基于相位調(diào)整響應時間的現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先控制策略研究

金森元 尤偉軍

摘 要：結(jié)合上海市松江區(qū) T2 線現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先控制實際，從交通信號機控制軟件實現(xiàn)的角度研究現(xiàn)代有軌電車請求優(yōu)先檢測點的位置、優(yōu)先相位的最大綠燈時間，以及交通信號機響應現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先控制的策略，同時介紹位置檢測器出現(xiàn)故障時交通信號機的處理方法。

關鍵詞：城市交通;有軌電車;信號機;相位;響應時間;優(yōu)先控制策略

中圖分類號：U495

現(xiàn)代有軌電車是近年來興起的一種新型城市軌道交通，是介于快速公交系統(tǒng)（BRT）和輕軌之間的中等運量軌道交通系統(tǒng)。與其他城市軌道交通方式相比，其具有舒適度高、低碳環(huán)保、建設靈活度高、成本低、建設周期短等優(yōu)勢。現(xiàn)代有軌電車通常采用半獨立路權(quán)的形式，在平面交叉口處與社會車輛共用路權(quán)，與路面其他交通方式存在交叉和干擾，因此需要接受道路交通信號的控制。為保證交通信號機對現(xiàn)代有軌電車采取優(yōu)先控制的有效性，需要對其請求優(yōu)先的檢測器位置，以及對信號機參數(shù)中優(yōu)先相位的最大綠燈時間和相關相位的最小綠燈時間進行合理配置，使得信號機有足夠的時間調(diào)整相位，保證現(xiàn)代有軌電車不停車并以一定的速度通過路口，同時對路口的社會車輛影響最小。

1 現(xiàn)代有軌電車路權(quán)控制系統(tǒng)概述

現(xiàn)代有軌電車路權(quán)控制系統(tǒng)由運行控制系統(tǒng)和道路交通信號控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。圖中，軌旁數(shù)據(jù)傳輸單元（Wayside Terminal Unit，WTU）用于接收現(xiàn)代有軌電車的位置信息，并將其發(fā)送給可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。PLC用于控制現(xiàn)代有軌電車的信號燈，根據(jù)其運行控制系統(tǒng)和交通信號機的指令控制現(xiàn)代有軌電車信號燈的變化。交通信號機用于控制路口的機動車、非機動車、行人燈組的信號變化，當現(xiàn)代有軌電車將要通過路口時，PLC將其位置發(fā)送給交通信號機，交通信號機根據(jù)其延誤情況或信號控制系統(tǒng)的指令，確定采用何種策略進行放行;同時要保證放行時，交通信號燈的放行相位車流和列車通行沒有沖突。

PLC安裝在每個交叉路口控制現(xiàn)代有軌電車的信號燈，通過485串口和信號機的串口連接，將現(xiàn)代有軌電車的信息發(fā)送給交通信號機，這些信息包括位置信息、速度和延誤情況等。交通信號機根據(jù)這些信息和自身方案運行情況給現(xiàn)代有軌電車發(fā)送是否放行指令。

2 檢測點位置設置及其分析計算

在松江T2線項目中，現(xiàn)代有軌電車的位置檢測器在每個路口有4個（P1～P4），如圖2所示。P1為現(xiàn)代有軌電車發(fā)送優(yōu)先請求的位置。D位置是一個靜態(tài)標識牌，用于提示現(xiàn)代有軌電車的駕駛員，如果在D位置現(xiàn)代有軌電車的信號燈沒有變?yōu)榉判袪顟B(tài)，要減速停車，安全的剎車距離為60 m。P2為交通信號機給現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先請求確認的位置，在理想情況下距路口90m左右，最小應不小于D位置距停車線的距離，即距路口60m。P3為進入檢測器的位置，檢測現(xiàn)代有軌電車是否進入交叉口，可埋設在停車線處。P4為釋放檢測器的位置，檢測現(xiàn)代有軌電車是否已經(jīng)離開路口，由于其長度為35 m，出于安全考慮，P4應設置在離開路口出口處現(xiàn)代有軌電車長度的距離，即35 m處。

