基于感應(yīng)信號(hào)的公交優(yōu)先控制策略研究

林麗 朱泳旭 蔡云鵬

摘 要：公共交通是提高城市出行效率，緩解城市擁堵的手段。提高公交車的使用率，要提高公交車輛的服務(wù)水平，最直接有效的方法便是提高公交運(yùn)行效率、減少延誤。本文主要對(duì)公交優(yōu)先感應(yīng)信號(hào)的設(shè)置方法進(jìn)行研究，提出公交車在通過檢測器時(shí)可能遇到的5種情況，然后詳細(xì)分析了3種優(yōu)先方式的基礎(chǔ)，對(duì)感應(yīng)線圈的布設(shè)位置進(jìn)行探討與建模，以此達(dá)到既能實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先，又能滿足盡量減少對(duì)其余社會(huì)車輛影響的要求。最后結(jié)合VISSIM，綠燈延長模型進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?。結(jié)果顯示，綠燈延長能夠緩解交叉口的擁堵，并提高了交叉口的通行效率。

關(guān)鍵詞：公共交通;公交優(yōu)先;公交專用道;感應(yīng)信號(hào)控制

中圖分類號(hào)：U491.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2018）06-0062-05

Research on Bus Priority Control Strategy Based on Inductive Signal

LIN Li， ZHU Yongxu， CAI Yunpeng

（College of Automotive and Transportation Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

Abstract：Public transportation is a means of improving the efficiency of urban travel and alleviating urban congestion. To improve the utilization rate of buses， the most direct and effective way to improve the service level of public transportation vehicles is to improve the efficiency of public transportation operations and reduce delays. This paper mainly studies the setting method of bus priority sensing signal， and proposes five situations that the bus may encounter when passing the detector. Then it analyzes the basis of three priority modes in detail， and discusses the location of the induction coil. It can achieve the priority of public transport， and meet the requirements of minimizing the impact on the rest of the social vehicles. Finally， combined with VISSIM， the green light extension model is simulated to verify the validity of the model. The results show that the green light extension can alleviate the congestion at the intersection and improve the traffic efficiency of the intersection.

Keywords：Public transit; bus priority; bus lane; induction signal control

0 引言

交通擁堵是目前城市發(fā)展的通病，緩解擁堵成為城市需要解決的首要問題。發(fā)展大運(yùn)量的公共交通出行方式是緩解擁堵的重要辦法，并且隨著“公交優(yōu)先”發(fā)展政策的提出，公交發(fā)展成為城市優(yōu)先發(fā)展的目標(biāo)。公交專用道、BRT等相繼建設(shè)，卻很少能夠做到真正的公交優(yōu)先。當(dāng)遇到交叉口時(shí)，公交車與社會(huì)車輛共同等待，所以在信號(hào)優(yōu)先才能真正做到公交優(yōu)先，減少公交的延誤。

在對(duì)公交信號(hào)的研究中，雙層規(guī)劃模型優(yōu)化了交叉口與下游優(yōu)先公交站臺(tái)乘客的排隊(duì)延誤，與單一的規(guī)劃模型相比，減少了車輛通行效益的損失[1]。對(duì)干線公交進(jìn)行研究時(shí)，設(shè)置檢測器并結(jié)合VISSIM，在同一時(shí)間段內(nèi)，公交車流量越小，干線公交優(yōu)先控制效益越明顯;在同一公交車流量下，交叉口較低、較高流量比中等流量干線公交優(yōu)先效益明顯[2]。應(yīng)用遺傳算法，分析人均延誤、相位清空可靠度、周期時(shí)長及車輛到達(dá)率的方差之間的關(guān)系[3]。當(dāng)交叉口擁堵或過飽和時(shí)，利用模糊控制方法，確定排隊(duì)公交車的優(yōu)先策略，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)的協(xié)調(diào)[4-6]。

