有軌電車平交道口信號優(yōu)先控制

溫曉文

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000）

1 沈陽渾南有軌電車的概述

與常規(guī)公交相比，有軌電車無論是從車輛特點(diǎn)還是從運(yùn)行模式上都有其特殊性。首先有軌電車采用輪軌導(dǎo)向，具有一定的路權(quán)，雖然與道路交通同在一個(gè)平面運(yùn)行，但是擁有固定的走行路線，不會像社會車輛那樣靈活，可以避讓其他車輛；其次，有軌電車是由控制中心集中控制，有獨(dú)立的列車運(yùn)行圖，車輛的停車及發(fā)車都必須按列車運(yùn)行圖的時(shí)間來運(yùn)行，因此在交叉口前停車容易造成列車運(yùn)行圖的偏移，而且有軌電車加速及制動(dòng)都較慢，一旦在道口處經(jīng)停后啟動(dòng)較慢，需要經(jīng)過長時(shí)間才能達(dá)到最高速，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了讓車輛運(yùn)行起來更為平穩(wěn)，不僅使乘客感到舒服同時(shí)還能增加安全性，但速度較慢會延誤一定時(shí)間，所以在平交道口設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避開紅燈。

2 有軌電車信號優(yōu)先控制系統(tǒng)

現(xiàn)代有軌電車有著一套獨(dú)立的運(yùn)行模式，有固定的發(fā)車時(shí)間及到站時(shí)間，一旦有軌電車發(fā)生延誤，那么對于后續(xù)的列車運(yùn)行會帶來很大的影響。但一味只采取信號優(yōu)先控制又會使平交道口處人均延誤時(shí)間加大，因此需要采取合理的信號優(yōu)先控制策略，或根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)多種策略混合的優(yōu)先方式，既要保證有軌電車的準(zhǔn)點(diǎn)率，又要保證平交道口處其他社會車輛的通行效率。

2.1 被動(dòng)優(yōu)先控制策略

被動(dòng)優(yōu)先控制是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上，通過收集的歷史交通數(shù)據(jù)，對信號周期進(jìn)行重新設(shè)定。優(yōu)化優(yōu)先相位的綠燈時(shí)間、綠信比等參數(shù)，使有軌電車在交叉口遇紅燈的概率降低，或者使有軌電車在交叉口等待時(shí)間減少，根據(jù)車流量的不同，在不同的時(shí)間段內(nèi)設(shè)置不同的時(shí)間配比方案，從而提高優(yōu)先控制的適應(yīng)性。由于常規(guī)公交系統(tǒng)不具備檢測設(shè)備，對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，獲取交通信息無法實(shí)現(xiàn)。除此之外，常規(guī)的道路信號機(jī)沒有接收信息的功能，有軌電車發(fā)出的優(yōu)先請求無法得到回應(yīng)，如果預(yù)先設(shè)定的綠燈時(shí)間內(nèi)沒有電車到達(dá)，那么就會浪費(fèi)掉這段時(shí)間。因此交通流量大且有軌電車車流穩(wěn)定的平交道口更為適用。

2.2 主動(dòng)優(yōu)先控制策略

主動(dòng)優(yōu)先適用于半封閉路權(quán)，在半封閉條件下，有軌電車在行駛區(qū)段享有專用路權(quán)，不受路面交通的影響，而在路口處會與社會車輛有沖突，因此需要在一定約束條件下實(shí)施優(yōu)先策略。與被動(dòng)優(yōu)先控制的區(qū)別在于主動(dòng)優(yōu)先控制需要具備先進(jìn)的檢測技術(shù)，通過在有軌電車車道旁設(shè)置檢測器、利用GPS 對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合傳遞給信號控制系統(tǒng)，信號控制系統(tǒng)對有軌電車位置、速度以及有軌電車長度等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合有軌電車到達(dá)路口時(shí)的相位運(yùn)行情況，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出信號優(yōu)先的配時(shí)方案。盡可能減少或避免有軌電車在平交道口處的等待時(shí)間。通過延長綠燈時(shí)間、提前紅燈時(shí)間、插入相位、跳躍相位、重置相序等措施來減少對社會車流的干擾。根據(jù)實(shí)施過程中的優(yōu)先條件有兩種優(yōu)先策略可以選擇，具體如下：