2.1 P1——請求優(yōu)先檢測器位置

P1位置是現(xiàn)代有軌電車向交通信號機發(fā)送優(yōu)先請求信號的位置，交通信號機在收到此信號后，應保證通過調(diào)整相位運行時間讓其優(yōu)先通行，而交通信號機調(diào)整相位時為保證交通安全需要一定的調(diào)整時間，因此P1位置比其他檢測器位置更重要。下面討論2種極限情況：①現(xiàn)代有軌電車到達P1位置發(fā)出請求信號時，交通信號機剛好退出其對應的通行相位;②現(xiàn)代有軌電車到達P1點時，交通信號機剛剛進入其對應的通行相位。對于上述2種情況，交通信號機可以及時調(diào)整相位保證現(xiàn)代有軌電車順利通行，其他情況的調(diào)整時間均在這2種情況之間。

以一個標準的四相位路口為例，假定相位A為東西方向直行車輛放行，相位B為東西方向左轉(zhuǎn)車輛放行，相位C為南北方向直行車輛放行，相位D為南北方向左轉(zhuǎn)車輛放行。其中，相位A是T2線現(xiàn)代有軌電車的放行相位。

2.1.1 極限情況1

現(xiàn)代有軌電車放行的相位剛剛進入綠閃狀態(tài)，然后進入黃燈，接著進入下一個相位B;將相位B運行一個最小綠燈時間，結(jié)束相位B還需要經(jīng)過綠閃和黃燈的時間;再重新回到現(xiàn)代有軌電車對應的放行相位A。一般綠閃、黃燈的時間均為3s，相位的最小綠燈時間是相位綠燈必須開啟的最短安全時間，根據(jù)路口大小不同而不同。

如圖3所示，現(xiàn)代有軌電車對應的通行相位為相位A，當其在P1位置請求時，相位A剛剛進入綠閃狀態(tài)，為信號控制安全需要結(jié)束當前相位，需經(jīng)過綠閃時間、黃燈時間，然后進入下一個相位B，運行完相位B的最小綠燈時間，以及相位B的綠閃時間和黃燈時間。因此，交通信號機相位調(diào)整的最大響應時間Tmax為：

Tmax = Tgf + Ty + GNP_min + TNP_gf + TNP_y ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，Tgf為相位A的綠閃時間;Ty為相位A的黃燈時間;GNP_min為相位A相鄰下一個相位（即相位B）的最小綠燈時間;TNP_gf為相位B的綠閃時間;TNP_y為相位B的黃燈時間。

首先假設相位B的最小綠燈時間為20 s，綠閃和黃燈的時間均為3 s，根據(jù)式（1），交通信號機相位調(diào)整的時間為Tmax = 3 + 3 + 20 + 3 + 3 = 32s。然后根據(jù)調(diào)整時間Tmax和現(xiàn)代有軌電車運行的要求，計算P1位置距路口停車線的距離。

如圖4所示，現(xiàn)代有軌電車的正常運行速度Vp = 70km/h = 19.44 m/s，其到達P1位置后發(fā)送優(yōu)先請求，并開始以減速度 （現(xiàn)代有軌電車廠家泰雷茲提供的經(jīng)驗值是VD = -1.1 m/s2）開始減速行駛;現(xiàn)代有軌電車通過路口的最大速度為25 km/h，在到達D位置前速度要降到25 km/h，因此VD = 25 km/h = 6.94 m/s。

P1位置到停車線的最小距離可以用下列公式計算：

式（2）～式（5）中，Smin為P1位置到停車線的最小距離;S1為現(xiàn)代有軌電車從正常運行速度VP減速到通過路口運行速度VD的運行距離;S2為現(xiàn)代有軌電車減速到VD的位置開始運行到D位置的距離;SD為D位置到路口停車線的距離，一般為固定距離60 m;t1為現(xiàn)代有軌電車從正常運行速度VP減速到通過路口運行速度VD所需要的時間。

根據(jù)前面分析，要保證在現(xiàn)代有軌電車到達D位置前交通信號機調(diào)整到其對應相位放行，因此從P1位置到D位置的時間需要Tmax。根據(jù)相位配時，可以求出 Tmax。根據(jù)圖4，可得出Tmax = 32s。

