基于預(yù)信號(hào)的交叉口公交相位插入策略設(shè)計(jì)

華璟怡 任 剛 于 晨

(東南大學(xué)交通學(xué)院,南京210096)

面對(duì)我國(guó)城市交通壓力持續(xù)增加、交通擁堵日趨嚴(yán)重的現(xiàn)狀,作為公交優(yōu)先重要組成部分的公交信號(hào)優(yōu)先(transit signal priority,TSP)能夠有效減少公交車輛在交叉口的延誤,提高其準(zhǔn)點(diǎn)率和服務(wù)水平.在TSP的幾類控制方法中,主動(dòng)式公交信號(hào)優(yōu)先具有能夠根據(jù)實(shí)時(shí)狀況調(diào)整控制參數(shù)、易于在工程實(shí)踐中運(yùn)用等優(yōu)點(diǎn),因此在歐美國(guó)家得到了廣泛的運(yùn)用,并取得了很大的成功[1].

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)主動(dòng)式單點(diǎn)公交信號(hào)優(yōu)先的研究主要集中在綠燈延長(zhǎng)和紅燈縮短這2種策略的控制邏輯[2-5]設(shè)計(jì)及延誤分析[6-9]上,而對(duì)其他策略的研究較少.在歐美國(guó)家交叉口大量采用兩相位信號(hào)控制的情況下,綠燈延長(zhǎng)和紅燈縮短能夠有效地減少公交車輛在交叉口的延誤.但對(duì)于我國(guó)主要交叉口采用的多相位信號(hào)控制方式,這2種策略缺乏對(duì)通行方向?yàn)榧t燈信號(hào)且下一個(gè)執(zhí)行相位仍為紅燈信號(hào)的進(jìn)口道上公交車輛的優(yōu)先服務(wù).

本文將采用主動(dòng)式單點(diǎn)公交信號(hào)優(yōu)先中公交相位插入策略來解決上述問題,并提出以預(yù)信號(hào)的方式來實(shí)現(xiàn)這一策略的實(shí)際運(yùn)用.

1 公交相位插入策略

公交相位插入策略是在正常的相位相序中為公交車輛增加一個(gè)特定的相位[10].其作用原理如圖1所示:當(dāng)車輛檢測(cè)器檢測(cè)到公交車輛到達(dá)交叉口時(shí),若公交車輛的通行方向?yàn)榧t燈信號(hào),且交叉口當(dāng)前相位的下一個(gè)執(zhí)行相位仍不允許公交車輛通過時(shí),在當(dāng)前相位和下一相位之間插入一個(gè)公交專用相位,為公交車輛提供信號(hào)優(yōu)先.

圖1 公交相位插入策略作用原理

另一方面,相位最大壓縮時(shí)間是執(zhí)行公交相位插入策略的關(guān)鍵,而相位最大壓縮時(shí)間取決于各相位的交通狀態(tài).如圖2所示,根據(jù)交叉口進(jìn)口道綠燈時(shí)間內(nèi)車輛通過時(shí)車頭時(shí)距的變化情況,可以將綠燈時(shí)間g劃分為飽和綠燈時(shí)間ga和富裕綠燈時(shí)間gb兩個(gè)階段,富裕綠燈時(shí)間即為該相位的最大壓縮時(shí)間.對(duì)于公交相位插入策略而言,通過壓縮當(dāng)前相位和下一相位的富裕綠燈時(shí)間,對(duì)后續(xù)相位的富裕綠燈時(shí)間進(jìn)行調(diào)整,以此來提供插入公交相位的通行時(shí)間.

圖2 交叉口進(jìn)口道排隊(duì)累積示意圖

2 策略設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)信號(hào)控制下交叉口進(jìn)口道設(shè)置

預(yù)信號(hào)控制方法是在交叉口進(jìn)口道的通行區(qū)域內(nèi)設(shè)置前后2條停車線,通過設(shè)置在后一條停車線上的預(yù)信號(hào)來控制非優(yōu)先車輛的通行.即預(yù)信號(hào)為紅燈時(shí),非優(yōu)先車輛在預(yù)信號(hào)控制停車線之后等待,而公交車輛可以直接進(jìn)入主信號(hào)控制的前一條停車線之后的公交候駛區(qū)排隊(duì)等待[11].

