車路集成環(huán)境下BRT專用道時分復(fù)用的車路協(xié)作方法研究

董紅召，凌 越，劉冬旭，郭明飛

(1.浙江工業(yè)大學(xué)智能交通系統(tǒng)聯(lián)合研究，杭州310014;2.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，杭州310014)

1 前言

快速公交(bus rapid transit，BRT)專用道是BRT高效運行的重要因素，BRT專用道(下面簡稱“專用道”)在無BRT車輛行駛的時間段內(nèi)出現(xiàn)了間歇性閑置。在車路集成環(huán)境支持下，可以通過車輛協(xié)作方式實現(xiàn)在專用道路權(quán)的動態(tài)配置，提高專用道的利用率。

車路集成環(huán)境是指車載信息采集終端和路邊設(shè)備實時通信，構(gòu)建人車路一體的車聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境［1，2］。美國交通部于2005年智能交通白皮書中首先提出車路集成環(huán)境構(gòu)架計劃，隨后加州大學(xué)等研究機構(gòu)展開了智能信息集成、車路無線通信等車路集成環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究［3，4］。

目前國內(nèi)外對于車路協(xié)作及車輛協(xié)作方法在車輛防碰撞和安全預(yù)警等領(lǐng)域研究較多［5］。目前關(guān)于專用道路權(quán)配置問題的研究主要集中在專用道間歇式路權(quán)實現(xiàn)方面，里斯本大學(xué)的 José Viegas等首先提出了間歇式公交優(yōu)先道方法，該方法通過動態(tài)改變普通車道路權(quán)實現(xiàn)公交車輛間歇性獨享路權(quán)［6，7］。之后加州大學(xué)交通研究所 Michael Eichler等人研究采用可變信息板的間歇路權(quán)優(yōu)先公交專用道使用方法［8］。這些方法缺少車輛運行狀態(tài)與道路交通信息，不能生成準(zhǔn)確有效的路權(quán)配置策略，無法實現(xiàn)車輛與道路的動態(tài)協(xié)作。

因此，文章在車路集成環(huán)境下，通過采集車輛及道路實時信息，通過對BRT車輛行程時間和車輛換道協(xié)作時間模型的研究，實現(xiàn)車路協(xié)作支持下的專用道時分復(fù)用。

2 時分復(fù)用車路協(xié)作方法和控制策略

2.1 車路集成環(huán)境下專用道的車路協(xié)作機制

專用道時分復(fù)用方法是在車－路、車－車通信環(huán)境下，根據(jù)BRT車輛的定位信息、行駛路線信息和交通流信息，在專用道閑置時段，通過車輛協(xié)作終端或者專用信號燈來控制社會車輛對專用道的借道使用。

目前BRT車輛獨享專用道的路權(quán)，而專用道的時分復(fù)用方法對專用道路權(quán)劃分了不同的使用等級，BRT車輛使用專用道優(yōu)先權(quán)最高、定義為高路權(quán)等級車輛，普通公交車次之，最后是社會車輛。在專用道時分復(fù)用過程中，當(dāng)高等級路權(quán)的車輛未迫近專用道時，低路權(quán)等級的車輛(除BRT車輛外的“普通車輛”)允許駛?cè)雽Ｓ玫纼?nèi)，稱為借道協(xié)作;當(dāng)?shù)吐窓?quán)等級車輛從專用道向鄰道換道時，稱為還道協(xié)作。

為了描述專用道車輛協(xié)作的時間和空間尺度，這里引入時間片和空間片概念，時間片是指在某專用道區(qū)域?qū)Φ吐窓?quán)等級車輛開放路權(quán)的時間段，空間片是指向其他車輛開放路權(quán)的連續(xù)的專用道區(qū)域，因此僅在時間片和空間片內(nèi)，普通車輛才可以進行借道協(xié)作實現(xiàn)專用道復(fù)用。車輛通過車載協(xié)作終端感知當(dāng)前車輛位置所在的時間片和空間片信息，同時，建設(shè)路邊設(shè)備，在專用道路邊以一定間隔距離設(shè)置信號燈，每盞信號燈指示在燈后的間隔區(qū)域的時間片和空間片信息，依托車輛與路邊設(shè)備的協(xié)作，行駛獲取時間片和空間片信息。

專用道時分復(fù)用的車路集成環(huán)境由車輛信息、道路交通信息、專用道時分復(fù)用信息組成。通過車載定位傳感設(shè)備采集車輛數(shù)據(jù)，包括BRT車輛位置、速度、站點?？繒r間數(shù)據(jù)，以及普通車輛的速度、加速度、航向角、車車間橫縱間距。車載協(xié)作終端與路邊設(shè)備建立無線通信鏈路，獲取道路交通流和信號配時信息。圖1為車路集成環(huán)境下BRT專用道時分復(fù)用的車輛及車路協(xié)作構(gòu)架。