為了控制信號(hào)，在公交車到達(dá)交叉口之前設(shè)置檢測器，而國外對(duì)于車輛檢測器數(shù)據(jù)的應(yīng)用較為深入，主要有SCOOT、SCATS等。以SCATS系統(tǒng)為例，將檢測器設(shè)置在離進(jìn)口道停車線不遠(yuǎn)處，可檢測出入口的飽和度，并根據(jù)實(shí)際通過交叉口的車輛，確定出信號(hào)周期時(shí)長和各相位的有效綠信比[7]。從SCOOT入手，將其引入GPS中，設(shè)計(jì)出一項(xiàng)新的公交優(yōu)先信號(hào)控制算法，將采集到的車輛定位信息輸入到系統(tǒng)控制邏輯中，主要通過壓縮紅燈和延長綠燈的方式來實(shí)現(xiàn)公交優(yōu)先[8]。對(duì)公交優(yōu)先方面的研究，Der-Horng Lee提出了一種多級(jí)公交優(yōu)先控制方法[9]，多重考慮公交線路重要程度、公交車輛到達(dá)時(shí)刻、載客量和公交站點(diǎn)所處位置等因素，從而提高了單點(diǎn)公交優(yōu)先控制的效果和靈活性。

本文將從感應(yīng)信號(hào)控制出發(fā)，研究公交優(yōu)先的策略。

1 感應(yīng)信號(hào)控制策略分析

公交信號(hào)優(yōu)先可分為主動(dòng)優(yōu)先、被動(dòng)優(yōu)先以及實(shí)時(shí)優(yōu)先。主動(dòng)優(yōu)先包括相位延長、提前激活相位以及公交車輛專用相位;被動(dòng)優(yōu)先包括調(diào)整周期長度、綠燈時(shí)間分配、相位設(shè)計(jì)等;實(shí)時(shí)優(yōu)先包括延誤優(yōu)化、交叉口控制和網(wǎng)絡(luò)控制[10]。本文主要從主動(dòng)優(yōu)先方法研究，且以公交專用道為前提，設(shè)置檢測器，檢測公交車到達(dá)交叉口停車線時(shí)信號(hào)燈的狀態(tài)。

假設(shè)公交車通過檢測器的時(shí)間為t0，觀測此時(shí)公交相位信號(hào)燈的狀態(tài)，公交車到達(dá)停車線的時(shí)間為t1，并觀測此時(shí)信號(hào)燈的狀態(tài)，可以分為以下5種情況：

（1）t0為綠燈，t1時(shí)仍為綠燈，則無需任何信號(hào)控制變動(dòng)。

（2）t0為綠燈，t1時(shí)為紅燈，則需要延長綠燈時(shí)間，保證公交車順利通過交叉口。若在該相位連續(xù)檢測到有公交車到達(dá)，則綠燈信號(hào)時(shí)間繼續(xù)向后延長Δt，直至總綠燈時(shí)長超過最大綠燈時(shí)間，此時(shí)強(qiáng)制切換到下一相位。

（3）t0為紅燈，t1時(shí)為綠燈，則無需任何信號(hào)控制變動(dòng)。

（4）t0為紅燈，t1時(shí)仍為紅燈，且下一相位為公交相位，就需要壓縮紅燈時(shí)間，保證公交車順利通過交叉口。

（5）t0為紅燈，t1時(shí)仍為紅燈，且下一相位不是公交相位，就需要插入一個(gè)公交專用相位，以實(shí)現(xiàn)公交車輛的優(yōu)先通行。

2 感應(yīng)信號(hào)模型建立及求解

公交信號(hào)研究中，有單點(diǎn)公交優(yōu)先控制策略以及考慮綠時(shí)損失均衡的配時(shí)方案[11-15]。本文以四相位信號(hào)為研究對(duì)象，并將公交相位放置于第一相位中，且只有東西或南北方向上設(shè)有公交專用道。在通行能力計(jì)算中，以人為目標(biāo)單位，計(jì)算通行能力增量，求出檢測器布設(shè)的最優(yōu)值。綠燈時(shí)間延長是縮短下一相位的綠燈時(shí)間，而紅燈時(shí)間縮短是縮短上一相位的綠燈時(shí)間，實(shí)施策略上有些相似，所以本文對(duì)第2種以及第5種可以出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析。

假設(shè)當(dāng)公交車輛觸碰到檢測器時(shí)，公交相位剩余綠燈時(shí)長為T，設(shè)檢測器與停車線間距離為l2，交叉口大?。磧赏＼嚲€的距離）為l2，公交車行車速度為v0，則到達(dá)停車線所需時(shí)間為t1 = l1/ v0，通過交叉口需要t2? =? l2? / v0。