2.2.1 絕對優(yōu)先控制策略

絕對優(yōu)先控制是指當(dāng)信號控制器檢測到車輛到達(dá)信號后，無論當(dāng)前信號處在什么相位，只要當(dāng)前相位結(jié)束最小綠燈時(shí)間后立即插入有軌電車的綠燈相位，使有軌電車能夠在不停車的狀態(tài)下以規(guī)定的速度通過平交道口或者減少有軌電車在停車線的等候時(shí)間，以達(dá)到減少旅行時(shí)間的目的，當(dāng)檢測裝置檢測到有軌電車離開平交道口后，恢復(fù)到原有的相位。

2.2.2 相對優(yōu)先控制策略

相對優(yōu)先控制是指降低有軌電車在平交道口的優(yōu)先通行權(quán)，有時(shí)需要在平交道口前和其他社會車輛一樣停車等待。需要提前設(shè)定一個(gè)條件，當(dāng)有軌電車滿足這個(gè)條件，并且能夠提升交叉口的整體效益的前提下，有軌單車才能獲取優(yōu)先通行權(quán)。在信號控制器上提前設(shè)定好優(yōu)先控制策略需要延長或縮點(diǎn)的各個(gè)相位的綠燈時(shí)間點(diǎn)，達(dá)到有軌電車在平交道口優(yōu)先通行的目的，主要策略包括：將有軌電車通行相位紅燈時(shí)間提前斷開、有軌電車通行綠燈時(shí)間適當(dāng)延長、插入有軌電車通行相位。

2.3 實(shí)時(shí)優(yōu)先控制策略

實(shí)時(shí)優(yōu)先控制策略是指利用GPS 和AVL 等先進(jìn)的信息檢測設(shè)備，對軌電車及社會車輛的信息、位置、乘客數(shù)量、運(yùn)行時(shí)刻等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并賦予一定的權(quán)重區(qū)別有軌電車和道路交通車輛。實(shí)時(shí)調(diào)整周期信號、相位方案、相位差綠信比等相關(guān)參數(shù)，在給予有軌電車更高的優(yōu)先權(quán)的同時(shí)也降低了社會車輛受到的影響，使整個(gè)路網(wǎng)的交通效益最大化。由此可見，實(shí)時(shí)優(yōu)先控制機(jī)理比較復(fù)雜，需要較高的技術(shù)，如果真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)優(yōu)先控制還受到諸多條件的限制，所以目前主要還停留在理論研究階段。

通過對上述的平交道口三類信號優(yōu)先控制策略的分析可知，每一種優(yōu)先控制策略都有各自的實(shí)現(xiàn)條件以及適用范圍。當(dāng)處于兩條主干路相交的路口時(shí)，兩條道路都屬于等級較高的路段，在這種交通流量都很大的路口，實(shí)行主動(dòng)優(yōu)先策略反而會加大敵對進(jìn)路的交通壓力，使排隊(duì)車輛增多，部分車輛需要兩個(gè)信號周期才能通過，基于以上情況，采取被動(dòng)優(yōu)先的方式更為合適；當(dāng)處于主干路與次干路的交叉路口時(shí)，有軌電車位于主干路，主干路的交通量稍大于次干路，并且存在一定的波動(dòng)性，飽和度低，在這種情況下，采取主動(dòng)優(yōu)先的策略可以達(dá)到很好的控制效果，所以相對優(yōu)先控制更適用于主干路和次干路交叉口；而實(shí)時(shí)優(yōu)先控制在各種交叉口中都能達(dá)到很好的控制效果。