P1位置到路口的最小距離計算過程如下：由式（3）可求得S1 =（6.942-19.442）/（2×（-1.1）） = 149.86 m;由式（4）可求得t1 =（19.44-6.94）/1.1 = 11.36 s;根據(jù)式（5）可求得S2 = 6.94×（32-11.36）= 143.22 m;最后根據(jù)式（2）求得Smin = 149.86 + 143.22 + 60 = 353.08 m。

在實際調(diào)試時，現(xiàn)代有軌電車通過路口的速度一般低于25 km/h，因此可以將P1位置的檢測器安裝在距停車線250～300 m之間的位置。在松江T2線項目中，P1檢測器的位置為距離停車線250 m處。

2.1.2 極限情況 2

現(xiàn)代有軌電車在P1位置時，交通信號機進入對應的通行相位A，并且運行時間小于相位A的最小綠燈時間。在這種情況下，要求交通信號機保持該相位讓其通過，這就要求現(xiàn)代有軌電車對應相位A的最大綠燈時間應該不小于圖5中所示的最小值。

P1位置到D位置的運行時間為式（1）中相位A的最大調(diào)整時間，因此現(xiàn)代有軌電車對應的優(yōu)先相位的最大綠燈時間和距離設置用下式計算。

式（6）～式（7）中，Gmax為現(xiàn)代有軌電車放行相位的最大綠燈時間;Gmin為現(xiàn)代有軌電車放行相位最小綠燈時間;S為D位置到現(xiàn)代有軌電車車尾離開路口的距離;L1為路口寬度;Ltram為現(xiàn)代有軌電車的長度，取35m。

假設現(xiàn)代有軌電車通行方向的路口寬度為40 m，通行相位的最小綠燈時間為20 s，相位調(diào)整的最大時間采用情況1中假定的32 s，根據(jù)式（6）和式（7）計算可得Gmax≥20 + 32 +（60 + 40 + 35）/ 6.94 = 72s。

在實際設置時，根據(jù)路口情況在此計算值的基礎上增加一些余量。

現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先控制時，當其到達P1位置，在上述2種情況下，按照計算的相位最大綠燈時間配置規(guī)則和P1安裝位置，交通信號機通過綠燈延長方式或者跳轉(zhuǎn)相位控制方式可以滿足讓其優(yōu)先通過。

2.2 P2 —— 確認檢測器位置

P2位置是交通信號機發(fā)送給現(xiàn)代有軌電車通行指令的必要條件，交通信號機只有在收到其到達P2位置消息后，同時通行相位已經(jīng)調(diào)整到位，才向其信號控制的PLC發(fā)送放行指令。

由于現(xiàn)代有軌電車制動需要較長的距離，一般為60m左右，因此P2確認檢測器的位置要大于60m。為使現(xiàn)代有軌電車能按25 km/h的速度通過路口，盡量減少剎車，根據(jù)泰雷茲公司的經(jīng)驗和現(xiàn)場實際情況，P2位置應設在離路口停車線90 m處。

2.3 P3 —— 進入檢測器位置

P3位置用于檢測現(xiàn)代有軌電車是否進入交叉口，應埋設在路口停車線處或停車線前2 m處。

2.4 P4 —— 釋放檢測器位置

P4位置用于檢測現(xiàn)代有軌電車是否離開路口，由于其長度為35m，因此P4位置設在距離路口出口35 m處。

3 基于相位調(diào)整響應時間的優(yōu)先控制策略

3.1 控制策略原則

（1）為提高現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先的響應速度，相位的最小綠燈時間應盡量小一些，一般為保證行人安全通過路口的時間即可。

（2）對于一些小路口，路口只有圓形主燈組，同一方向直行和左轉(zhuǎn)車輛沒有分開控制，有軌電車在放行時會與左轉(zhuǎn)或直行的車流產(chǎn)生沖突。針對這樣的路口，為保證安全，當放行現(xiàn)代有軌電車時，應采用路口交通信號燈全紅的控制方式。這也可以認為是一種插入相位的方式，插入的相位是全紅相位。

（3）對于2輛現(xiàn)代有軌電車同時進入路口的情況，交通信號機采用“先到先服務”的原則。交通信號機優(yōu)先讀到的P1位置對應的現(xiàn)代有軌電車，按照上述原則進行處理;處理結(jié)束后，再處理另一輛現(xiàn)代有軌電車的優(yōu)先請求。

