公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)的應用與分析

上海工程技術大學汽車工程學院 吳 皓 張海波

1 公交優(yōu)先

1.1 公交車的優(yōu)勢

當今，城市地鐵軌道交通快速的日趨普及，公共汽車—這種傳統(tǒng)的交通客運方式，不僅在世界發(fā)達國家的城市仍然普遍地存在，而且在許多發(fā)展中國家的城市也還是大量地使用，這是因為公交車具有以下幾點優(yōu)勢：1.公交車的適應性相當廣，從公共交通設置路線的適宜斷面客流量來看，其適應性很廣。在軌道交通發(fā)達的地區(qū)，作為軌道交通客流的集散使用；不僅在人口密度較低的大城市的邊遠地區(qū)，或者在舊城區(qū)支路上，或者大中型城市的新建居住小區(qū)，或者小城市的客流的主要方向，都可以考慮進行優(yōu)先設置公共汽車交通線路。2.公交線路的設置靈活性高，公共汽車屬于街道內(nèi)公共客運系統(tǒng)的范疇，設置公共汽車線路時，不存在架設動力線和鋪設軌道的問題，車輛運行靈活自由，設線的適用范圍大。3公交線路行車組織靈活，從營運的組織上來看、；它可以根據(jù)客流的變化、具體的營運條件，及其它條件來安排不同的車型車輛以及行車的組織方案。4.公交線路設站靈活，公共汽車、無軌汽車的車站設置的要求要較低，可進行靈活設置。

總之，公共交通系統(tǒng)的交通特性：適應性較強，靈活性較大，是其它公共交通方式，特別是地鐵軌道交通方式所不及的。這一點，是其經(jīng)久不衰的生命力之所在。因此要在最大的限度上保證對城市公交空間和時間上的優(yōu)先。“空間優(yōu)先”是指在公交車輛運營行駛時給予其在空間上的優(yōu)先，如設置公交專用道；“時間優(yōu)先”是指在交叉路口給公交車輛提供信號上的優(yōu)先。

1.2 實施公交優(yōu)先的意義

城市空間有限，無限制的建設道路設施是不可行的。DOWNS定律（都市區(qū)通勤高速公路上高峰期交通擁堵的提高可滿足最大的道路容量）已揭示了完全依靠道路建設、增加道路容量、而不加以管制來緩解交通問題是不可以采用的，那么，如何提高城市內(nèi)的道路資源利用的效率，是當今解決城市的交通問題的關鍵所在。因此大力地發(fā)展公共交通系統(tǒng)、提高公共交通系統(tǒng)的出行比例，則是緩解城市的交通擁擠，等一系列的問題的主要出路，這已經(jīng)成為全社會的共識。公交優(yōu)先這一概念最早是由法國于60年代末所提出的，但是迫于二戰(zhàn)后汽車工業(yè)財團的壓力，法國的政府采取鼓勵私人購買小汽車上路支持私人交通。因此私家車的數(shù)量急劇上升，城市道路交通幾乎近于崩潰，此時政府才想到大力發(fā)展公共交通?？梢哉f是一個城市發(fā)展過程中必然會遇到的問題?，F(xiàn)如今我國許多城市也在經(jīng)歷著經(jīng)濟的高速發(fā)展，在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時城市交通問題也日益突出，必然會出現(xiàn)有限的道路和無限機動車增長的沖突。私家車數(shù)量的增長帶來的不僅僅是道路的擁堵，更會因為停車位配建的不足，造成停車時難停車以及位貴。居民小區(qū)在夜間使車位供求不均勻的趨勢不斷地擴大，加入不采取有效的措施，城市的交通擁堵的現(xiàn)象，將會日趨地嚴重，因此會極大地影響城市的健康、以及可持續(xù)地發(fā)展，將造成城市的活力衰減。因此，當今需要優(yōu)先地發(fā)展城市的公共交通，對于中小型的城市，因為無力承擔地鐵軌道交通的高額資金的建造、運營維護成本，公交車將是最適合他們的公共交通方式；而對于那些已有軌道交通的大城市，公交車機動靈活，適應性強的特點又特別適合作為軌道交通的補充。實施公交優(yōu)先，將會讓城市公交車的行車時間更為準點，運營效率更大的提高，從而有效的緩解城市的交通擁堵，給市民的提供一個高效、便捷、經(jīng)濟的出行方式，使城市能夠得到更為健康的發(fā)展。