公交相位插入策略的實(shí)施需要在正常的相位相序中增加一個(gè)相位,由于公交車輛混雜在非優(yōu)先車輛中,因此插入相位的持續(xù)時(shí)間難以確定.對(duì)此,本文考慮運(yùn)用預(yù)信號(hào)控制方法將公交車輛從非優(yōu)先車輛中分離出來,僅為公交車輛提供優(yōu)先信號(hào),實(shí)現(xiàn)策略的實(shí)際運(yùn)用.

針對(duì)我國(guó)多相位信號(hào)控制交叉口沖突車輛的時(shí)空分離、交叉口公交專用車道未普遍設(shè)置及右轉(zhuǎn)車道排隊(duì)較少的特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的預(yù)信號(hào)控制下交叉口進(jìn)口道的設(shè)置方法:當(dāng)公交車輛行駛至交叉口,發(fā)現(xiàn)預(yù)信號(hào)為紅燈時(shí),公交車輛將通過右轉(zhuǎn)車道進(jìn)入公交候駛區(qū),等待優(yōu)先控制系統(tǒng)判斷是否插入公交相位.

圖3 利用右轉(zhuǎn)車道實(shí)現(xiàn)預(yù)信號(hào)控制的布局方法

2.2 控制邏輯設(shè)計(jì)

當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到公交優(yōu)先申請(qǐng)時(shí),優(yōu)先控制系統(tǒng)能夠根據(jù)交叉口的實(shí)際情況判斷是否提供優(yōu)先信號(hào)及分配各相位的壓縮時(shí)間,本文設(shè)計(jì)策略的邏輯控制如圖4所示.

圖4 公交相位插入策略的控制邏輯圖

2.3 控制參數(shù)確定

針對(duì)控制邏輯設(shè)計(jì)中需要確定各相位壓縮時(shí)間的要求,本文提出了壓縮時(shí)間確定方法:保證交叉口各進(jìn)口道上車輛不會(huì)因?yàn)椴呗缘膶?shí)施而二次停車;能夠根據(jù)相位持續(xù)時(shí)間按比例分配壓縮時(shí)間,均衡各進(jìn)口道交通負(fù)荷.假設(shè)交叉口的信號(hào)控制為n相位,則控制參數(shù)模型可分為如下3種.

1) 當(dāng)前相位壓縮時(shí)間gxi

通過壓縮當(dāng)前相位為公交相位提供通行時(shí)間，即

gxi=min(gx,gbi,gt)

(1)

式中,gx為插入公交相位持續(xù)時(shí)間;gbi為相位i的富裕綠燈時(shí)間;gt為相位結(jié)束時(shí)刻ts與公交到達(dá)停車線時(shí)刻t0之差.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

3 交通效益評(píng)價(jià)

3.1 車均延誤計(jì)算模型

設(shè)公交車流飽和流率為sb,非優(yōu)先車流飽和流率為sn,公交車流流率為qb,非優(yōu)先車流流率為qn,周期長(zhǎng)度為T,周期內(nèi)紅燈時(shí)間為r,公交相位插入時(shí)刻為t1,插入公交相位時(shí)間為gx.通過排隊(duì)累積圖示法對(duì)基于預(yù)信號(hào)的公交相位插入策略的正負(fù)交通效益進(jìn)行分析.

根據(jù)圖5中延誤三角形的幾何關(guān)系,可以得到公交車輛車均延誤降低量的計(jì)算公式為

(7)

根據(jù)圖6中延誤三角形的幾何關(guān)系,可以得到非優(yōu)先車輛車均延誤增加量的計(jì)算公式為

(8)

3.2 延誤對(duì)比分析

假設(shè)一交叉口為四相位信號(hào)控制,其參數(shù)為T=120 s,每一相位持續(xù)時(shí)間為30 s,gx=5 s,sb=1 000 veh/h,sn=1 600 veh/h.同時(shí),假設(shè)飽和度w在0.50～0.90之間變化,公交車流流率qb=250wveh/h,非優(yōu)先車流流率qn=400wveh/h.