2.1 綠燈時(shí)間延長模型建立

公交優(yōu)先綠燈時(shí)間延長策略的控制模式如圖1所示。所需延長的綠燈時(shí)間為t1（t1 + t2 - T），即下一非公交相位需要再等待（t1 + t2 -T）時(shí)長才能通過交叉口。

（1）公交通行能力的增量

式中：為以人為單位的公交車通行能力，人;TC為交叉口信號(hào)周期長度，s;Δt為最終延長綠燈時(shí)間，s;為直行車道前后公交車連續(xù)通過停車線的時(shí)間，s;為直行公交專用車道數(shù);為假設(shè)公交車的載客量，人/輛。

（2）公交相位社會(huì)車輛通行能力變化

式中：為以人為單位的社會(huì)車輛通行能力，人;為第i個(gè)直行車道社會(huì)車輛連續(xù)通過停車線的時(shí)間間隔，s;Pc為假設(shè)社會(huì)車輛的載客量，人/輛。

（3）非公交相位社會(huì)車輛通行能力變化

式中：為以人為單位的社會(huì)車輛通行能力，人;為第二相位上第i條左轉(zhuǎn)車道社會(huì)車輛連續(xù)通過停車線的時(shí)間間隔，s。

（4）交叉口整體通行能力變化

（5）約束條件

①在實(shí)行綠燈時(shí)間延長控制時(shí)，下一公交相位綠燈時(shí)長不小于其最小綠燈時(shí)長要求，即g2 - ?t≥g2min。

②公交相位最大綠燈時(shí)長需控制在30 ～ 60 s之間，在一般情況下，綠燈延長時(shí)間不超過周期總時(shí)長的10%，即?t≤10%TC。

（6）檢測器位置求解

通過約束條件，可以推導(dǎo)出：

假設(shè)公交車在通過檢測器后，信號(hào)燈就變成紅燈，那么T = 0。此時(shí)需要延長的綠燈時(shí)間最大，滿足此種情況時(shí)，則可以滿足其他任何情況。根據(jù)公式（5）可以得出t1的取值范圍為，得到檢測器距離停車線的最優(yōu)位置為：

2.2 相位插入模型建立

公交優(yōu)先相位插入策略的控制模式如圖2所示。需要插入的公交相位時(shí)間為（t1 + t2）。在插入公交相位時(shí)，一般需在執(zhí)行完當(dāng)前相位的最小綠燈時(shí)長后，因此當(dāng)前公交相位有效綠燈時(shí)間減少了（g0 - g0min），而剩余的綠燈時(shí)間需要壓縮下一相位的有效綠燈時(shí)間，需要壓縮的綠燈時(shí)間為（t1+ t2 - g0 + g0min）。

（1）公交通行能力及公交相位社會(huì)車輛通行能力變化

公交通行能力增量按公式（1），公交相位社會(huì)車輛通行能力變化按公式（2），其中。

（2）當(dāng)前相位社會(huì)車輛通行能力變化

式中：為受到公交優(yōu)先相位的影響，當(dāng)前相位第i進(jìn)口道社會(huì)車輛通行能力的減少量;為當(dāng)前相位第i條左轉(zhuǎn)車輛相鄰社會(huì)車輛連續(xù)通過停車線的時(shí)間間隔，s。

（3）下一相位社會(huì)車輛通行能力變化

（4）交叉口整體通行能力變化

（5）檢測器位置求解

根據(jù)之前提到的約束條件，最短綠燈時(shí)間應(yīng)滿足：Δt - （g0 - g0min）≤ g1 - g1min（g1為下一周期公交相位綠燈時(shí)間），可以得到（ g1 - g1min ）+ （g0-g0min）≤20%TC =? t1≤20%TC - t2

由此求得檢測器距離停車線的最大距離為：

l1 = vx（ 20% TC - T2 ）。

3 對(duì)綠燈時(shí)間延長策略進(jìn)行仿真檢驗(yàn)

