綠波協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先信號控制算法研究

王保菊 景澤濤 李保民

摘 ?要：文章研究了公交優(yōu)先策略對協(xié)調(diào)干線及公交車輛通行效率的影響，建立了上下游交叉口綜合延誤模型。采用公交相位紅燈早斷、綠燈延長的策略，以上下游交叉口綜合延誤模型為優(yōu)化目標，保障上游交叉口公交車輛通行的同時，盡量降低對下游交叉口及綠波協(xié)調(diào)干線的不利影響。對通州區(qū)運河西大街的相鄰交叉口進行了調(diào)查，采用VISSIM進行了實例仿真。

關(guān)鍵詞：交通控制;綠波協(xié)調(diào);公交優(yōu)先;紅燈早斷;綠燈延長;VISSIM

中圖分類號：TP391.9;U491 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0035-04

Abstract： The paper studies the impact of bus priority strategy on the traffic efficiency of coordinated trunk lines and bus vehicles， and stablishes a comprehensive delay model of upstream and downstream intersections， adopts the strategy of red light early break and green light extension， takes comprehensive delay model of upstream and downstream intersections as the optimization objectives. The model ensures traffic efficiency of public transport vehicles and minimize the adverse impacts on downstream intersection and green-wave coordination trunk lines， investigates the adjacent intersection of yunhe west street in tongzhou district. It is validated by VISSIM simulation.

Keywords： traffic control; green-wave coordination; transit priority; red truncation; green extension; VISSIM

0 ?引 ?言

在城市交通控制中，綠波協(xié)調(diào)控制是一種常用的交通控制方式，在選定的交通干線上，規(guī)定好當前路段的車輛行駛速度，信號機根據(jù)干線的距離，調(diào)整優(yōu)化車流經(jīng)過干線相關(guān)交叉口的綠燈起始時間，確保車輛到達干線上每個交叉口時，正好遇到“綠燈”[1]。綠波協(xié)調(diào)控制一般是為確保特定交通流的順暢通行，會對其他車流的通行產(chǎn)生不利的影響，在綠波協(xié)調(diào)控制時，通常是通過社會車流來優(yōu)化相位差和綠波帶寬度[2]。

我國城市化進程不斷加快，城市道路面積、人均道路面積也在不斷增加，但是仍解決不了城市機動車數(shù)量快速增長引起的供需矛盾，城市交通擁堵問題越來越嚴重，公共交通的大力發(fā)展可以在一定程度上緩解城市交通的擁堵現(xiàn)狀。公交車輛可以在一定程度上提升交通道路資源利用率[3]。公交車輛是城市交通中的特殊車流，公交相位綠燈延長和紅燈早斷策略的公交優(yōu)先控制會對協(xié)調(diào)干線的綠波控制造成不利的破壞[4]。為研究對上游交叉口采用公交優(yōu)先策略是否對下游交叉口帶來不利影響，本文創(chuàng)建上下游交叉口綜合延誤模型，以此模型為優(yōu)化目標，對上游交叉口的公交優(yōu)先策略優(yōu)化時間進行計算，充分保障相鄰交叉口通行車輛的權(quán)益。

1 ?綠波協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先控制目標優(yōu)化

1.1 ?公交優(yōu)先綜合延誤模型的建立

1.1.1 ?上游交叉口車輛的延誤

根據(jù)韋伯斯特延誤模型計算，公式為：

1.1.2 ?下游交叉口產(chǎn)生的車輛延誤

采用徐伯寅等人提出的模型[5]。分析相鄰的兩個交叉口車輛在下游交叉口產(chǎn)生的車輛延誤，交叉口的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

設(shè)定：交叉口X和交叉口Y的距離：L，交叉口X與交叉口Y路段間車速：v，干線信號周期：C，交叉口X和交叉口Y間的相位差：φ，上行方向的車流量：q。

對到達上游交叉口X的公交車輛實施紅燈早斷策略，經(jīng)過X的車輛到Y(jié)時， Y的綠燈未啟動而受阻。如圖2所示。通過上游交叉口的車輛從X到Y(jié)的時間為L/v ，車輛在Y等待時間設(shè)為τ上，則有：