圖5 公交車輛延誤分析

圖6 非優(yōu)先車輛延誤分析

根據(jù)式(7)、(8)計(jì)算得到公交車輛車均延誤減少量及非優(yōu)先車輛車均延誤增加量(其中公交相位插入時(shí)刻分為25及55 s兩種),如表1所示.

表1 策略效果與交叉口飽和度的關(guān)系

可以看出,在執(zhí)行公交相位插入策略的情況下,不同交叉口飽和度公交車輛的車均延誤減少量均超過了非優(yōu)先車輛的車均延誤增加量,因而證明策略是有效的.且非優(yōu)先車輛車均延誤增加量均不超過5 s,對(duì)交叉口的整體服務(wù)水平影響不大,與此同時(shí),在較低的交叉口飽和度條件下,公交車輛的服務(wù)水平卻有極大的增加.另一方面,隨著交叉口飽和度的提高,執(zhí)行策略的效果不斷下降,當(dāng)交叉口飽和度超過0.9后,策略的恢復(fù)期很長(zhǎng),執(zhí)行效果不再明顯,且會(huì)帶來?yè)p失時(shí)間的增加及交叉口復(fù)雜程度的提高,這也驗(yàn)證了交叉口飽和度應(yīng)不大于0.9的判斷.

4 仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證基于預(yù)信號(hào)的公交相位插入策略的有效性,本文采用VISSIM3.70微觀仿真軟件對(duì)南京市丹鳳街-大石橋街四相位交叉口策略執(zhí)行前后分別建立仿真模型,并對(duì)公交車輛平均延誤及非優(yōu)先車輛平均延誤進(jìn)行前后對(duì)比分析.

交叉口4個(gè)進(jìn)口道的幾何布局形式均為:3個(gè)專用進(jìn)口車道(左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)各一)和2個(gè)出口車道.交叉口的信號(hào)配時(shí)為南北直行(37 s)、南北左轉(zhuǎn)(17 s)、東西直行(29 s)、東西左轉(zhuǎn)(13 s).所有車輛右轉(zhuǎn)均無限制.實(shí)際調(diào)查流量如表2所示.

表2 丹鳳街-大石橋街交叉口高峰小時(shí)流量表 veh/h

在仿真階段,每次仿真時(shí)段取4 000 s,其中包括400 s路網(wǎng)車流初始化階段.由于仿真的隨機(jī)性,在本次仿真中對(duì)方案做10次仿真運(yùn)行.運(yùn)行得到延誤對(duì)比如表3所示.

表3 非優(yōu)先車輛延誤仿真對(duì)比 s/veh

從表3中可以看到,10次策略實(shí)施前后的仿真對(duì)比中,公交車輛的車均延誤平均值由26.82 s下降為16.22 s,降幅接近40%;同時(shí),策略執(zhí)行下非優(yōu)先車輛的車均延誤平均值由26.82 s上升為30.61 s,升幅不到15%.相比于交叉口公交車輛服務(wù)水平，則由C級(jí)提升為B級(jí),非優(yōu)先車輛服務(wù)水平維持在C級(jí)不變,策略的實(shí)施對(duì)交叉口的整體運(yùn)行影響不大.

5 結(jié)語

本文研究了一種適用于多相位信號(hào)控制交叉口的公交相位插入策略的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與仿真.策略運(yùn)用了預(yù)信號(hào)控制方法實(shí)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)用,并通過控制參數(shù)計(jì)算模型保證各進(jìn)口道不會(huì)超飽和.同時(shí),為保證交叉口運(yùn)行的平穩(wěn)性,本文提出的優(yōu)先策略僅為在正常配時(shí)下到達(dá)的公交車輛提供信號(hào)優(yōu)先,而對(duì)于在策略恢復(fù)期到達(dá)的車輛,無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)先.最后,策略的效益評(píng)價(jià)和實(shí)例仿真的結(jié)果表明,策略的實(shí)施能夠在不顯著增加非優(yōu)先車輛延誤的同時(shí),有效減少公交車輛的延誤;但策略的效益會(huì)隨著交叉口飽和度的增加而降低,當(dāng)交叉口飽和度超過0.9后,策略的實(shí)施將失去意義.

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