2 公交信號優(yōu)先控制的策略

公共交通信號優(yōu)先的控制策略可分為：1.主動優(yōu)先，2.被動優(yōu)先。其中被動優(yōu)是先根據(jù)預先設置好的信號佩時的方案施行公交車輛優(yōu)先；而主動則是基于公交車輛檢測信息或者系統(tǒng)發(fā)出的優(yōu)先請求為特定的公交車輛提供優(yōu)先服務如紅燈早斷和綠燈延長。如圖1所示，在離路口100-200米處安裝好RFID基站式定向讀寫器，當公交車接近路口時，車頭的2.4G有源電子標簽和裝在路邊的RFID基站式定向讀寫器相呼應，讀寫器信號與交通指揮中心的交通信號控制系統(tǒng)聯(lián)結(jié)，路口的交通信號燈就會變化，讓公交車輛專用車道方向的綠燈延長，或紅燈縮短。

圖1 公交信號的優(yōu)先控制策略

公共交通信號優(yōu)先控制的目的是：減少公交車在信號的交叉口時的延誤。因為：城市公共交通的特點是公共交通客運量較大，相對投資較小，占有資源較少，效率較高，污染相對來說較少，人均占有的道路較少等特點。如果進入交叉口時的延誤，用經(jīng)過交叉口的全部的出行者的總延誤來進行表示的話，那么，一輛載滿乘客的公交車在交叉口30秒的延誤，和一輛小轎車在交叉口30秒的延誤是不等價的。因此，讓公交車在交叉口時具有優(yōu)先權，將會極大地減少到達交叉口時的總的人均延誤。其中最常見的信號優(yōu)先控制策略為主動優(yōu)先控制策略和被動信號控制策略。

2.1 主動優(yōu)先控制策略

隨著公共交通信號優(yōu)先控制策略研究的誕生，主動優(yōu)先控制策略出現(xiàn)。主動優(yōu)先控制策略是早期進行研究的重點，已有很多的研究成果。在國外曾有研究：對加州3.8英里（約6.1km）道路上，對9個信號控制交叉口的公共交通信號優(yōu)先控制系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)：公共交通車輛行程的時間減少23%。雖然無條件的優(yōu)先策略能讓公交車的行程的時間大大地縮短，但在公交車輛發(fā)車的頻率較低的情況下，會使相交道路的車輛延誤增加。

2.1.1 延長綠燈

假如使用車輛檢測器檢測到：在信號相位的綠燈結(jié)束時，有公交車到達交叉口，這時采用的最佳的優(yōu)先策略是：延長原有的綠燈的時間，使公交車有足夠的時間可以通過交叉口。公交車通過交叉口以后，控制系統(tǒng)將會恢復原有的配時。

2.1.2 主動綠燈

假如公交車在信號燈為紅燈時抵達交叉口，這時可以通過改變信號燈的相位，使綠燈可以比正常時間時提前啟亮。

2.2 被動信號控制策略

從直觀上來進行判斷，在降低公共交通車輛的延誤上，被動優(yōu)先有一定作用，能夠在公交車流量較大的地區(qū)達到不錯的效果，但是在歐洲，特別是美國，等這些公交車流量較小的地區(qū)，適應性比較差。其中最常用的是相位嵌入，以及相位跳躍。

2.2.1 相位嵌入

當傳感器檢測到車輛經(jīng)過交叉口時，交叉口信號運行在車輛所在相位后1,2個相位，此時信號控制系統(tǒng)通過優(yōu)化設計，嵌入一個專門的相位，使得車輛能優(yōu)先通過交叉口。