式中：

C：公共周期時長;

di：上游交叉口的第i相位車輛平均延誤;

qi：上游交叉口第i相位車輛到達率;

q：上行方向車流量;

μ：交叉口在綠燈時間內(nèi)的最大通行能力;

φ：交叉口X與交叉口Y的相位差;

L：交叉口X到交叉口Y的距離;

v：干線上車輛的行駛速度;

λ1、λ2為權(quán)重系數(shù)。

1.2 ?公交優(yōu)先策略的選擇

本文采用兩種公交優(yōu)先信號控制策略：公交相位紅燈早斷、公交相位綠燈延長，根據(jù)不同的情況對兩種控制策略進行研究。綠波協(xié)調(diào)下的時距圖如圖3所示。

1.2.1 ?紅燈早斷策略

1.2.1.1 ?無社會車輛排隊的情況

當公交車輛到達上游路口的檢測裝置，公交車輛行駛方向的信號燈為紅色，且車輛到達路口停車線時信號燈為紅燈且停車線沒有其他車輛，此時采用采用紅燈早斷策略。早斷時間?Rt可根據(jù)交叉口人均延誤模型計算，使公交車輛快速通過交叉口。

1.2.1.2 ?有社會車輛排隊的情況

當公交車輛到達上游路口的檢測裝置，公交車輛行駛方向的信號燈為紅色，且車輛到達路口停車線時信號燈為紅燈且停車線上有其他車輛等候，此時采用紅燈早斷策略，早斷時間?Rt可根據(jù)交叉口人均延誤模型計算。

若?Rt≤t3，上游路口采用公交信號優(yōu)先策略通行的車輛對下游交叉口不產(chǎn)生影響，此種情況可以對上游交叉口可采用公交相位紅燈早斷策略，早斷時間為?Rt。

若?Rt>t3，上游路口采用公交信號優(yōu)先策略通行的車輛對下游交叉口會帶來影響，此種情況紅燈早斷時間采用上下游交叉口綜合效益模型（9）計算，保證協(xié)調(diào)干線的綜合效益。紅燈早斷策略時距示意如圖4所示。

1.2.2 ?綠燈延長策略

1.2.2.1 ?無社會車輛排隊情況

當公交車輛到達上游路口的檢測裝置，公交車輛行駛方向的信號燈為綠色，但是公交車到達停車線時信號燈變成紅色且停車線沒有其他車輛，此時 采用綠燈延長策略。延長時間?Rt依據(jù)交叉口人均延誤模型計算，減少公交車輛交叉口等待時間。

1.2.2.2 ?有社會車輛排隊情況

當公交車輛到達上游路口的檢測裝置，公交車輛行駛方向的信號燈為綠色，但是公交車到達停車線時信號燈為紅色且停車線前有其他車輛。此時采用綠燈延長策略，延長時間?Rt 可根據(jù)交叉口人均延誤模型計算。

若?Rt+t1≤t2，上游路口的公交信號優(yōu)先策略放行的車輛不影響下游路口，此時可采用公交相位綠燈延長策略，延長時間為?Rt。

若?Rt+t1>t2，上游交叉口的公交信號優(yōu)先策略放行的車輛會影響下游路口，為了降低影響，綠燈延長時間采用上下游交叉口綜合效益模型（9）計算。綠波協(xié)調(diào)下綠燈延長策略時距示意如圖5所示。

2 ?實例仿真驗證

2.1 ?綠波協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先方案設(shè)計

選擇北京市通州區(qū)的運河西大街進行方案設(shè)計，選取運河西大街—玉橋西路、運河西大街—玉橋中路兩個交叉口作為仿真對象，通過實地調(diào)查，該路段的示意圖如圖6所示。

運河西大街—玉橋西路交叉口四個相位分別是：南北向直行、東西向直行、南北向左轉(zhuǎn)、東西向左轉(zhuǎn)運河西大街—玉橋中路交叉口的三個相位分別是：東西向直行、東西向左轉(zhuǎn)、南北向直行和左轉(zhuǎn)。