圖1 車路集成環(huán)境下專用道時分復(fù)用的車輛協(xié)作構(gòu)架Fig.1 Vehicle-Road collaboration frame of TDM based on Vehicle-Infrastructure Integration

2.2 專用道時分復(fù)用的時間片和空間片劃分策略

以交叉口為節(jié)點將專用道分段，以段為單位分析專用道不同位置的交通流和行駛規(guī)則，將專用道分為上游交叉口區(qū)、專用道主區(qū)域、下游交叉口區(qū)域，在每個區(qū)域首和尾分別設(shè)置借道區(qū)和還道區(qū)，規(guī)定車輛在借還道區(qū)內(nèi)完成借還協(xié)作。因為這些區(qū)域內(nèi)專用道在任何時間內(nèi)的路權(quán)開放等級相同，所以空間片是3區(qū)域的連續(xù)的動態(tài)組合。圖2為專用道區(qū)域劃分示意圖。

圖2 BRT專用道區(qū)域劃分示意圖Fig.2 Area division of the BRT-lane

上游交叉口區(qū)域定義從交叉口進口道起始的100～200 m內(nèi)的專用道區(qū)域。如圖3所示，為上游交叉口區(qū)域的時分復(fù)用控制策略，其中Sbus為BRT車輛與借道區(qū)之間距離，這里迫近區(qū)域定義為距借道區(qū)的行程時間小于TR的專用道區(qū)域，搜索區(qū)域定義為距借道區(qū)的行程時間小于TR+TST的專用道區(qū)域。

圖3 上游交叉口區(qū)域時分復(fù)用協(xié)作控制策略流程Fig.3 Control strategy flow of the up cross area

在信號周期T內(nèi)，初始狀態(tài)為禁止專用道復(fù)用狀態(tài)，當(dāng)BRT車輛駛離迫近區(qū)域且沒有其余BRT車輛進入搜索區(qū)域時，開啟專用道時分復(fù)用，當(dāng)BRT車輛進入迫近區(qū)域后結(jié)束復(fù)用，專用道時分復(fù)用的時間片的計算公式為:

式(1)中:Tucross為一個時分復(fù)用信號周期內(nèi)的時間片，只有滿足Tucross＞TST時才分配時間片，s;CR為借還時間安全系數(shù)，無量綱;TST為允許時分復(fù)用的最短時間段(最小時間片)，s。

專用道主區(qū)域介于上游交叉口區(qū)域之間，該區(qū)域的時間片的片長與上游交叉口區(qū)域時間片一致，時間片相位則延遲，延時時間的計算公式為:

式(2)中:VBRT為BRT車輛行駛速度，m/s;Cb為延遲時間路況影響系數(shù)，無量綱;lip為上游交叉口區(qū)域?qū)Ｓ玫缆烦蹋琺。

下游交叉口區(qū)域是指從交叉口渠化段到前50～100 m的專用道區(qū)域。由于該區(qū)域車流密度大，換道情況復(fù)雜，因此以交叉口充當(dāng)換道區(qū)避免車輛在渠化段內(nèi)換道引發(fā)沖突。下游交叉口區(qū)域的時間片計算公式為:

式(3)中:Tdown－cross為時分復(fù)用周期內(nèi)的下游交叉口時間片，滿足Tdown－cross＞ TTC，s;Cs為交叉口排隊長度指數(shù)，為交叉口排隊長度與專用道路程的比值，無量綱。

3 BRT車輛行程時間的預(yù)測

BRT車輛行程時間是劃分專用道時分復(fù)用時間片和空間片的依據(jù)。通過實時采集BRT車輛運行數(shù)據(jù)，以歷史信息為參考，預(yù)測BRT車輛行程時間。

3.1 BRT車輛定位數(shù)據(jù)處理

BRT車輛定位數(shù)據(jù)誤差將影響B(tài)RT行程時間預(yù)測的準(zhǔn)確性，采用路徑匹配算法對BRT車輛定位數(shù)據(jù)進行誤差修正。路徑匹配是將車載定位終端采集的BRT車輛位置信息與BRT行駛的專用道路徑匹配，以專用道位置信息為參照消除定位誤差。首先，建立平面幾何坐標(biāo)下的專用道線段方程，以始發(fā)站位置作為初始定位點，終端以采樣時間tsa采集BRT車輛運行中定位數(shù)據(jù)。然后取修正后得到定位點n－1的位置，n－1的位置在專用道線段上，從n－1出發(fā)沿線段方向行駛，經(jīng)時間tsa后，估計車輛在線段上的位置區(qū)域dn。假設(shè)系統(tǒng)定位誤差為r，以修正前的第n點位置為中心，半徑為r的區(qū)域為定位誤差范圍，計算誤差范圍內(nèi)專用道線段de。最后，de和dn取交集得到線段dp，取dp中點為修正后n定位點位置，修正后n定位點坐標(biāo)計算公式為:

3.2 BRT行程時間預(yù)測模型的建立

根據(jù)BRT車輛運行規(guī)律，分析行程時間構(gòu)成因素，BRT車輛行程時間受站點乘客人數(shù)、交叉口通行狀態(tài)、行駛速度等條件影響。如圖4所示，以交叉口和站點為節(jié)點，將BRT行程時間劃分為節(jié)點停留時間和節(jié)點間行程時間，節(jié)點停留時間由交叉口行程時間和站點?？繒r間組成。BRT行程時間計算公式為:

式(5)中:TSn為站點停靠時間，s;TRn為節(jié)點間行程時間，s;TCn為交叉口行程時間，s。

圖4 專用道節(jié)點分段示意圖Fig.4 The subsection on the rapid BRT －lane

BRT車輛節(jié)點間行程行駛不受鄰道交通流影響，速度變化相對穩(wěn)定，統(tǒng)計每段節(jié)點之間的歷史行程時間，通過時間變化趨勢預(yù)測目前節(jié)點間行程時間。

站點?？繒r間由上下車乘客人數(shù)決定，當(dāng)?shù)秸境丝头喜此煞植紩r，站點?？繒r間預(yù)測模型為:

BRT車輛接近交叉口時，路邊交叉口信號設(shè)備獲取BRT車輛的位置信息，通過提前BRT行駛方向的信號相位或者延長該相位時間的信號協(xié)作方法，減少BRT車輛在交叉口的延誤。交叉口行程時間由交叉口信號配時和排隊長度決定，車輛通過交叉口分為兩種方式:一種是車輛不停車通過交叉口，行程時間設(shè)為;第二種是車輛等待通行相位然后通過交叉口，行程時間設(shè)為。在城市交通信號系統(tǒng)中獲取專用道交叉口當(dāng)前相位，該相位剩余時間，相位時間等信息，計算不同方式下車輛經(jīng)過交叉口的時間公式如下:

式(7)和式(8)中:dcross為交叉口進出口道距離，m;為車輛通過交叉口平均速度，m/s;Tacc為車輛在啟停加速模式下通過交叉口時間，s;為等待信號相位時間，s。

4 車輛借還專用道的換道時間模型

車輛借還專用道的換道過程是指車輛在借道區(qū)換道進入專用道和在還道區(qū)向鄰道換道的駕駛行為。專用時分復(fù)用的車輛換道過程是換道車輛和鄰道車輛間協(xié)作完成的，當(dāng)車輛在換道區(qū)進行換道前，將換道提示信息通過車－車通信網(wǎng)絡(luò)向鄰道及周圍車輛發(fā)布，周圍車輛的車載協(xié)作終端接受到換道消息后且自身車輛處于換道區(qū)的鄰道上游時，則通過減速來預(yù)留出換道空間的方式協(xié)助換道車輛進行換道。同時，車輛接收到當(dāng)前時間片和空間信息，判斷前方的換道區(qū)是否允許車輛換道，若允許則提前做協(xié)助車輛換道的準(zhǔn)備。通過車輛協(xié)作方式完成的換道行為增加了換道的成功率，減少了換道時間，同時增加了換道過程的安全性。

車輛換道時間與自身車型、鄰道車輛密度和車速等因素有關(guān)。鄰道車輛行駛狀態(tài)作為參考，分析車輛換道情況，當(dāng)鄰道車輛之間的距離大于車輛換道所需空間時可以換道，則車輛密度符合如下關(guān)系:

式(9)中:KJ為換道成功車輛密度臨界點，n/m;Llane為該段專用道長度，m;ulc、uhc為換道和鄰道車輛長度當(dāng)量，m。

當(dāng)鄰道車輛密度滿足K＞KJ時，車輛無法完成換道，必須等待至密度滿足K＜KJ時才有換道空間。以車輛密度臨界值KJ為條件，車輛借還專用道的換道時間模型為:

式(10)中:在K＞KJ條件下，TR為借道車輛從停止等待到換道成功的時間，s;在0＜K＜KJ條件下，TR為車輛減速換道行為下的換道時間;Larea為換道區(qū)長度，m;QI為鄰道交通流量;Vn為鄰道車速，m/s;Vf為鄰道最高限速，m/s;uv為車型系數(shù)，無量綱;Z為車輛密度參數(shù)，無量綱;Tk為鄰道密度消散至小于KJ所用時間，s。

5 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

以杭州BRT一號線(B1線)專用道作為時分復(fù)用車輛協(xié)作方法的實驗線路，目前 B1線全長28 km，沿線共有15對?？空竞?2個干線交叉口，運營車輛超過40輛。