3.2 控制策略分類

根據(jù)現(xiàn)代有軌電車提供給交通信號機的延誤等級信息或者上位系統(tǒng)的指令，交通信號機響應其優(yōu)先請求有以下3種控制策略。

3.2.1 絕對優(yōu)先控制策略

對于現(xiàn)代有軌電車嚴重延誤情況，應采取絕對優(yōu)先控制策略用最小綠燈時間結(jié)束當前相位，進入其指定相位并發(fā)送放行指令，一直放行到其發(fā)出P4位置的信號或者超時（超過相位的最大綠燈時間）結(jié)束。

如果現(xiàn)代有軌電車在P1位置發(fā)出請求，交通信號機正運行在其對應的指定相位，則要判斷對應相位已經(jīng)運行的時間與其預計通過路口的時間之和是否大于相位參數(shù)中的最大綠燈時間，如果大于最大綠燈時間，則立即結(jié)束此相位，進入下一個相位，等運行完下一個相位后（下一個相位運行最小綠燈時間），再進入其對應的相位放行，按照前面的分析，可以保證其優(yōu)先通過路口;如果小于最大綠燈時間，則延長本相位，讓其通行。

如果當前運行的方案中不包含現(xiàn)代有軌電車放行的對應相位，則按照當前相位的最小綠燈時間運行完當前相位，然后采用插入相位的方式運行現(xiàn)代有軌電車對應的相位，并且運行到其發(fā)出P4位置信號或者超時結(jié)束。

絕對優(yōu)先控制策略流程如圖6所示。

3.2.2 相對優(yōu)先控制策略

對于一般延誤情況，現(xiàn)代有軌電車采取相對優(yōu)先控制策略。如果當前運行的方案中包含現(xiàn)代有軌電車的對應相位，則交通信號機按照每個相位的最小綠燈時間運行當前方案，一直運行到現(xiàn)代有軌電車的對應相位，給其發(fā)送放行指令，然后一直放行到其發(fā)出P4位置信號或者超時結(jié)束。

現(xiàn)代有軌電車在P1位置請求時，如果交通信號機剛好運行在其對應相位，要判斷此相位已經(jīng)運行的時間與其預計通過路口的時間之和是否大于相位參數(shù)中的最大綠燈時間，如果大于最大綠燈時間，則不授予其優(yōu)先通行權(quán)，等下一個周期再放行（各相位運行最小綠燈時間完成本周期）;如果小于最大綠燈時間，則延長本相位，讓其通行。

如果當前運行的方案中不包含現(xiàn)代有軌電車放行的對應相位，則按照當前相位的最小綠燈時間運行完當前相位，然后采用插入相位的方式運行現(xiàn)代有軌電車的對應相位，并且一直運行到其發(fā)出P4位置信號或者超時結(jié)束。

相對優(yōu)先控制策略流程如圖7所示。

3.2.3 伴隨優(yōu)先控制策略

對于準點和提前到達的現(xiàn)代有軌電車，其優(yōu)先控制采取伴隨策略。如果當前運行的方案中包含現(xiàn)代有軌電車的對應相位，則交通信號機正常運行當前方案，一直運行到其對應的放行相位，然后給其發(fā)送放行指令，并且保持該放行相位一直到其發(fā)出P4位置信號或者超時結(jié)束。

如果現(xiàn)代有軌電車在P1位置請求時，交通信號機運行在其對應的放行相位上，要判斷此相位已經(jīng)運行的時間與其預計通過路口的時間之和是否大于相位參數(shù)中的最大綠燈時間，如果大于最大綠燈時間，則要等到下一個周期再放行現(xiàn)代有軌電車;如果小于最大綠燈時間，則延長本相位，讓其通行。

如果當前運行的方案中不包含現(xiàn)代有軌電車放行的對應相位，則按照方案長度運行完當前相位，然后采取插入相位的方式運行現(xiàn)代有軌電車的對應相位，一直運行到其發(fā)出P4位置信號或者超時結(jié)束。