根據(jù)實地調(diào)查情況，采用公共周期選取辦法，協(xié)調(diào)干線各個路口的公共周期為160 s，該路段車輛行駛速度設(shè)定為40 km/h，兩個交叉口的配時方案如表1所示。

運河西大街VISSIM仿真界面如圖7所示。

目標函數(shù)為上下游交叉口綜合延誤模型，通過遺傳算法的選擇、交叉、變異等一系列的操作優(yōu)化計算出交叉口的公交相位的紅燈早斷綠時間或綠燈延長時間。兩個交叉口公交相位的最大綠燈時間、最小綠燈時間及遺傳算法優(yōu)化完的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

2.2 ?VISSIM仿真評價輸出

將優(yōu)化配時參數(shù)輸入到運河西大街兩個相鄰交叉口的VAP模塊，通過對協(xié)調(diào)干線有公交信號優(yōu)先與無公交信號優(yōu)先時干線的控制效益的比較，驗證本文創(chuàng)建的上下游交叉口綜合延誤模型的有效性。仿真輸出結(jié)果如表3所示。

通過對仿真數(shù)據(jù)的分析可以看出：對仿真的相鄰路口公交相位采用公交優(yōu)先控制，上下游交叉口綜合車均延誤有效降低，由基礎(chǔ)配時的40.8 s降為37.8 s，降幅為7.4%;上游交叉口車均延誤由基礎(chǔ)配時的45.2 s降為39.7 s，降幅為12.1%，降幅比較大，有效的減少了上游交叉口的車均延誤;下游交叉口的車均延誤由基礎(chǔ)配時的30.6 s增長為31.9 s，增幅為4.2%，增幅不大。

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出：下游交叉口的車均延誤增加，但提高了協(xié)調(diào)干線各路口的總體權(quán)益，上下游交叉口的綜合車均延誤降低，減少了乘客的等待時間，快速通過協(xié)調(diào)干線上各個交叉口。經(jīng)過對協(xié)調(diào)干線有、無公交信號優(yōu)先時干線的控制效益的對比，驗證了本文建立的上下游交叉口綜合延誤模型的有效性。

3 ? 結(jié) ?論

綠波協(xié)調(diào)下公交優(yōu)先信號控制方法可以有效地降低公交車輛的延誤，提升車輛在協(xié)調(diào)干線上的運行效率。但是，公交優(yōu)先策略會影響綠波協(xié)調(diào)控制及下游交叉口的車輛延誤時間，為了有效地降低公交優(yōu)先策略帶來的不利影響，本文提出了上下游交叉口綜合延誤模型，可應用于協(xié)調(diào)干線上的相鄰交叉口。通過VISSIM仿真結(jié)果可以看出，本文建立的上下游交叉口綜合延誤模型，在保證公交車輛優(yōu)先通行的情況下，也保證上下游交叉口社會車輛的綜合通行效率。

參考文獻：

[1] 張衛(wèi)華，陸化普，石琴等.公交優(yōu)先的信號交叉口配時優(yōu)化方法 [J].交通運輸工程學報，2004，4（3）：49-53.

[2] 王殿海，朱慧，別一鳴等.干線公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制方法 [J].東南大學學報：自然科學版，2011，41（4）：859-865.

[3] 馬萬經(jīng)，楊曉光.單點公交優(yōu)先感應控制策略效益分析與仿真驗證 [J].系統(tǒng)仿真學報，2008，20（12）：3309-3313.

[4] 關(guān)偉，申金升，葛芳.公交優(yōu)先的信號控制策略研究 [J].系統(tǒng)工程學報，2001，16（3）：176-180.

[5] 徐伯寅.城市主干道綠波帶控制適用性研究 [D].南京：南京林業(yè)大學，2012.

作者簡介：王保菊（1988—），男，漢族，山東德州人，工程師，碩士研究生，研究方向：智能交通。