(shí)間為17 s，相位4的最大綠燈延長時(shí)間為44 s。

(7) 設(shè)計(jì)信號優(yōu)先控制算法。將背景信號相位配時(shí)和信號優(yōu)先控制參數(shù)代入式(9)、式(10)，獲取交叉口早高峰時(shí)期的信號優(yōu)先控制算法。

4.3 優(yōu)先控制實(shí)施效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)雜道路交叉信號優(yōu)先控制方法的有效性，采用VISSIM仿真軟件對水渡口廣場交叉口早高峰背景信號優(yōu)先控制方案執(zhí)行前后分別建立仿真模型，并對有軌電車平均延誤及社會(huì)交通平均延誤進(jìn)行前后對比分析(如圖6所示)。

在仿真階段，每次仿真時(shí)間為4 000 s，其中包括400 s路網(wǎng)車流初始化時(shí)間?？紤]到仿真結(jié)果的隨機(jī)性，本次仿真中進(jìn)行5次仿真運(yùn)行。仿真得到的有軌電車和社會(huì)交通延誤時(shí)間對比如表2所示。

圖6 水渡口廣場交叉口VISSIM仿真圖

表2 水渡口廣場交叉口有軌電車和社會(huì)交通延誤時(shí)間仿真對比 s/輛

從表2可以看到，5次信號優(yōu)先控制實(shí)施前后的仿真對比中，有軌電車的車均延誤時(shí)間平均值由24.2 s下降為7.3 s，降幅超過70%；同時(shí)，優(yōu)先控制執(zhí)行下的社會(huì)交通的車均延誤平均值由30.7 s上升為33.6 s，升幅不到10%。相較于交叉口有軌電車服務(wù)水平由C級提升為A級，社會(huì)交通服務(wù)水平維持在C級不變，對交叉口的整體運(yùn)行影響不大。

5 結(jié)語

提出了一種復(fù)雜道路交叉口有軌電車信號優(yōu)先控制優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并從信號相位、信號相序、配景配時(shí)、優(yōu)先參數(shù)、控制算法等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，以期在保障有軌電車優(yōu)先通行的同時(shí)，降低對社會(huì)交通的不利影響。本文所提出的復(fù)雜道路交叉口優(yōu)先控制模型能夠在分配相位時(shí)間時(shí)有針對性地提高社會(huì)交通相位綠性比，緩解有軌電車優(yōu)先控制對社會(huì)交通的干擾；能夠根據(jù)各相位的交通流飽和度分配紅燈縮短時(shí)間，均衡交叉口交通負(fù)荷?；窗铂F(xiàn)代有軌電車一期工程水渡口廣場交叉口的實(shí)例仿真結(jié)果表明，本文提出的優(yōu)先控制方法的實(shí)施能夠在不顯著增加社會(huì)交通延誤的同時(shí)，有效減少有軌電車的延誤。