2.2.2 相位跳躍

當傳感器檢測到車輛將要通過交叉口時，控制系統(tǒng)將某一或兩個相位跳躍過去，直接執(zhí)行車輛所在的通行，以滿足車輛通過交叉口的需求。選擇相位嵌入時通常也可以采用相位跳躍，但應該根據(jù)控制系統(tǒng)的優(yōu)化算法來選擇一個最優(yōu)的控制策略，減少因為采用被動控制策略對交叉口其他車輛帶來的影響，使其對正常交通秩序的干擾降到最低。

2.3 在公交優(yōu)先的通行的交叉口進行預先信號設置

在公交優(yōu)先的通行的交叉口，預先信號控制的方法是：在交叉口處進口道的通行區(qū)域內(nèi)，設置前后兩條停車線，通過在一根停車線上設置預先信號，來控制社會車輛的通行，即社會車輛在預先信號控制的候駛區(qū)內(nèi)進行排隊等待，而公交車可以通過公交車輛專用道路，直接進入到主信號控制的，前一根停車線之后的候駛區(qū)內(nèi)進行排隊等待，這樣就可確保紅燈期間內(nèi)到達的公交車輛總是在社會車輛的前面進行排隊等待，其目的是：提供優(yōu)先通行權給公交車，以減少公交車在交叉路口時的延誤。為了避免社會車輛干擾公交車輛進入候駛區(qū)內(nèi)，無論直行，左轉(zhuǎn)，還是右轉(zhuǎn)進口道上必須設置預信號控制，都必須有公交車輛進入其候駛區(qū)的專用通道。如果路段有公交車專用道時，可將其延伸到公交候駛區(qū)；如果路段沒有設置公交專用道時，可在進口道的一段設置公公交通專用進口道。為提高交叉口的利用效率，應該在左直右三個方向中，選擇公交車到達率最高的方向，來設置預信號控制。在道路和交通條件都許可的情況下，可同時在左直右三個進口方向設置預信號控制。為確保公交候駛區(qū)內(nèi)能夠得到充分的利用，公交車進入候駛區(qū)內(nèi)必須遵循如下的?？恳?guī)則：當主信號的紅燈亮時，先到的公交車必須進入內(nèi)側(cè)進口道路進行?？?，在內(nèi)側(cè)進口道已沒有停靠空間時，才能停靠次內(nèi)側(cè)進口道，并以此類推。假如不按照上述?？恳?guī)則，先到的公交車輛會占滿外側(cè)進口道，后到的公交車將不能進入內(nèi)側(cè)的進口道，使得公交候駛區(qū)不能得到充分地利用。

3 公交信號優(yōu)先的應用

3.1 國外公交優(yōu)先信號控制系統(tǒng)的應用

歐美是全世界最早實行公交優(yōu)先的地區(qū)，通過對先進設備的加以利用，很好的將公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)引入到道路上。其中做的最好的當屬德國和英國。

德國城市均采用公交信號優(yōu)先，除了在一小段與軌道交通平交的路段會根據(jù)當時道路狀況給予軌道交通信號優(yōu)先，但是這樣的情況并不多見。在主次干道上設置公交車輛的專用通道，并為公交車輛單設信號傳感設備，在交叉口處傳感，設定紅綠燈的設置，確保公交車輛的優(yōu)先通行。這種車輛的自動控制設備與交通控制中心互相分離，大大減少了公交車輛在道路交叉口處的等待的時間，極大的提高了公交車輛的運行的效率和準點率。

英國倫敦的交通管理部門，采用電子監(jiān)視的技術，對一些繁忙的路段進行監(jiān)控，并且隨時根據(jù)前方路段的交通情況，提前向駕駛員們發(fā)出信息，建議駕駛員們降低車速，或改換其它的車道，不斷監(jiān)測路段的車流的情況，并向駕駛員傳遞路況信息。駕駛員還可以憑著它，改變市內(nèi)57個交通要道口的信號燈，從而使“公交優(yōu)先”策略真正地落到實處。