伴隨優(yōu)先控制策略流程如圖8所示。

3.3 故障處理

在實際運行過程中，現(xiàn)代有軌電車的PLC發(fā)送給交通信號機的位置信息會出現(xiàn)丟失的情況。針對這類情況，交通信號機需采取異常處理的方案，由于P3位置的檢測器主要用于檢測現(xiàn)代有軌電車是否進入路口，并不參與交通信號機的控制，因此主要考察P1、P2和P4位置檢測器檢測信號丟失的異常處理，具體處理如表1所示。

4 工程實證

松江T2線全長約15.342 km，設站20座，沿線經(jīng)過32個路口。在實際運行時，為減少現(xiàn)代有軌電車對機動車通行的影響，交通信號機主要采用相對優(yōu)先和伴隨優(yōu)先的控制策略給其放行。

下面選取一個典型的路口——新松江路/西林北路，對現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先控制的響應時間進行統(tǒng)計分析。該路口是一個三相位路口：相位A為東西方向直行車輛放行（T2線現(xiàn)代有軌電車的放行相位），相位B為東西方向左轉(zhuǎn)車輛放行，相位C為南北方向車輛放行。

交通信號機各相位最大和最小綠燈時間如表2所示。

一天中，有軌電車通過該路口共193次，其中由東向西99次，由西向東94次。交通信號機在收到P1位置請求信號時，開始調(diào)整相位長度響應現(xiàn)代有軌電車。當收到P2位置信號后，根據(jù)調(diào)整是否到位發(fā)送放行指令給現(xiàn)代有軌電車，只有在調(diào)整到其相位時才能發(fā)送放行指令。

交通信號機對接收P1位置請求的時間、收到P1位置請求時所在的相位，以及向現(xiàn)代有軌電車發(fā)出放行指令的響應時間進行了記錄。其中P1位置請求在A相位出現(xiàn)78次，平均響應時間為13.92 s;在B相位出現(xiàn)39次，平均響應時間為31.33 s;在C相位出現(xiàn)76次，平均響應時間為4.3s。P1位置請求在不同相位時交通信號機的響應時間分布如圖 9所示。

由圖9可知：P1位置請求在相位C時，平均響應時間最短;在相位B時，平均響應時間最長。這是由于交通信號機采用相對優(yōu)先和伴隨優(yōu)先的控制策略。當P1位置請求出現(xiàn)在相位B時，交通信號機開始調(diào)整但必須經(jīng)過相位C才能運行到相位A，相位C的最小綠燈時間為34 s。當P1位置請求出現(xiàn)在相位A時，通過延長相位A的綠燈時間響應現(xiàn)代有軌電車，但是有些請求是出現(xiàn)在相位A的綠閃和黃燈階段，這時需要經(jīng)過相位B和相位C才能重新運行到相位A，因此響應時間的最大值出現(xiàn)在P1請求在相位 A 時。

由于實際使用時未采用絕對優(yōu)先控制策略，對圖9數(shù)據(jù)進行模擬絕對優(yōu)先控制策略處理。P1位置請求在相位B的響應時間應減去相位C的最小綠燈時間;對于P1位置請求在相位A結(jié)束時也需減去相位C的最小綠燈時間（如果是伴隨優(yōu)先控制策略，應該減去相位C的方案時間以及相位B的部分時間，為了計算簡便，此處均減去相位C的最小綠燈時間，這樣得到的響應時間要大一些）。模擬絕對優(yōu)先控制策略交通信號機的響應時間分布如圖10所示。由圖可知，響應時間在10 s以下的占比為83.94%，當現(xiàn)代有軌電車發(fā)送位置請求時，如果采用絕對優(yōu)先控制策略，交通信號機基本滿足對其的實時響應。

5 結(jié)語

由于現(xiàn)代有軌電車在通過交叉口時和社會車輛會產(chǎn)生沖突，為保證其運行的速度、運能和準點率，需要采取優(yōu)先控制策略。本文通過對位置檢測器的合理布局，優(yōu)先相位的最大綠燈時間配置，以及交通信號機控制對現(xiàn)代有軌電車優(yōu)先的響應機制，基本可以保證現(xiàn)代有軌電車不停車通過路口。目前，本系統(tǒng)在上海松江T2線項目中已經(jīng)投入使用，達到了項目要求。

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收稿日期 2019-07-18

責任編輯 黨選麗