在實驗前首先搭建B1線車輛信息采集系統(tǒng)，在BRT車輛安裝信息采集終端，建立了BRT車輛信息數(shù)據(jù)中心;采用LED顯示屏顯示專用道信息代替時分復(fù)用信號燈，開發(fā)時分復(fù)用信號控制軟件，建立時分復(fù)用信號顯示系統(tǒng);在實驗車安裝車載雷達、胎壓傳感器、陀螺儀、有源RFID等傳感和通信設(shè)備，實現(xiàn)與路邊設(shè)備無線通信，構(gòu)建實驗環(huán)境下的車路集成平臺。

在車輛信息采集系統(tǒng)下使用逐秒高頻采樣的方法采集2010年2月B1線車輛行程時間，統(tǒng)計路段、站點、交叉口行程時間，作為歷史行程時間數(shù)據(jù)。表1為B1線部分站點平均停靠時間統(tǒng)計。

表1 杭州市B1線路部分站點歷史平均停靠時間Table 1 The average historical stop time of parts of stops on the B1 lane in Hangzhou

續(xù)表

面向?qū)Ｓ玫罆r分復(fù)用的BRT行程時間預(yù)測屬于短時行程時間預(yù)測。圖5為杭州BRT一號線車輛在30 min以內(nèi)行程時間實驗預(yù)測值與實際采集值關(guān)系，其中，當(dāng)預(yù)測時間小于600 s，預(yù)測值與實際值如表2所示，預(yù)測時間的誤差不會超過35 s，其誤差率在9%以內(nèi)。

表2 BRT行程時間預(yù)測誤差Table 2 The deviation of predicting the BRT travel time

圖5 BRT車輛行程時間實驗預(yù)測值與實際采集值關(guān)系Fig.5 The relationship of predicted value and actual value of the rapid bus travel time

以車輛從匝道向主車道合流的換道駕駛行為模擬專用道內(nèi)車輛在還道區(qū)域的換道駕駛行為，采集實驗車從匝道口換道時間驗證借道車輛換道時間模型的可靠性。選取杭州上德立交的德勝路西向東進入上塘高架北向南方向的匝道，匝道為單車道，高架主車道為兩車道，匝道口可換道距離為8～10 m。檢測2011年8月12日至13日上午8∶00至12∶00，下午2∶00至19∶00點匝道口的鄰道交通流、車行速度以及實驗車從匝道口進入主車道時間。

圖6為車輛在0＜K＜KJ時，不同鄰道速度下匝道車輛換道時間和速度的變化關(guān)系，在固定車型下，實驗的數(shù)據(jù)得到擬合曲線符合模型中的鄰道車道車速與換道時間關(guān)系，由該擬合曲線確定模型的車輛密度參數(shù)z的近似值。

圖6 車輛換道時間與路段車輛速度關(guān)系Fig.6 The relationship of vehicle lane-changing time and vehicle speed on the same road

表3為車輛在K＞KJ下?lián)Q道時間統(tǒng)計，表4為不同交通流狀況下模型估計時間與實驗值之間比較，其中鄰道速度小于5 km/h時，視為在K＞KJ條件下的換道模式，其誤差為15%。在鄰道速度區(qū)間在5～20 km/h下，誤差為13%，鄰道速度越大誤差越小。當(dāng)車速大于40 km/h時誤差小于10%，一般車輛用于還道的換道時間不超過10 s，每輛車換道時間的估計誤差平均在1 s以內(nèi)，當(dāng)借還時間安全系數(shù)CR取值大于1.1時即消除誤差影響。

表3 匝道車輛在停啟模式下?lián)Q道時間Table 3 Lane-changing time of the vehicle under stop-start situation

表4 車輛在還道區(qū)域的換道時間估計值與實驗值比較Table 4 Compare the actual value with estimation of vehicle lane-changing time

6 結(jié)語

車路集成環(huán)境下的專用道時分復(fù)用的車路協(xié)作技術(shù)以車路信息為依據(jù)，對專用道時分復(fù)用的時間片和空間準(zhǔn)確劃分，通過車路協(xié)作實現(xiàn)專用道路權(quán)動態(tài)配置的目的。通過搭建專用道時分復(fù)用的實驗環(huán)境，得到的實驗數(shù)據(jù)表明，基于車路協(xié)作技術(shù)的專用道時分復(fù)用控制模型符合實際BRT環(huán)境要求，可以準(zhǔn)確預(yù)測車路信息，專用道車輛換道協(xié)作技術(shù)適用于專用道的時分復(fù)用過程。隨著城市BRT專用道里程數(shù)不斷增長，車路智能化技術(shù)提高，以及城市車路集成環(huán)境下專用道換道協(xié)作技術(shù)的完善，通過時分復(fù)用的車路協(xié)作技術(shù)提高專用道資源利用率具有現(xiàn)實意義。

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