3.2 國內(nèi)公交優(yōu)先信號控制系統(tǒng)的應用

通過對國外一些先進信號控制系統(tǒng)的學習和借鑒，我國不少城市也發(fā)展出了適合自身城市道路建設的信號控制系統(tǒng)。

（1）常州

2007年5月23日，《常州市快速公交BRT（一號線）工程可行性研究報告》，通過了專家組的審評，并于2007年5月24日全線動工，在2008年1月1日開通運營。全長約23.77km，共設26個站點（不包括首末站）。常州公交優(yōu)先技術包括實現(xiàn)公交車在空間和時間同行權上的優(yōu)先。在空間上優(yōu)先，可以通過設置公交車專用道，或者部分鋸齒形公交優(yōu)先進口道來實現(xiàn)；在時間上的優(yōu)先，也就是信號優(yōu)先，可以利用先進的通信與信息技術、控制技術、計算機技術，通過智能信號控制器，應用一套公交優(yōu)先的智能控制策略來實現(xiàn)。常州公交，在9個路段、31個十字路口，使用了線控以及單點感應的控制方式，當公交車離路口少于80米時，切割感應線圈，申請“綠燈延長”的請求，才能夠得到批準，綠燈會延長5-8秒。當公交車輛申請“紅燈早斷”時，信號優(yōu)先程序，必須考慮行人能否安全穿過馬路，以及只有在紅燈的最后10秒內(nèi)，才能批準優(yōu)先的請求?？傮w上既能使公交的信號優(yōu)先，又可以兼顧總體公共交通的效益。

（2）南京

為了合理引導市民公交出行，江蘇省南京市交通運輸局在青奧會前將在有條件的路口實施公交信號優(yōu)先，保障公交車快速通過。據(jù)了解，在南京青奧會之前，南京力爭主城區(qū)公共交通出行分攤率達到44%，年底將達到46%。為了保障這一目標的實現(xiàn)，南京公交專用道路將由188公里增加到230公里。在優(yōu)先發(fā)展公交專用道的同時，南京將啟用公交信號優(yōu)先系統(tǒng)。青奧會前，在南京市河西地區(qū)的公交專用道路口，將能夠率先建成公交信號優(yōu)先系統(tǒng)，根據(jù)公交車達到路口的調(diào)整信號燈，勁量減少公交車在十字交叉路口的等待時間。從2015年開始，南京公交信號優(yōu)先系統(tǒng)將在有條件的公交專用道上逐一推廣。

（3）上海

上海在2015年內(nèi)試點公交信號優(yōu)先，上海城市公共交通的“十二五”規(guī)劃已經(jīng)提出，將在上海“三縱三橫”的主干道上研究，并試點公交車通行“信號優(yōu)先”策略。據(jù)介紹，在“信號優(yōu)先”策略下，在公交車接近十字路口100米遠時，路口的信號燈就會收到公交車發(fā)出的指令。加入此時正好是紅燈的話，系統(tǒng)將提前10秒把紅燈切換成綠燈，確保公交車不停車而且直接地通行。

4 結(jié)論

公交信號優(yōu)先控制的目的是：減少車輛在交叉口處的延誤，雖然從車輛上乘客的角度上來看，每個交叉口可能只節(jié)約了30秒左右，但是從基本公交車客運量大的特點上來看，一輛滿載乘客的公交車和一輛小轎車在交叉口的延誤是不等價的。所以，讓公共交通在交叉口時，信號上具有優(yōu)先權，將會極大的減少人均的延誤。據(jù)統(tǒng)計表明，假如不在道路交叉口時，信號控制策略中體現(xiàn)公交優(yōu)先策略的話，那么即使有公交優(yōu)先道路，它所節(jié)省的時間也是十分有限的。上海作為一個國際化的大都市，公共交通問題日益突出，所以更應該貫徹公交優(yōu)先政策、做好公交信號優(yōu)先控制策略，將信號優(yōu)先控制策略的落實到實處，那么終有一天，上海的交通狀況會得到極大的改觀。