根據(jù)對(duì)現(xiàn)狀交叉口數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查，東西方向設(shè)有公交專用道，交叉口東西向距離為50 m，公交車通過交叉口的行駛速度為6.7 m/s，平均車頭時(shí)距3.5 s，直行社會(huì)車輛通過交叉口的行駛速度為9.8 m/s，平均車頭時(shí)距為2.6 s，左轉(zhuǎn)社會(huì)車輛通過交叉口的行駛速度為7 m/s，平均車頭時(shí)距為3.3 s。各相位信號(hào)配時(shí)見表1。

根據(jù)計(jì)算得出結(jié)果，檢測器布設(shè)在離停車線35 m處，綠燈延長時(shí)間為5 s。假設(shè)公交車平均載客量為20 人/輛，社會(huì)車輛平均載客量為2.5人/輛，由此計(jì)算得第一相位公交車輛及相關(guān)相位社會(huì)車輛通行能力效益增值見表2。

由此可見，將本文提出的檢測器位置模型應(yīng)用于公交優(yōu)先控制策略后，整體交叉口以車輛為單位和以人為單位的通行能力均有所增加，即公交優(yōu)先設(shè)置方式下的通行能力效益目標(biāo)函數(shù)值大于零，因此理論上該模型確定的檢測器設(shè)置距離可行。

對(duì)交叉口延誤的計(jì)算，是分析方案是否有效的一種手段，得到該策略的可行性[16-18]。使用VISSIM對(duì)方案的可行性進(jìn)行仿真，得出車輛的平均延誤，如圖3所示。從圖3中可以看出，東西直行的延誤都有所降低，而東西左轉(zhuǎn)的延誤都所有提高，由于南北通行相位的信號(hào)時(shí)間未發(fā)生變化，延誤并未改變。結(jié)果顯示，總體延誤略有降低，比原先信號(hào)配時(shí)延誤降低了0.14 s。并結(jié)合表2的通行量增益，得到綠燈時(shí)間延長模型是可行的。

結(jié)合以上計(jì)算及仿真測試分析，如圖4所示。檢測器距離模型能實(shí)現(xiàn)公交車輛的優(yōu)先通行，減少公交車在交叉口處的停車等待時(shí)間，提高公交車輛的通行能力，同時(shí)能夠提高與公交處于同一相位的其余社會(huì)車輛的通行能力，但必然也會(huì)給相應(yīng)的其他相位的社會(huì)車輛造成一定的影響。但綜合整體交叉口通行能力來講，基于本文模型下的優(yōu)先措施能滿足在盡量減少對(duì)其余社會(huì)車輛影響的條件下，實(shí)現(xiàn)公交車輛的優(yōu)先通行，實(shí)現(xiàn)整體交叉口以車和以人為單位的通行能力的增加，因此通過本次仿真判定所提出的距離模型具有可行性。

由于相位插入模型中當(dāng)前信號(hào)配時(shí)與下一周期信號(hào)配時(shí)有所不同，無法在VISSIM仿真軟件中進(jìn)行交叉口延誤的計(jì)算，所以本文中未對(duì)該模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 結(jié)論與討論

優(yōu)先發(fā)展公共交通是緩解交通擁堵、減少行車延誤、提高交叉口通行能力、充分體現(xiàn)以人為本的關(guān)鍵。通過對(duì)國內(nèi)外學(xué)者的研究，對(duì)幾種常見的公交優(yōu)先主動(dòng)控制措施，即綠燈延長措施、紅燈縮短措施、插入相位措施進(jìn)行探討。并以整體交叉口（以人為單位）的通行能力變量作為效益指標(biāo)，在以停車線法作為通行能力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，建立實(shí)施各公交優(yōu)先方案下交叉口整體通行能力增量的目標(biāo)函數(shù)，在控制目標(biāo)函數(shù)值最大的前提下，求得應(yīng)給予公交車輛的優(yōu)先綠燈時(shí)長，從而確定公交車輛檢測器的最優(yōu)布設(shè)位置模型。結(jié)合VISSIM軟件，對(duì)提出的公交優(yōu)先的感應(yīng)信號(hào)控制進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果顯示：綠燈時(shí)間延長策略具有可行性，并且總體延誤有略微的減少，提高交叉口的通行能力。

由于只考慮了東西向有公交專用道的情況，若兩條主干道相交，且四個(gè)方向都有公交專用道，那么需要考慮的因素更多，這也將作為后續(xù)研究的方向。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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