3 平交道口有軌電車信號優(yōu)先控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

有軌電車的主動(dòng)優(yōu)先控制是指利用在線路中布設(shè)的檢測裝置，通過向信號控制系統(tǒng)發(fā)送車輛的位置，速度等相關(guān)信息，信號控制系統(tǒng)將接收到的車輛信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，計(jì)算出有軌電車到達(dá)路口的相位時(shí)間以及通過路口時(shí)的相位時(shí)間，并將有軌電車的信號插入道路交通信號當(dāng)中，保證有軌電車可以在平交道口優(yōu)先通過。這種優(yōu)先控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在于，利用了先進(jìn)的檢測系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地知道車輛的相關(guān)信息。通過相關(guān)信息加以計(jì)算，計(jì)算出通過路口的最短綠燈時(shí)間插入。這種方式既可避免采取被動(dòng)優(yōu)先時(shí)出現(xiàn)的綠燈信號的損失，也可以減少社會車輛的延誤，是目前采用最多的一種優(yōu)先控制方式，有著廣泛的發(fā)展前景。有軌電車與社會車輛的到達(dá)率是主動(dòng)優(yōu)先控制首要考慮的因素，綠燈時(shí)間延長和提前切斷紅燈時(shí)間是主動(dòng)優(yōu)先最常用的控制方式。

而另外兩種方式：插入相位法和分割相位法雖然也可以保證有軌電車的優(yōu)先通行，但是這兩種方法會使信號相位的優(yōu)先順序發(fā)生改變，使后續(xù)的信號相位發(fā)生錯(cuò)亂，這對列車運(yùn)行存在較大的安全隱患。因此，采用不會改變相位順序的綠燈延長法和紅燈早斷法會更加穩(wěn)定。

3.1 駛離停車線時(shí)間估計(jì)

當(dāng)檢測器檢測到有軌電車位置時(shí)，信號控制器隨即開始響應(yīng)。假設(shè)在t時(shí)刻，令檢測器1 檢測到的有軌電車車輛數(shù)為q1，檢測器2 檢測到有軌電車車輛數(shù)為q2，那么有軌電車的排隊(duì)長度即為：

當(dāng)有軌電車到達(dá)第一個(gè)檢測器時(shí)，路口信號燈的顯示顏色會有不同，那么有軌電車離開停車線的時(shí)間也同樣不同。下面主要針對有軌電車到達(dá)路口的不同時(shí)間段進(jìn)行討論。

當(dāng)有軌電車通過第一個(gè)檢測器時(shí)，優(yōu)先相位顯示綠燈，則剩下的綠燈時(shí)間內(nèi)通過的車輛數(shù)為：

其中：

tEG為優(yōu)先相位實(shí)際綠燈時(shí)間。

tEG-pass為優(yōu)先相位未通過綠燈時(shí)間。

H 為有軌電車平均車頭時(shí)距。

若檢測在路口信號剩余的綠燈時(shí)間內(nèi)，有軌電車車輛可以全部通過平交道口，即qEG-pass≥qL，則有軌電車離開交叉口停車線的時(shí)間為：

若檢測到有軌電車車輛不能在剩余綠燈時(shí)間內(nèi)通過，即：qEG-pass＞qL，則有軌電車離開交叉口的時(shí)間為：

當(dāng)有軌電車通過第一個(gè)檢測器時(shí)，優(yōu)先相位顯示紅燈。

假設(shè)在正常信號配時(shí)方案中，優(yōu)先相位的綠燈時(shí)間內(nèi)可通過的最多有軌電車車輛數(shù)即為：

在優(yōu)先相位顯示紅燈的情況下，若qL≤qEG，有軌電車可以在下一個(gè)綠燈通過，其駛離停車線的時(shí)間為：

若qL＞qEG，則意味著有軌電車不能在下一個(gè)綠燈時(shí)間內(nèi)全部通過。其離開平交道口的時(shí)間為：

3.2 到達(dá)下一站點(diǎn)時(shí)間估計(jì)

有軌電車通過交叉口后仍以正常行駛速度行駛至下個(gè)站點(diǎn)，到達(dá)下一個(gè)站點(diǎn)的時(shí)間為：

其中：

Ls為交叉口橫向?qū)挾取?/p>

LB為交叉口與下一個(gè)站點(diǎn)的距離。

V為有軌電車正常行駛速度。

3.3 車頭時(shí)距估計(jì)

估算兩有軌電車間的車頭時(shí)距需要同線路上上一輛有軌電車的到達(dá)時(shí)間設(shè)為tpre-3，則該時(shí)段車頭時(shí)距表示為：

3.4 發(fā)車頻率偏移度

信號優(yōu)先主要采用相對優(yōu)先而非絕對優(yōu)先，是否實(shí)施優(yōu)先方案通過計(jì)算出發(fā)車輛頻率的偏移度θ來進(jìn)行判斷。

其中：Tpain為計(jì)劃發(fā)車頻率。

設(shè)置一個(gè)臨界值ε：

若θ≤ε，則表示有軌電車偏移量在可接受范圍內(nèi)，不需要采取任何優(yōu)先措施。

若θ＞ε，則表示發(fā)車頻率偏移度超過可接受范圍，為了不影響列車的正常運(yùn)行方案，需要實(shí)施有軌電車的信號優(yōu)先策略。

3.5 有軌電車的延誤

設(shè)有D 為有軌電車在平交道口產(chǎn)生的延誤，當(dāng)通行時(shí)間T2=HqL時(shí)，有軌電車在交叉路口不產(chǎn)生延誤。

1.若在當(dāng)前綠燈時(shí)間內(nèi)有軌電車可以到達(dá)，但不能在設(shè)定的綠燈時(shí)間內(nèi)全部通過，則會產(chǎn)生車輛的延誤。其在交叉口產(chǎn)生的延誤為：

2.若在信號周期中的紅燈時(shí)間有軌電車到達(dá)，則該列車可以在下一個(gè)綠燈時(shí)間內(nèi)通過，其在交叉口產(chǎn)生的延誤為：

設(shè)置一個(gè)極值Dp當(dāng)D＜Dp時(shí)，有軌電車產(chǎn)生的延誤很小，即使調(diào)整配時(shí)對于車輛配時(shí)的改善也不是很大，所以不需要做出調(diào)整，維持原有配時(shí)方案即可。

3.6 有軌電車主動(dòng)優(yōu)先方法的選擇

信號交叉路口有軌電車主動(dòng)優(yōu)化方法包括延長綠燈時(shí)間、紅燈時(shí)間早斷、插入相位和分割相位四種類型，但是有軌電車車道過多，采用相位插入或分割相位的方法會使偏移量加大，頻繁地轉(zhuǎn)換信號會對機(jī)動(dòng)車和行人造成影響，因此延長綠燈時(shí)間和紅燈時(shí)間早斷這兩種方法更為適用。

3.6.1 綠燈時(shí)間延長

當(dāng)在優(yōu)先相位顯示綠燈時(shí)，當(dāng)θ＞ε且D＞Dp時(shí)，可以延長綠燈時(shí)間。對于后續(xù)車輛的位置需要通過檢測系統(tǒng)再次進(jìn)行檢測，若檢測到后續(xù)有軌電車會在信號延長后的最大綠燈時(shí)間內(nèi)到達(dá)，則可將信號切換至下一個(gè)相位，如果后續(xù)列車到達(dá)時(shí)間不是在最大綠燈時(shí)間內(nèi)，那么需要繼續(xù)進(jìn)行上一步的比較；如果檢測到?jīng)]有后續(xù)列車的到達(dá)，則可直接切換至下一個(gè)相位。

3.6.2 紅燈時(shí)間早斷

當(dāng)有軌電車在交叉口顯示紅燈時(shí)到達(dá)則采取此方法。當(dāng)θ＞ε且D＞Dp時(shí)判斷當(dāng)前相位是否達(dá)到最小綠燈時(shí)間，如果達(dá)到切換下一相位。

當(dāng)θ＞ε且D＞Dp時(shí)，執(zhí)行原有配時(shí)方案。繼續(xù)檢測后續(xù)車輛。

4 結(jié)語

有軌電車作為一種新型的交通模式，為公共交通的發(fā)展帶來了新的選擇，廣泛地被大中小城市所接受。但渾南有軌電車仍然存在運(yùn)營方式的落后以及技術(shù)方面的缺乏。在過去的有軌電車優(yōu)先控制方式中，只是一味地采取公交車的絕對優(yōu)先控制，并沒有結(jié)合有軌電車的運(yùn)行特點(diǎn)、交叉路的集合特征。同時(shí)，現(xiàn)有優(yōu)先控制策略包括主動(dòng)優(yōu)先控制和被動(dòng)優(yōu)先控制，都是以時(shí)間為背景，并沒有準(zhǔn)確地對有軌電車給社會車輛帶來的影響進(jìn)行分析。